新型污水处理工艺研究进展

徐扬帆 王龙涛 陈文峰

摘 要：厌氧氨氧化（Anammox）工艺因具有无须曝气、脱氮效率高、污泥产率低、运行成本较传统脱氮工艺低的特点，在污水净化方面拥有广阔的应用前景。本文阐述了Anammox的原理、Anammox反应的影响因素以及目前耦合的主要工艺，并结合研究现状进行了展望。

关键词：厌氧氨氧化;生物脱氮;污水处理

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）03-0127-03

Research Progress of New Wastewater Treatment Technology

XU Yangfan1，2，3，4 WANG Longtao1，2，3，4 CHEN Wenfeng1，2，3，4

（1. CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.，Wuhan Hubei 430040;2. Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology，Wuhan Hubei 430040;3. Research and Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies of Transport Infrastructure，Wuhan Hubei 430040;4. CCCC Highway Bridge National Engineering Research Centre Co.， Ltd.，Wuhan Hubei 430040）

Abstract： The Anammox process has the characteristics of no need for aeration， high denitrification efficiency， low sludge yield， and lower operating cost than traditional denitrification processes， so it has broad application prospects in sewage purification. This paper expounded the principle of Anammox， the influencing factors of Anammox reaction and the main coupling process at present， and prospected the research status.

Keywords： Anammox;biological denitrification;wastewater treatment

20世紀70年代，Broda就依据热力学方程式（见式（1））推测自然环境下可能存在以亚硝酸盐（NO2-）作为电子受体来氧化氨氮（NH4+）的反应。直到1995年，MULDER等人在生物脱氮流化床的研究中才证实了该反应的存在[1]，由于参与反应的微生物是在厌氧条件下对氨进行氧化，因此其被称为厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）微生物。

[NO2-+NH4+→N2+2H2O ΔG=-358 kJ/mol]     （1）

1 Anammox的菌群种类分布

随着分子生物学技术的快速发展，从种属来看，现已发现的Anammox菌主要分为Scalindua属（细分为Candidatus Scalindua profunda种、Candidatus Scalindua arabic种、Candidatus Scalindua wagneri种、Candidatus Scalindua brodae种）、Kuenenia属（主要种为Candidatus Kuenenia stuttgartiensis）、Jettenia属（主要种为Candidatus Jettenia asiatica）、Brocadia属（细分为Candidatus Brocadia fulgida种、Candidatus Brocadia anammoxidans种、Candidatus Brocadia sinica种）、Anammoxoglobus属（细分为Candidatus Anammoxoglobus propionicus种、Candidatus Anammoxoglobus sulfate种）。这些Anammox菌广泛分布在河流、污水处理厂、垃圾渗滤液处理厂等环境中。这为Anammox菌作为主要的功能微生物处理高浓度氨氮废水提供了依据，保证了其可行性。

2 Anammox反应的影响因素

目前，Anammox在工程应用方面主要存在以下问题：Anammox启动慢;运行的工程条件苛刻。而影响Anammox反应的因素主要有温度、基质浓度、pH和溶解氧（DO）等。

2.1 温度

微生物的生长及活性受温度的影响。Anammox菌生长的最适温度为30～40 ℃，低温会导致Anammox菌的活性降低，而温度高于45 ℃，对Anammox菌产生的抑制作用不可逆。研究发现，NO2-在常温下会迅速被转化成NO3-，温度高于30 ℃时，NO2-才会出现积累[2]。目前，污水处理设施均不能达到Anammox菌最适宜的生长要求，因此温度是采用Anammox工艺时必须考虑的因素。

2.2 基质浓度

基质氨对Anammox的影响较小，只有当氨的质量浓度超过1 000 mg/L时才出现抑制作用，基质氨的抑制主要由游离氨（FA）产生。当FA浓度保持在35～40 mg/L时，厌氧氨氧化活性可降低50%甚至可以完全被抑制[3]。研究发现，亚硝态氮对Anammox的抑制作用是可逆的，而实际起抑制作用的是游离态亚硝酸（FNA），氨和亚硝态氮的浓度对Anammox的影响如图1所示[3]。[c]为氨或亚硝态氮的浓度（mmol/L），[R]为Anammox反应速率（mmol/（gVS·d））。

2.3 pH

pH对Anammox菌的生长有重要影响，pH过高或过低均会影响Anammox菌酶的活性和稳定性，进而影响Anammox菌的活性。同时，pH可以影响NH4+和FA以及NO2-和FNA之间的化学平衡，进而对微生物的活性也产生影响。研究发现，当环境中pH大于8.0时，化学平衡朝生成FA方向进行;当pH低于6.0时，化学平衡朝生成FNA方向进行[4]，STROUS等人[5]发现，Anammox菌的最适pH范围为6.7～8.3。

2.4 DO

Anammox反应是在厌氧条件下进行的，因此Anammox菌对DO含量十分敏感。当环境中DO含量过高时，Anammox菌的生长及活性会受到抑制，但該过程是可逆的，即降低DO含量，Anammox菌活性可恢复。CARVAJAL-ARROYO等人[6]研究发现，当DO含量为8.0 mg/L时，Anammox菌活性受到严重抑制;而DO含量为1.0 mg/L时，活性受抑制的Anammox菌未超过20%。因此，为保证厌氧环境，厌氧氨氧化的反应器均为密闭性反应器，避免DO对Anammox菌反应产生影响。

3 Anammox耦合工艺技术

目前，市政污水中NO2-的含量通常较少，而NH4+浓度较高。单纯应用Anammox工艺处理市政污水需要额外投入大量的NO2-，使工艺的总成本升高。因此，国内外许多学者致力于研发新型污水处理耦合工艺，其主要有全程自养脱氮工艺（CANON）、Sharon-Anammox工艺、限氧自养硝化反硝化工艺（OLAND）和短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺等。

3.1 CANON工艺

CANON工艺是由短程硝化和厌氧氨氧化组成的一体式新型组合工艺，其工作原理为氨氧化细菌将一部分NH4+氧化为NO2-，Anammox菌将反应器内剩余的NH4+与生成的NO2-分别作为电子供体和受体进行反应生成氮气。

该工艺目前在垃圾渗滤液、污泥消化液等氨氮含量较高的废水中已有研究，并且其脱氮效果显著。孟了等人[7]利用SBR反应器处理垃圾渗滤液，其NH4+的去除率达到95%。

3.2 Sharon-Anammox工艺

Sharon-Anammox工艺是在两个反应器中分别进行部分硝化和Anammox反应，这能优化AOB和Anammox菌的生存环境，使设备的运行性能稳定。Sharon段出水中的NO2-∶NH4+（浓度比）保持在1.32左右才能满足Anammox段的要求，从而使工艺具有最佳的脱氮效果，因此如何控制Sharon段出水NO2-和NH4+的比例是近年来学者研究的热点。

曹建平等人[8]采用该组合工艺在SBR反应器和气提式反应器内处理淀粉废水，工艺正常运行时，Sharon工艺出水NO2-∶NH4+约为1.04，已接近Anammox反应所能达到的理论值，该工艺对总氮（TN）的平均去除率为74.50%，去除负荷为0.83 kg/（m3·d）。王欢等人[9]使用序批式生物膜反应器处理畜禽废水并实现了联合脱氮，在反应器进水NH4+和NO2-浓度均为80～120 mg/L、水力停留时间24 h、温度30℃的条件下，经过稳定运行，TN和NH4+的平均去除率分别为84.1%、91.8%。

3.3 OLAND工艺

OLAND工艺是限氧亚硝化与厌氧氨氧化耦合的一种新型生物脱氮工艺，该工艺分为两步，首先氨氧化细菌在限氧条件下将NH4+转化成NO2-，之后在厌氧条件下生产的NO2-与剩下的NH4+发生Anammox反应，该工艺以生物转盘反应器为基础设计运行。相对于Sharon-Anammox工艺，OLAND工艺能节省37.5%的能耗，而且在较低的温度下（22～30℃）仍可获得较好的脱氮效果。张沙等人[10]在常温下使用固定床生物膜反应器并启动OLAND工艺，发现在水力停留时间为2 d时，TN和NH4+去除率最高可分别达到89.54%、95.45%。

3.4 短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺

短程反硝化工艺指反硝化将NO2-作为最终产物，而不进一步把NO2-还原为NO。该工艺最大的应用潜力就是与厌氧氨氧化耦合进行脱氮，而耦合工艺可互相为各自的反应提供基质，其耦合方式可分为一体式和分段式。

一体式短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺简单有效，在同一个反应器内，反硝化菌原位将NO3--N还原成NO2--N，给Anammox菌提供反应的底物，进而同时去除系统中的NH4+-N和NO2--N。厌氧氨氧化菌反应活性与反硝化菌的活性呈正相关，短程反硝化和厌氧氨氧化在同一系统中相互促进，对系统TN的去除效果好。

分段式短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺是在两个独立的反应器内分别以反硝化微生物和Anammox菌为优势菌种进行NO2--N生成和系统氮素的去除，从而避免了反硝化菌和Anammox菌对NO2--N和生存空间的竞争作用，同时碳源被反硝化菌充分利用，可以有效减少流入后置厌氧氨氧化反应器内的有机物。分段式可以控制两段工艺的运行条件，从而使脱氮效率更高。

4 结论

厌氧氨氧化工艺能有效克服传统硝化反硝化脱氮工艺的劣势，同时也符合现在可持续发展的要求，因而在污水脱氮领域拥有广阔的应用前景。但是，这是一种新型的污水处理工艺，仍然有许多因素制约了其进一步的应用和发展。目前，国内对于厌氧氨氧化耦合工艺的研究仍处于小试和中试阶段，工程应用较少。未来，人们可以从以下几个方面进行研究：Anammox菌生长较为缓慢，因此要选择Anammox菌的适宜生长条件，使Anammox菌快速生长，进而缩短厌氧氨氧化工艺反应器的启动时间;Anammox相关耦合工艺需要在较为苛刻的条件下才能稳定运行，因此要研究实际的工艺参数及相关工艺正常运行的边界条件，提高工艺运行的稳定性。

参考文献：

[1]MULDER A，GRAAF A A V D，ROBERTSON L A.Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor[J].FEMS Microbiology Ecology，1995（3）：177-184.

[2]朱静平，胡勇有.厌氧氨氧化工艺研究进展[J].水处理技术，2006（8）：1-4.

[3]郑平，胡宝兰.厌氧氨氧化菌混培物生长及代谢动力学研究[J].生物工程学报，2001（2）：193-198.

[4]DAPENA-MORA A，FERNANDEZ I，CAMPOS J L，et al.Evaluation of activity and inhibition effects on Anammox process by batch tests based on the nitrogen gas production[J].Enzyme and Microbial Technology，2007（4）：859-865.

[5]STROUS M，KUENEN J G，JETTEN M S M.Ammonium oxidation and key physiology of anaerobic[J].Applied Environmental Microbiology，1999（7）：3248-3250.

[6]CARVAIAL-ARROYO J M，SUN W，SIERRA-ALVAREZ R，et al.Inhibition of anaerobic ammonium oxidizing （anammox） enrichment cultures by substrates，metabolites and common wastewater constituents[J].Chemosphere，2013（1）：22-27.

[7]孟了，陳永，陈石.CANON工艺处理垃圾渗滤液中的高浓度氨氮[J].给水排水，2004（8）：24-29.

[8]曹建平，杜兵，刘寅，等.常温亚硝化-厌氧氨氧化工艺对淀粉废水生物脱氮的研究[J].给水排水，2008（11）：175-179.

[9]王欢，裴伟征，李旭东，等.低碳氮比猪场废水短程硝化反硝化-厌氧氨氧化脱氮[J].环境科学，2009（3）：815-821.

[10]张沙，汪涛，刘鹏霄，等.常温条件下OLAND工艺启动研究[J].工业水处理，2016（12）：77-81.