国内厌氧氨氧化技术污水处理

近年来，传统的好氧硝化-缺氧反硝化工艺在城市生活中得到广泛应用污水处理。然而，传统城市污水处理脱氮工艺的好氧阶段需要消耗大量能量进行曝气，这也成为污水处理厂的主要能耗，增加了污水处理厂的运行成本。厌氧氨氧化(Anammox)是20世纪90年代在污水处理首次发现的，近几十年来一直是废水脱氮研究的热点。厌氧氨氧化工艺具有脱氮效率高、能耗低、经济、污泥产量低等特点。，在高氨氮废水处理中受到广泛关注。因此，城市生活污水厌氧氨氧化的研究对于缓解污水处理厂的运行成本，开拓厌氧氨氧化的研究领域具有重要的现实意义。

目前，垃圾渗滤液、污泥消化液、工业废水等高氨氮废水的厌氧氨氧化脱氮研究已广泛开展。然而，对于低氨氮的生活污水，厌氧氨氧化的应用研究仍然缺乏。城市污水的水质波动大、水量变化广、氨氮含量低、温度影响大等特点，限制了厌氧氨氧化在主流城市生活中的应用污水处理。

基于此，本文从厌氧氨氧化细菌在城市污水处理植物中的分布和限制条件、厌氧氨氧化在城市污水处理植物中的应用、厌氧氨氧化组合工艺以及厌氧氨氧化工程案例分析等角度，探索厌氧氨氧化脱氮技术在城市生活污水处理中的影响因素和适用性。

一、城市生活污水处理工厂中厌氧氨氧化细菌的丰度和多样性

厌氧氨氧化细菌是自养厌氧菌，属于浮游霉菌的范畴。迄今为止，已发现6个具有厌氧氨氧化代谢活性的细菌属。如图1所示，厌氧氨氧化细菌属于化能自养微生物，通常以亚硝酸盐为电子受体，以氮为氧化铵离子。然而，在不同的生态系统中，如海水、淡水、不同来源的污泥、苦咸水和陆地生态系统中，厌氧氨氧化细菌存在很大的差异。同时，与厌氧氨氧化细菌相关的菌株robocaloniensis和CandidatusBrocadiasinica在世界各地的污水处理系统中被广泛发现，其中Leal等在污水处理厂剩余污泥中成功富集培养出厌氧氨氧化细菌，也是厌氧氨氧化技术的应用。

1.1生物种群之间的影响关系

生物多样性是制约厌氧氨氧化技术可行性的关键因素。在厌氧氨氧化污水处理技术的应用过程中，厌氧氨氧化细菌(AnAOB)与氨氧化细菌(AOB)、亚硝酸盐氧化细菌(nitriteoxidizingbacteria)、NOB)与反硝化菌(DNB)之间的合作与竞争关系是实现厌氧氨氧化工程应用的关键因素。AOB主要在厌氧氨氧化反应的准备阶段发挥作用。通过控制曝气，AOB可以将50%的氨氮氧化为亚硝酸盐阶段，为后续反应提供足够的电子受体。城市污水的温度会受到季节波动的影响，在低氨氮负荷下，NOB的增长率会高于AOB。同时，游离氨(FA)和游离亚硝基酸(FNA)的质量浓度会发生波动，对NOB的抑制作用产生很大影响，使a NOB失去足够的电子受体，最终导致硝酸盐积累，从而降低脱氮效率。与DNB相比，AnAOB的生长速度较慢，细胞增殖产量较低。同时，在厌氧条件下，DNB主要通过竞争电子受体(NO-2)来抑制AnAOB活性。但也有研究发现，为了有效去除城市污水中的氨氮和有机物，AnAOB和DNB可以共存。

1.2环境因素对生物多样性的影响

环境条件(有机物、pH、温度、溶解氧)对厌氧氨氧化生物群落的影响制约着整个反应过程和处理效果。城市污水中化学需氧量(COD)的质量浓度为600 ~ 1400 mg/L，研究表明，当COD的质量浓度超过300mg/L时，会对AnAOB产生明显的抑制作用[38]。Kartal等人证明了AnAOB在城市生活污水中存在乙酸和丙酸的情况下，在与反硝化菌竞争的过程中表现出明显的优势，并证明了AnAOB在高COD的城市生活污水中能保持活性。在有机物存在的情况下，厌氧氨氧化菌属细菌有明显的转化(Candidatus robocanica(Candidatus robocanica))，这与AnAOB对高有机物的耐受性有关。城市生活污水中氨氮的质量浓度较低，因此城市生活污水中普遍存在高碳氮比。但当C/N比超过4时，可能会影响厌氧氨氧化的进程，并且随着C/N比的增加，AnAOB的活性降低，DNB变得更具竞争性。根据文献记载，低温高有机负荷条件更有利于异养反硝化菌的增殖，从而导致AnAOB失去大量电子受体，造成大量硝酸盐积累，这也是制约厌氧氨氧化工艺在主流城市生活污水处理工厂应用的关键因素。而Nejidat等人对urban 污水处理植物不同隔室(其C/N比大于13)厌氧氨氧化细菌的丰度和多样性进行了研究，结果表明AnAOB可以在高C/N比的主流urban 污水处理植物中生长和活跃，CandidatusBrocadiaflugida在污水处理植物中占优势。

厌氧氨氧化对pH值的变化非常敏感，因此在厌氧氨氧化工艺运行的各个阶段控制pH值尤为重要。文献中指出，AnAOB在pH 6.7 ~ 8.3范围内生长较为适宜，pH为8.0时AnAOB的反应速率达到峰值。而Egli等人在旋转生物接触塔处理富含高氨氮渗滤液的研究中提出了更宽的适用范围(6.5 ~ 9.3)。朱等指出，厌氧氨氧化细菌膜的低渗透性和有限的质子扩散保护细菌免受酸性或碱性条件的影响。厌氧氨氧化工艺在运行过程中会消耗一定量的H+，因此溶液的pH值往往会随着反应而升高，在强碱强酸条件下可能会抑制AnAOB。因此，在实际工程应用中，有效控制pH值的变化对维持厌氧氨氧化工艺的稳定运行至关重要。城市生活污水受季节性影响较大，尤其是低温时。适当提高pH值有利于维持塔氏假丝酵母细胞内pH梯度的稳定，对维持处理体系的稳定性和良好的处理效果具有重要意义。

温度是影响微生物生长的关键因素，也直接影响厌氧氨氧化微生物群落的相对丰度。季节性温度变化是制约厌氧氨氧化工艺在现实生活中应用的主要因素之一污水处理。文献表明，温度对AnAOB的影响高于pH，稍高的温度(35~40℃)有利于anammox生物种群的生长，可缩短倍增时间，但高温(>:45℃)会不可逆地引起细胞裂解，严重影响处理效果。同时，温度的降低也会影响AnAOB的活性，低温更有利于异养反硝化菌的繁殖，从而制约了实际城市生活污水处理工厂中厌氧氨氧化工艺的运行。然而，胡等人采用布水法研究了低温(12℃)条件下AOB和AnAOB组合的脱氮效果。结果表明，AOB和AnAOB均具有较高的活性，厌氧氨氧化反应器中优势菌CandidatusBrocadiafulgida的相对丰度随温度变化不大，氨氮去除率高达90%。虽然低温条件对AnAOB的生长影响很大，但是AnAOB能够适应低温环境，保证反应的顺利进行。因此，虽然温度对厌氧氨氧化有一定的影响，但AnAOB可以通过培养驯化适应一定的低温环境。因此，如何有效地控制温度变化，使好氧反硝化细菌适应低温环境，是发挥好氧反硝化细菌功能作用和抑制异养反硝化细菌活性的关键步骤。

AOB属于厌氧细菌，反应条件中溶解氧的控制对AOB的活性起着重要作用。DO对整个生物群落的厌氧氨氧化有一定的影响，AOB和NOB对氧气的竞争是好氧限制条件下控制NOB的有效方法之一。Tzyzak等人发现，当DO的质量浓度大于1.5mg/L时，AOB表现出比NOB更高的活性，因此对NOB有很好的抑制作用。然而，当AOB和NOB在操作溶解氧的设定点处的比生长速率接近时，如果该过程限于氧气，则无论液相中溶解氧的控制水平如何，都难以抑制NOB。因此，限制供氧量可以有效抑制NOB的活性，提高AOB和AnAOB的转化效率。王俊安等在城市生活污水亚硝化反应器的启动和运行研究中，确定DO控制范围为0.3~0.5mg/L。因此，由于城市生活污水受季节变化影响较大，可以在亚硝化活性污泥反应器中接种AnAOB，使DO浓度控制在0.5mg/L左右，通过短程硝化-厌氧氨氧化有效实现城市生活污水的深度脱氮。

二。厌氧氨氧化工艺在城市生活中的应用污水处理

厌氧氨氧化工艺由于厌氧氨氧化倍增时间慢、微生物群落关系复杂、季节性温度变化、生活污水碳氮比变化大等原因，在主流城市生活污水中的应用和发展受到限制。全世界已有110多个厌氧氨氧化工程在运行，其中75%主要用于城市污水的侧流处理。目前国内对城市生活厌氧氨氧化污水处理的研究还大多停留在人工配水的实验室水平。但与实际的城市生活污水污染物相比，人工配水种类单一，水质变化不大。因此，目前还缺乏实际工程应用的理论基础。在张树德利用城市生活污水处理厂二级出水培养厌氧氨氧化菌的研究实验中，以下流式生物滤池为主要反应容器，论证了厌氧氨氧化工艺在处理高氨氮废水中能起到良好的处理效果，也可用于城市污水的深度处理，对城市生活污水的深度脱氮具有深远的现实意义。DeAlmeida等人在讨论温度对城市污水处理厌氧氨氧化反应器中微生物多样性和反硝化性能的影响时指出，厌氧氨氧化工艺在典型热带温度下应用于主流城市污水处理是可行的。

污泥厌氧氨氧化处理是城市生活污水的侧流应用之一，可去除进水总氮负荷的25%。目前在国外已经得到了广泛的研究和应用。Leal等将预处理后的城市生活污水接种到富含厌氧氨氧化细菌的序批式反应器(SBR)中，可获得较高的COD、亚硝酸盐和氨氮去除率(分别为80%、90%和95%)，从而论证了厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮的可能性。厌氧氨氧化工艺的侧流应用能力有限，厌氧氨氧化在主流城市生活污水中的应用可以在很大程度上实现污水处理厂的能量自给。

三。颗粒污泥在厌氧氨氧化工艺中的应用

在传统的污水生物处理中，氨氮通常通过硝化作用被氧化成硝态氮，消耗大量的氧气。之后硝酸盐氮通过反硝化作用转化为氮气，但这个过程仍然需要有机物作为碳源，而通常对于低碳氮的污水，还需要额外的碳源如甲醇。在传统的污水生物处理中，通常会产生大量的剩余污泥，因此需要对剩余污泥进行进一步处理，这进一步增加了污水处理的成本。

而AnAOB生长缓慢，倍增时间为7 ~ 12天。因此，厌氧氨氧化工艺产生的剩余污泥较少，省去了剩余污泥的处理系统，节约了处理成本。目前较多采用厌氧氨氧化工艺处理氨氮含量较高的污水。而快速沉降硝化菌和厌氧氨氧化菌(一种颗粒污泥冶金)如果在致密颗粒中共培养，可以保留更多的生物量，提高处理效果。颗粒反应器已被开发用于在厌氧和好氧条件下去除有机物和营养物。由于颗粒污泥系统的高容积转化率，富含厌氧氨氧化菌的颗粒污泥也可用于低温低氨氮条件下处理城市污水。高等通过人工配水培养厌氧氨氧化颗粒污泥，探索厌氧氨氧化颗粒污泥对城市生活污水的处理效果。研究表明，厌氧氨氧化菌的比例下降，厌氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的比例上升。在有效控制溶解氧后，可降低出水中硝酸盐氮的浓度，提高总氮的去除率。有人指出，厌氧氨氧化颗粒污泥在抗外界环境波动方面明显优于絮状污泥，AnAOB的活性会随着颗粒污泥粒径的减小而降低。因此，对于高负荷的城市生活污水，苗等发现COD对胞外聚合物(EPS)有影响，而EPS通过促进细胞和污泥颗粒的聚集来促进颗粒污泥的形成。因此，合理控制城市污水中有机物的影响，可以缩短厌氧氨氧化菌通过颗粒污泥的培养周期，对提高实际工程应用也有一定的现实意义。

四。厌氧氨氧化组合工艺在城市生活污水中的应用

4.1部分硝化厌氧氨氧化

PNA技术在处理高氨氮废水方面取得了很大进展，但仍缺乏强有力的理论基础和对城市生活实际数据的考证污水处理研究表明，PNA厂50%以上为序批式反应器，其中88%为单级系统运行。PNA作为一种高效的生物脱氮技术，被认为是传统生物脱氮的一种节约成本的替代方法。与传统的硝化/反硝化工艺相比，PNA工艺可减少60%的耗氧量、100%的有机碳源和90%的污泥产量。

到目前为止，PNA工艺处理城市生活污水的研究在实验室和中试中取得了很大进展。杨等采用生物除磷-短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺(PNA)实现了城市污水中有机碳、磷、氮的同步去除。曹等。论述了PNA处理城市污水的现状和瓶颈，指出PNA技术广泛应用的瓶颈是:1)预处理中碳源的不稳定性；2)低温下如何抑制NOB3)低温下的厌氧氨氧化酶活性。马等采用间歇曝气PNA工艺探讨了进水C/N比对PNA工艺脱氮效果的影响。研究发现，当C/N比从1.1提高到2.5时，PNA对生活污水中总氮的去除率从30.8%提高到70.3%，这也为PNA工艺在城市生活污水中的应用提供了良好的理论研究基础。杨庆控制低碳氮比，以生物滤池为反应装置，研究分析PNA工艺对生活污水的脱氮效率。经过173d的培养试验，PNA工艺在生物滤池中迅速启动，脱氮效率较高。系统出水TN平均质量浓度为8mg/L，实现了PNA工艺对生活污水的稳定高效处理。

4.2同步部分硝化-厌氧氨氧化-反硝化(SNAD)

马等指出PNA工艺处理低氨氮废水时会出现NO-3-N的积累，影响出水TN的质量浓度。因此，一种通过反硝化作用持续去除NO-3-N的新处理工艺(模拟厌氧消化，Ananmoxanddenitrification，SNAD)应运而生。在SNAD，氨氮在低氧浓度下被AOB部分转化为亚硝酸盐，然后AnAOB菌利用剩余的氨氮和转化的亚硝酸盐通过厌氧氨氧化反应生成氮气和硝酸盐，然后DNB利用碳源通过反硝化反应将硝酸盐转化为氮气。

丁等通过工艺利用悬浮活性污泥处理生活污水，建立了以悬浮活性污泥代替生物膜或培养颗粒污泥的工艺。在不预处理COD的情况下，碳氮比为3.0~3.5，为实际应用提供了参考。王等通过采用无纺布旋转生物反应器处理低碳氮比的城市污水，实现了好氧外层AOB占微生物菌落总数的65.13%，厌氧内层以AnAOB(47.17%)和DNB(38.91%)为主，也为在城市生活污水中的应用提供了技术支持。SNAD生物膜具有良好的厌氧氨氧化反硝化特性。郑兆明等通过间歇试验研究了同步硝化和厌氧氨氧化耦合反硝化处理城市生活污水的反硝化性能。结果表明，SNAD生物膜可以降低pH对厌氧氨氧化菌的抑制，该工艺也取得了良好的脱氮效果(NH4+-N、NO2--N和TIN的去除率分别为0.121

4.3捷径脱氮-厌氧氨氧化(PDA)

短程反硝化是指硝酸盐还原为亚硝酸盐，从而为厌氧氨氧化提供底物。杜等通过两组序批式反应器成功提出了一种创新的组合工艺(短程反硝化和厌氧氨氧化)。组合工艺平均脱氮率达到94.06%，平均总氮为10.98 mg/L。在低温下，短程反硝化-厌氧氨氧化能有效处理硝酸盐和生活污水(NO-3-N、NH+4-N和COD的平均去除率分别为89.5%、97.6%和78.7%)。这也为厌氧氨氧化工艺在低温处理城市生活污水中的应用提供了新的方向。污水处理厂出水硝酸盐氮含量高，往往达不到排放要求。因此，可采用短程反硝化-厌氧氨氧化工艺对污水处理厂二级出水进行深度处理。曹等。将污水处理厂二级出水(硝酸盐废水)与低碳氮比的城市生活污水结合产生亚硝酸盐，然后在厌氧氨氧化作用下实现深度反硝化，过程中产生少量N2O，论证了短程反硝化-厌氧氨氧化的经济和环境可行性。短程反硝化-厌氧氨氧化工艺的发展为高品质硝酸盐废水处理、高氨氮废水厌氧氨氧化出水和城市污水深度反硝化问题提供了新的处理思路。

4.4新的组合工艺

随着对实际城市生活中厌氧氨氧化工艺的深入研究，提出了一些新的组合工艺，为厌氧氨氧化技术在实际工程中的应用提供了技术支持。为了克服传统城市生活能耗高、污泥产量高的问题污水处理，顾等将厌氧氨氧化集成到厌氧固定床反应器(COD)-去除)-序批式反应器(B1)-厌氧氨氧化移动床生物膜反应器(B1出水去除NO-3-N)工艺中，实现节能运行，减少污泥产量。目前，如何有效抑制NOB和降低出水NO-3-N的质量浓度是厌氧氨氧化研究中较为关注的两个问题。王等设计了一种新的厌氧氨氧化方法，同时去除烟气和氨水中的氮氧化物，并探讨了一氧化氮(NO)作为厌氧氨氧化细菌长期稳定电子受体的可能性。研究表明，对于城市污水，氮氧化物的去除率为70%~90%，总氮的去除率为40%~70%，COD的去除率为80%~90%，实现了一种潜在的应用技术。

动词 （verb的缩写）观点

厌氧氨氧化作为一种节能脱氮工艺，越来越受到专家学者的关注。虽然厌氧氨氧化技术在实际城市生活污水中的应用研究取得了一定进展，但在季节变化较大的环境条件下，如何有效缩短低温低氨氮条件下厌氧氨氧化菌群的培养周期，如何有效抑制NOB活性，研发高效生物载体，创新适合我国城市污水特点的厌氧氨氧化处理工艺，是目前亟待解决的问题。(来源:教育部城市雨水与水环境重点实验室、北京建筑大学)

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