自營養脫氮技術研究進展

劉琦

摘要：全程自營養脫氮工藝（CANON）能夠實現廢水的單級自養脫氮。該工藝的原理是：在低有機物濃度的條件下，單個反應器或生物膜系統內，通過控制溶解氧實現短程亞硝化和厭氧氨氧化，即利用好氧氨氧化菌和厭氧氨氧化菌的協同作用將氨氮轉化為氮氣從而去除廢水中氮素污染物的過程。本論文對自營養脫氮技術的研究進展進行論述，為自營養脫氮工藝的推廣提供支持。

關鍵詞：自營養脫氮工藝；研究進展

中圖分類號：M215 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0373-01

2002年，Slieker等人[1]采用SBR反應器并以厭氧氨氧化反應器的污泥作為接種污泥，通過控制溶解氧試運行工藝，結果表明，能夠實現好氧氨氧化菌和厭氧氨氧化菌的共存，這兩種菌在各自的反應階段都表現出很好的活性，該反應器在無外加有機碳源的情況下實現氮的自養去除，即全程自營養脫氮工藝（CANON）。

自營養脫氮工藝的反應模。

自營養脫氮工藝的反應模型。

完全自營養脫氮工藝的方程式如下所示：

CANON工藝的實現是要保證硝化菌和厭氧氨氧化菌（AAOB）的共存，控制溶解氧實現短程硝化，再利用AAOB實現厭氧氨氧化，兩者共同完成氮素的去除。目前的研究表明影響自營養脫氮工藝的影響因素主要有：進水基質濃度[2]，溫度[3，4]，溶解氧[5，6]，顆粒污泥[7]等。這些因素對CANON工藝的影響主要體現在對短程硝化和厭氧氨氧化的影響。下面將探討厭氧氨氧化和短程硝化的研究進展。

1 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是自營養脫氮工藝實現的關鍵，是將氮素從水體中去除的關鍵一步。但AAOB世代時間長，對外界環境敏感，富集困難。因此，厭氧氨氧化的快速啟動與影響因子研究成為研究者關注的熱點。

1.1 厭氧氨氧化菌及生物特性

厭氧氨氧化菌是浮霉狀菌，出芽生殖。目前分離獲得和分類鑒定了5屬14種厭氧氨氧化菌。厭氧氨氧化菌是革蘭氏陰性菌，細胞外無莢膜，細胞壁表面有火山口狀結構，少數有菌毛。細胞內分隔成3部分：厭氧氨氧化體（anammoxosome）、核糖細胞質（riboplasm）及外室細胞質（paryphoplasm）。大部分DNA存在于核糖細胞質中的核糖體和擬核內。厭氧氨氧化過程發生在厭氧氨氧化體內，該結構占細胞體積的50%—80%。

厭氧氨氧化菌生長緩慢，世代時間長約11天，在短時間內，厭氧氨氧化裝置內難以富集較大的菌群濃度，據文獻報道，厭氧氨氧化菌只有在細胞密度達到1010個/mL以上時才能顯現活性。

1.2 厭氧氨氧化技術

目前，厭氧氨氧化技術在實驗室小試階段已經比較成熟，并成功應用于實際廢水的的處理中，該技術的實現主要有兩種方式。一是一段式：在單級反應器中實現，有生物膜和完全混合懸浮培養方式。生物膜方式是指膜表層為需氧的亞硝化菌，膜內層為厭氧氨氧化菌；完全混合懸浮培養的方式，通過控制低的溶解氧來實現自養脫氮。二是兩段式：第一段Sharon段，該段以氨氧化菌為主，5060%的氨氮被氧化成亞硝態氮，第二段Anammox段，該段以厭氧氨氧化菌為主，剩余的氨氮與新生成的亞硝態氮進行厭氧氨氧化反應生成氮氣，并生成部分硝態氮，兩段反應有各自的反應容器，工藝參數容易控制。

厭氧氨氧化生物脫氮技術已經廣泛應用于低碳氮比廢水的處理，在垃圾滲濾液、養殖廢水、城鎮污水處理廠厭氧消化液、味精加工廢水等的處理，均取得了優異的效果。表1.1列舉國內外典型的厭氧氨氧化工的實例。

2 國內外典型的厭氧氨氧化工程的實例

工藝類型 地點 處理水源 反應器容積（m3） 處理氨氮負荷 （KgN m-3 d-1） 啟動時間（d）

CANON ANAMMOX CANON ANAMMOX SHA+ANAMMOX SHA+ANAMMOX SHA+ANAMMOX CANON CANON 內蒙古 中國湖北 中國山東 中國山東 荷蘭 日本 荷蘭 瑞士 荷蘭 味精廢水 6700 酵母生產廢水 500 發酵廢水 500 制藥廢水 4300 市政污泥液 1500 半導體廢液 1500 半導體廢液 3000 市政污泥液 160 土豆加工廢液 600 1.67 2 2 1 42 9.5 1.9 3.29 1.9 1.3 30 — — — 1260 60 86 90 180

3 短程硝化

1975年，Votes[8]發現了硝化過程中的亞硝酸鹽積累的現象，并首先提出了短程硝化-反硝化這個概念。主要原理是將氨氮的氧化控制在亞硝態氮階段，不繼續氧化為硝態氮，也就是在保證氨氧化菌的前提下，抑制亞硝態氮氧化菌的增殖。目前，短程硝化的影響因素主要有游離氨（FA），溫度，溶解氧（DO）等。

3.1 游離氨

好氧氨氧化菌和亞硝酸氧化菌對FA的敏感性不同，好氧氨氧化菌的游離氨抑制濃度范圍為10-150 mg/L，亞硝酸氧化菌的游離氨抑制濃度約為0.1-1.0mg/L，因此通過控制FA的濃度，使得好氧氨氧化菌為活性污泥的優勢菌種。

3.2 溫度

研究表明可以利用好氧氨氧化菌和亞硝酸氧化菌在不同溫度下的生長速率的差異來保證亞硝態氮的積累[9]。在溫度高于30時，好氧氨氧化菌的生長速率高于亞硝酸氧化菌，使好氧氨氧化菌成為優勢菌，能夠實現亞硝態氮的積累。荷蘭Delft工業大學開發的Sharon工藝，就是應用了好氧氨氧化菌和亞硝酸氧化菌在不同溫度下生長速率的不同，控制污泥齡，使亞硝酸氧化菌被逐漸淘洗出反應器，實現了穩定的亞硝酸鹽積累。

3.3 DO

好氧氨氧化菌的氧飽和常數一般為0.2-0.4mg/L，亞硝酸氧化菌的為1.2-1.5mg/L，在低DO的條件下，兩者的生長速率不同，好氧氨氧化菌處于競爭的優勢地位[10]。因此，可以通過控制進水中DO的濃度實現對亞硝酸氧化菌的抑制，將反應器控制在低溶解氧和高游離氨的條件下，成功運行SBR，實現穩定的短程硝化。蔡慶在完全自營養脫氮SBR反應器的啟動運行中發現，持續限氧-厭氧的方式更有利于脫氮體系的啟動，可能是由于好氧氨氧化菌能夠適應高DO的反復運行，亞硝酸氧化菌不能夠適應這種交替變化而逐漸被淘汰。

4 結論與展望

針對國內外對厭氧氨氧化技術和短程硝化技術的研究，通過優化操作條件，選擇合適的富集培養裝置，優化營養配方，采取控制和強化措施等，可獲得高活性和高密度的厭氧氨氧化菌顆粒狀培養物，縮短自營養脫氮反應器的啟動時間，拓寬自營養脫氮技術在實際廢水的處理領域。

參考文獻

[1]劉濤，李冬，曾輝平等.氨氮濃度對 CANON 工藝功能微生物豐度和群落結構的影響[J].環境科學，2013，34（2）：773-780.

[2]李冬，崔少明， 梁瑜海等.溶解氧對序批式全程自養脫氮工藝運行的影響[J].中國環境科學 2014，34（5）：1131-1138.

[3]朱玲利. 磁性顆粒誘導厭氧氨氧化菌富集及自營養脫氮體系快速啟動研究[D].濟南：濟南大學.2016.

[4]李冬，蘇慶嶺，梁瑜海等.堿度和pH值對CANON工藝脫氮效果的影響[J].中國給水排水 2015，31（3）：13-18.