自營(yíng)養(yǎng)脫氮技術(shù)研究進(jìn)展

劉琦

摘要：全程自營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝（CANON）能夠?qū)崿F(xiàn)廢水的單級(jí)自養(yǎng)脫氮。該工藝的原理是：在低有機(jī)物濃度的條件下，單個(gè)反應(yīng)器或生物膜系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)控制溶解氧實(shí)現(xiàn)短程亞硝化和厭氧氨氧化，即利用好氧氨氧化菌和厭氧氨氧化菌的協(xié)同作用將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴亩コ龔U水中氮素污染物的過(guò)程。本論文對(duì)自營(yíng)養(yǎng)脫氮技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行論述，為自營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝的推廣提供支持。

關(guān)鍵詞：自營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝；研究進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：M215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3178（2018）20-0373-01

2002年，Slieker等人[1]采用SBR反應(yīng)器并以厭氧氨氧化反應(yīng)器的污泥作為接種污泥，通過(guò)控制溶解氧試運(yùn)行工藝，結(jié)果表明，能夠?qū)崿F(xiàn)好氧氨氧化菌和厭氧氨氧化菌的共存，這兩種菌在各自的反應(yīng)階段都表現(xiàn)出很好的活性，該反應(yīng)器在無(wú)外加有機(jī)碳源的情況下實(shí)現(xiàn)氮的自養(yǎng)去除，即全程自營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝（CANON）。

自營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝的反應(yīng)模。

自營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝的反應(yīng)模型。

完全自營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝的方程式如下所示：

CANON工藝的實(shí)現(xiàn)是要保證硝化菌和厭氧氨氧化菌（AAOB）的共存，控制溶解氧實(shí)現(xiàn)短程硝化，再利用AAOB實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化，兩者共同完成氮素的去除。目前的研究表明影響自營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝的影響因素主要有：進(jìn)水基質(zhì)濃度[2]，溫度[3，4]，溶解氧[5，6]，顆粒污泥[7]等。這些因素對(duì)CANON工藝的影響主要體現(xiàn)在對(duì)短程硝化和厭氧氨氧化的影響。下面將探討厭氧氨氧化和短程硝化的研究進(jìn)展。

1 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是自營(yíng)養(yǎng)脫氮工藝實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，是將氮素從水體中去除的關(guān)鍵一步。但AAOB世代時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)外界環(huán)境敏感，富集困難。因此，厭氧氨氧化的快速啟動(dòng)與影響因子研究成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。

1.1 厭氧氨氧化菌及生物特性

厭氧氨氧化菌是浮霉?fàn)罹?，出芽生殖。目前分離獲得和分類(lèi)鑒定了5屬14種厭氧氨氧化菌。厭氧氨氧化菌是革蘭氏陰性菌，細(xì)胞外無(wú)莢膜，細(xì)胞壁表面有火山口狀結(jié)構(gòu)，少數(shù)有菌毛。細(xì)胞內(nèi)分隔成3部分：厭氧氨氧化體（anammoxosome）、核糖細(xì)胞質(zhì)（riboplasm）及外室細(xì)胞質(zhì)（paryphoplasm）。大部分DNA存在于核糖細(xì)胞質(zhì)中的核糖體和擬核內(nèi)。厭氧氨氧化過(guò)程發(fā)生在厭氧氨氧化體內(nèi)，該結(jié)構(gòu)占細(xì)胞體積的50%—80%。

厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)緩慢，世代時(shí)間長(zhǎng)約11天，在短時(shí)間內(nèi)，厭氧氨氧化裝置內(nèi)難以富集較大的菌群濃度，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，厭氧氨氧化菌只有在細(xì)胞密度達(dá)到1010個(gè)/mL以上時(shí)才能顯現(xiàn)活性。

1.2 厭氧氨氧化技術(shù)

目前，厭氧氨氧化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室小試階段已經(jīng)比較成熟，并成功應(yīng)用于實(shí)際廢水的的處理中，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式。一是一段式：在單級(jí)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)，有生物膜和完全混合懸浮培養(yǎng)方式。生物膜方式是指膜表層為需氧的亞硝化菌，膜內(nèi)層為厭氧氨氧化菌；完全混合懸浮培養(yǎng)的方式，通過(guò)控制低的溶解氧來(lái)實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮。二是兩段式：第一段Sharon段，該段以氨氧化菌為主，5060%的氨氮被氧化成亞硝態(tài)氮，第二段Anammox段，該段以厭氧氨氧化菌為主，剩余的氨氮與新生成的亞硝態(tài)氮進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)生成氮?dú)?，并生成部分硝態(tài)氮，兩段反應(yīng)有各自的反應(yīng)容器，工藝參數(shù)容易控制。

厭氧氨氧化生物脫氮技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低碳氮比廢水的處理，在垃圾滲濾液、養(yǎng)殖廢水、城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)厭氧消化液、味精加工廢水等的處理，均取得了優(yōu)異的效果。表1.1列舉國(guó)內(nèi)外典型的厭氧氨氧化工的實(shí)例。

2 國(guó)內(nèi)外典型的厭氧氨氧化工程的實(shí)例

工藝類(lèi)型 地點(diǎn) 處理水源 反應(yīng)器容積（m3） 處理氨氮負(fù)荷 （KgN m-3 d-1） 啟動(dòng)時(shí)間（d）

CANON ANAMMOX CANON ANAMMOX SHA+ANAMMOX SHA+ANAMMOX SHA+ANAMMOX CANON CANON 內(nèi)蒙古 中國(guó)湖北 中國(guó)山東 中國(guó)山東 荷蘭 日本 荷蘭 瑞士 荷蘭 味精廢水 6700 酵母生產(chǎn)廢水 500 發(fā)酵廢水 500 制藥廢水 4300 市政污泥液 1500 半導(dǎo)體廢液 1500 半導(dǎo)體廢液 3000 市政污泥液 160 土豆加工廢液 600 1.67 2 2 1 42 9.5 1.9 3.29 1.9 1.3 30 — — — 1260 60 86 90 180

3 短程硝化

1975年，Votes[8]發(fā)現(xiàn)了硝化過(guò)程中的亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象，并首先提出了短程硝化-反硝化這個(gè)概念。主要原理是將氨氮的氧化控制在亞硝態(tài)氮階段，不繼續(xù)氧化為硝態(tài)氮，也就是在保證氨氧化菌的前提下，抑制亞硝態(tài)氮氧化菌的增殖。目前，短程硝化的影響因素主要有游離氨（FA），溫度，溶解氧（DO）等。

3.1 游離氨

好氧氨氧化菌和亞硝酸氧化菌對(duì)FA的敏感性不同，好氧氨氧化菌的游離氨抑制濃度范圍為10-150 mg/L，亞硝酸氧化菌的游離氨抑制濃度約為0.1-1.0mg/L，因此通過(guò)控制FA的濃度，使得好氧氨氧化菌為活性污泥的優(yōu)勢(shì)菌種。

3.2 溫度

研究表明可以利用好氧氨氧化菌和亞硝酸氧化菌在不同溫度下的生長(zhǎng)速率的差異來(lái)保證亞硝態(tài)氮的積累[9]。在溫度高于30時(shí)，好氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速率高于亞硝酸氧化菌，使好氧氨氧化菌成為優(yōu)勢(shì)菌，能夠?qū)崿F(xiàn)亞硝態(tài)氮的積累。荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的Sharon工藝，就是應(yīng)用了好氧氨氧化菌和亞硝酸氧化菌在不同溫度下生長(zhǎng)速率的不同，控制污泥齡，使亞硝酸氧化菌被逐漸淘洗出反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。

3.3 DO

好氧氨氧化菌的氧飽和常數(shù)一般為0.2-0.4mg/L，亞硝酸氧化菌的為1.2-1.5mg/L，在低DO的條件下，兩者的生長(zhǎng)速率不同，好氧氨氧化菌處于競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)地位[10]。因此，可以通過(guò)控制進(jìn)水中DO的濃度實(shí)現(xiàn)對(duì)亞硝酸氧化菌的抑制，將反應(yīng)器控制在低溶解氧和高游離氨的條件下，成功運(yùn)行SBR，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化。蔡慶在完全自營(yíng)養(yǎng)脫氮SBR反應(yīng)器的啟動(dòng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，持續(xù)限氧-厭氧的方式更有利于脫氮體系的啟動(dòng)，可能是由于好氧氨氧化菌能夠適應(yīng)高DO的反復(fù)運(yùn)行，亞硝酸氧化菌不能夠適應(yīng)這種交替變化而逐漸被淘汰。

4 結(jié)論與展望

針對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)厭氧氨氧化技術(shù)和短程硝化技術(shù)的研究，通過(guò)優(yōu)化操作條件，選擇合適的富集培養(yǎng)裝置，優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)配方，采取控制和強(qiáng)化措施等，可獲得高活性和高密度的厭氧氨氧化菌顆粒狀培養(yǎng)物，縮短自營(yíng)養(yǎng)脫氮反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間，拓寬自營(yíng)養(yǎng)脫氮技術(shù)在實(shí)際廢水的處理領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]劉濤，李冬，曾輝平等.氨氮濃度對(duì) CANON 工藝功能微生物豐度和群落結(jié)構(gòu)的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34（2）：773-780.

[2]李冬，崔少明， 梁瑜海等.溶解氧對(duì)序批式全程自養(yǎng)脫氮工藝運(yùn)行的影響[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué) 2014，34（5）：1131-1138.

[3]朱玲利. 磁性顆粒誘導(dǎo)厭氧氨氧化菌富集及自營(yíng)養(yǎng)脫氮體系快速啟動(dòng)研究[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué).2016.

[4]李冬，蘇慶嶺，梁瑜海等.堿度和pH值對(duì)CANON工藝脫氮效果的影響[J].中國(guó)給水排水 2015，31（3）：13-18.