亞硝化-厭氧氨氧化處理生活污水的研究進展

任玉輝

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092）

引言

城市污水處理廠中傳統的脫氮工藝是在生反池中通過充足曝氣將氨氮和亞硝酸鹽氮盡量多地轉化為硝酸鹽氮，然后在反硝化構筑物中投加一定量碳源，將硝酸鹽氮轉化為氮氣。近年來基于實驗和實踐中發現的某些新現象，國內外學者提出了一些新型生物脫氮工藝并形成了生物脫氮新理論，其中主要包括亞硝化和厭氧氨氧化等。

1 新型生物脫氮理論

1.1 亞硝化

相比于全程硝化反硝化工藝，短程硝化反硝化可節約1/4的曝氣量，降低污泥產量，并減少堿度和碳源投加量，具有很高的應用價值。

在常規的生態系統中，亞硝酸菌和硝酸菌處于共生狀態，亞硝酸菌產生的亞硝酸鹽氮會被硝酸菌迅速地轉化為硝酸鹽氮，這個過程中很難形成亞硝酸鹽氮的積累，因此短程硝化工藝的控制難點在于，如何提高亞硝酸菌的活性和抑制硝酸菌的活性，將硝化反應產物停留在亞硝酸鹽氮形式，而阻止亞硝酸鹽氮被繼續氧化，進而可以將亞硝酸鹽氮直接進行反硝化反應或厭氧氨氧化反應。這就需要控制硝化反應的影響因素，根據2種硝化細菌對環境因素耐受能力的不同來盡量抑制硝酸菌的活性和/或減少硝酸菌在反應器中的數量，從而達到亞硝酸鹽氮大量積累的目的。

影響亞硝化工藝的主要因素有：

（1）溫度

常溫下硝化反應產生的亞硝酸鹽氮可以迅速地被氧化，但在30oC以上時會產生亞硝酸鹽氮的明顯積累。作為比較簡單的控制條件，研究人員可以將反應器溫度控制在低溫（≤15℃）或高溫階段（30～40℃），這樣硝化反應中獲得的產物大部分是亞硝酸鹽氮。但對于城市污水處理廠，控制污水低溫或高溫的措施顯然不宜進行。

（2）pH 值

一般認為，亞硝酸菌的最適pH值為7.9～8.2，硝酸菌的最適pH值為7.2～7.6，當pH值小于6.5時，亞硝酸菌和硝酸菌的生長都會受到抑制，而當pH值大于8時，硝酸菌的生長受到抑制，故工藝出水中的亞硝酸鹽氮濃度較高。

（3）溶解氧

亞硝酸菌和硝酸菌對于溶解氧的親和力不同，可以利用這種差異來實現亞硝化。而且根據筆者的實驗結果，控制適宜的溶解氧濃度是實現穩定的亞硝化必須要采取的手段之一。溶解氧濃度過高會使亞硝酸鹽氮迅速被氧化，不利于其積累，但溶解氧濃度也不能過低，如供氧不足也會降低亞硝酸菌的活性。

（4）游離氨

較高濃度的游離氨對2種硝化細菌的活性都有一定的抑制，但對硝酸菌來說其敏感度更強，也就是說稍高濃度的游離氨就可達到抑制硝酸菌活性的目的。Anthonisen[1]發現，游離氨對亞硝酸菌的抑制濃度為10～150mg/L，而對硝酸菌的抑制濃度為0.1～1.0mg/L。

（5）污泥齡

由于在中高溫條件下，亞硝酸菌的世代周期較硝酸菌短，可以通過控制污泥齡，使其介于亞硝酸菌和硝酸菌的最小停留時間之間，逐漸地將硝酸菌從生反池中淘汰掉，而亞硝酸菌則越來越富集于生反池中，從而實現亞硝酸鹽氮的積累。這種現象在部分污水處理廠實際運行過程中也有發現。

1.2 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是指在缺氧條件下，微生物以氨氮為電子供體，以亞硝酸鹽氮為電子受體，將它們同時轉化為氮氣的過程[2]。相比與傳統脫氮工藝，厭氧氨氧化工藝不需外加碳源，減少藥劑消耗，污泥產量低，無需供氧，節省動力消耗，具有明顯的優勢。

影響厭氧氨氧化工藝的主要因素有：

（1）基質濃度

適量的氨氮和亞硝酸鹽氮作為底物為厭氧氨氧化菌提供營養和能源。但是，當氨氮和亞硝酸鹽氮的濃度超過一定值，也會對厭氧氨氧化菌的活性產生抑制。鄭平等[3]的研究結果表明，氨氮對亞硝酸鹽氮的抑制常數為5.4～12.0mmol/L，對厭氧氨氧化菌的抑制常數為38.0～98.5mmol/L。

（2）pH 值

氨氮和亞硝酸鹽氮在水中都存在著電離平衡，pH值可通過影響游離氨和游離亞硝酸的濃度來影響厭氧氨氧化過程。van Dongen[4]認為，當pH值為6.7～8.3時，厭氧氨氧化反應可以較好地進行，其最適pH值約為8.0。

（3）溶解氧

水中高濃度的溶解氧會對厭氧氨氧化菌的活性產生明顯的影響。雖然氧氣對厭氧氨氧化菌的活性有明顯的抑制，但解除氧毒時，厭氧氨氧化菌的活性又可以得到恢復。

（4）溫度

厭氧氨氧化菌對溫度的變化較為敏感。一般認為，厭氧氨氧化菌的適宜溫度為33～40℃。近年來，研究人員開始轉向中低溫條件下厭氧氨氧化工藝的研究，筆者采用生物陶粒濾柱，在20±2℃、15±1℃、10±1℃時，平均總氮去除負荷分別達到 1.00g/(L·d)、0.89g/(L·d)、0.74g/(L·d)，平均總氮去除率分別為 87.6%、82.5%、73.0%。

（5）光

厭氧氨氧化菌屬于光敏性細菌，光照作用下會降低其30～50%的氨氮去除率。污水處理廠構筑物一般為鋼筋混凝土結構，如在其頂板開孔處覆以不透明蓋板，基本可以避免光照對構筑物脫氮效果的影響。

（6）有機物

厭氧氨氧化菌是化能自養厭氧菌，其倍增速率緩慢，在水中存在有機碳源情況下，異養菌倍增速率較快，就會導致厭氧氨氧化菌的生長受到影響。因此，厭氧氨氧化工藝比較適合置于微曝氣的生反池流程后端，生反池出水中含有較低濃度的有機物和相對較高濃度的沒有被氧化的氨氮，這樣可以達到較好的脫氮效果。

2 亞硝化-厭氧氨氧化工藝特點

亞硝化工藝中，亞硝酸菌只是將氨氮轉化為亞硝酸鹽氮，并不能繼續將其轉化為氮氣。要實現污水的高效脫氮，亞硝化還需結合其他工藝，而厭氧氨氧化就是其最理想的搭配。目前有兩種新型脫氮工藝受到較多研究者的青睞：一種是單級反應，以CANON為代表；另一種是兩級反應，以SHARON-ANAMMOX為代表。

CANON工藝的特點是，亞硝酸菌與厭氧氨氧化菌共存于同一反應器中，位于生物膜外層的亞硝酸菌，先將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，然后通過傳質作用，位于生物膜內層的厭氧氨氧化菌，將亞硝酸鹽氮和剩余的氨氮轉化為氮氣。

SHARON工藝的特點是，在30～35℃下，控制反應器污泥齡，使其介于亞硝酸菌和硝酸菌最小停留時間之間，逐步將硝酸菌從反應器中淘汰。隨后又開發出了SHARON-ANAMMOX工藝，在前段反應器中，將一半左右的氨氮轉化為亞硝酸鹽氮，然后在后段反應器中，將亞硝酸鹽氮和剩余一半的氨氮轉化成氮氣。

目前適合厭氧氨氧化工藝的反應器類型主要包括EGSB、生物轉盤、SBR、固定床等，它們都具有較好的微生物截留作用。

3 亞硝化-厭氧氨氧化工藝應用于生活污水處理的可能性

兩級亞硝化-厭氧氨氧化工藝中，亞硝酸菌和厭氧氨氧化菌可分別在自己最有利的環境中生長，相比單級工藝來說，其操作可靠性高，啟動時間較短，脫氮效率高，具有一定的優勢。但是，在我國污水排放量逐年增長的形勢下，將亞硝化-厭氧氨氧化工藝應用于生活污水處理還存在著一定的限制。一方面，厭氧氨氧化反應需要前段亞硝化反應出水保持穩定的NH4+/NO2-，另一方面，在以往研究成果中，亞硝化-厭氧氨氧化工藝進水普遍采取很高的氨氮濃度（>500mg/L），且反應器溫度也很高（30～40℃），這二者對于常溫低基質的生活污水來說很難維持，也需要消耗巨大的能量。近年來研究人員開始在常溫條件下研究厭氧氨氧化工藝的進行。

采用上向流高負荷生物濾池-CSTR亞硝化反應器-上向流厭氧氨氧化濾柱處理實際生活污水。系統穩定后，出水氨氮平均濃度為0.02mg/L，出水COD濃度為41.4±2.3mg/L，出水總氮濃度為11.9±2.7mg/L，優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中的一級A標準。

結語

基于亞硝酸菌和硝酸菌對各種基質或因素的耐受力不同，通過控制這些反應參數可以實現較穩定的亞硝化。但是目前對于某些反應參數的合理調控范圍，不同研究人員得出的結論也不盡相同。

另外雖然目前將亞硝化-厭氧氨氧化工藝應用于實際生活污水處理中，仍有許多問題亟待解決，但其應用前景和效益也是巨大的，可積極促進城市生態系統的良性循環，實現可持續發展的目標，值得廣大科研人員去深入研究。