部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺联合形式、应用及脱氮效能评析



部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺联合形式、应用及脱氮效能评析

崔剑虹1，2，李祥1，2，黄勇1，2

（1苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215009；2苏州科技学院环境生物技术研究所，江苏苏州215009）

摘要：部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺与传统生物脱氮工艺相比具有一定优势，但该联合工艺是否一定优于传统生物脱氮工艺尚需论证。本文介绍了部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺的组合形式、特点和处理实际废水的研究进展，从脱氮速率、能耗及碳源的角度将部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺与传统生物脱氮工艺进行对比分析。指出部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺具有不需要额外投加有机碳源的优点；部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺虽然在曝气方面可以节省能耗，但是其中温反应需要一定的热能消耗，综合分析其处理能耗高于传统生物脱氮工艺；同时该联合工艺的整体脱氮速率与传统生物脱氮工艺相比差别不大。据此提出在选择生物脱氮工艺时需要考虑废水的碳氮比，碳氮比高时可以采用传统生物脱氮工艺，碳氮比低时可以考虑使用部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺。

关键词：环境；废水；部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺；厌氧；脱氮速率

第一作者：崔剑虹（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为废水脱氮处理理论及工艺。E-mail cuijianhonghuan@126.com。联系人：黄勇，教授，博士生导师。E-mail yhuang@mail.usts.edu.cn。

如何去除水体中的氮素污染一直是环境领域的热门课题。随着对传统生物脱氮工艺研究的深入，研究人员发现了一些新的脱氮机理，如好氧反硝化、厌氧氨氧化等。基于这些新机理，研发出一批新型生物脱氮工艺，如短程硝化反硝化工艺、同步硝化反硝化工艺和部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺等。其中部分亚硝化-厌氧氨氧化是一种全程自养生物脱氮工艺，不需要额外投加有机碳源，而且只需要将部分氨氮氧化为亚硝酸盐，与传统生物脱氮相比可以节省曝气量。因此，该工艺一经问世就引起了人们的广泛关注[1]。

目前部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺已经成功启动，并用于实际废水的处理。与传统生物脱氮工艺相比，新型联合工艺在整体脱氮速率、处理能耗、处理成本等方面是否具有优势尚未有人评析。本文介绍了新型联合工艺的组合形式、特点、实际应用，并从整体脱氮速率、运行能耗方面与传统生物脱氮工艺对比，为脱氮工艺的选择提供一些建议。

1　部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺研究进展

部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺是指废水先经过亚硝化，将50%的氨氮氧化为亚硝酸盐氮，然后剩余的氨氮与生成的亚硝酸盐氮进行厌氧氨氧化反应生成氮气[2]。

部分亚硝化过程的关键在于如何富集氨氧化菌（AOB）的同时抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）[3]，将硝化反应控制在亚硝化阶段。关于如何实现稳定的部分亚硝化人们做了大量研究，目前通过控制温度[4]、pH值[5]、溶解氧（DO）[6]、游离氨（FA）[7]、游离亚硝酸（FNA）[8]等单个或多个因素可以实现亚硝酸盐的积累，但是由于NOB有很强的适应性，运行一段时间后NOB的活性会逐渐恢复，所以很难维持长期稳定的部分亚硝化。

厌氧氨氧化是一种新型生物脱氮技术，研究表明温度、pH值[9]、DO[10]、FA、FNA等因素对其都有影响。虽然厌氧氨氧化菌具有较为苛刻的环境要求，但在实验室中已获得了较高的富集培养，在Tang等[11]的实验中厌氧氨氧化反应器的总氮去除速率高达76kg/(m3·d)。

根据部分亚硝化菌和厌氧氨氧化菌生理特性和环境因子需求差异，联合工艺的组合形式也不一样，可分为串联工艺（例如Sharon-Anammox）和单一反应器工艺（例如CANON、OLAND）。

1.1部分亚硝化-厌氧氨氧化串联工艺部分亚硝化-厌氧氨氧化串联工艺是指部分亚硝化反应和厌氧氨氧化反应在两个独立的反应器中进行，通过串联实现含氨废水的自养脱氮。在串联工艺中两个反应互不干扰，条件可控性强，可以为不同的功能菌营造各自最适的生长环境。Ma[12]、Shalini[13]、孙红芳[14]等在实验室中对串联工艺进行的研究均表明：在部分亚硝化反应器中如何维持AOB的优势地位是一个关键问题。单纯通过控制DO、温度、FA、FNA难以长期维持高效稳定的部分亚硝化，一旦条件变化，NOB容易大量增长[15]。此外，随着反应的进行亚硝化反应器中pH值会逐渐降低，厌氧氨氧化反应器中pH值会逐渐升高，pH值的改变会抑制微生物的活性，需要额外投加酸碱来稳定pH值。而且串联工艺所需的体积较大，需要控制的因素多。

针对上述缺点，李祥等[16]增加了从厌氧氨氧化反应器到亚硝化反应器的回流，一方面使两个反应器的pH值可以相互调节，另一方面可以及时将亚硝化反应器中的亚硝酸盐转移，从而使NOB因为缺乏基质不能大量生长。

1.2部分亚硝化-厌氧氨氧化单一反应器工艺

部分亚硝化-厌氧氨氧化单一反应器工艺是指在一个反应器内通过控制曝气量，在低溶解氧下使亚硝化和厌氧氨氧化同步发生。单一反应器工艺可以节省建造成本和运行能耗，同时简化了处理过程，易于控制。厌氧氨氧化产生的碱度可以适当补充亚硝化过程中的消耗。亚硝化产生的亚硝酸盐可以立即被厌氧氨氧化菌利用，有效抑制NOB的生长。

张杰[17]、Vlaeminck[18]等为了兼顾厌氧氨氧化反应而将DO控制在较低的范围内，但是AOB和厌氧氨氧化菌对DO需求的矛盾很难调和，DO太高会抑制厌氧氨氧化菌的生长，太低则不利于亚硝酸盐的积累。Zhang等[19]在用CANON工艺处理生活污水时发现：在反应器启动过程中，亚硝酸盐的积累至关重要；但是在启动初期，反应器亚硝化能力有限，亚硝酸盐的量不能满足厌氧氨氧化菌的需求。

针对上述缺点，Gilbert[20]、Persson[21]等采用移动床生物膜反应器，在生物膜上DO呈梯度分布，可以同时满足AOB和厌氧氨氧化菌对DO的需求，实验证明在生物膜中可以保留较高的生物量。

2　部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺处理实际废水研究进展

2.1实际废水小试研究进展

研究人员在实验室中应用该新型联合工艺进行了处理各种实际废水的可行性研究[22]并取得了一些成果。目前联合工艺已成功地用于畜禽养殖废水[23]、污泥消化液[24]、垃圾渗滤液[25]、淀粉废水的处理。

在研究过程中，人们发现实际废水成分复杂，会对联合工艺产生各种不利影响。例如养殖废水、淀粉废水、味精废水中有机物浓度较高，异养菌会逐渐生长并与AOB和厌氧氨氧化菌产生竞争。淀粉废水含有大量悬浮物和胶体，这些物质被污泥吸附后会逐渐使污泥中的惰性组分增加，从而导致污泥活性下降。焦化废水中的酚类会对厌氧氨氧化产生影响[26]。

2.2工程应用进展

部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺启动时间长、需要的反应条件苛刻一直是阻碍这项工艺用于实际生产的主要原因。但是随着实验室研究的不断深入，联合工艺有了良好的工程应用前景。

2002年荷兰鹿特丹建成世界上第一座生产性Anammox反应器[27]与一座中温亚硝化反应器串联使用来处理污泥消化液。随着第一座部分亚硝化-厌氧氨氧化联合反应器的成功运行，越来越多的中试或生产性联合工艺在世界范围内建成运行[28]，表1所示为部分生产性联合工艺。

表1部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺生产实例

3　部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺脱氮效能评析

3.1脱氮速率对比

传统生物脱氮工艺是通过硝化反硝化作用将氮素从水体中去除。Li等[29]在研究反硝化颗粒污泥的性质和形成机理时，反硝化速率最高达到了35 kg/(m3·d)。传统生物脱氮工艺发展至今已经较为成熟，并衍生出了多种形式如A/O、A2/O、SBR，工艺脱氮速率达到1 kg/(m3·d)左右。Obaja等[30]用SBR工艺处理猪场废水，脱氮速率达到1.49 kg/(m3·d)。但是在传统生物脱氮工艺中也普遍存在一些问题：①反硝化时碳源不足，需要额外补充；②工艺中产生较多的剩余污泥，需要另行处理。

部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺中部分亚硝化是脱氮的先决步骤。如表2所示，研究人员做了大量研究，尝试了各种启动策略[31]和运行控制条件，虽然可以实现与后续厌氧氨氧化相匹配的部分亚硝化，但是亚硝化速率较低，因此部分亚硝化成为联合工艺的速率限制步骤。

表2部分亚硝化研究现状

由上述分析可知，部分亚硝化反应器的氨氮好氧转化速率明显小于厌氧氨氧化反应器的氮去除速率，为了满足厌氧氨氧化菌对亚硝酸盐的需要，在联合工艺中部分亚硝化的反应体积通常要大于厌氧氨氧化的反应体积。因此，在联合工艺中虽然厌氧氨氧化阶段的脱氮速率很高，但是整体工艺的脱氮速率较低。

例如建在鹿特丹的Dokhaven市政污水处理厂的生产性Anammox反应器，脱氮能力高达10.7 kg/(m3·d)，但是与它串联的部分亚硝化反应器体积为1700m3，而厌氧氨氧化反应器体积只有70m3，经过计算整体工艺的脱氮能力只有0.42 kg/(m3·d)[39]。表3为联合工艺脱氮速率现状，对联合工艺的脱氮能力重新核算后可以看出整体工艺脱氮速率在1 kg/(m3·d)左右，与传统生物脱氮工艺相比差别不大。

3.2脱氮能耗对比

与传统生物脱氮工艺相比，部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺中仅将约50%的氨氮氧化成亚硝酸盐，可以降低曝气动力消耗。厌氧氨氧化菌需要在中温环境下保持最佳活性[9]，虽然目前厌氧氨氧化反应已经能在常温下启动运行[47]，但是在联合工艺中为了能够实现较高的脱氮速率，通常厌氧区温度维持在30℃左右。因此，新型联合工艺会产生更多的加热能耗。 计算得到，未注明V1、V2、r1为单一反应器工艺。

表3部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺脱氮速率

假设待处理废水水量1t，温度为25℃，氨氮浓度300mg/L，去除率为90%。依据1mg氨氮氧化为亚硝酸盐需要3.29mg氧气，氧化为硝酸盐需要4.32mg氧气[48]，氧转移效率为20%。采用传统的硝化反硝化脱氮工艺处理时，需要1166.4g氧气，而新型联合工艺需要444.15g氧气。新型联合工艺节省722.25g氧气，可以节省电耗0.28kW·h。假设新型联合工艺需要将废水加热到30℃，经计算需要2.1×107J能量用于加热，即使加热设备的效率为100%也需要耗电5.83kW·h。综合这两部分的能耗可知新型联合工艺处理废水的能耗高于传统生物脱氮工艺。

3.3外加碳源对比

传统生物脱氮工艺需要有机碳源进行反硝化，联合工艺则完全不需要。根据McCarty计算可知反硝化还原1mg硝酸盐氮需要2.47mg甲醇。以处理上述1t废水为例需要投加666.9g甲醇。若废水自身有机碳含量较高时，可以减少传统生物脱氮工艺中的外加碳源量。Tang等[49]在实验中发现高浓度有机物会抑制厌氧氨氧化菌的活性，这是由于较多的有机碳源使得在厌氧区中反硝化菌大量生长，从而与Anammox产生基质竞争。

3.4效能评析

与传统生物脱氮工艺相比，部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺在脱氮速率上没有明显优势；新型联合工艺虽然在曝气方面节省能耗，但是用于加热的能量消耗超过了曝气节省的部分，综合考虑新型联合工艺的处理能耗高于传统生物脱氮工艺；新型联合工艺最突出的优势在于不需要外加碳源。因此，在选择生物脱氮工艺时需要考虑废水水质特点，碳氮比高时可以采用传统生物脱氮工艺，废水自身的碳源弥补了传统工艺反硝化时碳源不足的缺陷，而且传统工艺的处理能耗低；碳氮比低时可以考虑采用部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺，可以充分发挥新型联合工艺不需外加碳源的优势。

4　结语与展望

部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺作为一种全自养生物脱氮工艺在处理低碳氮比废水方面具有广阔的应用前景，在目前的技术条件下，部分亚硝化过程是整体联合工艺的速率限制步骤，也是提高联合工艺处理能力的关键突破点。

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综述与专论

Evaluation of combination，application and nitrogen removal efficiency of partial nitritation-anammox process

CUI Jianhong1，2，LI Xiang1，2，HUANG Yong1，2

（1School of Environment Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，Jiangsu，China；2Insitute of Environmental Biotechnology，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，Jiangsu，China）

Abstract：This study introduced the combination，characteristics and research progress of partial nitritation-anammox.Partial nitritation-anammox process and traditional biological denitrification process were compared in nitrogen removal rate，energy consumption and carbon source.Although partial nitritation-anammox process doesn’t require organic carbon，its energy consumption is higher than traditional biological denitrification process due to heating and aeration.The difference between nitrogen removal rate of partial nitritation-anammox and traditional biological denitrification process is not significant.Carbon to nitrogen ratio of wastewater needs to be considered when choosing denitrification process.Traditional biological denitrification process is more suitable for high carbon to nitrogen ratio，and combined process is more suitable for low carbon to nitrogen ratio.

Key words：environment；waste water；partial nitritation-anammox；anaerobic；nitrogen removal rate

基金项目：国家自然科学基金（51008202）、江苏省环境保护厅重大项目（201104）及苏州科技学院研究生创新基金项目（skcx14/028）。

收稿日期：2014-12-19；修改稿日期：2014-12-27。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.08.038

文章编号：1000–6613（2015）08–3142–05

文献标志码：A

中图分类号：X 703