厭氧氨氧化應用的研究

厲 巍 李 靜 李 龍

厭氧氨氧化應用的研究

厲 巍 李 靜 李 龍

厭氧氨氧化的發現為在廢水處理中實現高效、低耗、可持續性的脫氮奠定了堅實的基礎。因此，該技術的研究也成為近幾年水處理方向的熱點。擬從厭氧氨氧化的發現及反應原理入手，綜述了厭氧氨氧化的應用方面的研究進展，并介紹了工藝存在的問題和相應的對策。

厭氧氨氧化; 應用; 問題和對策

隨著低碳觀念的深入人心，未來的城市生活污水將向低碳源高氨氮的方向變化。這對傳統的水處理將是一種挑戰，碳源不足必將成為最主要的問題，而這方面的研究也將隨之成為水處理的熱點。厭氧氨氧化的發現可以說是目前最有前途的一種脫氮途徑。在這一過程中，氨與亞硝酸鹽直接反應生成氮氣，氨作為電子供體，亞硝酸鹽作為電子受體。而且厭氧氨氧化是自養的微生物過程，不需外加碳源，污泥產率低。與部分硝化工藝相結合，更能減少需氧量50%—60%。這種可持續污水處理技術引起了許多學者的研究興趣。

1 厭氧氨氧化的概述

1990年,Mulder等人在反硝化流化床研究中觀察到氨的消失,并計算出氨去除速率最大可達到0.4kgN/m3·d,還發現隨著氨的轉化,硝酸根逐漸消失,并伴有氣體產生。因此,他們猜測在厭氧條件下,反應器內可能存在以硝酸根為電子受體的氨的氧化反應。隨后,他們進行了一系列的深入研究,證明了在氨轉化過程中此假定的存在,并起名為厭氧氨氧化(Anaerobic Ammonia Oxidation,ANAMMOX)[1]。1997年,van de Graaf等人用15N標記NH4+的試驗發現:ANAMMOX反應中生成高達98.2%的N2是14N和15N,僅1.7%的N2是15N[2]。這表明,ANAMMOX的代謝途徑更可能為:圖1

圖1 Anammox的可能代謝途徑

2 厭氧氨氧化的應用

任何一種工藝或技術的發展，其最終目的,必定是要運用到解決實際問題上來,ANAMMOX也不例外。盧俊平等[3]用亞硝化-厭氧氨氧化組合工藝處理高氨氮模擬廢水，NH3-N和TN的平均去除率分別達96%和76.1%。研究表明，系統的處理效果直接受限于亞硝化反應器出水NH3-N和NO2-N的濃度比。有機物雖然在一定程度上降低厭氧氨氧化的生物脫氮效率，但是在高氨氮、低碳氮比的水質條件下并不會對厭氧氨氧化菌的活性及工藝的脫氮性能產生嚴重影響。

由于厭氧氨氧化技術適合于處理碳氮比較低的廢水,目前的研究對象主要有豬糞廢水，消化污泥上清液、垃圾滲濾液等。

厭氧氨氧化技術適合于處理低碳源的廢水,目前的研究對象主要為豬糞廢水，消化污泥上清液、垃圾滲濾液等。YAMAMOTO等[4]用ANAMMOX工藝處理豬糞廢水, 其后運行的70 d進水轉為連續流方式,維持NLR為0.22 kg/(m3·d),結果表明脫氮效果良好,厭氧氨氧化菌由紅色變為灰黑色,NO2-N消耗量和NO3-N的生成量同時下降,厭氧氨氧化反應比率(即NH4+-N消耗量∶NO2-N消耗量∶NO3-N生成量)為1.00∶1.67∶0.53,與之前報道的不同(1.00∶1.32∶0.26)。在氮負荷為1.0 kg/(m3·d)時,運行120 d后取得了穩定的部分亞硝化效果,未出現NOB對抑制物(氨和HNO2)的適應性,NH4+轉化為NO2-N和NO3-N的轉化率分別約為58%和5%; 由于NO3-N濃度的增加會提高ANAMMOX工藝的后續處理成本,所以如何消除NO-3-N累積值得深入研究。

消化污泥上清液作為ANAMMOX工藝最初的處理對象,目前的研究報道相對較多,但鑒于該工藝仍存在一些沒有解決的技術難題,目前僅有荷蘭Dokhaven污水處理廠一個生產規模的運行實例。國內的相關報道相對較少,同濟大學吳永華等[5]通過小試初步驗證了硝化-厭氧氨氧化組合反應器處理城市厭氧消化污泥濾液的可行性,水力停留時間為30 h,總氮容積負荷達到493. 4 kg·m-3d-1時,其去除率約為71%。

深圳市下坪固體廢棄物填埋場滲濾液處理廠[6]在一年多的運行過程中,發現控制溶解氧在1mg·L-1左右,進水氨氮lt;800 mg·L-1,氨氮負荷lt;0. 46 kg·m-3d-1的條件下, SBR反應器中實現了CANON工藝,氨氮去除率gt;95%,總氮去除率gt;90%。湖南大學徐崢勇[7]等采用自主設計的序批式生物膜反應器(SBBR),以長沙市某垃圾填埋場滲濾液為處理對象,也實現了單級的厭氧氨氧化過程,環境溫度控制在(32±0. 4)℃,經過58 d的馴化和33 d的穩定,反應器的脫氮效率最高可達95%。

3 厭氧氨氧化工藝存在的主要問題及對策

厭氧氨氧化工藝的發展為實現高效低耗，尤其是在倡導“低碳”的今天，開辟了新的脫碳研究方向。由于起步較晚,在實際應用過程中，仍有許多問題亟待解決：

3.1厭氧氨氧化菌倍增時間長,培養環境要求苛刻，因此,如何縮短其倍增時間,促進其快速繁殖,對于ANAMMOX工藝的實際應用具有重要的現實意義。同時,對如何縮短厭氧氨氧化反應器的啟動時間、優化工藝參數、提高效率等方面也有必要進行深入研究。

3.2高有機物濃度，高濃度NH+4-N和硝態氮等存在對ANAMMOX反應也有抑制作用，所以有必要對厭氧氨氧化反應的微生物相進行深入研究,真正了解該類微生物的最佳生長代謝條件及其生長繁殖緩慢的根本原因。

3.3系統反應所需要的溫度較高,實際水處理很難達到。在較低溫度條件下,ANAMMOX菌活性難以提高,考慮到城市污水處理工程的實際情況,相對于升高溫度和增加非曝氣反應時間。對于兩種途徑來說,適當提高ANAMMOX菌生物量,可能是提高ANAMMOX工藝脫氮效果的優選途徑。

總括起來, 一是要加強對微生物的特性的了解，二是要對ANAMMOX反應的機理、代謝方式和菌種馴化技術等方面進行研究,三是要在宏觀上優化工藝的條件,結合實際情況進行工藝改良,并在實驗室小試實驗成果的基礎上積極進行推廣,以利于實現厭氧氨氧化工藝的普遍化。

4 結語

厭氧氨氧化是目前比較先進，比較理想的一種可持續脫氮工藝。與其它脫氮工藝相比，實現了氨氮的短途徑轉化,具有極大的優越性。目前,雖然厭氧氨氧化工藝的研究還不夠成熟,但其先天具有的可持續優越性,為其后續的發展普及奠定了堅實的基礎。

[1] Mulder A,Van de Graaf A.A.et al.FEMS Microbiology Ecology.1995,16:177-184.

[2] van de Graaf A.A ,de Bruijnp, Robertson LA et.al.Metabolic pathway of anaerobic ammonium oxidation on the basis of 15N studies in a fluidized bed reactor,1997,143:2415-2421.

[3]盧俊平，杜兵，孫艷玲等.亞硝化-厭氧氨氧化組合工藝脫氮研究[J].中國給水排水,2006,22(15):40-43

[4] YAMAMOTO T,TAKAKI K,KOYAMA T,et al.Long-termstability of partial nitritation of swine wastewater digester liquor and its subsequent treatment by Anammox[J].Bioresour.Technol.,2008,99(14):6419-6425.

[5]吳永華,王勁,崔力明.硝化-厭氧氨氧化組合反應器的運行和評價[J].工業用水與廢水, 2004, 35(2):10-13.

[6]孟 了,陳 永,陳 石. CANON工藝處理垃圾滲濾液中的高濃度氨氮[J].給水排水,2004, 30(8):24-29.

[7]徐崢勇,楊朝暉,曾光明等.序批式生物膜反應器(SBBR)處理高氨氮滲濾液的脫氮機理研究[J].環境科學學報, 2006, 26(01): 55-60.

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(責任編輯：張欽祥 鄭英玲)

ApplicationofANAMMOX

Li Wei Li Jing Li Long

The discovery and application of ANAMMOX supplied us with a new way to achieve the efficiency , low consumption and sustainability in sewage treatment. So, the study in ANAMMOX has become popular in recent years. This paper summarizes the discovery and the reaction principle of ANAMMOX , reviews the application of ANAMMOX fields and discusses the problems and countermeasures in dealing with the problems .

ANAMMOX ; application; problems and countermeasures

厲巍，學生，中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇·徐州。郵政編碼：221000

1672-6758(2011)02-0051-2

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