浅议厌氧氨氧化在污水处理中的应用
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[摘要]：加强厌氧氨氧化在污水处理中的应用的研究是十分必要的。本文作者结合多年来的工作经验，对厌氧氨氧化在污水处理中的应用进行了研究，具有重要的参考意义。
[关键词]：厌氧氨氧化污水处理 应用
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号：
随着现代化工业的发展和人们生活水平的提高，水体富营养化现象不断加剧，废水排放指标的不断严格，对污水处理中脱氮技术提出了更高的要求。在生物脱氮领域，传统的硝化-反硝化工艺始终占有重要地位。而在硝化阶段曝气、反硝化阶段投加有机碳源的需要，使该工艺在大力推行“节能减排”的今天显得不够经济高效。因此，寻求低能耗、高效率的新型脱氮技术势在必行。在众多新型生物脱氮工艺中，厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX）工艺具有能耗低、污泥产量少、节省外加碳源等显著优势，备受关注。厌氧氨氧化现象于 1995 年在荷兰被发现并命名以来，很多学者利用实验室规模反应器通过接种不同的种泥成功富集了 ANAMMOX 菌，并对其特性进行多方面的研究。但只有欧洲的一些国家和日本有了以厌氧氨氧化工艺为主的污水处理实际工程项目。生物脱氮技术在近几十年来得到了飞速发展，并已广泛应用于生产实践中。但在污水处理过程中，应用最多的依然是传统的生物脱氮技术。其基本原理是，对于含氮废水，首先利用好氧的氨化细菌把水中的有机氮分解并转化成氨态的氮，再利用亚硝化细菌（AOB）和硝化细菌（NOB）把氨(NH4+)氧化成亚硝态氮（NO2-）和硝态氮（NO3-），最后，这两种形态的氮素由反硝化菌（DNB）还原成氮气（N2），从而达到脱氮目的。厌氧氨氧化是指一类微生物在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体氧化铵盐，最终产生氮气的生物过程。相比于传统脱氮工艺，具有能耗低、污泥产量少、节省外加碳源等显著优势，具体来讲，省掉了大约 60%的曝气、90%的污泥处理和运输以及 100%的有机碳，可以节省约 30%~40%氮去除率的总体成本，已经受到了众多的关注。
1厌氧氨氧化原理
厌氧氨氧化反应是由奥地利理论化学家Engelbert Broda在1977年根据反应的自由能计算而提出的。后来在荷兰Delft技术大学一个中试规模的反硝化流化床中发现了ANAMMOX工艺。厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以NH4+作为电子供体，以NO3-或NO2-作为电子受体，将NH4+、NO3-或NO2-转变成N2的生物氧化过程。反应方程式如下：
NH4++0.85O20.435N2+0.13N03-+1.3H2O+1.4H+ （1）
ANAMMOX工艺在发生反硝化反应时不需外加碳源。因为反应所产生的吉布斯自由能能够维持自养细菌的生长，这一现象是摩德尔等对使用硫化物作电子供体的流化床反应器中自养菌反硝化运行工况进行仔细观测和研究发现的。
1）存在的问题。厌氧氨氧化工艺启动缓慢，世界上第一座生产性装置的启动时间长达3.5年，过长的启动时间是其工程应用的重大障碍。
厌氧氨氧化菌为自养菌，以CO2为碳源，无需有机物，因此厌氧氨氧化工艺适于处理C/N值较低的含氮废水。在大多数的实际废水中，有机物往往与氨氮共存，不利于厌氧氨氧化菌的生长。厌氧氨氧化的基质为氨和亚硝酸盐，均具毒性，尤以亚硝酸盐毒性更大。厌氧氨氧化工艺的运行稳定性是其工程应用必须解决的重大难题。
2）解决的方法。研究证明，厌氧氨氧化工艺的启动过程依次呈现菌体自溶、活性迟滞、活性提高和活性稳定等4个阶段。为此可采取如下控制对策：①在菌体自溶阶段，消除接种物中的残留有机物，控制反硝化所致的pH过高；②在活性迟滞阶段，将进水基质浓度控制在较低水平，避免基质的毒害作用；③在活性稳定阶段，兼顾高效眭和稳定性，将容积负荷控制在最高容积潜能的70％左右，避免反应器负荷过载。研究发现，投加少量（体积比为2％）实验室培育的高活性厌氧氨氧化污泥，可有效缩短中试厌氧氨氧化反应器的启动时间。
2厌氧氨氧化在污水处理中的应用实例
目前对厌氧氨氧化开展的研究较多集中于理论方面，实际用于工业规模的运行装置还不多见。目前主要有荷兰Dem工业大学提出的SHARON/ANAMMOX工艺及氧限制自养硝化反硝化OLAND工艺等。
1）SHARON/ANAMMOX工艺。该工艺是荷兰Delft大学2001年开发的一种新型的脱氮工艺。基本原理是在高温和极短的泥龄条件下将氨的氧化过程控制在亚硝化阶段，然后利用缺氧条件下将氨的氧化过程控制在亚硝化阶段，然后利用缺氧条件进行反硝化。不需要污泥停留，只需要简单的连续流搅拌反应器。无污泥停留，则水力停留时间（HRT）等于污泥停留时间（SRT），控制HRT就可以控制SRT，因此可以通过HRT达到冲洗硝化菌，积累氨氧化菌的作用。
SHARON工艺的生化反应方程式为：
NH4++HCO3-+0.75O20.5NH4++0.5NO2-+CO2+1.5H2O （2）
ANAMMOX反应方程式为：
NH4++NH2-N2+2H2O（3）
2）OLAND工艺。OLAND工艺是1998年由比利时根特大学微生物生态实验室开发研制的，是部分硝化与厌氧氨氧化相耦联的生物脱氮反应系统。该工艺的关键是控制D0值，使消化过程仅进行NH4+到氧化NO2-为阶段，由于缺乏电子受体，由NH4+氧化产生NO2-与剩余的NH4+形成N2。
OLAND工艺化学反应方程式：
0.5NH4++0.75O20.5NO2-+0.5H2O+H+ （4）
0.5NH4++0.5NO2-0.5N2+H2O （5）
NH4++0.75O20.5N2+1.5H2O+H+（6）
该工艺氧耗量小，比传统的硝化/反硝化工艺节省供氧62.5%，不需外加碳源，对总氮的去除效率相当高。但目前存在的问题是在混合菌群体连续运行难以对氧和污泥的pH值进行良好的控制OLAND工艺是在低氧浓度下实现亚硝酸盐积累，但是对悬浮系统低氧下活性污泥易解体和发生丝状膨胀，因此处理效果有待于进一步研究。
3.发展前景
厌氧氨氧化工艺可实现对氨氮和亚硝态氮的同时去除，具有很高的工程应用价值。在荷兰、丹麦、日本等国，该工艺已成功用于消化污泥压滤液、马铃薯加工废水以及渗滤液等废水的脱氮处理。但是，厌氧氨氧化菌生长缓慢，细胞产率低，对环境条件敏感，导致厌氧氨氧化工艺的工程应用推进缓慢。
目前，厌氧氨氧化工艺在国外仅限处理污泥上清液，在国内尚处在试验阶段。鉴于厌氧氨氧化工艺的优点，节约碳源，节约能源，尤其是与SHARON工艺的结合是实现自氧脱氮的有效途径，使高氨氮、高碳源废水处理更加有效，成本更低。因此，这种新的工艺是今后的重点研究方向，但这方面在国内已经开始了研究工作，加强不同学科之间的交叉与合作，从工程应用、生态及微生物学等方面进行研究，使得对厌氧氨氧化的研究有所突破，使其研究和应用在废水处理领域中占有重要的地位。
参考文献
[1]国家环保局.生物脱氮技术[M].北京:中国环境科学出版社,1992.
[2]张树德,曹目凭.厌氧氨氧化脱氮新技术及特点[J].河北理工学院学报,2006,28(4):130-134.
[3]叶建锋.废水生物脱氮处理新技术[M].北京:化学工业出版社,2006,90-96.