厭氧氨氧化在市政污水應(yīng)用中 為什么“行不通”？
厭氧氨氧化是公認(rèn)的未來(lái)脫氮新技術(shù)，國(guó)內(nèi)外對(duì)厭氧氨氧化的研究也有增無(wú)減，尤其是污水占比最大的市政污水，但是為什么到目前為止，并沒(méi)有出現(xiàn)真正可以普遍適用的厭氧的氨氧化技術(shù)，本文將簡(jiǎn)單直白的介紹一下厭氧氨氧化的應(yīng)用。
1、厭氧氨氧化的原理
Anammox是在無(wú)氧條件下，以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，產(chǎn)生氮?dú)夂拖跛岬纳锓磻?yīng)。Anammox包括兩個(gè)過(guò)程：一是分解（產(chǎn)能）代謝，即以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，兩者以1:1的比例反應(yīng)生成氮?dú)猓旬a(chǎn)生的能量以ATP的形式儲(chǔ)存起來(lái)；二是合成代謝，即以亞硝酸鹽為電子受體提供還原力，利用碳源二氧化碳以及分解代謝產(chǎn)生的ATP合成細(xì)胞物質(zhì)，并在這一過(guò)程中產(chǎn)生硝酸鹽。厭氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厭氧氨氧化的實(shí)施者。
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O，ΔG=-358kg/mol
厭氧氨氧化的發(fā)生進(jìn)程主要分為兩大步：“第一個(gè)過(guò)程是部分亞硝化(Partial Nitritation)，在這個(gè)過(guò)程中只有大約55%的氨氮需要轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮;第二個(gè)過(guò)程是厭氧氨氧化(Anammox)，氨氮在厭氧條件下，被亞硝酸氮作為電子受體，氧化成氮?dú)狻Ｒ虼怂脖环Q(chēng)作PN/A工藝。
在這過(guò)程中，大約89%的無(wú)機(jī)氮都將被轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氮?dú)猓硗?1%的無(wú)機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝有著巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其曝氣能耗只有傳統(tǒng)工藝的55-60%;該工藝幾乎無(wú)需碳源，如果為了去除硝酸鹽產(chǎn)物需要在厭氧氨氧化過(guò)程中投加碳源，其投加量也比傳統(tǒng)工藝中碳源投加量降低90%;厭氧氨氧化工藝可以減少45%堿度消耗量。同時(shí)，厭氧氨氧化工藝的污泥產(chǎn)量也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)脫氮工藝，這將顯著降低剩余污泥的處理和處置成本。
厭氧氨氧化在市政污水應(yīng)用的難點(diǎn)
在全球范圍內(nèi)的厭氧氨氧化工程統(tǒng)計(jì)中，75%的項(xiàng)目是處理污泥消化液。消化污泥脫水液水質(zhì)水量特點(diǎn)非常適合厭氧氨氧化工藝。正是因?yàn)橄荷鲜鎏攸c(diǎn)，工程主要用于污泥消化液的高溫高濃度氨氮廢水處理(35 ℃，NH4-N> 1000 mg/L)，如今工程界都將目光投到主流厭氧氨氧化上。市政污水的氨氮濃度約為15-50mg/L，水溫為8-25℃。面對(duì)這樣的條件，anammox菌的活性一般會(huì)下降。在主流污水處理系統(tǒng)中為anammox菌創(chuàng)造合適的生存條件是目前需要解決的挑戰(zhàn)，包括了anammox和AOB菌（氨氮化菌，將氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽）的富集，以及NOB菌（亞硝酸鹽氧化菌，將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成硝酸鹽）的抑制等。
1、溫度
微生物的代謝活性很大程度上受到溫度的影響。前期的研究結(jié)果表明，35℃是Anammox 菌生物代謝最快，并且繁殖周期最短的最適溫度。然而，大多數(shù)實(shí)際城市污水的水溫較低（10～ 25℃），尤其是一些高緯度如我國(guó)北方地區(qū)，廢水溫度常低于10℃。Anammox 在這些地區(qū)的應(yīng)用效果及穩(wěn)定性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
城市污水主流溫度一般為 10～20 ℃左右， 低于AnAOB（25～40 ℃）生長(zhǎng)的最適宜溫度， 這會(huì)影響Anammox 的性能。
2、有機(jī)物的影響
污水中含有的COD 有助于異養(yǎng)反硝化菌的生長(zhǎng)并對(duì)Anammox 過(guò)程形成抑制，只有當(dāng)COD 被前者消耗至較低水平時(shí)Anammox 過(guò)程才有可能占主導(dǎo)。這一問(wèn)題在高強(qiáng)度城市污水的處理中尤為突出。Winkler等通過(guò)研究指出，在25℃環(huán)境下，如果原水的C/N ＜0.5，則Anammox 與異養(yǎng)反硝化過(guò)程可以和諧共存，不會(huì)導(dǎo)致脫氮效果下降。
3、短程硝化的穩(wěn)定性
應(yīng)用Anammox工藝時(shí)，必須在主流條件下盡可能降低NOB活性，使亞硝酸鹽累計(jì)，硝化系統(tǒng)處于短程硝化的狀態(tài)，這是確保Anammox 過(guò)程正常進(jìn)行的基礎(chǔ)并直接關(guān)系到其處理效果。上述目標(biāo)可以通過(guò)游離氨的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，這就是為什么厭氧氨氧化主要應(yīng)用到高氨氮廢水中，因?yàn)楦甙钡獜U水中的游離氨可以抑制NOB，在控制條件合適的情況下使系統(tǒng)維持短程硝化狀態(tài)。而市政污水中，短程硝化的穩(wěn)定性受溫度、氨氮的影響沒(méi)有辦法做到穩(wěn)定運(yùn)行！在 PN/A 工藝中，短程硝化段也會(huì)受到溫度的影響，這是因?yàn)锳OB 在低溫條件下活性會(huì)受到抑制，降低氨氮的轉(zhuǎn)化率，并且AOB的活化能高于 NOB，導(dǎo)致 NO2-的積累不足，無(wú)法為Anammox 反應(yīng)提供足夠的底物。
市政污水應(yīng)用的新模式：膜法
西安第四污水處理廠(chǎng)升級(jí)改造后的新工藝的應(yīng)用效果在行業(yè)內(nèi)受到廣泛關(guān)注。首期厭氧- 缺 氧- 好氧（A-A-O）工 藝（規(guī)模為2.5×10^5m3/d）的改造，通過(guò)向缺氧池與厭氧池投放填料，在不需要額外添加碳源的條件下，處理后的水體中TN 濃度可基本保持在10mg/L 以下，甚至可以穩(wěn)定在5mg/L。通過(guò)一年多時(shí)間的運(yùn)行，填料表面生物膜的顏色出現(xiàn)一定變化，逐漸呈微紅色（這是Anammox 菌的重要特征）。隨后的跟蹤研究和監(jiān)測(cè)表明，在缺氧條件下實(shí)現(xiàn)了Anammox 反應(yīng)。盡管該現(xiàn)象背后蘊(yùn)藏的機(jī)理以及這一現(xiàn)象是否可重復(fù)的問(wèn)題尚需后續(xù)研究進(jìn)行論證，但這是世界范圍內(nèi)首次在11 ～ 20℃的中低水溫條件下于生產(chǎn)性規(guī)模裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)了Anammox 反應(yīng)，具有重要的意義。
似乎，膜法成為了厭氧氨氧化的主流配置，筆者顏胖子在最近2年內(nèi)接觸到實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化運(yùn)行的案例有幾個(gè)，不過(guò)都是通過(guò)膜法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且都是高濃度的氨氮廢水，填料解決的厭氧氨氧化細(xì)菌富集的問(wèn)題，如果厭氧氨氧化膜法能夠在市政污水中普遍適應(yīng)，應(yīng)該是一個(gè)突破性的污水處理新技術(shù)！
（參考文獻(xiàn)：李桂鳳, 黃寶成, 汪彩華,等. 厭氧氨氧化技術(shù)應(yīng)用于主流城市污水處理的研究進(jìn)展[J]. 生物產(chǎn)業(yè)技術(shù), 2019, 000(002):65-74.）
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