厭氧氨氧化影響因素與工藝研究進(jìn)展

甘雨林

摘 要：本文概述了厭氧氨氧化的反應(yīng)機(jī)理以及溫度、基質(zhì)濃度、溶解氧、有機(jī)物等因素對(duì)厭氧氨氧化過程的影響，并且以鹿特丹DOKHAVEN水廠和西安市第四污水處理廠為例，分析了厭氧氨氧化的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：厭氧氨氧化;污水處理;影響因素;脫氮

中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）16-0114-03

Abstract： This paper summarized the reaction mechanism of ANAMMOX and the effects of temperature， substrate concentration， dissolved oxygen and organic matter on the process of anammox. Taking DOKHAVEN water plant in Rotterdam and Xi'an No. 4 sewage treatment plant as examples， this paper analyzed the practical application of anammox.

Keywords： anaerobic ammonium oxidation;sewage treatment;nitrogen removal

現(xiàn)如今，我國有機(jī)污染物得到有效遏制，但在部分水體中仍存在水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。造成該現(xiàn)象的一部分原因是經(jīng)污水廠處理后的污水氨氮和總氮未達(dá)標(biāo)。我國在城市污水處理方面，隨著國家對(duì)出水水質(zhì)要求的提高，利用傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)處理污水已經(jīng)很難滿足國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)存在以下問題：①總氮去除率低，脫氮效果差，處理后的水質(zhì)難以達(dá)標(biāo);②運(yùn)行能耗和處理成本高;③處理系統(tǒng)穩(wěn)定性偏差;④剩余污泥產(chǎn)量大;⑤處理過程伴隨著溫室氣體的大量排放。

為此，研究人員不斷對(duì)污水脫氮工藝進(jìn)行優(yōu)化并開發(fā)新型污水脫氮工藝。厭氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，ANAMMOX）工藝[1]作為一種新型工藝，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。ANAMMOX工藝具有無須外加碳源、無須曝氣、溫室氣體產(chǎn)量小、污泥產(chǎn)量少、脫氮效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著研究的不斷深入，現(xiàn)在世界上已經(jīng)有一小部分污水處理廠采用ANAMMOX工藝進(jìn)行污水脫氮。ANAMMOX在污水處理方面具有巨大的潛力，但是，由于厭氧氨氧化菌（Anaerobic Ammonia Oxidation Bacteria，AnAOB）存在倍增時(shí)間較長、難以持留等問題，導(dǎo)致其不能規(guī)?；瘧?yīng)用。本文圍繞ANAMMOX工藝反應(yīng)機(jī)理、影響因素、工藝發(fā)展、實(shí)際運(yùn)用情況進(jìn)行綜述，并對(duì)制約該工藝應(yīng)用的瓶頸進(jìn)行分析，為后續(xù)厭氧氨氧化工藝的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 厭氧氨氧化的反應(yīng)機(jī)理

目前，學(xué)者公認(rèn)的ANAMMOX反應(yīng)模型有兩種。第一種是以NH2OH為中間體的反應(yīng)模型，該模型由Graaf等通過同位素標(biāo)記15N提出[2]。[NO-2]先被還原成[NH2OH]，然后AnAOB以[NH2OH]為電子受體將[NH+4]氧化為[N2H4]，最終[N2H4]經(jīng)過兩次氧化成為N2?；?5N標(biāo)記的ANAMMOX代謝途徑如圖1所示。

第二種是以[NO]為中間體的反應(yīng)模型。該模型由Kartal等[3]通過Kuenenia.stuttgartiensis基因組學(xué)提出。首先[，NO-2]在亞硝酸鹽還原酶（Nitrite Reductase，NiR）作用下還原成[NO]，之后[NO]和[NH+4]在聯(lián)氨水解酶（Hydrazine Hydrolase，HH）作用下生成[N2H4]，最后[N2H4]在羥胺氧化還原酶（Hydroxylamine Oxidoreductase，HAO）作用下生成N2?；贙uenenia.stuttgartiensis基因組學(xué)的ANAMMOX代謝途徑如圖2所示。

2 厭氧氨氧化的影響因素

AnAOB是化能自養(yǎng)菌，其生長緩慢，倍增時(shí)間較長。經(jīng)大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，影響AnAOB進(jìn)行ANAMMOX反應(yīng)的主要因素有溫度、基質(zhì)濃度、溶解氧、有機(jī)物等。

2.1 溫度

AnAOB最適宜生長的溫度為25～40 ℃，當(dāng)溫度降低到15 ℃以下時(shí)，ANAMMOX活性會(huì)顯著降低。LAURENI等人通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從29 ℃降至12.5 ℃時(shí)，ANAMMOX的反應(yīng)速率從465 mgN/（L·d）降至46 mgN/（L·d），而且AnAOB的倍增時(shí)間將從18 d增加至79 d[4]。LI等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從25～35 ℃降至10～15 ℃時(shí)，氮的去除負(fù)荷從1.67～1.82 kgN/（m3·d）降至0.48 kgN/（m3·d），但當(dāng)溫度回升至18 ℃時(shí)，氮的去除負(fù)荷恢復(fù)到1.32 kgN/（m3·d） [5]。DOSTA等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度提升至45 ℃時(shí)，厭氧氨氧化反應(yīng)受到嚴(yán)重的抑制作用，并且高溫導(dǎo)致厭氧氨氧化菌的失活是不可逆轉(zhuǎn)的[6]。

2.2 基質(zhì)濃度

根據(jù)厭氧氨氧化反應(yīng)可知，[NH+4]和[NO-2]必須同時(shí)存在時(shí)，才能進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)，并且改變[NH+4]和[NO-2]的濃度或者比值會(huì)對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生影響。安芳嬌等采用厭氧氨氧化反應(yīng)器（ASBR）處理模擬生活污水，考察低基質(zhì)比、降溫方式及pH對(duì)系統(tǒng)脫氮性能的影響[7]。LI等通過研究發(fā)現(xiàn)，氨氮和亞硝酸鹽濃度過高，會(huì)使厭氧氨氧化反應(yīng)受限，尤其是亞硝酸鹽濃度過高時(shí)，會(huì)對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生明顯的毒性作用[8]。錢俊偉等采用升流式厭氧流化床反應(yīng)器，研究高濃度厭氧氨氧化工藝的脫氮效能。結(jié)果表明：總氮容積負(fù)荷為2.52 kgN/（m3·d）時(shí)，總氮去除負(fù)荷為1.29 kgN/（m3·d）;當(dāng)總氮容積負(fù)荷提升至3.20 kgN/（m3·d）時(shí)，總氮去除負(fù)荷降至1.08 kgN/（m3·d），但是當(dāng)采用150%的回流時(shí)，可有效緩解高濃度基質(zhì)對(duì)厭氧氨氧化菌的活性抑制[9]。

2.3 溶解氧

眾多學(xué)者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，AnAOB屬于厭氧菌，ANAMMOX反應(yīng)容器中溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）的存在會(huì)抑制AnAOB的活性。EGLI等通過研究發(fā)現(xiàn)，在1%氧飽和度下，AnAOB會(huì)產(chǎn)生可逆抑制，氧飽和度超過18%時(shí)，AnAOB會(huì)產(chǎn)生不可逆抑制[10]。張杰等通過研究發(fā)現(xiàn)，采用缺氧、好氧時(shí)間比為4 min∶2 min的曝氣方式時(shí)，氨氧化細(xì)菌（AOB）在與亞硝酸鹽氧化菌（NOB）競(jìng)爭的過程中處于優(yōu)勢(shì)地位，[NO-2]積累率高達(dá)95%[11]。FUMIN等在研究如何快速啟動(dòng)短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝時(shí)，第一階段（1～26 d）采用間歇曝氣，并保持溶解氧（DO）濃度在0.3～0.8 mg/L。一周之后，反應(yīng)器開始出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，同時(shí)開始進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)，但此時(shí)亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的活性沒有得到有效抑制[12]。

2.4 有機(jī)物

AnAOB作為一種以CO2為主要碳源的化能自養(yǎng)型微生物，足夠的無機(jī)碳能促進(jìn)其生長，增強(qiáng)AnAOB的活性。然而，過多有機(jī)碳往往會(huì)對(duì)AnAOB產(chǎn)生抑制作用。MOLINUEVO等通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著有機(jī)碳濃度的增加，反硝化菌在與厭氧氨氧化菌爭奪反應(yīng)基質(zhì)中逐漸占優(yōu)勢(shì)，最終厭氧氨氧化菌被完全抑制[13]。嚴(yán)子春等通過研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）濃度為30 mg/L和60 mg/L時(shí)，總氮去除率分別為89.18%和94.51%，但當(dāng)進(jìn)水化學(xué)需氧量（COD）濃度為90 mg/L時(shí)，總氮去除率下降至89.05%。這說明適宜的有機(jī)物濃度可使反硝化與厭氧氨氧化高效耦合，從而提升脫氮效率[14]。

3 厭氧氨氧化的實(shí)際應(yīng)用

3.1 短程硝化耦合厭氧氨氧化（PNA）工藝的實(shí)際應(yīng)用

世界上首座ANAMMOX實(shí)際工程在2002年被荷蘭帕克公司應(yīng)用于鹿特丹DOKHAVEN水廠[15]。DOKHAVEN水廠主要處理來自鹿特丹市中心、南部與西部部分地區(qū)的城市污水。DOKHAVEN水廠采用兩段式SHARON（Single Reactor for High Ammonium Removal Over Nitrite，中溫亞硝化）+ANAMMOX系統(tǒng)處理污泥消化液，其工藝為短程硝化耦合厭氧氨氧化（Partial Nitrification and ANAMMOX，PNA），進(jìn)水氨氮濃度在1 200 mg/L左右，ANAMMOX反應(yīng)器設(shè)計(jì)容積為70 m3，設(shè)計(jì)處理量為500 kgN/d，總氮去除負(fù)荷成功啟動(dòng)后能夠達(dá)到10 kg/（m3·d），占地面積僅為同規(guī)模污水處理廠占地面積的1/4[16]。DOKHAVEN水廠在2002年的改造升級(jí)中不僅節(jié)省了土地資源，而且節(jié)約了能源。同時(shí)，該水廠的升級(jí)改造也證實(shí)了ANAMMOX工藝具有巨大潛力。國外采用主流短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝，運(yùn)行較為成功的污水處理廠為新加坡樟宜回用水處理廠。該水廠目前是新加坡日處理城市污水量最大的回用水處理廠，日處理量高達(dá)8×105 t[17]。其工藝采用五點(diǎn)分段進(jìn)水活性污泥工藝，水力停留時(shí)間為5.8 h，污泥齡為5 d。由于其地理位置和氣候條件的影響，污水水溫長時(shí)間保持在28～32 ℃，這也是樟宜回用水廠能實(shí)現(xiàn)短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PNA）穩(wěn)定運(yùn)行的先天優(yōu)勢(shì)。樟宜回用水廠與新加坡其他水廠相比，能耗降低達(dá)60%，產(chǎn)泥率降低達(dá)80%[18]。

3.2 短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PDA）工藝的實(shí)際應(yīng)用

國內(nèi)采用ANAMMOX工藝并且運(yùn)行較為成功的污水處理廠為西安市第四污水處理廠。西安市第四污水處理廠是我國最早一批建設(shè)的A2/O（Anaerobic-Anoxic-Oxic，厭氧-缺氧-好氧）工藝超大型城市污水處理廠[19]，其設(shè)計(jì)處理能力為5×105 m3/d。LI等人通過15N穩(wěn)定性同位素示蹤測(cè)試與異位活性檢測(cè)證明，短程反硝化耦合厭氧氨氧化是該水廠自養(yǎng)脫氮的主要貢獻(xiàn)途徑，通過宏基因組測(cè)序和qPCR（Real-time Quantitative PCR，實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)）檢測(cè)證明了在厭氧生物膜中有ANAMMOX菌的富集[20]。西安市第四污水處理廠水溫為10～20 ℃，該溫度低于AnAOB的適宜溫度，但卻成功實(shí)現(xiàn)了短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（Partial Denitrification and ANAMMOX，PDA）的啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行[21]。西安第四污水處理廠是世界上為數(shù)不多能夠穩(wěn)定運(yùn)行短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PDA）的污水處理廠。該污水廠的成功運(yùn)行證實(shí)了ANAMMOX工藝能夠在低溫條件下運(yùn)行，不僅推動(dòng)低溫條件下ANAMMOX工藝的研究，并且在全球范圍內(nèi)都具有積極的示范意義。

4 結(jié)語

雖然ANAMMOX工藝具有無須曝氣、無須外加碳源、產(chǎn)泥量少、高效率等優(yōu)勢(shì)，但仍然存在許多問題阻礙著ANAMMOX的發(fā)展與應(yīng)用。其中，最主要的問題為：①AnAOB倍增時(shí)間長，難以富集;②ANAMMOX系統(tǒng)的脫氮性能偏低，出水中含有較高的硝酸鹽;③ANAMMOX工藝無法在低溫下穩(wěn)定運(yùn)行。在今后的研究中，學(xué)者應(yīng)針對(duì)這些問題進(jìn)行研究，以不斷優(yōu)化ANAMMOX工藝。

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