厭氧氨氧化在市政污水應用中 為什么“行不通”？

厭氧氨氧化是公認的未來(lái)脫氮新技術(shù)，國內外對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用。

一、厭氧氨氧化原理

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的比例反應生成氮氣，并把產(chǎn)生的能量以ATP的形式儲存起來(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，氧化成氮氣。因此它也被稱(chēng)作PN/A工藝。

在這過(guò)程中，大約89%的無(wú)機氮都將被轉化產(chǎn)生氮氣，另外11%的無(wú)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(zhù)巨大的技術(shù)優(yōu)勢，其曝氣能耗只有傳統工藝的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)量也遠低于傳統脫氮工藝，這將顯著(zhù)降低剩余污泥的處理和處置成本。

二、厭氧氨氧化在市政污水應用的難點(diǎn)

在全球范圍內的厭氧氨氧化工程統計中，75%的項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。正是因為消化液上述特點(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中為anammox菌創(chuàng )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，并且繁殖周期最短的最適溫度。然而，大多數實(shí)際城市污水的水溫較低（10～ 25℃），尤其是一些高緯度如我國北方地區，廢水溫度常低于10℃。Anammox 在這些地區的應用效果及穩定性是一個(gè)巨大的挑戰。

城市污水主流溫度一般為 10～20 ℃左右， 低于A(yíng)nAOB（25～40 ℃）生長(cháng)的最適宜溫度， 這會(huì )影響Anammox的性能。

2、有機物的影響

污水中含有的COD 有助于異養反硝化菌的生長(cháng)并對Anammox 過(guò)程形成抑制，只有當COD被前者消耗至較低水平時(shí)Anammox 過(guò)程才有可能占主導。這一問(wèn)題在高強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 與異養反硝化過(guò)程可以和諧共存，不會(huì )導致脫氮效果下降。

3、短程硝化的穩定性

應用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，硝化系統處于短程硝化的狀態(tài)，這是確保Anammox 過(guò)程正常進(jìn)行的基礎并直接關(guān)系到其處理效果。上述目標可以通過(guò)游離氨的控制來(lái)實(shí)現。所以，這就是為什么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(tài)。而市政污水中，短程硝化的穩定性受溫度、氨氮的影響沒(méi)有辦法做到穩定運行！在 PN/A 工藝中，短程硝化段也會(huì )受到溫度的影響，這是因為AOB 在低溫條件下活性會(huì )受到抑制，降低氨氮的轉化率，并且AOB的活化能高于 NOB，導致 NO2-的積累不足，無(wú)法為Anammox 反應提供足夠的底物。

三、市政污水應用的新模式：膜法

污水處理廠(chǎng)升級改造后的新工藝的應用效果在行業(yè)內受到廣泛關(guān)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(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，甚至可以穩定在5mg/L。通過(guò)一年多時(shí)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 菌的重要特征）。隨后的跟蹤研究和監測表明，在缺氧條件下實(shí)現了Anammox 反應。盡管該現象背后蘊藏的機理以及這一現象是否可重復的問(wèn)題尚需后續研究進(jìn)行論證，但這是世界范圍內首次在11 ～ 20℃的中低水溫條件下于生產(chǎn)性規模裝置內實(shí)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(shí)現厭氧氨氧化運行的案例有幾個(gè)，不過(guò)都是通過(guò)膜法來(lái)實(shí)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(wèn)題，如果厭氧氨氧化膜法能夠在市政污水中普遍適應，應該是一個(gè)突破性的污水處理新技術(shù)！