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什么是厌氧氨氧化 (ANAMMOX) ？/MBR中厌氧氨氧化菌群落结构及膜污染性能研究

发布于：2022-05-27 09:07:27 来自：给排水工程/中水处理回用 1 19

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1、什么是厌氧氨氧化 (ANAMMOX) ？

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，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，这比全程硝化（氨氧化为硝酸盐）节省60%以上的供氧量。以氨为电子供体还可节省传统生物脱氮工艺中所需的碳源。

ANAMMOX 工艺具有脱氮效率高、运行费用低、占地空间小等优点，在污水处理中发展潜力巨大。目前该工艺在处理市政污泥液领域已日趋成熟，位于荷兰鹿特丹Dokhaven 污水厂的世界上首个生产性规模的ANAMMOX 装置容积氮去除速率 (NRR) 更是高达9.5 kg N/(m3·d)。此外，ANAMMOX 工艺在发酵工业废水、垃圾渗滤液、养殖废水等高氨氮废水处理领域的推广也逐步开展，在世界各地的工程化应用也呈星火燎原之势。

2、厌氧氨氧化的原理

Anammox是在无氧条件下，以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体，产生氮气和硝酸的生物反应。Anammox包括两个过程：一是分解（产能）代谢，即以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，两者以1:1的比例反应生成氮气，并把产生的能量以ATP的形式储存起来；二是合成代谢，即以亚硝酸盐为电子受体提供还原力，利用碳源二氧化碳以及分解代谢产生的ATP合成细胞物质，并在这一过程中产生硝酸盐。厌氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厌氧氨氧化的实施者。

NH4++ NO2-= N2+ 2H2O，ΔG=-358kg/mol

厌氧氨氧化的发生进程主要分为两大步：“第一个过程是部分亚硝化(Partial Nitritation)，在这个过程中只有大约55%的氨氮需要转化为亚硝酸盐氮;第二个过程是厌氧氨氧化(Anammox)，氨氮在厌氧条件下，被亚硝酸氮作为电子受体，氧化成氮气。因此它也被称作PN/A工艺。

在这过程中，大约89%的无机氮都将被转化产生氮气，另外11%的无机氮被转化为硝酸盐氮，与传统硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺有着巨大的技术优势，其曝气能耗只有传统工艺的55-60%;该工艺几乎无需碳源，如果为了去除硝酸盐产物需要在厌氧氨氧化过程中投加碳源，其投加量也比传统工艺中碳源投加量降低90%;厌氧氨氧化工艺可以减少45%碱度消耗量。同时，厌氧氨氧化工艺的污泥产量也远低于传统脱氮工艺，这将显著降低剩余污泥的处理和处置成本。

3、厌氧氨氧化的影响因素

在主流污水处理系统中为anammox菌创造合适的生存条件是目前需要解决的挑战，包括了anammox和AOB菌（氨氮化菌，将氨氮转化成亚硝酸盐）的富集，以及NOB菌（亚硝酸盐氧化菌，将亚硝酸盐转化成硝酸盐）的抑制等。

1、温度

微生物的代谢活性很大程度上受到温度的影响。前期的研究结果表明，35℃是Anammox 菌生物代谢最快，并且繁殖周期最短的最适温度。然而，大多数实际城市污水的水温较低（10 ～ 25℃），尤其是一些高纬度如我国北方地区，废水温度常低于10℃。Anammox 在这些地区的应用效果及稳定性是一个巨大的挑战。

城市污水主流温度一般为 10～20 ℃左右，低于AnAOB（25～40 ℃）生长的最适宜温度，这会影响Anammox 的性能。

2、氨和亚硝酸盐浓度

厌氧氨氧化过程的底物是氨和亚硝酸盐，但如果二者的浓度过高，也会对厌氧氨氧化过程产生抑制作用。有研究表明，氨的抑制浓度为38.0~98.5nmol/L，亚硝酸盐的抑制浓度为5.4~12.0nmol/L。Jetten等人的研究认为，在亚硝酸盐浓度高于20nmol/L时，ANAMMOX工艺受到的抑制，长期（2h）处于高亚硝酸盐浓度下，ANAMMOX活性会完全消失，但在较低的亚硝酸盐浓度（10nmol/L左右）下，其活性仍会较高。

3、pH值

由于氨和亚硝酸盐在水溶液中会发生离解，因此pH值对厌氧氨氧化有影响。研究表明，ANAMMOX工艺在pH值为6.7~8.3范围内可以运行较好，最适pH值为8左右。

4、有机物的影响

污水中含有的COD 有助于异养反硝化菌的生长并对Anammox 过程形成抑制，只有当COD 被前者消耗至较低水平时Anammox 过程才有可能占主导。这一问题在高强度城市污水的处理中尤为突出。Winkler等通过研究指出，在25℃环境下，如果原水的C/N ＜ 0.5，则Anammox 与异养反硝化过程可以和谐共存，不会导致脱氮效果下降。

5、短程硝化的稳定性

应用Anammox工艺时，必须在主流条件下尽可能降低NOB活性，使亚硝酸盐累计，硝化系统处于短程硝化的状态，这是确保Anammox 过程正常进行的基础并直接关系到其处理效果。上述目标可以通过游离氨的控制来实现。所以，这就是为什么厌氧氨氧化主要应用到高氨氮废水中，因为高氨氮废水中的游离氨可以抑制NOB，在控制条件合适的情况下使系统维持短程硝化状态。而市政污水中，短程硝化的稳定性受温度、氨氮的影响没有办法做到稳定运行！在 PN/A 工艺中，短程硝化段也会受到温度的影响，这是因为AOB 在低温条件下活性会受到抑制，降低氨氮的转化率，并且AOB的活化能高于 NOB，导致 NO2-的积累不足，无法为Anammox 反应提供足够的底物。

4、ANAMMOX 工艺及其衍生工艺

实际工程应用的厌氧氨氧化技术可以分为悬浮污泥、颗粒污泥和生物膜工艺。

1、悬浮污泥工艺

AOB 和 AAOB 生长缓慢，世代周期长，在普通悬浮污泥系统中容易流失，所以悬浮污泥工艺常采用序批式活性污泥法反应器（SBR）形式截留微生物。

在所有的 SBR 厌氧氨氧化技术中，80%为 DEMON工艺。该工艺首先是在奥地利的 Strass 污水处理厂得到应用，其核心是通过监测 pH 的变化，来调整曝气时间，进而调整短程硝化和厌氧氨氧化的平衡；另一方面，该工艺利用水力旋流器调节 AAOB 和 AOB的泥龄，微生物在离心力的作用下会被分为 2 部分，较轻质的 AOB 从顶部溢流，较重的 AAOB 聚集在底部回流至反应器。Strass 污水处理厂实现了 85%以上的自养脱氮效率。

2、颗粒污泥工艺

颗粒污泥系统的一个典型案例是帕克公司在鹿特丹建立的 Anammox 反应器，早期的测流工艺倾向于采用两段式系统，所以实际运行时该 Anammox反应器与之前建好的亚硝化 SHARON 反应器进行耦合，形成了 Sharon-Anammox 反应系统，该系统的启动经历了 3.5 年。随后帕克公司又开发了一体式Anammox 反应器。两段式系统中的厌氧氨氧化反应器和一体式反应器均采用上向流连续式运行，内置斜板沉淀池，实现了对污泥颗粒的截留。

3、生物膜工艺

生物膜形式的厌氧氨氧化工艺主要有DeAmmon 和 ANITATMMox 等。其中，DeAmmon 工艺由 3 个 MBBR 反应池和1 个脱气池组成，3 个反应池可以根据需要以串联或者并联的方式连接，MBBR 的填充率为 40%～50%。 ANITATMMox 是在侧流系统中主要采用一体化的 MBBR反应池。ANITATMMox 可以采用纯 MBBR 生物膜或者泥膜混合的 IFAS 形式。纯生物膜工艺 AAOB菌在填料的最内层，AOB 在外层；IFAS 工艺 AAOB主要在填料上，AOB 在悬浮污泥中。

5、全球首个运行的厌氧氨氧化工程实例！

2002 年，帕克公司在鹿特丹 Dokhaven 污水处理厂建造了世界第 1 座生产性厌氧氨氧化反应器，采用 SharonAnammox 系统处理污泥脱水液。此后，荷兰、德国、日本、澳大利亚、瑞士和英国等地也相继建立了共100 多座厌氧氨氧化废水处理厂，除了污泥消化液，处理的废水还包括垃圾渗滤液、养殖场废水、食品废水等。

1、 荷兰鹿特丹DOKHAVEN污水处理厂厌氧氨氧化处理污泥 流程图：

图1 污泥处理工艺流程

有机污泥作为一种能源载体，首先考虑将其中的有机物转化为含能气体——甲烷。以此为核心，形成如图所示的污泥处理工艺。来自于污水处理过程产生的剩余污泥在进入污泥消化池（5）前存在两种不同的浓缩方法。来自于A段曝气池的剩余污泥和浮滓在浓缩前先经过一个细格栅（1）过滤，然后平行进入两个重力浓缩池（2）。沉淀污泥含水率为94%；分离出的上清液再回到污水处理工艺进一步处理。

污泥消化液含有相当高的氨氮浓度（最高可达1500 mg N/L），水温为28 ℃。如此高的氮负荷进入污水处理工艺会加重氮的去除负担。正因为如此，采用最新的SHARON与ANAMMOX技术对污泥消化液实施单独脱氮处理是近年来DOKHAVEN污水处理厂升级的最新措施。世界上第一座生产性SHARON反应器（11）已于1998年10月开始在此运行，世界上第一座ANAMMOX反应塔（12）也在2002年6月投入运行。

2、工艺参数

1) 细格栅1组，流量为510 m3/h，栅间距为3 mm。

2) 重力浓缩池2组，Ф23.6 m,H=3 m，干固体负荷为36 kg/（m2·d），污泥体积为530 m3/d（含水率94%）。

3) 带式浓缩机处理能力为90 m3/h或700 kg干固体/h。

4) 剩余污泥调节池为900 m3。

5) 污泥消化池2组，Ф22 m,H=23 m，停留时间为33 ℃时28天，消化后污泥体积为600 m3/d(含水率96%)，熟污泥调节池为900 m3。

6) 离心机2套，处理量为40 m3/h。

7) 脱水熟污泥贮存罐2个，体积为150 m3；停放时间为2.5 d；H=14 m。

8) SHARON反应器1组；Ф19.5 m,H=5.75 m，流量为550 m 3/d，水力停留时间为3 d，好氧停留时间为24 h，温度为35 ℃，pH为7～7.2，溶解氧浓度为1.5 mg/L。

9) ANAMMOX反应器1组；Ф2.2 m,H=18 m(V=70 m3)，流量为550 m3/d，水力停留时间为3 h，设计负荷为800 kgN/d，温度为35 ℃，pH为 7.5。

图2 SHARON工艺实际构筑物

SHARON反应器使一半的氨氮氧化至亚硝酸氮（无需控制pH），剩余一半氨氮与转化而来的亚硝酸氮（进水总氨氮的一半）刚好形成1∶1 ANAMMOX所需的摩尔关系，使氨氮和亚硝酸氮自养直接转化为氮气。与传统的硝化/反硝化过程相比，SHARON/ANAMMOX过程可使运行费用减少90%，CO2排放量减少88%，不产生N2O有害气体，无需有机物，不产生剩余污泥，节省占地50%，具有显著的可持续性与经济效益特点。