厭氧氨氧化在廢水處理領域中的應用

趙 舒

（遼寧省市政工程設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

近年來，水華、赤潮現象頻繁發生，黑臭水體的數量也在不斷增加，水污染日益加重。傳統的生物脫氮主要經過“三階段”反應，首先進行氨化反應，通過氨化菌將含氮有機物轉化為NH4+-N；其次進行硝化反應，通過亞硝酸菌和硝酸菌將NH4+-N 進一步轉化為NO2--N、NO3--N；最后進行反硝化反應，通過反硝化菌將NO2--N、NO3--N 最終轉化為N2，實現氮的去除。但傳統的生物脫氮處理流程復雜，耐沖擊負荷的能力較差，在實際應用中還存在碳源不足、污泥產量高的問題。為了彌補傳統方法在應用中的缺陷，厭氧氨氧化技術應運而生。作為1990年研發出來的新型技術，厭氧氨氧化省去了反硝化的過程，直接將硝態氮或亞硝態氮轉化成氮氣。與傳統的脫氮工藝相比，不僅節省所需要的氧氣量，還減少了碳源的需求量。因此，厭氧氨氧化技術廣泛地用于合成革廢水、餐廚廢水、垃圾滲濾液等多種廢水的處理。

1 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是在厭氧條件下，以NO2--N、NO3--N為電子受體，以NH3為電子供體，在厭氧氨氧化菌的作用下將氨氮化為氣態氮的一種生物脫氮技術[1-3]。與傳統的生物脫氮工藝相比，厭氧氨氧化不再以有機物作為電子供體[4]，反應過程中不用投加有機碳源，使其在實際應用中的運行費用有所降低。

厭氧氨氧化工藝的影響因素主要包括溫度、DO、pH、水力停留時間、有機底物濃度等，其中溫度、DO、pH 為影響厭氧氨氧化菌的環境因素。因厭氧氨氧化菌為厭氧菌，故反應需在完全厭氧條件下進行；厭氧氨氧化反應最佳溫度為30～35 ℃，溫度過高、過低均會抑制厭氧氨氧化菌的活性；反應的pH 宜為弱堿性。

2 在廢水處理領域中的應用

2.1 合成革廢水

合成革是用塑料制成的，通過對天然革的構造進行仿造，達到與天然革更加相似的目的。現如今，合成革普遍用于制作各種各樣的生活用品，如鞋、背包和足球等。在制備的合成革過程中產生了大量高濃度的廢水，水質復雜，不易被生物降解，水中氨氮、有機氮含量高，水質、水量的波動比較大，使廢水的處理存在一定的難度。用傳統生物脫氮工藝處理合成革廢水存在占地空間面積大、運行費用高、氮去除率不高等問題。為探究A/O MBBR-MBR組合工藝對NO3--N 的去除效果，王慶[5]等應用A/O MBBR-MBR 組合工藝處理PU 合成革廢水，實驗結果發現，這種組合技術對COD 的去除率比較高，但對于硝酸鹽氮及氨氮的去除效果一般。為了降低水中的氨氮含量，應采用厭氧氨氧化及一些組合工藝。林皓[6]采用短程硝化、厭氧氨氧化、反硝化組合工藝處理合成革廢水，研究結果表明，總氮去除率約85%左右，具有良好的處理效果。某化學企業采用水解酸化、升流式厭氧污泥床、厭氧氨氧化與膜生物反應器組合工藝對原有設備進行升級改造，并對PU 合成革廢水進行處理，工程運行表明，厭氧氨氧化對總氮較高的廢水去除效果更好，同時厭氧氨氧化運行過程中污泥產量少、耗電少，節省了運行成本[7]。林皓[8]對厭氧氨氧化與反硝化的組合工藝處理合成革廢水的效果進行探究，研究結果發現，組合工藝里，厭氧氨氧化工藝在總氮去除方面起主要作用；當NO2--N/NH4+-N 質量濃度為1.2～1.5 mg·L-1時，總氮的去除率可達80%以上。

2.2 餐廚廢水

餐具的洗滌水、餐廚殘余的滲瀝液等都屬于餐廚廢水，里面含有各種各樣的有機物，如淀粉、洗滌劑等。餐廚廢水水量較小，但水質復雜，因為來源不同，所以廢水中污染物成分也有所差別。廢水濃度高，水中富含脂類物質，若處理不當，會對水體造成嚴重危害。馮佳珺[9]等采用部分亞硝化-厭氧氨氧化串聯工藝處理餐廚垃圾厭氧消化液，通過合理地控制COD、DO、NH4+-N 的質量濃度，實現部分亞硝化[10]。研究表明，總氮去除率可達80%以上，餐廚垃圾厭氧消化液脫氮基本可通過該串聯工藝實現。耿震[11]等采用厭氧氨氧化、兩級A/O、MBR 組合工藝，對餐廚廢棄物厭氧消化產生的沼液進行處理，運行結果表明，這種組合工藝可避免高濃度氨氮抑制異養菌生長繁殖，降低了運行過程中的外加碳源投加量及曝氣量，總氮濃度滿足出水排放要求。針對餐廚廢水氨氮濃度高、傳統脫氮處理工藝占地面積大等缺點，王思琦[12]等對應用兩級厭氧氨氧化工藝的脫氮效果進行探究，研究結果發現，兩級厭氧氨氧化工藝對TN 的去除率為90.1%，其中僅有2.4%是通過反硝化作用去除。

2.3 垃圾滲濾液

垃圾滲濾液來源比較廣泛，主要包括垃圾所含有的水分、填埋場內的雨水、雪水等，水質也比較復雜，含有高濃度苯胺化合物、酚類化合物等。若不能妥善處理，不但會危害生態環境，還可能危及飲用水源。現如今大多采用生物法處理此類廢水。為了對廣州市垃圾場實際滲濾液進行處理，黃奕亮[13]等應用短程硝化SBR、厭氧氨氧化ASBR 的組合工藝[14]，研究該組合工藝的脫氮特性，試驗研究發現，厭氧氨氧化反應器中NO2--N 與NH4+-N 的進水比為0.9～1.6 時，脫氮效果最佳。為了對垃圾滲濾液的脫氮除碳性能進行探究，王凡[15]等采用反硝化、短程硝化、厭氧氨氧化工藝處理蘇州生活垃圾填埋場滲濾液。研究結果發現，該工藝體系在NH4+-N、COD 的進水質量濃度均大于1 000 mg·L-1的情況下，仍然可以保持高效、穩定的運行狀態，大部分易生物降解的有機物均可被去除，該組合工藝將反硝化裝置前置，在一定程度上減弱了有機物對厭氧氨氧化的影響，達到了深度脫氮的效果。為了更好地降低垃圾滲濾液出水中氮的含量，張良茂[16]等采用短程硝化、厭氧氨氧化組合工藝，運行結果表明，系統中總氮的去除率可達90%；隨著垃圾滲濾液的投加量不斷增大，厭氧氨氧化脫氮的能力隨之下降。吳莉娜[17]等為了解決采用常規脫氮方法處理垃圾滲濾液出水中氮含量過高的問題，采用UASB-A/O-厭氧氨氧化組合工藝進行試驗研究，研究結果發現，組合工藝對NH3-N 和TN 的去除率均在90%以上，可實現氮的深度去除；組合工藝前端的UASB 使廢水中大部分有機物得以去除，減少了有機物對厭氧氨氧化的抑制。陳潤竹[18]等對厭氧氨氧化反應影響因素的最優條件進行探究，試驗結果發現，水力停留時間為24 h、溫度為35 ℃、pH 為7.5～8.5，去除效果最佳；當進水NH3-N 質量濃度為150 mg·L-1時，經厭氧氨氧化反應出水NH3-N 質量濃度僅為15.5 mg·L-1。

2.4 高鹽廢水

石油化工的采集、加工等均會產生高鹽廢水，廢水中可能會含有Fe、Mn 等某些重金屬以及大量的Cl-、F-等非金屬離子。廢水中含鹽量超標，不但會對微生物細胞內的酶產生破壞作用，還會對微生物的生長繁殖有一定的抑制影響。

采用物理、化學方法處理時，成本比較高，同時也難以達到較好的處理效果，因此普遍采用生物法進行處理。楊振琳[19]等采用海藻糖強化厭氧氨氧化工藝處理高鹽廢水，研究結果表明，當海藻糖的投加量為0.25 mmol·L-1時，去除效果最佳；在相同條件下，氨氮、亞硝酸氮比沒有添加海藻糖時分別提高了50%、43%。

吳國棟[20]等為了解決含鹽廢水脫氮效果不好的問題，探究厭氧氨氧化污泥脫氮效能與K+濃度變化之間的關系，在厭氧序批式反應器中進行實驗。研究發現，適量的K+對反應器的脫氮效能有一定的提升；當K+的濃度為8 mmol·L-1時，處理效果最佳。為了在高鹽條件下依然可以提高脫氮效率，于德爽[21]等采用投加不同濃度的甜菜堿進行試驗研究。結果表明，投加一定濃度的甜菜堿有利于厭氧氨氧化脫氮；當甜菜堿的濃度為0.4～0.5 mmol·L-1時，即便對厭氧氨氧化菌有少許的抑制，但總體上還是表現為促進作用。

2.5 低濃度氨氮廢水

高濃度的氨氮廢水毒性大，通常通過吹脫等方法形成低濃度的氨氮廢水，再排入水體。但即便如此，廢水中依然含有低濃度的氮，易引發水華、赤潮等現象，因此也需要著重進行處理。通常采用化學法處理中、低濃度的含氮廢水，即向廢水中投加化學藥劑，實現氮的轉化。但采用這種方式會使水體中殘留部分藥劑，而且投加藥劑會增加成本，因此應采用生物法進行處理。為了對低濃度氨氮廢水不易處理的問題進行研究，陳國燕[22]等采用部分反硝化、厭氧氨氧化組合工藝進行試驗。研究結果發現，當NO3--N 與NH4+-N 的比為1.2 時，組合工藝脫氮效果最好，此時NO3--N、NH4+-N 的去除率均在90%以上。為了對一段式部分亞硝化、厭氧氨氧化組合工藝的處理效果進行探究，趙良杰[23]等對低濃度氨氮廢水進行處理，研究結果發現，這種組合工藝可去除廢水中75%以上的總氮；AOB與厭氧氨氧化菌具有協同作用，同時它們也是污泥中的優勢菌，可保證廢水穩定脫氮。

盡管厭氧氨氧化技術在處理氨氮廢水方面有很多優勢，但仍存在一些問題，如低濃度的氨氮廢水不易積累大量的亞硝酸鹽、厭氧氨氧化菌難以富集、冬季低溫抑制厭氧氨氧化菌生長等，都限制了其在低氨氮廢水處理方面的應用[24]。

3 結束語

厭氧氨氧化技術作為目前比較成熟的一種技術，廣泛地用于餐廚廢水、合成革廢水、垃圾滲濾液、低濃度氨氮廢水、高鹽廢水等多種廢水的處理。將其與其他技術相耦合，可使組合工藝達到更優的脫氮效果。在應用過程中，仍會存在一些問題，如厭氧氨氧化菌細胞產率較低，生長繁殖周期較長，使得反應得啟動較慢。大批量培育高活性的厭氧氨氧化菌、找尋厭氧氨氧化與多種工藝組合的可能性，應是接下來主要的研究方向。