厭氧氨氧化反應(yīng)影響因素研究進(jìn)展

摘要：厭氧氨氧化（Anammox）工藝是一種新型的生物脫氮技術(shù)，該過(guò)程具有無(wú)需外加有機(jī)碳源，無(wú)需曝氣，產(chǎn)泥量少等優(yōu)點(diǎn)，在低碳氮比的污水處理中有著廣泛的應(yīng)用前景。然而Anammox菌生長(zhǎng)速度普遍較慢、對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求嚴(yán)格，這是Anammox技術(shù)在水處理中廣泛應(yīng)用的最大瓶頸。因此，研究影響Anammox反應(yīng)的因素具有重要意義。總結(jié)了環(huán)境因子和反應(yīng)器條件對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響，其中包括光、溫度、pH、氧氣等環(huán)境因子，以及反應(yīng)器類型、填料等反應(yīng)器條件對(duì)Anammox啟動(dòng)和運(yùn)行的最新研究進(jìn)展。認(rèn)為pH在7.5～8.0、溫度35～40 ℃、嚴(yán)格厭氧、避光等環(huán)境條件下，以適合的反應(yīng)器、填料和污泥相結(jié)合，可促進(jìn)Anammox菌的快速增長(zhǎng)。并指出了厭氧氨氧化反應(yīng)有待解決的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：厭氧氨氧化；影響因素；環(huán)境因子隨著氮素污染的加劇，各種脫氮工藝應(yīng)運(yùn)而生。1955年MULDER等［1］在厭氧流化床中首次發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化反應(yīng)的存在，從此開始了有關(guān)厭氧氨氧化的各種研究。

厭氧氨氧化（Anammox）工藝因產(chǎn)泥量少、處理污水時(shí)僅需少量碳源、綠色高效等優(yōu)點(diǎn)而成為處理高氨氮且低碳氮比廢水領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并在實(shí)際的工程中取得了較好的污水處理效果。然而，厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)緩慢、對(duì)環(huán)境敏感，導(dǎo)致厭氧氨氧化過(guò)程所需的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)、運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題，限制了其工程應(yīng)用。如何通過(guò)改變反應(yīng)的影響因素來(lái)加快厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速度和處理效果，成了眾多學(xué)者的重要課題。

1環(huán)境因子影響

1.1光和溫度

Anammox菌（AnAOB）是光敏性細(xì)菌，光照會(huì)抑制其活性，使脫氮的效率降低35%～50%。因此，為了保證Anammox反應(yīng)能夠正常處理含氮污染物，研究者在進(jìn)行Anammox試驗(yàn)時(shí)通常讓反應(yīng)在黑暗環(huán)境中進(jìn)行，以減少光對(duì)Anammox反應(yīng)的負(fù)面影響。

溫度是影響AnAOB活性的重要環(huán)境因子。當(dāng)環(huán)境溫度處于最適溫度時(shí)，AnAOB能有良好的反應(yīng)活性且生物活性穩(wěn)定，處理污染物的效率高。AnAOB對(duì)低溫的耐受性較低，研究者們通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)測(cè)定Anammox反應(yīng)在不同溫度下的速率，發(fā)現(xiàn)AnAOB最佳生存溫度在35～ 40 ℃。當(dāng)溫度超過(guò) 45 ℃時(shí)，AnAOB的活性會(huì)受到嚴(yán)重抑制。而當(dāng)溫度從33 ℃下降到15 ℃時(shí)，氨氮的去除速率會(huì)明顯下降，說(shuō)明此階段溫度降低會(huì)減緩Anammox反應(yīng)的速度。

1.2pH

pH對(duì)微生物內(nèi)酶的活性和穩(wěn)定性有重要影響，它能夠改變細(xì)菌內(nèi)酶分子的帶電狀態(tài)，干擾酶和底物的結(jié)合，pH如果出現(xiàn)較大變化，可能使微生物內(nèi)的酶遭到破壞，進(jìn)而影響微生物的活性。Anammox反應(yīng)是一個(gè)產(chǎn)堿反應(yīng)，隨反應(yīng)時(shí)間增加pH將逐步變高。反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中pH的變化還會(huì)影響NH+4和NO-2在水溶液中的濃度，從而改變Anammox反應(yīng)的基質(zhì)數(shù)量。在中性偏堿性條件下，AnAOB才能表現(xiàn)出相對(duì)較高的生理活性，因此，Anammox反應(yīng)中穩(wěn)定反應(yīng)的pH很重要。

1.3氧氣

AnAOB是厭氧微生物，對(duì)氧氣濃度要求很高，僅當(dāng)氧氣分壓低于5%氧飽和度（以普通空氣中的氧濃度為100%）時(shí)AnAOB才能較好地生存；當(dāng)氧分壓超過(guò)15%時(shí)，AnAOB就會(huì)失活。為保證Anammox過(guò)程能夠穩(wěn)定運(yùn)行，需要在進(jìn)水中通氮?dú)猓∟2）來(lái)降低反應(yīng)時(shí)的DO質(zhì)量濃度，使進(jìn)水的溶解氧質(zhì)量濃度低于0.5 mg/L。Cema等［2］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，當(dāng)DO質(zhì)量濃度升高時(shí)，反應(yīng)器中NO-2濃度增加，反應(yīng)的氨氮去除率將會(huì)降低，這說(shuō)明DO質(zhì)量濃度較高會(huì)抑制Anammox過(guò)程。

2反應(yīng)器的影響

2.1反應(yīng)器類型及其特點(diǎn)

厭氧水處理技術(shù)的核心是厭氧反應(yīng)器，反應(yīng)器的構(gòu)型對(duì)AnAOB的富集、反應(yīng)過(guò)程的啟動(dòng)、運(yùn)行是否穩(wěn)定及處理效果有著非常重要的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同類型的反應(yīng)器中厭氧氨氧化過(guò)程的啟動(dòng)和運(yùn)行進(jìn)行了探索，已開發(fā)出了多種厭氧氨氧化反應(yīng)器。其中復(fù)合型反應(yīng)器可以提高Anammox反應(yīng)速率，啟動(dòng)厭氧氨氧化的時(shí)間相較于普通反應(yīng)器而言普遍更短，因此復(fù)合型反應(yīng)器是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究和設(shè)計(jì)厭氧氨氧化反應(yīng)器的焦點(diǎn)。當(dāng)前應(yīng)用較多的是復(fù)合型反應(yīng)器。

膜生物反應(yīng)器（MBR）：在反應(yīng)器中，微生物會(huì)形成不規(guī)則的顆粒狀污泥，有利于培養(yǎng)厭氧氨氧化菌這種世代時(shí)間較長(zhǎng)的細(xì)菌。

序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）：是生物膜法的間歇操作模式，間歇式的進(jìn)水可以提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力，提高了傳統(tǒng)SBR反應(yīng)器的處理能力和穩(wěn)定性。該反應(yīng)器還具有生物多樣化，生物量多，剩余污泥的產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)。該反應(yīng)器比傳統(tǒng)的SBR反應(yīng)器更適合培養(yǎng)厭氧氨氧化菌。

厭氧折流板膜生物反應(yīng)器（CAMBR）：也是近年來(lái)研制的一種新型高效的厭氧生物處理裝置。相比與前兩種反應(yīng)器，CAMBR工藝可以減緩膜污染進(jìn)程，增加膜的使用時(shí)限。

吳鵬［3］采用ABR-MBR耦合工藝對(duì)實(shí)際的生活污水進(jìn)行處理，CAMBR工藝歷經(jīng)72天啟動(dòng)成功，氨氮（NH＋4N）、總氮（TN）平均去除率分別達(dá)92%和72%。此研究還表明CAMBR的膜污染與污泥濃度、膜通量、曝氣量3種因素密切相關(guān)。鮑林林等［4］在溫度（30±2）℃、DO為0.2～0.5 mg/L、pH為7.6～8.0、平均進(jìn)水氨氮、亞硝氮負(fù)荷分別為0.12和0.18 kg/（m3·d）的條件下，啟動(dòng)CAMBR厭氧氨氧化反應(yīng)器。經(jīng)83 d的連續(xù)運(yùn)行，啟動(dòng)成功；成功啟動(dòng)后NH＋4N、NO-2N的去除率均在95%以上，TN去除率達(dá) 80%以上。

在選擇反應(yīng)器時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮其是否具有高效率的微生物截留能力，其次是成本、反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行費(fèi)用。實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)反應(yīng)的環(huán)境條件、待處理污水特性、處理目標(biāo)等選擇適合的反應(yīng)器。各種反應(yīng)器啟動(dòng)Anammox反應(yīng)都有其自身的優(yōu)勢(shì)和不足，本文介紹的3種反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1） MBR反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)是泥水分離性好，可有效減少AnAOB的流失，缺點(diǎn)是反應(yīng)器的價(jià)格偏高。

（2） SBBR反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)是生物多樣化，生物量多，剩余污泥的產(chǎn)量少，缺點(diǎn)是水力停留時(shí)間較長(zhǎng)且反應(yīng)器自動(dòng)控制要求高。

（3） CAMBR反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)Anammox的時(shí)間較短，處理效率高，減緩膜污染進(jìn)程，增加膜的使用時(shí)限，缺點(diǎn)是反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格較高。

2.2反應(yīng)器填料

反應(yīng)器內(nèi)加入載體可以減少微生物的流失，載體能夠形成生物膜。添加填料可使AnAOB附著于填料表面，促進(jìn)AnAOB的富集。研究人員在反應(yīng)器中投加了不同的填料，對(duì)厭氧氨氧化工藝運(yùn)行所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同填料對(duì)厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)和反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

譚發(fā)等［5］采用上流式反應(yīng)器接種混合污泥（包括短程硝化污泥、活性污泥和厭氧氨氧化污泥）來(lái)

啟動(dòng)厭氧氨氧化工藝。3個(gè)相同的反應(yīng)器中分別采用活性炭、海綿、海綿+活性炭作為厭氧氨氧化反應(yīng)器的載體。研究結(jié)果表明，在反應(yīng)器進(jìn)行污泥回流的情況下，以活性炭為載體時(shí)對(duì)廢水的脫氮效果較好，但出現(xiàn)明顯的污泥分層現(xiàn)象；以海綿為載體時(shí)，NH+4N去除率約為90%，TN去除率僅僅有75%；以活性炭+海綿為載體時(shí)，能有效地解決污泥分層問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，NH+4N去除率超過(guò)了96%，TN去除率約為 90%。該研究說(shuō)明以海綿+活性炭為載體的上流式厭氧氨氧化反應(yīng)器表現(xiàn)較好的脫氮效果和穩(wěn)定性。

三、 結(jié)論及未來(lái)展望

目前，對(duì)Anammox反應(yīng)器、環(huán)境因子等對(duì)Anammox反應(yīng)所產(chǎn)生影響的研究成果表明，在pH7.5～8.0、溫度35～40 ℃、完全避光、厭氧等環(huán)境下，以特定的某種反應(yīng)器、適合的填料和接種污泥條件下，并在某些反應(yīng)器中增加攪拌設(shè)備，可促進(jìn)AnAOB的迅速增長(zhǎng)，加快馴化過(guò)程。但在關(guān)于Anammox反應(yīng)影響因素的研究中，仍有一些有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題，主要包括以下兩點(diǎn)：

（1） 中國(guó)北方地區(qū)普遍溫差大，冬季寒冷，而Anammox工藝在低溫的條件下，脫氮的效率較低，難以滿足脫氮處理要求。因此，如何在溫度較低的條件下應(yīng)用Anammox工藝去除污水中的含氮污染物是目前研究的熱點(diǎn)。

（2） 由于Anammox技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的污水脫氮技術(shù)，未來(lái)將成為處理低C/N比、高含氨氮廢水工藝的優(yōu)先選擇。但是目前還需要加快開展Anammox技術(shù)的規(guī)?；凸こ檀蠓秶鷳?yīng)用的研究，建立影響反應(yīng)的各因素間的關(guān)系，研究得到Anammox工藝不同影響因素之間的較優(yōu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化的推廣和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

［1］MULDER A， VAN DE GRAAF A A， ROBERTSON L A， et al. Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor［J］. FEMS Microbiology Ecology， 1995， 16（3）：177183.

［2］CEMA G， PLAZA E， TRELA J， et al. Dissolved oxygen as a factor influencing nitrogen removal rates in a one-stage system with partial nitritation and anammox process［J］. Water Science and Technology， 2011， 64（5）：10091015.

［3］吳鵬.ABR-MBR組合工藝處理城市污水的性能研究［D］.無(wú)錫：江南大學(xué)，2013.

［4］鮑林林，陳婉秋，申今生，等.折流板生物膜反應(yīng)器快速啟動(dòng)厭氧氨氧化［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，48（2）：114118.

［5］譚發(fā)，王敦球，金樾，等.新型一體化厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)研究［J］.水處理技術(shù)，2016，42（7）：110113.