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生化技术

厌氧氨氧化工艺

厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺是1990年荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室开发的,该工艺突破了传统生物脱氮工艺中的基本理论概念。在厌氧条件下,厌氧氨氧化细菌(AnAOB)以氨为电子供体,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体,将氨氧化成氮气。


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厌氧氨氧化颗粒污泥的表观形态

污水的厌氧氨氧化自养脱氮过程一般包括两个阶段:第一个阶段是部分亚硝化(Partial Nitritation),大约一半的氨氮需要转化为亚硝酸盐氮;第二个阶段是厌氧氨氧化(Anammox),氨氮在厌氧条件下,以亚硝酸氮为电子受体,氧化成氮气。因此它也被称作PN/A工艺。

总反应式如下:

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目前,ANAMMOX工艺可以分为两段式和一体式两种,分别是指在两个单独的反应器和在同一个反应器中进行PN和ANAMMOX反应。两段式比较经典的是SHARON-Anammox工艺,一体式有亚硝酸盐完全自养脱氮工艺(CANON)、脱氨工艺(DEMON)、限氧自养硝化反硝化工艺(OLAND),以及同步亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化工艺(SNAD)等。

在一体式系统中,两个反应阶段均都在同一个反应器中进行,氨氧化细菌 (AOB)和厌氧氨氧化细菌(AnAOB)并存,需要严格控制曝气量,由于多种微生物种群共存,其反应器启动时间较长,易受负荷冲击影响,导致系统不稳定。但一体式系统具有建设成本低、占地面积小、体积负荷大、可有效避免亚硝酸盐积聚引起的抑制作用等优点。因此,工程应用更广泛。

与一体式系统相比,两段式系统的反应器可以独立调节和控制,更加灵活稳定。将自养脱氮的两个反应阶段分离,不仅可以优化富集AOB菌和AnAOB菌,而且可以通过PN段消除一些有毒有机污染物,避免有毒物质和有机物直接进入后续的厌氧氨氧化反应器中。但两段式系统投资成本更高,且由于PN段形成的NO2-N容易积聚,产生的游离亚硝酸浓度高则会抑制AOB菌、AnAOB菌活性,系统需匹配PN和厌氧氨氧化两反应阶段的反应速率,系统设计更为复杂。

与传统完全硝化-反硝化工艺相比,ANAMMOX工艺具有许多优点:

(1)ANAMMOX工艺只需将进水中大约50%的氨氮氧化成亚硝氮。因此,在硝化过程可以减少约60%耗氧量,曝气能耗大幅降低;

(2)ANAMMOX脱氮过程不需要任何有机物,可节省近100%的有机碳源;

(3)可以减少约20%的CO2排放;

(4)ANAMMOX细菌生长速率低,产泥量仅是传统脱氮工艺的15%,显著降低了污泥产量,从而减少污泥处置成本。

由于ANAMMOX工艺具有以上诸多优点,因此被认为是一种绿色低碳的废水处理方法。然而,仍存在很多问题,对环境条件非常敏感,包括溶解氧、温度、pH值和水力负荷等;启动时间长,容易受到进水水质影响;理论上还会有 11%的残留氮以硝酸盐的形式随出水排放,使得 TN 去除率难以进一步提高;从微生物层面看,系统中存在AOB、AnAOB、亚硝化细菌(NOB)、异养细菌(HB)之间不良竞争的关系,具体见下图所示。

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Anammox、AOB、NOB 和 HB 之间的相互协助与底物竞争关系

因此,针对ANAMMOX工艺今后的研究重点在于如何实现AnAOB菌的富集培养与维持、如何实现 NOB 的抑制与淘洗、如何避免异养反硝化菌的过量增殖、如何确保系统稳定运行的自动化控制水平等。


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