厌氧氨氧化工艺研究进展

厌氧氨氧化工艺研究进展

路青* 张振贤付秋爽徐伟涛党酉胜

（河北胜尔邦环保科技有限公司，石家庄，050091）

摘要:厌氧氨氧化技术做为一种新型生物脱氮技术,在废水生物脱氮领域具有良好的应用前景.本文简要介绍了厌氧氨氧化技术的原理,分析总结了国内外对厌氧氨氧化工艺运行参数和影响因素的研究状况,比较了不同污泥源、反应器启动厌氧氨氧化运行过程的优缺点,指出了厌氧氨氧化工艺的应用前景.

关键词:厌氧氨氧化;生物脱氮;反应器

Research Progress on Anaerobic Ammonium Oxidation Process

QingLu Zhenxian Zhang Qiushuang Fu Weitao Xu Yousheng Dang

（Hebei Superior and Federal Environmental Protection Technology co., Ltd.,Shijiazhuang,050091）Abstract: Anaerobic Ammonia oxidation(Anammox) is a promising process of biological nitrogen removal in wastewater treatment. The mechanism of reaction was reviewed in this paper, Various factors involved in the Anammox process were analysed, the main advantages and disadvantages of different sludge ang reactor on the start-up and operation of Anammox process were compared, the further studies were proposed.

Key words: Biological nitrogen removal; anaerobic ammonium oxidation; reactor

前言

废水生物脱氮已经成为水污染控制的一个重要研究方向。对于生化性较差的或高浓度含氮废水，传统生物脱氮工艺处理成本较高。目前，国内外对低碳氮比（C/N）废水处理技术的发展趋势是采用厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation，Anammox)技术。基于Anammox 过程的微生物是自养型微生物，无需添加有机碳源、无需氧气参与、产碱量为零、同时还能减轻二次污染，故而成为目前最经济的新型生物脱氮工艺之一。

据报道[1,2]，实验室规模处理模拟废水总氮去除速率最高达26.0 kg/(m3·d)，生产性Anammox 反应器处理垃圾渗滤液，总氮去除速率最高达9.5 kg/(m3·d)。另外，Anammox工艺还具有较高的经济效益，对厌氧消化污泥分离液，若采用物理化学法处理，单位处理费用33～83 $/kg N，采用传统生物脱氮技术（全程硝化—反硝化工艺）处理，单位处理费用估计为17～33 $/kg N，若采用Anammox工艺单位处理费用估计为7～10 $/kg N[1]。

Anammox工艺因所具有经济、高效、无二次污染等优点，受到国内外学者的关注。本文参考国内外相关方面的研究情况，就Anammox机理、启动运行过程中的影响因子、污泥源、Anammox反应器、Anammox工艺应用前景作一综述。

Anammox机理

Anammox技术是以NH4+-N为电子供体、NO2--N为电子受体、羟胺和联氨为关键中间产物及氮气为终产物的生物反应。荷兰Delft工业大学于20世纪90年代初开发出了一种三级生物处理系统。在运行三级生物处理系统期间，Mulde[3]等人在其中的生物脱氮流化床反应器中发现，除了反硝化作用所致的各反应物的正常消失外，NH4+也在此条件下消失。由于NH4+和NO3-的消失同时发生且成正相关，他们认为反应器内存在如下反应：

5NH4++3 NO3-→4N2+9H2O+2H+ △G0= －278kJ/mol

Van de Graaf[4]等进一步做了分批试验证实，Anammox的确是一个微生物反应，NH4+和NO3-被同步去除，反应产物为N2。

Van de Graaf[5]等随后通过N15标记的NH4+做研究，证明NO2-才是关键的电子受体的自养生物脱氮反应，其反应式：

NH+4 + NO-2 →N2 + 2H2O G′0 = －335 kJ/mol-1 ，其中联胺和羟胺是其中间产物。Strous[6]等根据化学计量和物料衡算估算出Anammox总的反应式：

NH4+ + 1.31NO2− + 0.066HCO3−+0.13H+→N2 + 0.26NO3− + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2H2O

Van de Graaf [7]提出了Anammox生化模型。其推测Anammox过程中形成了一跨膜的质子梯度，由质子梯度形成的化学势能和电势能驱动质子结合Anammox小体膜上的ATP酶产生ATP。Niftrik[8]通过透镜观察Anammox菌体（Candidatus K. stttgartiensis）发现，细胞可分为内室和外室，内室中间有一个有双层膜包围的Anammox小体，猜测Anammox反应发生在功能类似于线粒体的Anammox小体上。Anammox小体富含梯状脂成分，占总膜脂的53 %。梯状膜脂成分使得Anammox小体的膜具有很高的密度，可以防止Anammox的中间产物联氨等物质渗出；这种特殊的膜结构有助于防止质子的被动跨膜扩散，更高效地产生能量。

2 Anammox工艺运行中的参数控制

2.1环境因素

pH值、温度、溶解氧等变化直接或间接改变Anammox菌的生理活动，进而影响Anammox 反应[9-11]。Kuenen [9]等认为Anammox菌生长的合适pH范围为6.7～8.3，，温度范围为30 ℃～43 ℃，Egli[10]认为Anammox最适pH为8.0、温度为37 ℃、溶解氧应在饱和空气的0.5 %以下。Anammox反应是厌氧过程，尤其在Anammox菌富集初期，反应器中存在溶解氧（饱和空气的0.5 %～2 %）时，抑制反应的正常进行，但其抑制作用是可逆的，一般认为Anammox反应进行的溶解氧在饱和空气的0.5 %以下。而稳定运行时，Anammox菌对环境条件要求不那么苛刻。

2.2基质浓度

研究[12]发现进水NO2--N浓度对Anammox反应的抑制作用远大于NH4+-N，运行初期，微生物活性随NO2−-N/VSS(S0/X0)比值增高而高，但是该比值过高也会抑制微生物活性。进水NO2--N浓度连续12 h超过70 mg/L时，限制Anammox反应。另外，进水NH4+/NO2-比值大可以提高氨氮去除率，因为高氨氮比例意味着低亚硝酸盐，可以减少亚硝酸盐对Anammox 菌的抑制；另外高氨氮可以阻止亚硝酸盐被氧化成硝酸盐。

2.3有机碳

Anammox菌生长极其缓慢，对环境条件敏感，特别是存在有机物时，异养型细菌的生长速度高于Anammox菌，限制了Anammox作用，一般以HCO3-等无机碳作为唯一碳源。Guven[13]研究表明有机物对Anammox影响与有机物的种类、浓度以及Anammox菌的存在形态有关，甲醇和乙醇对Anammox具有较强的抑制作用，其中甲醇的抑制是不可逆；葡萄糖对Anammox的影响不显著；乙酸和丙酸则可刺激Anammox反应，因为Anammox菌以NO2--N、NO3--N作为电子受体将丙酸盐氧化成CO2，该发现对提高Anammox菌生长速率提供了有力支持。郑平[14]发现有机物对Anammox的影响与基质负荷紧密相关，在饱和负荷下，有机物可严重影响反应器的性能，但在低负荷下( 60 %饱和负荷)，在生物膜或颗粒污泥中，由于传质屏障，有机物的影响可被削弱。

2.4盐度

盐类物质会引起废水渗透压升高，从而降低微生物活性，甚至导致微生物死亡[15]。研究者[16]从死海样品中分离到了Anammox菌株（Candidatus Sclindua sorokinii），表明一些Anammox菌体具有耐盐性。金仁村[17]等研究认为合理驯化可使Anammox反应器具有处理高盐度含氮废水的潜能，但在高盐度条件下运行时，短时间内可保持Anammox污泥活性良好，反应器功能优良，但菌体扩增长时间受阻时仍可能导致反应器功能衰退，反应器容易失稳。而通过逐渐提高盐浓度，并调整反应器容积负荷避免基质抑制，可使Anammox反应器适应30 g/L盐度。

3 污泥源