厭氧氨氧化生物脫氮工藝研究進展
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摘 要：厭氧氨氧化（Anammox）反應作為一種新型的自養生物脫氮過程，是指以厭氧或缺氧作為前提，亞硝態氮（NO2-N）充當電子受體，厭氧氨氧化菌（AnAOB）將氨氮（NH4+-N）氧化成N2。文章簡述了厭氧氨氧化的反應機理，列舉了幾種厭氧氨氧化工藝。具有重要的理論和實際意義。
關鍵詞：厭氧氨氧化;生物脫氮;代謝機理
中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）18-0118-02
Abstract： Anaerobic ammonium oxidation（ANAMMOX）is a novel biological nitrogen removal process. It refers to the biological process of anaerobic ammonium oxidation of microorganisms with NO2-N as an electron acceptor and oxidation of NH4+-N to nitrogen （N2） by AnAOB under anaerobic or anoxic conditions. The mechanism of anaerobic ammonium oxidation reaction is reviewed. Several anaerobic ammonium oxidation processes are listed， which have important theoretical and practical significance.
Keywords： anaerobic ammonium oxidation; biological nitrogen removal; metabolic mechanism
1 概述
現如今，傳統的生物脫氮技術存在一些局限性：如曝氣耗能量大、有機碳源缺乏、操作流程繁瑣、耐沖擊負荷能力差等。1995年，NH4+-N在NO2--N減少的同時也發生減少的現象被Mulder等人在厭氧流化床反應器中觀察到，大量國內外學者提出了一些區別于傳統生物脫氮技術的新型脫氮過程。例如荷蘭Delft大學提出了一種名為厭氧氨氧化的新型脫氮技術，具有無需外加有機碳源，污泥的產量少、脫氮的效率高等優點。
2 厭氧氨氧化機理
Graaf等[1]采用15N追蹤進行試驗，提出了厭氧氨氧化反應可能的代謝過程。首先NO2-還原生成羥胺（NH2OH），然后AnAOB以NH2OH作為電子受體將NH4+氧化為聯氨（N2H4），又進一步將N2H4氧化成N2，同時產生2H+。之后，M.S.M.Jetten等[2]發現了厭氧氨氧化反應是在AnAOB的細胞內進行，對反應機理的了解得到進一步加深并稱其為厭氧氨氧化體，提出了一種厭氧氨氧化反應的過程模擬。該過程分為3步：第1步，細胞質一側的NO2-，在亞硝酸鹽還原酶（NIR）的作用下被還原成NH2OH;第2步， NH2OH轉運到厭氧氨氧化體一側，NH4+在聯氨水解酶（HH）的作用下氧化成N2H4;第3步， 厭氧氨氧化體一側的聯氨氧化酶（HZO）將N2H4氧化為N2，同時釋放4H+和4e，通過跨膜運輸物質將4e轉運給細胞質一側的NIR，用于下一輪的厭氧氨氧化。
3 厭氧氨氧化工藝
厭氧氨氧化工藝分成兩級系統的分體式工藝和一級系統的一體式工藝兩種反應器類型。將兩個反應在不同的反應器內進行就是分體式工藝，比如SHARON-ANAMMOX工藝。只在單個反應器內進行反應就是一體式工藝，主要包含了CANON工藝、OLAND工藝和DEMON工藝等。
3.1 SHARON-ANAMMOX工藝
SHARON-ANAMMOX工藝是目前使用最多的厭氧氨氧化工藝，它主要分為兩個步驟， 第一步是SHARON部分，50%～60%左右的NH4+-N被氧化成NO2--N。根據氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的不同生長條件，控制其運行溫度、水力停留時間（HRT）以及污泥停留時間（SRT）等，逐漸淘汰反應器中的NOB使AOB成為該反應器的主體菌，累積獲得穩定的NO2--N，控制氨的氧化過程只發生到生成NO2--N階段。第二步是ANAMMOX部分，剩下未反應的NH4+-N與新生成的NO2--N發生厭氧氨氧化反應生成N2，并形成一部分NO3--N。當SHARON工藝和ANAMMOX工藝聯合使用時，只將50%的NH4+-N轉化成NO2--N，這樣就不需要再額外加入NO2--N，此外，硝化反應引起的堿度消耗可由厭氧出水中含有的重碳酸鹽來補償，因而無需再額外投加堿度物質。
3.2 CANON工藝
CANON工藝是指通過控制單個反應器中的溶解氧（DO）實現亞硝化和厭氧氨氧化。CANON工藝反應器中主要是絮狀或顆粒形態的污泥。在曝氣條件下，絮狀或顆粒形態的污泥表層呈現好氧狀態，AOB數量很多并且豐富，NH4+-N在表層被氧化生成NO2--N，與此同時存在于表層的DO也被完全耗盡，有效地防止了DO進一步轉移到內部，從而在絮狀或顆粒形態的污泥內部形成厭氧區為AnAOB提供了適宜的生長環境。原水中剩余的未反應的NH4+-N和生成的NO2--N進入其內部，經過厭氧氨氧化反應脫氮。CANON工藝易受到NOB的干擾，與AnAOB競爭底物，因此保證CANON工藝穩定運行的條件是控制NOB的生長，一般可以通過控制DO或NO2--N來實現。
3.3 OLAND工藝
OLAND工藝是2005年由Windey[3]等提出的，與CANON工藝不同，OLAND工藝是在生物轉盤反應器的基礎上運行。在生物轉盤反應器的表面由AnAOB和AOB形成生物膜，位于生物膜表層的是AOB，位于生物膜底層的是AnAOB，空氣或水中的DO被AOB作為電子受體，將NH4+-N氧化成NO2--N，與此同時，DO被完全耗盡，生物膜底層呈現出厭氧環境，擴散轉移進入底層的NH4+-N以及NO2--N進行了厭氧氨氧化反應生成N2，實現脫氮。該工藝的優點是在適宜的操作條件下運行耗能量低，管理方便，氮的去除率高。該工藝在工程應用中仍很少見，隨著生物轉盤反應器的應用發展，該工藝有希望更廣泛地應用到工程實例當中。 3.4 DEMON工藝
DEMON工藝是1996年由Hannover大學的Hippen等[4]提出的。控制供養條件是DEMON工藝的關鍵，該工藝主要以SBR方式運行。與CANON工藝和OLAND工藝的不同之處在于，DEMON工藝是通過調節pH值進而控制反應器中NO2--N的濃度，防止過量累積的NO2--N抑制AnNOB的生長。Rosenwinkel[5]等運用DEMON工藝對污水處理廠污泥廢水進行了實驗研究，通過控制溫度、pH值、DO濃度等操作條件，實現了AOB和AnAOB的積累。在氨氧化負荷為120kg/d時，去除率達到70%，且運行穩定。
4 結束語
目前，在實際工程運用中，厭氧氨氧化工藝還不夠成熟，AnAOB生長條件嚴格，影響因素較多，繁殖周期和啟動時間很長，厭氧氨氧化工藝在較為苛刻的外在條件下才能穩定運行。另外，低濃度NH4+-N廢水很難累積NO2--N，難以富集AnAOB，冬季水溫較低等問題限制了該工藝在低濃度NH4+-N廢水處理中的應用。因此如何實現在低濃度NH4+-N廢水中穩定累積NO2--N，并提高AnAOB在低溫條件下的活性是未來研究的方向。
參考文獻：
[1]Van de Graaf A A，De Bruijin P，Robertron LA， et al. Metabolicpathway of anaerobic ammonium oxidation on the basis of N-15studies in a fluidized bed reactor [J]. Microbiology，1997，143（7）：2415-2421.
[2]Strous M，Kuenen J G，Jetten M S.Key physiology of anaerobi-cammonium oxidation[J].Applied and Environmental Microbiology，1999，65（7）：324-3250.
[3]Kim Windey，inge De Bo，Willy Verstraete.Oxygen-limited autotrophic nitrification-denitrification（OLAND）in a rotating biological contactor treating high-salinity wastewater[J].Water Research，2005，39（18）：4512-4520.
[4]Hippen A，Rosenwinkel K H， Baumgarten G，et al. Aerobicdeammonification：A new experience in the treatment of wa-ste waters[J].Wat Sci Tech，1997，38（10）：111-120.
[5]Rosenwinkel K H，Cornelius A.Deam monifi cation in themoving-bed process for the treatment of wastewater withhigh ammonia content[J].Chem Eng Technol，2005，28（1）：49-52.
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