厭氧氨氧化在水污染控制中研究進(jìn)展

王　慧　鄭洪領(lǐng)

（中國城市建設(shè)研究院有限公司山東分院山東濟(jì)南250101）

厭氧氨氧化在水污染控制中研究進(jìn)展

王慧鄭洪領(lǐng)

（中國城市建設(shè)研究院有限公司山東分院山東濟(jì)南250101）

厭氧氨氧化是一種新型的污水處理技術(shù)，能夠利用氨氮和亞硝酸鹽進(jìn)行生物反應(yīng)，最終將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^程。其相對傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)能夠降低能耗，無二次污染等優(yōu)勢進(jìn)行了深入的研究，被研究者認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的一種微生物脫氮技術(shù)。本文針對厭氧氨氧化細(xì)菌的影響因素以及在污水處理應(yīng)用性能進(jìn)行的研究討論。

厭氧氨氧化；脫氮；水污染

1　引言

氮素是水污染控制中的重要指標(biāo)之一，其對水體及水生生物的危害十分嚴(yán)重，進(jìn)而影響人類的生存發(fā)展，富營養(yǎng)化、赤潮、水華都是由于水體中氮素的增加而導(dǎo)致的。傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)主要是利用好氧微生物的硝化作用和厭氧微生物的反硝化來實現(xiàn)的，但其處理成本高、能源利用效率低，而且還存在二次污染現(xiàn)象，因此，新型的生物脫氮技術(shù)成為研究者追求的目標(biāo)。厭氧氨氧化技術(shù)（Anaerobic ammoniumoxidation，Anammox）是一種新型的生物脫氮技術(shù)，得到了大量的關(guān)注。它是在20世紀(jì)90年代被研究者發(fā)現(xiàn)的，與傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)相比，縮短了氨氮降解的途徑，無需另加堿度，而且反應(yīng)過程中無需有機(jī)碳源，是一種具有經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的新型脫氮技術(shù)，對其進(jìn)行深入的研究對水污染控制有著重要的意義[1]。

2　厭氧氨氧化菌的影響因素

2.1環(huán)境因素

溫度是微生物生長及代謝的主要影響因素之一。微生物所處環(huán)境的溫度較低時，細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸會受到抑制，生長較為緩慢；溫度升高后，細(xì)胞中物質(zhì)運(yùn)輸加快，生化反應(yīng)速率提高，生長速度加快。溫度太高或者太低都會導(dǎo)致微生物生長的抑制，因此，研究微生物適宜的生長環(huán)境十分重要。研究者對厭氧氨氧化菌的研究表明，其適應(yīng)生長的溫度范圍30℃～43℃。當(dāng)其環(huán)境溫度＜15℃時，反應(yīng)速率將會顯著降低，溫度從15℃升至30℃時，其反應(yīng)速率逐漸提高；溫度持續(xù)升高到35℃以上，厭氧氨氧化菌的生物降解能力開始下降，最后到40℃以上時其活性開始突然下降[2]。

2.2基質(zhì)濃度

不同微生物所利用的基質(zhì)物質(zhì)均有不同，而對于厭氧氨氧化菌來說，氨氮和亞硝酸鹽是其生長所能利用的基質(zhì)物質(zhì)。但是，在太高的氨氮、亞硝酸鹽環(huán)境中厭氧氨氧化菌的活性也會受到抑制。研究發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化菌在氨氮、亞硝酸鹽濃度均為1g/L時，生物活性不會受到抑制，而當(dāng)亞硝酸鹽濃度為0.1g/L時，厭氧氨氧化活性將會受到抑制，當(dāng)在環(huán)境中添加少量的肼和羥氨可以降低抑制作用。還有研究結(jié)果表明，厭氧氨氧化菌在處理污水時，亞硝酸鹽和氨氮的最佳比例為1.3：1，而利用不同的基質(zhì)物質(zhì)研究其抑制作用時，得到的亞硝酸氮的臨界濃度不同，因此，基質(zhì)物質(zhì)的濃度對于厭氧氨氧化菌的活性并不絕對，只要選擇合適的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)或模式可以降低該影響。

2.3有機(jī)碳

厭氧氨氧化菌生長的速度非常緩慢，而且對生長的環(huán)境極其敏感。厭氧氨氧化菌屬于自養(yǎng)菌，以無機(jī)碳為碳源。有機(jī)物的存在對其生長有著抑制作用，研究表明，當(dāng)有異養(yǎng)菌存在時，與厭氧氨氧化菌存在競爭作用，有機(jī)物的存在使得異養(yǎng)菌生長速度加快，抑制了厭氧氨氧化的生長。有研究者發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物的種類、濃度以及厭氧氨氧化菌形態(tài)對其生長、繁殖有著不同的影響作用。研究發(fā)現(xiàn)，甲醇和乙醇對其生長的抑制作用較強(qiáng)，葡萄糖的抑制作用較低，而乙酸和丙酸則對厭氧氨氧化菌的生長有著積極的作用。

2.4鹽度

微生物生長環(huán)境中鹽度也是其主要的影響因素之一，是由于鹽類物質(zhì)濃度的提高可以使得滲透壓增高，降低了微生物的生物活性，嚴(yán)重時可以導(dǎo)致微生物死亡。研究者發(fā)現(xiàn)，在具有高鹽度的死海底泥樣品里發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化菌的一種菌株，說明厭氧氨氧化菌具有一定的耐鹽能力。研究者通過這一發(fā)現(xiàn)，使其在具有高鹽度的含氮廢水中進(jìn)行訓(xùn)話，結(jié)果表明，逐漸提高污水中的鹽度在調(diào)整反應(yīng)器的運(yùn)行，可使得厭氧氨氧化菌耐受30g/L鹽度的污水，并且能夠保證反應(yīng)器良好運(yùn)行。

2.5溶解氧

厭氧氨氧化菌是一種嚴(yán)格厭氧的微生物，水中的溶解氧對其的生長、繁殖有著重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)，污水中溶解氧的濃度小于2μmol/L才能進(jìn)行生長，高于該值就會發(fā)生抑制作用。還有研究者利用不同溶解氧濃度來觀察厭氧氨氧化的生物活性，分別為2%、1%、0.5%和0%，結(jié)果表明，只有溶解氧濃度為0%時才具有厭氧氨氧化活性，其污水中的氨氮濃度開始降低[3]。

3　厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用

3.1短程硝化厭氧氨氧化工藝

短程硝化厭氧氨氧化工藝是應(yīng)用厭氧氨氧化性能的典型工藝之一，是將短程硝化與亞硝酸鹽型的厭氧氨氧化反應(yīng)耦合的進(jìn)行生物脫氮的污水處理工藝。該工藝分為兩個過程，第一步是在有氧條件下利用硝化菌將一部分氨氮氧化為亞硝酸鹽，第二步是經(jīng)過好氧反應(yīng)器的污水通入?yún)捬醴磻?yīng)器中，在厭氧氨氧化菌的作用下降剩余的氨氮和亞硝酸進(jìn)行反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈁4]。該工藝的關(guān)鍵之處在于如何控制亞硝化過程，且直接影響著最終脫氮的效果。研究表明，該工藝在進(jìn)行脫氮處理時，想要實現(xiàn)良好的亞硝化過程，需在反應(yīng)時添加堿度，這是由于氨氮的好氧氧化過程是一個消耗堿的過程，此外，溫度、pH值、溶解氧等都對其有著影響，表1為短程硝化段的控制因素。

表1　短程硝化段控制因素

短程硝化厭氧氨氧化工藝的核心為厭氧氨氧化生物處理技術(shù)，目前已在很多類型的廢水中有著應(yīng)用，且對氨氮的處理有著較好的效果。

3.2CANON工藝

CANON（Completely autotrophic nitrogen-removal over nitrite）工藝是在短程硝化厭氧氨氧化工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其是在一個反應(yīng)器中同時進(jìn)行亞硝化反應(yīng)和厭氧氨氧化作用。在該工藝中的微生物環(huán)境中相互協(xié)作，完成了氨氮的去除，首先氨氧化菌利用環(huán)境中的溶解氧進(jìn)行了氨氮的亞硝化，隨后厭氧氨氧化菌利用剩余的氨氮和亞硝化菌進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻Ｔ摴に囅啾葌鹘y(tǒng)的硝化、反硝化作用節(jié)省了63%的氧氣和100%的外加碳源，相比短程硝化厭氧氨氧化工藝，節(jié)省了空間和投資費(fèi)用，但其在實際應(yīng)用中更需要嚴(yán)格的控制環(huán)境中的溶解氧濃度。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)CANON工藝的良好運(yùn)行，必須嚴(yán)格控制工藝進(jìn)水的條件，最主要是要控制污水中氨氮與溶解氧的比例，保持氨氧化菌和厭氧氨氧化菌良好的互利共生關(guān)系。研究表明，氨氮和溶解氧的比例保持在1:0.85，能夠保證CANON工藝的良好運(yùn)行，當(dāng)溶解氧含量升高時，厭氧氨氧化菌受到抑制，環(huán)境中亞硝酸鹽開始積累，使得反硝化細(xì)菌增加，CANON工藝將會嚴(yán)重受到損壞[5]。實踐中表明，在SBR、膜生物反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器中均能實現(xiàn)CANON工藝，但是氣升式反應(yīng)器的運(yùn)行效果最佳。

3.3硫酸鹽型厭氧氨氧化工藝

硫酸鹽型厭氧氨氧化工藝是在2001年由Fdz-Polanco等人研究發(fā)現(xiàn)的，其在利用厭氧流化床反應(yīng)器處理高氮、高有機(jī)物的廢水時發(fā)現(xiàn)，出水水質(zhì)中總凱氏氮首先轉(zhuǎn)化為氨氮，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑫r污水中的硫酸鹽也轉(zhuǎn)化為了單質(zhì)硫。由此結(jié)果，研究者推斷在該反應(yīng)器中可能存在某種可以利用氨氮和硫酸鹽的微生物。隨后大量研究者對該現(xiàn)象進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，通過利用生物轉(zhuǎn)盤和生物附著床等反應(yīng)器進(jìn)行處理含有氨氮和硫酸鹽的污水，進(jìn)水氨氮濃度為0.3 kg·m-3·d-1，硫酸鹽濃度為3.0 kg·m-3·d-1，最終氨氮和硫酸鹽的處理效率為65.9～89.4%和70.8%～83.1%。雖然通過一些研究發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化的生物特性，但是對其在實際中的應(yīng)用還需進(jìn)一步的研究，以確定其在實際運(yùn)行時的具體操作參數(shù)[6]。

4　結(jié)語

利用厭氧氨氧化技術(shù)進(jìn)行脫氮處理，縮短了氨氮的去除過程，使其在處理氨氮廢水時有效節(jié)約了能耗，而且節(jié)省了投資費(fèi)用，在實際應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用前景。但是厭氧氨氧化也有其缺點(diǎn)存在，生長速度緩慢，對生長環(huán)境要求嚴(yán)格等。因此，應(yīng)加強(qiáng)對厭氧氨氧化菌的分離提純能力，深入研究其生長所需物質(zhì)條件和所需微量元素對其生長的影響結(jié)果，最終確定最佳的厭氧氨氧化菌的生長條件，進(jìn)一步應(yīng)用于厭氧氨氧化的工藝之中，提高其處理效率和處理的穩(wěn)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]唐崇儉,鄭平,陳建偉,等.基于基質(zhì)濃度的厭氧氨氧化工藝運(yùn)行策略.化工學(xué)報,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]張蕾,鄭平,胡安輝.鐵離子對厭氧氨氧化反應(yīng)器性能的影響.環(huán)境科學(xué)學(xué)報,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，碩士研究生，工程師，主要從事水處理及環(huán)境工程設(shè)計工作。