浅谈厌氧氨氧化及其工艺的研究

浅谈厌氧氨氧化及其工艺的研究

王晓聪

北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心，北京市，100020

摘要：厌氧氨氧化指的是在缺氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨氧化为氮气的过程，该过程由一类独特的、被称为“厌氧氨氧化菌”的专性厌氧微生物催化完成；更重要的是，厌氧氨氧化在污水处理领域显示出良好的应用潜力，目前厌氧氨氧化工艺及其应用成为了研究的热点，本文重点介绍厌氧氨氧化菌的生物学特性，厌氧氨氧化反应原理，厌氧氨氧化工艺的影响因素及实际工程应用。

关键词：生物脱氮；厌氧氨氧化工艺；工程应用

随着工农业生产的飞速发展和和生活水平的不断提高，人类活动对自然环境产生巨大影响，导致各类氮素化合物累积。其中，水体氮素污染问题尤为严重。新型生物脱氮技术按其生化反应原理可分为两类基本技术,一类是基于硝化一反硝化生化过程的新型生物脱氮工艺，另一类为基于厌氧氨氧化（ANAMMOX）反应的新型生物脱氮工艺。

1厌氧氨氧化菌的生物学特性

    厌氧氨氧化菌作为浮霉菌的一类，必然具有浮霉菌细胞所具有的一切特性。浮霉菌具有十分独特而典型的细胞结构：由膜包裹形成的亚细胞结构。这种浮霉菌的特征结构在厌氧氨氧化菌中也得到体现，如图1所示。透射电镜分析表明厌氧氨氧化菌有自己独特的一类由膜包裹形成的细胞器，被命名为厌氧氨氧化体）。厌氧氨氧化菌从外到内由八部分构成：（1）细胞壁；（2）细胞质膜；（3）PP质；（4）细胞内质膜；（5）核糖质；（6）细胞类核；（7）厌氧氨氧化体膜；（8）厌氧氨氧化体。

2厌氧氨氧化原理

    厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌将NH4+和NO2－直接转变为N2。厌氧氨氧化的化学计量关系如式1。

NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.12H+→1.0N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O（式1）

3厌氧氨氧化相关工艺

3.1 ANAMMOX工艺

   ANAMMOX工艺是在缺氧条件下利用厌氧氨氧化菌，将废水中的NH4+和NO2－转化为N2的方法。要实现厌氧氨氧化工艺，废水基质需含有NH4+与NO2-，而典型的废水中氮素主要以NH4+氧形态存在。因此，厌氧氧氧化需与短程硝化工艺组合，才能实现脱氮。

3.2 SHARON-ANAMMOX工艺

   SHARON工艺先在有氧条件下利用氨氧化细菌将NH4+氧化为NO2，然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将NO2-反硝化。因此利用SHARON 工艺将原水中50%的NH4+转化为NO2-，理论上保证进入厌氧氨氧化反应器中的NH4+-N：NO2--N约为1∶1.32，实现氮素的脱除。

3.3CANON工艺

    CANON（完全自养脱氮）工艺是短程硝化和厌氧氨氧化技术的组合工艺。在限氧条件下，利用絮体污泥的分层特性，处于外层的氨氧化菌进行亚硝酸化（短程硝化），处于内层的厌氧氨氧化菌进行厌氧氨氧化。在CANON工艺中，通常采用限制曝气的方式积累NO2-。

3.4OLAND工艺

   OLAND（限制自养硝化反硝化）工艺是部分硝化与厌氧氨氧化结合的生物脱氮系统。在低溶解氧的条件下（0.1~0.3mg·L-1），氨氧化菌相对于硝化细菌对O2有更强的亲和力，氨氧化菌更易氧化NH4+为NO2-。

3.5DEMON工艺

DEMON（好氧反氨化）工艺的关键因素是控制供氧条件，不需要添加额外的碳源。与CANON和OLAND工艺不同之处在于，DEMON工艺通过pH值控制系统内的亚硝酸盐浓度，工艺主要以SBR方式运行。

4厌氧氨氧化污水处理工艺

4.1亚硝化厌氧氨氧化技术

    就目前的技术水平与我国污水排放的实际情况来说，亚硝化厌氧氨氧化技术的应用前景最为广阔。也是目前为止在厌氧氨氧化技术领域中应用最多的一种技术。其主要的工作原理分为两个步骤，并且分别在不同的容器中进行。第一个步骤就是对于氨氮的硝化处理，通过技术手段将50%左右的氨氮氧化成亚硝态氮。在完成了这一步骤之后，就可以进行下一步厌氧氨氧化反应。在这个反应发生的过程中，污水中还残留的氨元素与氮元素与第一个步骤中生成的亚硝态氮进行厌氧氨氧化反应，最终达到除氮的目的。与传统的厌氧氨氧化技术相比较，亚硝化厌氧氨氧化技术具有很多的优势。

4.2全自氧脱氨工艺

    全自氧脱氨工艺（CANON）是尝试通过对溶解氧的控制，来实现厌氧氨亚硝化与厌氧氨氧化工作，整个工艺为限制在一个统一的容器之内，完整的反应过程都是有自氧菌来完成。在微好氧的条件下，亚硝化菌将一部分的氨氮转化为亚硝氮，所得出的亚硝氮与残余的氨氮发生厌氧氨氧化反应，从而产生氮气。

    由于整个反应的过程都是由自氧型细菌来完成的，因此在污水处理的整个流程中都不需要添加额外的有机物，非常的方便。但是这里需要注意的是，由于硝酸菌会与厌氧氨氧化菌进行争夺，因此为了保证全自氧脱氨工艺的顺利进行，对于容易内部的硝酸菌的生长要进行遏制。当下比较流行的做法是通过控制氧气以及盐硝酸盐来对硝酸菌进行抑制。

5厌氧氨氧化污水处理工艺的实际运用

5.1垃圾渗滤液净化

    生活污水很重要的一个来源就是人们日常生活中所产生的生活垃圾以及厨余垃圾，这些垃圾融合在一些，在沉淀的过程中就会产生大量的垃圾渗滤液，这种渗滤液的特点是有机物与氨的含量非常高，组成成分非常复杂，经过研究发现，在生活垃圾渗滤液中，氨氮浓度在2000mg/L，并且该数值与垃圾的收集时间成正相关关系。针对这个情况，可以考虑采用短程硝化厌氧氨氧化处理技术，但是由于垃圾渗滤液中存在大量的有机物，对于厌氧氨氧化起到了一定的抑制作用，净化的效果不理想，需要进行进一步的实验与测试。

5.2污泥液净化

   在处理污泥液的过程中，对于温度以及酸碱值是有着一定的要求的。在温度方面，要保持在30℃-37℃之间，酸碱值保持自7.0-8.之间，在这种环境中，厌氧氧化菌的成长最为迅速。经过大量的研发工作，具有高成熟度的亚硝化厌氧氨氧化组合反应器已经被广泛应用与污泥处理厂中，而这种组合反应器具有水温高，低碳氮以及高氨氮的特点与厌氧氧化菌的成长环境非常类似，因此在污泥处理中被广泛应用，取得了不错的效果。

5.3生活污水净化

    随着城市化进程的加快，城市中的污水排放量越来越多。根据调查发现，生活污水中磷酸盐、氨氮以及有机碳的含量都很多，而这种水体环境正是脱氮微生物生长的理想环境。因此在对于生活污水的处理中应该高效利用这种特点，实现高效的水质净化以及水资源的回收再利用。但是在实际的运行当中，环境温度对于脱氮微生物的生长情况有着很大的影响，想好保证水质净化工作的顺利进行，对于净化设施温度的控制工作就要不断进行完善，这也是生活污水净化工作的一个发展方向。

6总结

    厌氧氨氧化菌的发现将污水脱氮领域带到了更高的层次，以厌氧氨氧化为代表的自养脱氮技术所呈现出的可持续性赢得了全世界的认可和关注。本文分析了厌氧氨氧化菌的生物学特性，总结了厌氧氨氧化工艺的原理及其主要影响因素，列举了国内外厌氧氨氧化工艺在实际中的应用，但作为一类发展不久的新型生物脱氮技术，ANAMMOX 技术的工程化还远未成熟。尽管目前厌氧氨氧化工艺的应用仅限于高浓度氨氮废水的脱氮处理，但有关低温厌氧氨氧化、反硝化耦合的实验研究表明厌氧氨氧化菌具有非常大的潜能，未来在污水处理领域将发挥至关重要的作用。为了早日实现厌氧氨氧化工艺更广泛的应用，对其更进一步的探究很有必要。

参考文献

[1]袁林江,彭党聪,王志盈.短程硝化-反硝化生物脱氮.中国给水排水,2000,16(2):29～31

[2]王亚宜,黎力,马骁,等.厌氧氨氧化菌的生物特性及CANON厌氧氨氧化工艺[J].环境科学学报,2014, 34(6):1362-1374.

[3]桂双林,麦兆环,付嘉琦,王歆,吴九九.基于厌氧氨氧化技术的新型生物脱氮工艺研究进展[J].能源研究与管理,2017(02):29-33.