基于厌氧氨氧化的工艺处理垃圾渗滤液的研究进展

张 雨

(包头市排水产业有限责任公司，内蒙古 包头 014030)

引言

随着经济社会的不断发展，人口的不断增加，生活垃圾数量逐年增加，我国2018年生活垃圾清运量达到22801.8万吨[1]。填埋作为目前生活垃圾的主要处理方式，具有操作简便，工艺成熟等优势。填埋过程中由于垃圾本身所含的水分以及降雨冲刷、发酵、地下水渗入等产生的垃圾渗滤液，具有氨氮浓度高，有机物浓度高等特点[2]，易对周边环境产生二次污染，一直以来都是污水处理领域的重点。传统的生化处理工艺很难对其有效处理，而使用物化法等手段又存在成本高、能源耗费大等问题[3]，目前国内外关于垃圾渗滤液处理的研究主要集中在晚期垃圾渗滤液上。随着我国垃圾渗滤液排放标准日趋严格[4]，低成本的新型垃圾渗滤液处理技术亟待开发。

厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺是上世纪九十年代开发的一种新型脱氮工艺，该工艺在厌氧条件下利用氨氮与亚硝态氮为底物，生成氮气和少量硝态氮[5]。相比于传统的硝化反硝化脱氮工艺，Anammox过程具有脱氮能力强、不需补充有机碳源以及能耗低等优点，该技术具有强大的工程潜力，近年来，已被逐渐应用于处理氨氮高，C/N低的废水[6，7]。本文将从工艺类型、影响因素、微生物学等方面对基于厌氧氨氧化的工艺处理晚期垃圾渗滤液的研究进展进行论述。

1 基于厌氧氨氧化的工艺类型

污水中的氮元素主要以氨氮存在，而根据Strous等[8]测算出的Anammox反应式(式1)可知，要实现Anammox反应，系统中应有对应比例的亚硝态氮，要实现Anammox工艺处理垃圾渗滤液，需要给系统提供合适浓度的亚硝态氮，同时确保厌氧氨氧化菌的稳定生长。

1NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O

(1)

1.1 PN-ANAMMOX组合工艺

部分亚硝化与厌氧氨氧化(PN-ANAMMOX)组合工艺，是在ANAMMOX部分之前，增加部分亚硝化部分，将进水中的氨氮部分亚硝化为亚硝态氮，产出合适比例的亚硝态氮与氨氮，同时对进水中的有机物进行一定消耗，保障后续厌氧氨氧化的稳定运行[9]。该系统的第一部分称SHARON工艺[10]。第二段在完全厌氧的环境下，Anammox高效脱氮。此工艺构型是利用Anammox进行工程运用的比较常规的工艺。

Li等[11-12]在实验室利用SBR反应器探究了PN-ANAMMOX两段式工艺处理垃圾渗滤液的长期稳定性。Miao等[13]采用SBR系统构建了PN-ANAMMOX工艺，在第一段SBR系统中实现部分亚硝化，并在第二段SBR系统中投加填料构成SBBR(Sequencing biofilm batch reactor)系统，实现了总氮95%的去除。

1.2 CANON工艺

参与完成亚硝化和厌氧氨氧化步骤的菌均为自养微生物，CANON(Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)工艺。将二者培养在一个单独的反应器中，通过控制反应器内的溶解氧、pH值、温度等参数，实现全程自养脱氮[14]。例如张方斋等[15]采用CANON工艺处理晚期垃圾渗滤液，长期运行过程中，总氮去除率达到了98.76%。安雪迪[16]在CANON-SBR反应器中投加了电气石填料进行强化，在反应器运行第192天，去除负荷达到0.104 kg N/m3/d。Dan等[17]采用SBR反应器启动了CANON工艺，严格控制反应器的pH与温度，实现总氮93%的去除。

除了根据进水中氨氮浓度的变化进行曝气外，CANON反应器内还要保持适量的碱度(3.68 g CaCO3/g N)，在药物添加上会带来更多的消耗[10，18]。目前针对CANON工艺应用的研究较少，焦点更多的停留在反应机理、分子生物学等理论层面[18-21]。

1.3 SNAD

SNAD工艺(Simultaneous partial nitrification，anammox and denitrification)是指在一个单独的反应器中，通过微氧间歇曝气，使以下三个脱氮步骤有序进行：(1)氨氧化菌将氨氮部分亚硝化为亚硝态氮；(2)剩余的氨氮与(1)中产生的亚硝态氮经厌氧氨氧化菌的作用生成氮气与部分硝态氮；(3)反硝化菌将(2)中产生的硝态氮还原成氮气[22]。根据式(1)可知，厌氧氨氧化的理论脱氮效率并不是100%，会产生约10%的硝态氮。例如Wang等[23-25]在SBR中启动了SNAD工艺，探究了不同的氮负荷、C/N比对工艺的影响，并建立了评估部分亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化脱氮贡献率的模型。

1.4 其他工艺类型

高级氧化-厌氧氨氧化工艺有效解决了垃圾渗滤液中难降解有机物对厌氧氨氧化工艺的影响[26]。陆天友等[27]采用了接触氧化-厌氧氨氧化-微波工艺组合工艺，强化了出水效果。欧洲有一运行多年的垃圾渗滤液处理厂将活性污泥、超滤与活性炭吸附和厌氧氨氧化结合，减少了91%的甲醇费用和96%的剩余污泥产量[28]。短程反硝化是一种新的为厌氧氨氧化提供亚硝态氮的途径，近几年有诸多研究聚焦在短程反硝化-厌氧氨氧化处理垃圾渗滤液[29-32]。使用厌氧氨氧化工艺的主要原则为充分发挥厌氧氨氧化菌的强大脱氮能力，因此诸多物化法和生物法耦合厌氧氨氧化工艺逐渐被提出。

2 影响因素

显然，厌氧氨氧化部分在上述的组合工艺中起着决定性的作用。而厌氧氨氧化菌是一种倍增时间长，生长条件相对苛刻的自养菌，垃圾渗滤液中存在的重金属离子、高浓度有机物、溶解氧等因素都有可能对厌氧氨氧化菌活性产生抑制[8，33]。

2.1 基质浓度与负荷

研究表明系统中存在过高的游离氨和游离亚硝酸根会对厌氧氨氧化工艺产生抑制，过高的氮累计负荷，也会对厌氧氨氧化过程产生抑制。Ruscalleda等[34]认为控制亚硝态氮和氨氮的比例是保持厌氧氨氧化菌和其他菌种平衡的关键。这和Lotti等[35]做基础研究时发现的规律相同，但Lotti等认为亚硝态氮对厌氧氨氧化的作用是可逆的，并不是致死的毒害作用。Phan等[29]的系统可在NLR高达10 kg N/m3/d的情况下良好运行，并有超过95%的氮去除率。

2.2 有机物

厌氧氨氧化菌是一种自养菌，有机物一直被视为其重要的生长抑制因素[36，37]。但也有研究表明系统中存在适量的有机物有助于维持反硝化菌和厌氧氨氧化菌之间的平衡，从而使整个系统的脱氮能力提高[38]。很多研究发现有机物对Anammox处理垃圾渗滤液的影响有限[23]。Wang等[39]发现在COD浓度超过2000 mg/L的情况下，Anammox对垃圾渗滤液的脱氮效果没有受明显影响。垃圾渗滤液的成分复杂，难生物降解有机物较多，对厌氧氨氧化系统的影响机理尚不明晰。为了使厌氧氨氧化系统从基质冲击或有机物冲击中恢复，有研究在垃圾渗滤液中混入低浓度废水[40](如市政污水)，使系统继续保持一定处理能力。

2.3 pH、溶解氧与温度

pH、溶解氧和温度是影响厌氧氨氧化活性的常见因素，在垃圾渗滤液中各因素波动较大时，会对整个工艺的处理效果产生影响。在实际应用中，需要对以上因素进行一定控制。

pH会直接影响系统中各种菌群的生长活性，同时也会影响氨氮和游离氨与亚硝态氮和游离亚硝酸直接的化学平衡。研究表明厌氧氨氧化菌的最适宜pH为6.5 ～ 8.8[41]。厌氧氨氧化菌为严格厌氧菌，在溶解氧超过0.5%饱和度时就会受到抑制。系统的溶解氧浓度要根据工艺类型，并随着进水水质的变化而进行调整。而且研究者普遍认为厌氧氨氧化菌最适宜生长温度为35 ～ 40 ℃。

2.4 盐度与金属离子

盐度高是晚期垃圾渗滤液的重要特点，厌氧氨氧化菌在自然界中有广泛的存在。金属离子是影响污水处理中微生物活性的常见因素。除常见金属元素Ca2+、Mg2+、Fe2+等外，垃圾渗滤液中还有可能含有Cd、Hg等重金属。而采用Anammox处理垃圾渗滤液时重金属离子的影响目前并不多见。

3 微生物学

厌氧氨氧化工艺脱氮涉及多个功能菌群，厌氧氨氧化工艺应用过程中可能涉及的脱氮途径如图1所示，在有氧气条件下AOA与AOB将氨氮氧化为亚硝态氮，进一步经NOB氧化为硝态氮。在完全厌氧条件下，AMX利用氨氮与亚硝态氮生成氮气与硝态氮，同时DEN将硝态氮反硝化为氮气。在有机物存在的情况下，系统中也存在硝态氮异化还原为铵现象，将部分硝态氮还原为氨氮。

(AOA：氨氧化古菌，AOB：氨氧化细菌，NOB：亚硝酸盐氧化菌，AMX：厌氧氨氧化菌，DEN：反硝化菌)

在细胞水平上，有研究利用聚合酶链式反应技术对系统内各功能菌群进行定性分析[24]。Wu等[40]利用定量聚合酶链式反应技术对体系内的Anammox菌群进行相对定量，比较不同阶段Anammox的生长状态。

随着分子生物学手段的不断发展，许多研究利用高通量测序技术进行群落分析。Wu等[31]利用高通量测序技术对多级处理垃圾渗滤液系统中的微生物群落进行分析。转录组学和蛋白组学在分析厌氧氨氧化工艺处理实际废水中的应用还较少。

4 总结与展望

垃圾渗滤液的排放标准日益严苛，对节能降耗的需求与日俱增，采用基于厌氧氨氧化的工艺处理垃圾渗滤液是一种可行的思路。多年来的研究取得了一定的进展，推进了厌氧氨氧化工艺的工程应用。作为一种新型生物技术，厌氧氨氧化还有许多工程化的问题急需解决，如长期稳定运行的技术关键、影响因素的排除和微生物的作用机理等。随着分析手段的发展，该技术的研究将进一步深入发展，工程化的应用将逐渐成熟。