厌氧氨氧化脱氮技术原理与影响因素

厌氧氨氧化脱氮技术原理与影响因素宋航，王淑莹，马斌，彭永臻(北京工业大学，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京100124)5摘要:厌氧氨氧化细菌主要属于浮霉状菌目(Planctomycetales)，具有厌氧氨氧化能力，可以亚硝酸盐作为电子受体将氨氮氧化为氮气，从而达到自养脱氮的目的。亚硝酸盐是厌氧氨氧化的底物，但亚硝酸盐同时也是厌氧氨氧化的抑制剂，因此亚硝酸盐浓度直接影响厌氧氨氧化工艺脱氮性能，此外pH、温度与盐度等因素也会影响厌氧氨氧化菌活性。厌氧氨氧化工艺的启动时间较长，运行调控较困难，在此方面需要深入研究。10关键词:污水处理;厌氧氨氧化;影响因素;生物脱氮中图分类号:X703Theimpactfactorsandtechnicalprinciplesofanaerobicammoniumoxidationinwastewatertreatmentprocess15SongHang,WangShuying,MaBin,PengYongzhen(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,EngineeringResearchCenterofBeijingforBiologicalNitrogenandPhosphorusRemovalfromWastewaterwithProcessControlTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124)20Abstract:Theanaerobicammoniaoxidation(Anammox)bacteriabelongtoPlanctomycetales.Thesebacteriacouldoxidizeammoniumunderanaerobiccondition.NitritewasthesubstrateoftheAnammoxbacteria,italsoisaninhibitoroftheAnammoxbacteria.Inaddition,thepH,temperatureandsalinityalsohavesomeeffectsontheperformanceofAnammoxprocess.Thestart-uptimeofAnammoxprocessislongandtheoperationisdifficult,therefore,moreresearches25isneededinthefuturetoovercomethisproblem.Keywords:Wastewatertreatment;Anammoxbacteria;Impactfactors;Biologicalnitrogenremoval0引言30随着社会经济发展和人民生活水平的提高，工业和生活排放的废水中氨氮的含量越来越高，水体富营养化的不断发生，氮素污染问题已引起人们的高度关注。传统的生物脱氮方法主要是硝化-反硝化脱氮，但由于其对有机碳源的依赖，不适于处理低碳氮比污水。随着新型生物脱氮途径的发现，一些高效低耗的生物脱氮工艺正逐步得到开发应用。厌氧氨氧化是近20年来新型的生物脱氮技术[1-5]，相较于传统的生物脱氮技术，厌氧氨35氧化工艺具有脱氮负荷高、运行费用低、占地空间小等优点[1-3]，发展前景广阔。自20世纪90年代发现Anammox反应以来，Anammox生物脱氮工艺得到了广泛的研究[1]，其氮去除速率可高达9.5kgN/m3/d[5]，远高于传统的硝化反硝化工艺(氮去除率0.50kgN/m3/d)[6]，并且费用低(0.75欧元/kg?N)[7]。但是，厌氧氨氧化细菌生长非常缓慢，细胞产率较低[8]，[9]40并且对环境条件(温度、ph等)非常敏感[9]，严重制约了厌氧氨氧化技术的应用。本文主要对该工艺的菌种、影响因素和运行调控等研究进行综述。基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(优先发展领域)(20111103130002)作者简介:宋航，(1990-)，男，本科，主要研究方向:污水脱氮除磷。通信联系人:王淑莹，(1953-)，女，教授，主要研究方向:水污染控制与资源化。[e-mail]-1-1厌氧氨氧化原理和优势厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化细菌以亚硝酸盐作为电子受体将氨氮氧化为氮气的生化反应(式1)[2]。45++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+?1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O(1)NH4厌氧氨氧化工艺与传统硝化反硝化脱氮工艺相比(图1)[10]，具有如下优点:(1)自养脱氮无需有机碳源，无需投加甲醇等外碳源，既可以节省经费，也可以防止二次污染;(2)需氧量降低，曝气量节省约60%，从而大幅降低污水处理运行能耗[7]。[10]图1传统硝化/反硝化脱氮(左)和短程硝化/厌氧氨氧化脱氮(右)比较50Fig.1Comparisonofnitrification/denitrification(left)withthenitritation/anammoxprocess(right)[10]2厌氧氨氧化菌特性与多样性浮霉状菌科(Planctomycetaceae)和厌氧氨氧化菌科(Anammoxaceae)皆为具有厌氧氨氧化功能的细菌[11]。对细胞进行超薄切片观察,可见其细胞内存在分室[12];经负染观察后,可发55现细胞表面均匀分布着火山口状结构[12]。具有厌氧氨氧化活性的浮霉状菌最早发现于流化床反应器中[13]，但至今未获纯培养。目前文献报道的厌氧氨氧化菌主要有CandidatusBrocadiaanammoxidans[14],CandidatusBrocadiafulgid[15],CandidatusKueneniastuttgartiensis[16],CandidatusScalinduabrodae[17],CandidatusScalinduawagneri[17],CandidatusAnammoxoglobuspropionicus[18],Candidatus60Jetteniaasiatica[19],CandidatusAnammoxoglobussulfate[20],CandidatusScalinduasorokinii[21]和CandidatusScalinduaArabica[22]。前面8种分离自污水处理厂构筑物或实验室反应器获取的活性污泥样品中;后面2种分离自海洋沉积物样品中。目前，所发现的厌氧氨氧化菌大都为化能自养型细菌，以二氧化碳作为唯一碳源,通过将亚硝酸氧化成硝酸来获得能量，并通过乙酰-CoA途径同化二氧化碳[23]。Guven等研究表明，部分厌氧氨氧化菌可利用丙酸作为碳65源，而且丙酸盐的利用效率很高(每分钟每毫克细胞蛋白质可以代谢0.8nmol丙酸盐)[24]。厌氧氨氧化菌在利用丙酸盐时，必须以亚硝酸盐或硝酸盐为电子受体，且这一过程不受铵盐存在的影响[24]。3厌氧氨氧化的影响因素3.1温度对厌氧氨氧化的影响70温度是影响微生物酶促反应的主要因素之一，温度升高，反应速率加快，但每种微生物-2-都存在一个温度耐受的极限，超过该极限值后，反应速率会急剧下降，因此将温度控制在微生物最适温度范围有利于维持高效稳定的微生物反应。郑平[25]等研究温度对Anammox的影响，当温度从15?升至30?时，反应速率逐渐提高;升至35?时，反应速率开始下降，认75[26]在pH值=8.2、起始NH4+-N和NO2-质量浓度均为反应最适温度约为30?左右。杨洋等为200mg/L、污泥浓度约为1.6g/L的试验条件下，控制反应温度为30-35?时，Anammox反应速率最高;温度升至40?时，反应活性明显下降。叶建锋等[27]在pH值=7.5、进水NH4+-N,及NO2-N质量浓度均为7.5mg/L的模拟有机废水试验条件下，温度从10?升至31?，Anammox反应速率逐步提高;温度继续升高，反应速率开始下降，反应最适温度为31?左右。80李祥[28]等人研究当温度在26?-37?之间变化时，氮去除率在1.51-1.84kgN/m3/d之间变化，逐步降温可使厌氧氨氧化中氮去除率稳定。当温度低于20?时，随着温度的下降，氮的去除率快速下降，低于15?时，亚硝酸盐会累积，进而影响厌氧氨氧化反应脱氮效率。通过温度与氮去除率非线性拟合可得知其符合Logistic模型，当反应器温度控制在25?以上时，氮去除率变化在6%以内;当温度低于20?时，但温度与去除率有较好的线性关系[28]。853.2pH对厌氧氨氧化的影响pH值对微生物酶活性有重要影响:?改变酶分子和底物分子的带电状态，从而影响酶和底物的结合;?过高、过低的pH值都会影响酶的稳定性和活性，进而使酶遭到不可逆的破坏;?过高或过低的pH值还会影响培养基中基质的离子化作用，从而间接影响微生物活性[29]。研究发现pH值会影响厌氧氨氧化速率，郑平等[25]发现，温度30?，当pH值从6.090升至7.5时，厌氧氨氧化速率逐渐提高;但当pH值继续升至9.5时，厌氧氨氧化速率不断,下降，最适pH值在7.5附近。杨洋等[26]在温度30?、起始NH4+-N及NO2-N质量浓度均为200mg/L、污泥浓度约为1.6g/L试验条件下，当pH值为8.3时，污泥的厌氧氨氧化活性最大;当pH值小于8.3时，污泥的活性略有下降，而当pH值大于8.3时，其活性下降幅度较大，pH值为7.0和9.0时的厌氧氨氧化速率分别为pH值为8.3时的77%和66%，最适95pH值为7.5-8.3。3.3盐度对厌氧氨氧化的影响刘成良等[30]通过采用Anammox工艺处理模拟高盐度废水的实验表明了适合Anammox菌驯化的最初盐度为2.5g/L。在盐度为2.5-30g/L时，总氮去除率超过75%，盐度的提高能够显著的促进系统的脱氮速率。但是当盐度大于30g/L时，Anammox菌的脱氮效率受到显100著影响，其脱氮效率比下降了60%左右。在试验期间，NH4+-N与NO2--N的去除速率与NO3--N的生成速率的比值非常接近Anammox理论值，故可认为系统能够较好的遵循Anammox生物脱氮的的理论途径。Dapena-Mora等[31]人认为低于8.78g/L的NaCl不会影响Anammox菌的活性。Kartal等[32]通过逐渐增加混合盐(90%NaCl与10%KCl)浓度使淡水环境中的Anammox菌对高达30g/L的盐产生适应，此时，氮的去除速率与Anammox的活性均未发105生明显变化，而在盐度达到45g/L时，Anammox菌才会立刻失去活性。郑平[33]等研究表明盐度对厌氧氨氧化菌活性的抑制是可逆的，在30g/L盐度条件下，未驯化污泥的厌氧氨氧化活性比无盐水质条件低67.5%;驯化污泥的厌氧氨氧化活性只比无盐水质条件低45.1%。并且由高盐环境转移到低盐环境时，驯化污泥的厌氧氨氧化活性可提高43.1%。合理驯化可使厌氧氨氧化反应器处理高盐度含氨废水的潜能，通过逐渐提高盐度和110-3-调整反应器容积负荷避免基质抑制，可使厌氧氨氧化反应器适应30g/L的盐度[33]。3.4基质对厌氧氨氧化的影响厌氧氨氧化是氨和亚硝酸盐的生物反应[8]。通常亚硝酸盐是厌氧氨氧化菌的限制性基质，但同时也是抑制剂，当亚硝酸盐浓度超过临界抑制浓度时，可阻碍厌氧氨氧化菌的生长[4]与代谢，进而影响厌氧氨氧化工艺的运行性能115。Strous等[34]研究厌氧氨氧化菌生理学特性时发现100mg/L的亚硝酸盐氮就会抑制厌氧氨氧化菌，Dapena-Mora等[35]通过检测厌氧氨氧化活性发现350mg/L的亚硝酸盐氮可以使厌氧氨氧化活性降低50%。Wett等[36]发现4.8mg/L的NO