厭氧氨氧化在市政汙水應用中 為什麼「行不通」?

2020-12-13 全國能源信息平臺

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北極星水處理網訊:厭氧氨氧化是公認的未來脫氮新技術，國內外對厭氧氨氧化的研究也有增無減，尤其是汙水佔比最大的市政汙水，但是為什麼到目前為止，並沒有出現真正可以普遍適用的厭氧的氨氧化技術，本文將簡單直白的介紹一下厭氧氨氧化的應用。

1、厭氧氨氧化的原理

Anammox是在無氧條件下，以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，產生氮氣和硝酸的生物反應。Anammox包括兩個過程：一是分解（產能）代謝，即以氨為電子供體，亞硝酸鹽為電子受體，兩者以1:1的比例反應生成氮氣，並把產生的能量以ATP的形式儲存起來；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生的ATP合成細胞物質，並在這一過程中產生硝酸鹽。厭氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厭氧氨氧化的實施者。

NH4++ NO2-= N2+ 2H2O，ΔG=-358kg/mol

厭氧氨氧化的發生進程主要分為兩大步：「第一個過程是部分亞硝化(Partial Nitritation)，在這個過程中只有大約55%的氨氮需要轉化為亞硝酸鹽氮;第二個過程是厭氧氨氧化(Anammox)，氨氮在厭氧條件下，被亞硝酸氮作為電子受體，氧化成氮氣。因此它也被稱作PN/A工藝。

在這過程中，大約89%的無機氮都將被轉化產生氮氣，另外11%的無機氮被轉化為硝酸鹽氮，與傳統硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝有著巨大的技術優勢，其曝氣能耗只有傳統工藝的55-60%;該工藝幾乎無需碳源，如果為了去除硝酸鹽產物需要在厭氧氨氧化過程中投加碳源，其投加量也比傳統工藝中碳源投加量降低90%;厭氧氨氧化工藝可以減少45%鹼度消耗量。同時，厭氧氨氧化工藝的汙泥產量也遠低於傳統脫氮工藝，這將顯著降低剩餘汙泥的處理和處置成本。

厭氧氨氧化在市政汙水應用的難點

在全球範圍內的厭氧氨氧化工程統計中，75%的項目是處理汙泥消化液。消化汙泥脫水液水質水量特點非常適合厭氧氨氧化工藝。正是因為消化液上述特點，工程主要用於汙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。市政汙水的氨氮濃度約為15-50mg/L，水溫為8-25℃。面對這樣的條件，anammox菌的活性一般會下降。在主流汙水處理系統中為anammox菌創造合適的生存條件是目前需要解決的挑戰，包括了anammox和AOB菌（氨氮化菌，將氨氮轉化成亞硝酸鹽）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。前期的研究結果表明，35℃是Anammox 菌生物代謝最快，並且繁殖周期最短的最適溫度。然而，大多數實際城市汙水的水溫較低（10～ 25℃），尤其是一些高緯度如我國北方地區，廢水溫度常低於10℃。Anammox 在這些地區的應用效果及穩定性是一個巨大的挑戰。

城市汙水主流溫度一般為 10～20 ℃左右， 低於AnAOB（25～40 ℃）生長的最適宜溫度， 這會影響Anammox 的性能。

2、有機物的影響

汙水中含有的COD 有助於異養反硝化菌的生長並對Anammox 過程形成抑制，只有當COD 被前者消耗至較低水平時Anammox 過程才有可能佔主導。這一問題在高強度城市汙水的處理中尤為突出。Winkler等通過研究指出，在25℃環境下，如果原水的C/N ＜0.5，則Anammox 與異養反硝化過程可以和諧共存，不會導致脫氮效果下降。

3、短程硝化的穩定性

應用Anammox工藝時，必須在主流條件下儘可能降低NOB活性，使亞硝酸鹽累計，硝化系統處於短程硝化的狀態，這是確保Anammox 過程正常進行的基礎並直接關係到其處理效果。上述目標可以通過游離氨的控制來實現。所以，這就是為什麼厭氧氨氧化主要應用到高氨氮廢水中，因為高氨氮廢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維持短程硝化狀態。而市政汙水中，短程硝化的穩定性受溫度、氨氮的影響沒有辦法做到穩定運行！在 PN/A 工藝中，短程硝化段也會受到溫度的影響，這是因為AOB 在低溫條件下活性會受到抑制，降低氨氮的轉化率，並且AOB的活化能高於 NOB，導致 NO2-的積累不足，無法為Anammox 反應提供足夠的底物。

市政汙水應用的新模式：膜法

西安第四汙水處理廠升級改造後的新工藝的應用效果在行業內受到廣泛關注。首期厭氧- 缺 氧- 好氧（A-A-O）工 藝（規模為2.5×10^5m3/d）的改造，通過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，處理後的水體中TN 濃度可基本保持在10mg/L 以下，甚至可以穩定在5mg/L。通過一年多時間的運行，填料表面生物膜的顏色出現一定變化，逐漸呈微紅色（這是Anammox 菌的重要特徵）。隨後的跟蹤研究和監測表明，在缺氧條件下實現了Anammox 反應。儘管該現象背後蘊藏的機理以及這一現象是否可重複的問題尚需後續研究進行論證，但這是世界範圍內首次在11 ～ 20℃的中低水溫條件下於生產性規模裝置內實現了Anammox 反應，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年內接觸到實現厭氧氨氧化運行的案例有幾個，不過都是通過膜法來實現的，而且都是高濃度的氨氮廢水，填料解決的厭氧氨氧化細菌富集的問題，如果厭氧氨氧化膜法能夠在市政汙水中普遍適應，應該是一個突破性的汙水處理新技術！

（參考文獻：李桂鳳, 黃寶成, 汪彩華,等. 厭氧氨氧化技術應用於主流城市汙水處理的研究進展[J]. 生物產業技術, 2019, 000(002):65-74.）

原標題:厭氧氨氧化技術應用於主流城市汙水處理的研究進展

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