厭氧氨氧化菌脫氮機理及其在污水處理中的應用

陳育明

（蘇州市排水有限公司 江蘇蘇州 215000）

1 引言

1.1 厭氧氨氧化菌概述

1932年，Allgeier等研究發現位于美國的Mendota湖的低質在發酵過程中會產生氮氣，但是并未對機理有明確闡述；1965年，日本學者Koyama等研究發現Kizakiko湖低質中所產生的氮氣是由氨氮直接發酵而形成的；1977年，Broda等基于熱力學反應的自由能等進行了計算和推測，認為在自然界中存在著能夠進行厭氧氨氧化作用的反硝化氨氧化菌。1995年Mulde等在荷蘭某酵母生產企業的污水處理系統中對高氨廢水進行處理時發現了Aammox細菌的存在，指出厭氧氨氧化菌在厭氧條件下以羥胺等作為中間產物，可以實現將亞硝酸鹽和氨氮氧化還原轉化形成氮氣[1]。隨后大量的學者對厭氧氨氧化菌開展了深入研究，發現Aammox細菌在淡水湖泊、厭氧水體、溫泉以及海洋水體和沉積物等多種自然環境中廣泛存在。

1.2 厭氧氨氧化菌的生理生化特點

Anammox細菌的世代周期約為10天，其生長較為緩慢，菌體呈球菌狀，直徑很小，對光、氧氣等等較為敏感。對厭氧氨氧化菌進行富集培養時，其污泥顏色會由棕色轉變成深紅色，但目前尚未獲得該細菌的純培養菌株[2]。

Anammox細菌與其他細菌相比較而言具有明顯不同的一些生理生化特點，具體如下:第一，該細菌的脂質呈環形階梯狀，是一種獨特的梯形膜脂質，目前僅在該細菌中發現存在有這種梯形膜脂質，其組成成分主要為酯-脂肪酸、醚-脂肪酸兩類脂肪酸；第二，該細菌具有厭氧氨氧化體，這是一種非常獨特的細胞結構，是進行厭氧氨氧化作用以及能量代謝的場所，在厭氧氨氧化體的膜上附著進行氧化還原反應所需的酶。

2 厭氧氨氧化菌脫氮機理在污水處理中的應用

厭氧氨氧化菌的存在能夠將氨氮氧化還原成為氮氣的過程大大縮短，有效減少了在脫氮過程中對物質和能量的損耗。

2.1 ANAMMOX工藝及其反應機理

厭氧氨氧化工藝是指以NO2-作為氧化劑，將NH4+-N氧化為氮氣，也可以是以NH4+-N作為還原劑將NO2-還原為氮氣的一種生物脫氮反應[3]。目前國內外許多學者對厭氧氨氧化的反應機理開展了大量的研究，其中主要研究內容包括反應過程中氮素轉化途徑、主要的中間產物以及參與反應的酶等方面。據報道，厭氧氨氧化脫氮技術在實驗室不同的反應器中的應用方面均已經獲得良好的運行效果，例如上流式反應器、混合床SBR反應器等，但與此同時在應用的過程中也存在很多問題，例如由于Anammox細菌生長較為緩慢從而致使反應器啟動時間和響應時間過長。

國內外許多學者通過N示蹤試驗對厭氧條件下的氨氧化機理開展了大量的研究，結果顯示可能的厭氧氨氧化菌脫氮機理如下：Anammox細菌將NO2-作為氧化劑，以羥胺、聯氨等作為中間產物從而實現了對NH4+-N的轉化、脫除。此外，有研究發現，Anammox細菌消耗底物(NH4+-N和NO2-）的比例為1:1.32，這其中多出的亞硝酸鹽在厭氧條件下被氧化成硝酸鹽，氧化還原過程中所產生的電子用于CO2的合成，具體反應式如下:

2.2 SHANON-ANAMMOX工藝及其反應機理

由上述反應式中可知:在厭氧氨氧化過程中進行氧化還原反應的反應底物NH4+-N和NO2-的比例大致相等，因此在高NH4+-N、低NO2-的污水處理前期過程中必須將部分NH4+-N轉化為NO2-，即所謂的硝化階段，從而有效保證厭氧氨氧化過程中的反應底物比例保持大致相等。SHARON-ANAMMOX工藝正是為適應這種需要而產生的，其機理大致如下：在大約一半的氨氮被氧化之后，由于pH的降低、溶氧受限等會抑制剩余氨氮繼續氧化，從而SHARON反應器就能夠成功使厭氧氨氧化所需要的反應底物保持大致相等的濃度比。其反應式如下:

2.3 厭氧氨氧化技術在污水處理領域的發展趨勢

厭氧氨氧化脫氮技術在污水處理的應用中相對于傳統的硝化-反硝化脫氮技術來說，表現出明顯的優勢，因而該技術在污水處理中具有極其廣闊的發展應用前景。ANAMMOX反應底物為NH4+和NO2-，但是實際上在污水中的氮素大部分以有機氮、氨氮的形態存在，很少存在有亞硝態氮，因此如何為厭氧氨氧化反應提供穩定的NO2-來源成為厭氧氨氧化技術在污水處理的應用中必須解決的主要問題，也是該技術未來研究和應用的發展趨勢。目前，許多研究者為了解決這一問題，基于厭氧氨氧化技術開發出了許多類型的脫氮工藝，例如亞硝化-厭氧氨氧化工藝、硫酸型厭氧氨氧化工藝等。這些為數眾多的新型工藝的研究與應用極大地促進了ANAMMOX技術在污水處理領域的應用，最終實現對污水的低能耗處理。

[1]王惠,劉研萍,陶瑩,劉新春.厭氧氨氧化菌脫氮機理及其在污水處理中的應用[J].生態學報,2011,(07）:2019-2028.

[2]祖波,張代鈞,白玉華.厭氧氨氧化菌特性及其在生物脫氮中的應用[J].微生物學通報,2006,(01）:149-153.