厭氧氨氧化污水處理技術研究進展

張 雨

(包頭市排水產(chǎn)業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

隨著世界人口的不斷增加，全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展，地球每年污水的排放量呈顯著增加趨勢，而污水中的氮元素是一種重要的污染物。過量的氮元素排放至受納水體會導致氧氣耗盡、水體黑臭和富營養(yǎng)化等一系列問題[1]。而在城鎮(zhèn)生活污水中，大部分氮元素以氨氮形式存在[2]。因此，去除污水中的氮元素特別是氨氮，是污水處理工程中的重要任務。多年來，專家學者致力于如何高效節(jié)能地去除污水中的氨氮。氨氮的去除既可以通過物化法和生化法等方法實現(xiàn)。鑒于成本與去除效果，工程中一般采用生化方法對氨氮進行處理。傳統(tǒng)的生化處理主要包括硝化和反硝化兩個步驟，硝化過程主要由氨化菌、亞硝化菌和硝化菌在好氧條件下完成，水中的氨氮經(jīng)亞硝化菌與硝化菌的作用生成硝態(tài)氮，反硝化過程中，反硝化菌以有機物作為電子供體，在缺氧條件下將硝態(tài)氮還原為氮氣。

上世紀九十年代，荷蘭科學家發(fā)現(xiàn)了一種新型的去除氨氮的工藝，該工藝在厭氧條件下將氨氮直接還原為氮氣[3-4]，參與該過程的微生物被命名為厭氧氨氧化菌。相對于傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝，厭氧氨氧化過程具有反應途徑短、不需額外補充碳源、不需堿度補償以及能耗低等優(yōu)點，由于該技術具有強大的潛力，近年來，已成為環(huán)境領域的研究熱點[5]。本文將從反應機理、菌群與細胞結構、影響因素與工程應用等方面對厭氧氨氧化技術的研究進展進行綜述。

1 厭氧氨氧化反應機理

圖1 厭氧氨氧化可能的代謝途徑

Strous等[6]利用SBR 反應器富集厭氧氨氧化細菌，在此過程中，根據(jù)化學計量和物料衡算提出了厭氧氨氧化反應可能的總反應方程式，如式(1)所示。該式為目前最廣泛使用的厭氧氨氧化計量方程。

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2 厭氧氨氧化菌與細胞結構

厭氧氨氧化菌由于特殊的生理特性，生長緩慢，倍增時間長。但在自然界中包括污水處理廠中都能檢測到厭氧氨氧化菌的存在。厭氧氨氧化細菌屬于浮霉狀菌(Plancetomycetales)綱下厭氧氨氧化菌目(Brocadiaceae)[9]。目前，厭氧氨氧化菌還未被純培養(yǎng)，大多數(shù)研究中都是采用各種富集手段，獲得厭氧氨氧化菌比例較高、活性較好的混合菌種。目前已發(fā)現(xiàn)有多個屬別的細菌具有厭氧氨氧化功能，分布在深海、湖泊底泥、河流沉積物、污水處理廠甚至垃圾填埋場等各個角落[5]。

厭氧氨氧化菌細胞直徑約為0.8～1.2 μm，細胞主要由三個部分組成，分別為外室細胞質(zhì)(Paryphoplasm)、核糖細胞質(zhì)(Riboplasm)和厭氧氨氧化小體(Anammoxosome)，各部分均被單層雙分子膜包裹著，如圖2所示[10-11]。Aannmmoxosome是厭氧氨氧化菌的特殊結構，該結構是一種致密且通透性低的細胞器，在該細胞器中，氨氮和亞硝態(tài)氮在厭氧和富含N2H4的環(huán)境中結合轉(zhuǎn)化為氮氣，該結構同時可以在緩慢的厭氧氨氧化代謝過程中維持一定的濃度梯度[7]。Kartal等[12]在厭氧氨氧化菌的細胞結構內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了一種特殊的梯形烷，該梯形烷用來協(xié)助保持梯形烷脂中N2H4的含量，這也可以作為一種鑒別厭氧氨氧化菌存在的標記物。這些特殊的結構使厭氧氨氧化菌可以盡快適應較低的基質(zhì)濃度環(huán)境，這也是在許多含氮量較低的區(qū)域也能檢測到厭氧氨氧化菌存在的關鍵所在。

圖2 厭氧氨氧化菌細胞結構

3 影響因素

厭氧氨氧化菌的生長條件苛刻，培養(yǎng)困難，所以選擇合適的反應條件至關重要，厭氧氨氧化的影響因素主要分為厭氧氨氧化菌的生長影響因素與外界因素兩大類，主要包括底物濃度、溫度、溶解氧濃度、其它有機物、pH、污泥停留時間等[13]，下面選取幾種重要的影響因素加以論述。

3.1 底物濃度

厭氧氨氧化菌的底物主要為氨氮與亞硝態(tài)氮，發(fā)生較為完整的厭氧氨氧化反應需要氨氮與亞硝態(tài)氮一定的積累，但過高的亞硝態(tài)氮和氨氮會對細胞產(chǎn)生危害。Strous等[14]認為當亞硝態(tài)氮超過100 mg/L時，厭氧氨氧化反應就會完全被抑制，通過向反應器中添加微量的中間產(chǎn)物肼(N2H4)和羥氨得以解除亞硝酸的危害。Lotti等人[15]對亞硝態(tài)氮的抑制作用進行了深入的研究，實驗結果表明亞硝態(tài)氮對厭氧氨氧化活性的半抑制濃度為0.4g/L，而厭氧氨氧化活性可在亞硝態(tài)氮去除后得到完全恢復，說明亞硝態(tài)氮的抑制作用是可逆的，但研究表明實際起抑制作用的是游離態(tài)的亞硝酸。Yun等[16]利用厭氧氨氧化顆粒污泥處理晚期垃圾滲濾液，抑制動力學研究表明，氨氮和亞硝態(tài)氮的抑制濃度分別為489.03 mg/L和192.36 mg/L。總體上，過高的亞硝酸根濃度會對厭氧氨氧化過程產(chǎn)生抑制，但在不同的條件下底物濃度對厭氧氨氧化的活性抑制效果可能不同。

3.2 溫度

溫度對一般的生化反應與細胞生長都具有影響，普遍來說，溫度越高，生化反應速率越快，細胞生長越快，而較低溫度會抑制微生物的活性。而污水處理廠的常見水溫在5～ 20 ℃波動[17]，所以溫度是采用厭氧氨氧化工藝時必須考慮的因素。Zhu等[18]在6～43 ℃的條件下對厭氧氨氧化菌的活性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化反應速率在低于15 ℃或高于40 ℃的條件下急劇下降。但Dosta等在18 ℃下在SBR反應器中成功啟動了厭氧氨氧化[19]，并且Ma等[20]在16 ℃ 條件下用UASB反應器進行厭氧氨氧化反應處理低濃度廢水，實現(xiàn)了較高的氮的去除率，去除效果達到2.28 kg N/m3/d。由此可見低溫下厭氧氨氧化菌也能保持一定的穩(wěn)定性。但普遍認為，厭氧氨氧化菌的最適宜生長溫度為37 ℃左右。

3.3 溶解氧濃度

厭氧氨氧化菌是一種厭氧菌，溶解氧顯然是厭氧氨氧化反應的一種重要影響因素，傳統(tǒng)上認為，厭氧氨氧化是一種嚴格的厭氧過程。Strous 等[21]通過在梯度氧濃度下的實驗發(fā)現(xiàn)，只有0%的氧氣飽和濃度的實驗組，即嚴格厭氧的情況，才出現(xiàn)氨氮和亞硝態(tài)氮的同時減少，說明厭氧氨氧化對溶解氧非常敏感，只能在嚴格厭氧的條件下進行。Egli等研究發(fā)現(xiàn)[22]，氧氣對厭氧氨氧化的抑制在低氧濃度(小于1%飽和度)下可逆，而在高氧濃度(大于18%飽和度)下不可逆。而Morales等人[23]在0.4 mg/L和3.0 mg/L的氧濃度下運行厭氧氨氧化反應器，發(fā)現(xiàn)較高的氧濃度會促進顆粒污泥的形成以增加菌體對于溶解氧的耐受性。另外，在一體式復合菌種反應器中，氧氣可以在接觸厭氧氨氧化菌細胞之前被好氧呼吸細菌先吸收利用，在低氧反應器或梯度氧濃度的反應器中，厭氧氨氧化細菌可以和好氧細菌如(AOA和AOB)共同存在，這樣促使厭氧氨氧化細菌將對AOA與AOB有毒性抑制的亞硝態(tài)氮去除，各菌種共同發(fā)揮除氮功能[24]。所以厭氧氨氧化菌在組合工藝條件下可適應一定濃度的氧氣，這對厭氧氨氧化的實際應用具有十分重要的意義。

3.4 有機物

厭氧氨氧化菌群是以無機碳為主要碳源的化能自養(yǎng)菌，充足的無機碳可以使厭氧氨氧化菌快速生長，并保持相對較高的活性[25]。然而在實際污水中，碳元素主要以有機碳形式存在，過高的有機碳會抑制厭氧氨氧化菌的生長。將厭氧氨氧化技術實際應用時，需考慮在有機物存在的情況下如何保持厭氧氨氧化的穩(wěn)定性。Park等人[26]在研究硝化-反硝化處理系統(tǒng)中投加甘油作為外加碳源，也發(fā)現(xiàn)有厭氧氨氧化菌富集。Anjali等[27]認為，在以厭氧氨氧化菌存在的混合系統(tǒng)中，氮能實現(xiàn)良好的去除主要取決于厭氧氨氧化和反硝化能同時發(fā)揮作用，而反硝化作用的存在，也提高了厭氧氨氧化菌對有機碳負荷的承受能力。Cao等[28]認為短程反硝化與厭氧氨氧化共存的體系能使厭氧氨氧化工藝穩(wěn)定運行，在該體系中，反硝化菌消耗有機碳源生成亞硝態(tài)氮，為厭氧氨氧化菌提供底物。由此可見在一定情況下厭氧氨氧化菌第有機碳有一定的耐受性。

除上述的底物濃度、溫度、溶解氧濃度、有機物和污泥停留時間外，厭氧氨氧化工藝還受pH、污泥停留時間、金屬元素含量、中間產(chǎn)物添加量等因素的影響，選擇合適的工藝條件是厭氧氨氧化工藝實際應用必須要考慮的問題。

4 厭氧氨氧化的工程應用

厭氧氨氧化需要亞硝態(tài)氮作為反應物實現(xiàn)氨氮的去除，實際應用中需采取合適手段提供充足的亞硝態(tài)氮。另外由于厭氧氨氧化菌對生長環(huán)境的要求高，應盡量減少抑制因子對厭氧氨氧化菌的影響。從工藝形式上，厭氧氨氧化的應用可分為兩段式和一體式兩種，兩段式主要有短程硝化-厭氧氨氧化(Partialnitritation-Anammox，PN-AMX)和SHARON-Anammox(Single reactor for high activity ammonia removalover nitrite)，即在厭氧氨氧化之前增加一處理單元，將進水中的氨氮部分氧化為亞硝態(tài)氮，為后續(xù)的厭氧氨氧化部分使用。一體式工藝有OLAND(Oxygen-limited Autotrophic Nitrificationand Denitrification)、CANON(Completely AutotrophicNitrogen removal Over Nitrite)、SNAD(Single stageNitrogen removal using Anammox and Partial Denitrification)等，主要原理是將提供亞硝態(tài)氮的單元與厭氧氨氧化耦合在一個反應器內(nèi)，占地面積小。從應用場景上，厭氧氨氧化主要分為主流工藝、測流工藝與工業(yè)廢水處理幾類。主流工藝是將厭氧氨氧化作為核心工藝用于市政污水處理廠主線上。測流工藝是采用厭氧氨氧化對市政污水處理廠產(chǎn)生的污泥消化液進行處理，實現(xiàn)污染物的減量化。工業(yè)廢水處理是指將厭氧氨氧化工藝用于垃圾滲濾液、養(yǎng)殖廢水等高氨氮工業(yè)廢水處理場景。目前全球的厭氧氨氧化工程已經(jīng)超過100處[29]，以下選取具有代表性的幾處進行簡介。

荷蘭代爾夫特大學團隊于首先開發(fā)了SHARON-Anammox新型脫氮工藝[30]。該過程的實現(xiàn)需要兩個反應器，在第一個反應器內(nèi)，氨氧化細菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，并通過工況條件的控制使出水的氨氮與亞硝態(tài)氮的濃度比近似為1∶1，在第二個反應器中亞硝態(tài)氮和氨氮在厭氧氨氧化菌的作用下生成氮氣。與傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝相比，節(jié)約了外加碳源與大量曝氣產(chǎn)生的費用，同時也減少了溫室氣體的排放。后經(jīng)長期試驗，該技術在荷蘭鹿特丹的Dokhaven污水處理廠放大，反應器容積70 m3，具有750 kg N/d的脫氮能力，成為世界上首座采用厭氧氨氧化工藝的污水處理廠[31]。

新加坡的Changi污水回用廠(Water Reclamation Plant，WRP)采用主流厭氧氨氧化技術實現(xiàn)氮的去除[32]，該污水處理廠處理量為200,000 m3/d，污泥停留時間5 d，水溫在28～32 ℃之間變化。通過質(zhì)量平衡的計算，初沉池出水有37.5%的總氮被厭氧氨氧化過程所去除，同時有27.1%的總氮被傳統(tǒng)的硝化-反硝化過程去除，工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定，總氮低于5mg/L，亞硝態(tài)氮1.1 mg/L。與新加坡其他污水回用廠相比，該廠已經(jīng)降低了10%～30%的曝氣所需能耗。分子生物學分析表明厭氧氨氧化菌的濃度在105～106 copies/mL，反應器中的厭氧氨氧化菌與Candidatus Brocadia sp.40有98%的相似度。

Wang等[33]在成功在序批式反應器中啟動了SNAD工藝，并探究了不同的進水濃度、C/N比對厭氧氨氧化工藝的影響，并利用化學計量學方法建立了計算混合體系中各工藝對總氮去除的貢獻率的模型。經(jīng)過較長時間探索，該團隊在臺灣成功將SNAD工藝應用于垃圾滲濾液的工程化處理[34]，連續(xù)穩(wěn)定運行多年。該項目日處理量304 m3，該項目長期的COD去除率和氨氮去除率分別為28%和80%，經(jīng)計算，厭氧氨氧化部分的去除了68%的總氮。

5 未來展望

厭氧氨氧化過程具有節(jié)能降耗、占地面積小、處理效果好等優(yōu)點。但由于厭氧氨氧化啟動慢，運行工況苛刻，需要較高的管理水平，雖然已有一定的工程應用，但諸多因素限制了其進一步的發(fā)展。今后的研究會集中在進一步優(yōu)化工況條件、組合工藝的使用、如何快速啟動以及在主流工藝中的應用等方面。在分子生物學的領域，應利用基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組學的手段深入剖析厭氧氨氧化菌的生長特性，為該工藝更大規(guī)模的應用提供理論指導。