厌氧氨氧化在水污染控制中研究进展

王　慧　郑洪领

（中国城市建设研究院有限公司山东分院山东济南250101）

厌氧氨氧化在水污染控制中研究进展

王慧郑洪领

（中国城市建设研究院有限公司山东分院山东济南250101）

厌氧氨氧化是一种新型的污水处理技术，能够利用氨氮和亚硝酸盐进行生物反应，最终将氨氮转化为氮气的过程。其相对传统的生物脱氮技术能够降低能耗，无二次污染等优势进行了深入的研究，被研究者认为是最具有应用前景的一种微生物脱氮技术。本文针对厌氧氨氧化细菌的影响因素以及在污水处理应用性能进行的研究讨论。

厌氧氨氧化；脱氮；水污染

1　引言

氮素是水污染控制中的重要指标之一，其对水体及水生生物的危害十分严重，进而影响人类的生存发展，富营养化、赤潮、水华都是由于水体中氮素的增加而导致的。传统的生物脱氮技术主要是利用好氧微生物的硝化作用和厌氧微生物的反硝化来实现的，但其处理成本高、能源利用效率低，而且还存在二次污染现象，因此，新型的生物脱氮技术成为研究者追求的目标。厌氧氨氧化技术（Anaerobic ammoniumoxidation，Anammox）是一种新型的生物脱氮技术，得到了大量的关注。它是在20世纪90年代被研究者发现的，与传统的生物脱氮技术相比，缩短了氨氮降解的途径，无需另加碱度，而且反应过程中无需有机碳源，是一种具有经济效应的新型脱氮技术，对其进行深入的研究对水污染控制有着重要的意义[1]。

2　厌氧氨氧化菌的影响因素

2.1环境因素

温度是微生物生长及代谢的主要影响因素之一。微生物所处环境的温度较低时，细胞的物质运输会受到抑制，生长较为缓慢；温度升高后，细胞中物质运输加快，生化反应速率提高，生长速度加快。温度太高或者太低都会导致微生物生长的抑制，因此，研究微生物适宜的生长环境十分重要。研究者对厌氧氨氧化菌的研究表明，其适应生长的温度范围30℃～43℃。当其环境温度＜15℃时，反应速率将会显著降低，温度从15℃升至30℃时，其反应速率逐渐提高；温度持续升高到35℃以上，厌氧氨氧化菌的生物降解能力开始下降，最后到40℃以上时其活性开始突然下降[2]。

2.2基质浓度

不同微生物所利用的基质物质均有不同，而对于厌氧氨氧化菌来说，氨氮和亚硝酸盐是其生长所能利用的基质物质。但是，在太高的氨氮、亚硝酸盐环境中厌氧氨氧化菌的活性也会受到抑制。研究发现，厌氧氨氧化菌在氨氮、亚硝酸盐浓度均为1g/L时，生物活性不会受到抑制，而当亚硝酸盐浓度为0.1g/L时，厌氧氨氧化活性将会受到抑制，当在环境中添加少量的肼和羟氨可以降低抑制作用。还有研究结果表明，厌氧氨氧化菌在处理污水时，亚硝酸盐和氨氮的最佳比例为1.3：1，而利用不同的基质物质研究其抑制作用时，得到的亚硝酸氮的临界浓度不同，因此，基质物质的浓度对于厌氧氨氧化菌的活性并不绝对，只要选择合适的反应器结构或模式可以降低该影响。

2.3有机碳

厌氧氨氧化菌生长的速度非常缓慢，而且对生长的环境极其敏感。厌氧氨氧化菌属于自养菌，以无机碳为碳源。有机物的存在对其生长有着抑制作用，研究表明，当有异养菌存在时，与厌氧氨氧化菌存在竞争作用，有机物的存在使得异养菌生长速度加快，抑制了厌氧氨氧化的生长。有研究者发现，有机物的种类、浓度以及厌氧氨氧化菌形态对其生长、繁殖有着不同的影响作用。研究发现，甲醇和乙醇对其生长的抑制作用较强，葡萄糖的抑制作用较低，而乙酸和丙酸则对厌氧氨氧化菌的生长有着积极的作用。

2.4盐度

微生物生长环境中盐度也是其主要的影响因素之一，是由于盐类物质浓度的提高可以使得渗透压增高，降低了微生物的生物活性，严重时可以导致微生物死亡。研究者发现，在具有高盐度的死海底泥样品里发现了厌氧氨氧化菌的一种菌株，说明厌氧氨氧化菌具有一定的耐盐能力。研究者通过这一发现，使其在具有高盐度的含氮废水中进行训话，结果表明，逐渐提高污水中的盐度在调整反应器的运行，可使得厌氧氨氧化菌耐受30g/L盐度的污水，并且能够保证反应器良好运行。

2.5溶解氧

厌氧氨氧化菌是一种严格厌氧的微生物，水中的溶解氧对其的生长、繁殖有着重要的影响。研究发现，污水中溶解氧的浓度小于2μmol/L才能进行生长，高于该值就会发生抑制作用。还有研究者利用不同溶解氧浓度来观察厌氧氨氧化的生物活性，分别为2%、1%、0.5%和0%，结果表明，只有溶解氧浓度为0%时才具有厌氧氨氧化活性，其污水中的氨氮浓度开始降低[3]。

3　厌氧氨氧化工艺的应用

3.1短程硝化厌氧氨氧化工艺

短程硝化厌氧氨氧化工艺是应用厌氧氨氧化性能的典型工艺之一，是将短程硝化与亚硝酸盐型的厌氧氨氧化反应耦合的进行生物脱氮的污水处理工艺。该工艺分为两个过程，第一步是在有氧条件下利用硝化菌将一部分氨氮氧化为亚硝酸盐，第二步是经过好氧反应器的污水通入厌氧反应器中，在厌氧氨氧化菌的作用下降剩余的氨氮和亚硝酸进行反应最终转化为氮气[4]。该工艺的关键之处在于如何控制亚硝化过程，且直接影响着最终脱氮的效果。研究表明，该工艺在进行脱氮处理时，想要实现良好的亚硝化过程，需在反应时添加碱度，这是由于氨氮的好氧氧化过程是一个消耗碱的过程，此外，温度、pH值、溶解氧等都对其有着影响，表1为短程硝化段的控制因素。

表1　短程硝化段控制因素

短程硝化厌氧氨氧化工艺的核心为厌氧氨氧化生物处理技术，目前已在很多类型的废水中有着应用，且对氨氮的处理有着较好的效果。

3.2CANON工艺

CANON（Completely autotrophic nitrogen-removal over nitrite）工艺是在短程硝化厌氧氨氧化工艺的基础上发展起来的。其是在一个反应器中同时进行亚硝化反应和厌氧氨氧化作用。在该工艺中的微生物环境中相互协作，完成了氨氮的去除，首先氨氧化菌利用环境中的溶解氧进行了氨氮的亚硝化，随后厌氧氨氧化菌利用剩余的氨氮和亚硝化菌进行反应，进而转化为氮气。该工艺相比传统的硝化、反硝化作用节省了63%的氧气和100%的外加碳源，相比短程硝化厌氧氨氧化工艺，节省了空间和投资费用，但其在实际应用中更需要严格的控制环境中的溶解氧浓度。

为了能够实现CANON工艺的良好运行，必须严格控制工艺进水的条件，最主要是要控制污水中氨氮与溶解氧的比例，保持氨氧化菌和厌氧氨氧化菌良好的互利共生关系。研究表明，氨氮和溶解氧的比例保持在1:0.85，能够保证CANON工艺的良好运行，当溶解氧含量升高时，厌氧氨氧化菌受到抑制，环境中亚硝酸盐开始积累，使得反硝化细菌增加，CANON工艺将会严重受到损坏[5]。实践中表明，在SBR、膜生物反应器、气升式反应器中均能实现CANON工艺，但是气升式反应器的运行效果最佳。

3.3硫酸盐型厌氧氨氧化工艺

硫酸盐型厌氧氨氧化工艺是在2001年由Fdz-Polanco等人研究发现的，其在利用厌氧流化床反应器处理高氮、高有机物的废水时发现，出水水质中总凯氏氮首先转化为氨氮，然后进一步转化为氮气，同时污水中的硫酸盐也转化为了单质硫。由此结果，研究者推断在该反应器中可能存在某种可以利用氨氮和硫酸盐的微生物。随后大量研究者对该现象进行了进一步的研究，通过利用生物转盘和生物附着床等反应器进行处理含有氨氮和硫酸盐的污水，进水氨氮浓度为0.3 kg·m-3·d-1，硫酸盐浓度为3.0 kg·m-3·d-1，最终氨氮和硫酸盐的处理效率为65.9～89.4%和70.8%～83.1%。虽然通过一些研究发现了厌氧氨氧化的生物特性，但是对其在实际中的应用还需进一步的研究，以确定其在实际运行时的具体操作参数[6]。

4　结语

利用厌氧氨氧化技术进行脱氮处理，缩短了氨氮的去除过程，使其在处理氨氮废水时有效节约了能耗，而且节省了投资费用，在实际应用中有着广泛的应用前景。但是厌氧氨氧化也有其缺点存在，生长速度缓慢，对生长环境要求严格等。因此，应加强对厌氧氨氧化菌的分离提纯能力，深入研究其生长所需物质条件和所需微量元素对其生长的影响结果，最终确定最佳的厌氧氨氧化菌的生长条件，进一步应用于厌氧氨氧化的工艺之中，提高其处理效率和处理的稳定性。

[1]Dosta J,Fernandez I,Vazquez-Padin JR,et al.Short-and long-term effects of temperature on the Anammox process.Journal of Hazardous Materials,2008,154(1/3):688-693.

[2]唐崇俭,郑平,陈建伟,等.基于基质浓度的厌氧氨氧化工艺运行策略.化工学报,2009,60(3):718-725.

[3]Kang J,Wang JL.Influence of chemical oxygen demand concentrations on anaerobic ammonium oxidation by granular sludge from EGSB reactor.Biomedicaland EnvironmentalSciences,2006,19(3):192-196.

[4]张蕾,郑平,胡安辉.铁离子对厌氧氨氧化反应器性能的影响.环境科学学报,2009,29(8):1629-1634.

[5]JossA,SalzgeberD,EugsterJ,etal.Full-scale nitrogen removal from digester liquid with partial nitritation and anammox in one SBR.EnvironmentalScience&Technology,2009,43(14):5301-5306.

[6]Vazquez-Padin J,Fernadez I,Figueroa M,et al.Applications of anammox based processes to treat anaerobic digester supernatant at roomtemperature.BioresourceTechnology,2009,100(12):2988-2994.

王慧（1983—），女，硕士研究生，工程师，主要从事水处理及环境工程设计工作。