厌氧氨氧化生物脱氮工艺研究进展
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摘 要：厌氧氨氧化（Anammox）反应作为一种新型的自养生物脱氮过程，是指以厌氧或缺氧作为前提，亚硝态氮（NO2-N）充当电子受体，厌氧氨氧化菌（AnAOB）将氨氮（NH4+-N）氧化成N2。文章简述了厌氧氨氧化的反应机理，列举了几种厌氧氨氧化工艺。具有重要的理论和实际意义。
关键词：厌氧氨氧化;生物脱氮;代谢机理
中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：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
现如今，傳统的生物脱氮技术存在一些局限性：如曝气耗能量大、有机碳源缺乏、操作流程繁琐、耐冲击负荷能力差等。1995年，NH4+-N在NO2--N减少的同时也发生减少的现象被Mulder等人在厌氧流化床反应器中观察到，大量国内外学者提出了一些区别于传统生物脱氮技术的新型脱氮过程。例如荷兰Delft大学提出了一种名为厌氧氨氧化的新型脱氮技术，具有无需外加有机碳源，污泥的产量少、脱氮的效率高等优点。
2 厌氧氨氧化机理
Graaf等[1]采用15N追踪进行试验，提出了厌氧氨氧化反应可能的代谢过程。首先NO2-还原生成羟胺（NH2OH），然后AnAOB以NH2OH作为电子受体将NH4+氧化为联氨（N2H4），又进一步将N2H4氧化成N2，同时产生2H+。之后，M.S.M.Jetten等[2]发现了厌氧氨氧化反应是在AnAOB的细胞内进行，对反应机理的了解得到进一步加深并称其为厌氧氨氧化体，提出了一种厌氧氨氧化反应的过程模拟。该过程分为3步：第1步，细胞质一侧的NO2-，在亚硝酸盐还原酶（NIR）的作用下被还原成NH2OH;第2步， NH2OH转运到厌氧氨氧化体一侧，NH4+在联氨水解酶（HH）的作用下氧化成N2H4;第3步， 厌氧氨氧化体一侧的联氨氧化酶（HZO）将N2H4氧化为N2，同时释放4H+和4e，通过跨膜运输物质将4e转运给细胞质一侧的NIR，用于下一轮的厌氧氨氧化。
3 厌氧氨氧化工艺
厌氧氨氧化工艺分成两级系统的分体式工艺和一级系统的一体式工艺两种反应器类型。将两个反应在不同的反应器内进行就是分体式工艺，比如SHARON-ANAMMOX工艺。只在单个反应器内进行反应就是一体式工艺，主要包含了CANON工艺、OLAND工艺和DEMON工艺等。
3.1 SHARON-ANAMMOX工艺
SHARON-ANAMMOX工艺是目前使用最多的厌氧氨氧化工艺，它主要分为两个步骤， 第一步是SHARON部分，50%～60%左右的NH4+-N被氧化成NO2--N。根据氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的不同生长条件，控制其运行温度、水力停留时间（HRT）以及污泥停留时间（SRT）等，逐渐淘汰反应器中的NOB使AOB成为该反应器的主体菌，累积获得稳定的NO2--N，控制氨的氧化过程只发生到生成NO2--N阶段。第二步是ANAMMOX部分，剩下未反应的NH4+-N与新生成的NO2--N发生厌氧氨氧化反应生成N2，并形成一部分NO3--N。当SHARON工艺和ANAMMOX工艺联合使用时，只将50%的NH4+-N转化成NO2--N，这样就不需要再额外加入NO2--N，此外，硝化反应引起的碱度消耗可由厌氧出水中含有的重碳酸盐来补偿，因而无需再额外投加碱度物质。
3.2 CANON工艺
CANON工艺是指通过控制单个反应器中的溶解氧（DO）实现亚硝化和厌氧氨氧化。CANON工艺反应器中主要是絮状或颗粒形态的污泥。在曝气条件下，絮状或颗粒形态的污泥表层呈现好氧状态，AOB数量很多并且丰富，NH4+-N在表层被氧化生成NO2--N，与此同时存在于表层的DO也被完全耗尽，有效地防止了DO进一步转移到内部，从而在絮状或颗粒形态的污泥内部形成厌氧区为AnAOB提供了适宜的生长环境。原水中剩余的未反应的NH4+-N和生成的NO2--N进入其内部，经过厌氧氨氧化反应脱氮。CANON工艺易受到NOB的干扰，与AnAOB竞争底物，因此保证CANON工艺稳定运行的条件是控制NOB的生长，一般可以通过控制DO或NO2--N来实现。
3.3 OLAND工艺
OLAND工艺是2005年由Windey[3]等提出的，与CANON工艺不同，OLAND工艺是在生物转盘反应器的基础上运行。在生物转盘反应器的表面由AnAOB和AOB形成生物膜，位于生物膜表层的是AOB，位于生物膜底层的是AnAOB，空气或水中的DO被AOB作为电子受体，将NH4+-N氧化成NO2--N，与此同时，DO被完全耗尽，生物膜底层呈现出厌氧环境，扩散转移进入底层的NH4+-N以及NO2--N进行了厌氧氨氧化反应生成N2，实现脱氮。该工艺的优点是在适宜的操作条件下运行耗能量低，管理方便，氮的去除率高。该工艺在工程应用中仍很少见，随着生物转盘反应器的应用发展，该工艺有希望更广泛地应用到工程实例当中。 3.4 DEMON工藝
DEMON工艺是1996年由Hannover大学的Hippen等[4]提出的。控制供养条件是DEMON工艺的关键，该工艺主要以SBR方式运行。与CANON工艺和OLAND工艺的不同之处在于，DEMON工艺是通过调节pH值进而控制反应器中NO2--N的浓度，防止过量累积的NO2--N抑制AnNOB的生长。Rosenwinkel[5]等运用DEMON工艺对污水处理厂污泥废水进行了实验研究，通过控制温度、pH值、DO浓度等操作条件，实现了AOB和AnAOB的积累。在氨氧化负荷为120kg/d时，去除率达到70%，且运行稳定。
4 结束语
目前，在实际工程运用中，厌氧氨氧化工艺还不够成熟，AnAOB生长条件严格，影响因素较多，繁殖周期和启动时间很长，厌氧氨氧化工艺在较为苛刻的外在条件下才能稳定运行。另外，低浓度NH4+-N废水很难累积NO2--N，难以富集AnAOB，冬季水温较低等问题限制了该工艺在低浓度NH4+-N废水处理中的应用。因此如何实现在低浓度NH4+-N废水中稳定累积NO2--N，并提高AnAOB在低温条件下的活性是未来研究的方向。
参考文献：
[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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