厭氧氨氧化生物脫氮工藝研究進(jìn)展

錢欣

摘 ?要：厭氧氨氧化（Anammox）反應(yīng)作為一種新型的自養(yǎng)生物脫氮過程，是指以厭氧或缺氧作為前提，亞硝態(tài)氮（NO2-N）充當(dāng)電子受體，厭氧氨氧化菌（AnAOB）將氨氮（NH4+-N）氧化成N2。文章簡述了厭氧氨氧化的反應(yīng)機(jī)理，列舉了幾種厭氧氨氧化工藝。具有重要的理論和實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：厭氧氨氧化;生物脫氮;代謝機(jī)理

中圖分類號：X703 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0118-02

Abstract： Anaerobic ammonium oxidation（ANAMMOX）is a novel biological nitrogen removal process. It refers to the biological process of anaerobic ammonium oxidation of microorganisms with NO2-N as an electron acceptor and oxidation of NH4+-N to nitrogen （N2） by AnAOB under anaerobic or anoxic conditions. The mechanism of anaerobic ammonium oxidation reaction is reviewed. Several anaerobic ammonium oxidation processes are listed， which have important theoretical and practical significance.

Keywords： anaerobic ammonium oxidation; biological nitrogen removal; metabolic mechanism

1 概述

現(xiàn)如今，傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)存在一些局限性：如曝氣耗能量大、有機(jī)碳源缺乏、操作流程繁瑣、耐沖擊負(fù)荷能力差等。1995年，NH4+-N在NO2--N減少的同時也發(fā)生減少的現(xiàn)象被Mulder等人在厭氧流化床反應(yīng)器中觀察到，大量國內(nèi)外學(xué)者提出了一些區(qū)別于傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)的新型脫氮過程。例如荷蘭Delft大學(xué)提出了一種名為厭氧氨氧化的新型脫氮技術(shù)，具有無需外加有機(jī)碳源，污泥的產(chǎn)量少、脫氮的效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2 厭氧氨氧化機(jī)理

Graaf等[1]采用15N追蹤進(jìn)行試驗，提出了厭氧氨氧化反應(yīng)可能的代謝過程。首先NO2-還原生成羥胺（NH2OH），然后AnAOB以NH2OH作為電子受體將NH4+氧化為聯(lián)氨（N2H4），又進(jìn)一步將N2H4氧化成N2，同時產(chǎn)生2H+。之后，M.S.M.Jetten等[2]發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化反應(yīng)是在AnAOB的細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，對反應(yīng)機(jī)理的了解得到進(jìn)一步加深并稱其為厭氧氨氧化體，提出了一種厭氧氨氧化反應(yīng)的過程模擬。該過程分為3步：第1步，細(xì)胞質(zhì)一側(cè)的NO2-，在亞硝酸鹽還原酶（NIR）的作用下被還原成NH2OH;第2步， NH2OH轉(zhuǎn)運(yùn)到厭氧氨氧化體一側(cè)，NH4+在聯(lián)氨水解酶（HH）的作用下氧化成N2H4;第3步， 厭氧氨氧化體一側(cè)的聯(lián)氨氧化酶（HZO）將N2H4氧化為N2，同時釋放4H+和4e，通過跨膜運(yùn)輸物質(zhì)將4e轉(zhuǎn)運(yùn)給細(xì)胞質(zhì)一側(cè)的NIR，用于下一輪的厭氧氨氧化。

3 厭氧氨氧化工藝

厭氧氨氧化工藝分成兩級系統(tǒng)的分體式工藝和一級系統(tǒng)的一體式工藝兩種反應(yīng)器類型。將兩個反應(yīng)在不同的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行就是分體式工藝，比如SHARON-ANAMMOX工藝。只在單個反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)就是一體式工藝，主要包含了CANON工藝、OLAND工藝和DEMON工藝等。

3.1 SHARON-ANAMMOX工藝

SHARON-ANAMMOX工藝是目前使用最多的厭氧氨氧化工藝，它主要分為兩個步驟， 第一步是SHARON部分，50%～60%左右的NH4+-N被氧化成NO2--N。根據(jù)氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的不同生長條件，控制其運(yùn)行溫度、水力停留時間（HRT）以及污泥停留時間（SRT）等，逐漸淘汰反應(yīng)器中的NOB使AOB成為該反應(yīng)器的主體菌，累積獲得穩(wěn)定的NO2--N，控制氨的氧化過程只發(fā)生到生成NO2--N階段。第二步是ANAMMOX部分，剩下未反應(yīng)的NH4+-N與新生成的NO2--N發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)生成N2，并形成一部分NO3--N。當(dāng)SHARON工藝和ANAMMOX工藝聯(lián)合使用時，只將50%的NH4+-N轉(zhuǎn)化成NO2--N，這樣就不需要再額外加入NO2--N，此外，硝化反應(yīng)引起的堿度消耗可由厭氧出水中含有的重碳酸鹽來補(bǔ)償，因而無需再額外投加堿度物質(zhì)。

3.2 CANON工藝

CANON工藝是指通過控制單個反應(yīng)器中的溶解氧（DO）實(shí)現(xiàn)亞硝化和厭氧氨氧化。CANON工藝反應(yīng)器中主要是絮狀或顆粒形態(tài)的污泥。在曝氣條件下，絮狀或顆粒形態(tài)的污泥表層呈現(xiàn)好氧狀態(tài)，AOB數(shù)量很多并且豐富，NH4+-N在表層被氧化生成NO2--N，與此同時存在于表層的DO也被完全耗盡，有效地防止了DO進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到內(nèi)部，從而在絮狀或顆粒形態(tài)的污泥內(nèi)部形成厭氧區(qū)為AnAOB提供了適宜的生長環(huán)境。原水中剩余的未反應(yīng)的NH4+-N和生成的NO2--N進(jìn)入其內(nèi)部，經(jīng)過厭氧氨氧化反應(yīng)脫氮。CANON工藝易受到NOB的干擾，與AnAOB競爭底物，因此保證CANON工藝穩(wěn)定運(yùn)行的條件是控制NOB的生長，一般可以通過控制DO或NO2--N來實(shí)現(xiàn)。

3.3 OLAND工藝

OLAND工藝是2005年由Windey[3]等提出的，與CANON工藝不同，OLAND工藝是在生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器的基礎(chǔ)上運(yùn)行。在生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器的表面由AnAOB和AOB形成生物膜，位于生物膜表層的是AOB，位于生物膜底層的是AnAOB，空氣或水中的DO被AOB作為電子受體，將NH4+-N氧化成NO2--N，與此同時，DO被完全耗盡，生物膜底層呈現(xiàn)出厭氧環(huán)境，擴(kuò)散轉(zhuǎn)移進(jìn)入底層的NH4+-N以及NO2--N進(jìn)行了厭氧氨氧化反應(yīng)生成N2，實(shí)現(xiàn)脫氮。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是在適宜的操作條件下運(yùn)行耗能量低，管理方便，氮的去除率高。該工藝在工程應(yīng)用中仍很少見，隨著生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器的應(yīng)用發(fā)展，該工藝有希望更廣泛地應(yīng)用到工程實(shí)例當(dāng)中。