厌氧氨氧化在废水处理领域中的应用

赵 舒

（辽宁省市政工程设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

近年来，水华、赤潮现象频繁发生，黑臭水体的数量也在不断增加，水污染日益加重。传统的生物脱氮主要经过“三阶段”反应，首先进行氨化反应，通过氨化菌将含氮有机物转化为NH4+-N；其次进行硝化反应，通过亚硝酸菌和硝酸菌将NH4+-N 进一步转化为NO2--N、NO3--N；最后进行反硝化反应，通过反硝化菌将NO2--N、NO3--N 最终转化为N2，实现氮的去除。但传统的生物脱氮处理流程复杂，耐冲击负荷的能力较差，在实际应用中还存在碳源不足、污泥产量高的问题。为了弥补传统方法在应用中的缺陷，厌氧氨氧化技术应运而生。作为1990年研发出来的新型技术，厌氧氨氧化省去了反硝化的过程，直接将硝态氮或亚硝态氮转化成氮气。与传统的脱氮工艺相比，不仅节省所需要的氧气量，还减少了碳源的需求量。因此，厌氧氨氧化技术广泛地用于合成革废水、餐厨废水、垃圾渗滤液等多种废水的处理。

1 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化是在厌氧条件下，以NO2--N、NO3--N为电子受体，以NH3为电子供体，在厌氧氨氧化菌的作用下将氨氮化为气态氮的一种生物脱氮技术[1-3]。与传统的生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化不再以有机物作为电子供体[4]，反应过程中不用投加有机碳源，使其在实际应用中的运行费用有所降低。

厌氧氨氧化工艺的影响因素主要包括温度、DO、pH、水力停留时间、有机底物浓度等，其中温度、DO、pH 为影响厌氧氨氧化菌的环境因素。因厌氧氨氧化菌为厌氧菌，故反应需在完全厌氧条件下进行；厌氧氨氧化反应最佳温度为30～35 ℃，温度过高、过低均会抑制厌氧氨氧化菌的活性；反应的pH 宜为弱碱性。

2 在废水处理领域中的应用

2.1 合成革废水

合成革是用塑料制成的，通过对天然革的构造进行仿造，达到与天然革更加相似的目的。现如今，合成革普遍用于制作各种各样的生活用品，如鞋、背包和足球等。在制备的合成革过程中产生了大量高浓度的废水，水质复杂，不易被生物降解，水中氨氮、有机氮含量高，水质、水量的波动比较大，使废水的处理存在一定的难度。用传统生物脱氮工艺处理合成革废水存在占地空间面积大、运行费用高、氮去除率不高等问题。为探究A/O MBBR-MBR组合工艺对NO3--N 的去除效果，王庆[5]等应用A/O MBBR-MBR 组合工艺处理PU 合成革废水，实验结果发现，这种组合技术对COD 的去除率比较高，但对于硝酸盐氮及氨氮的去除效果一般。为了降低水中的氨氮含量，应采用厌氧氨氧化及一些组合工艺。林皓[6]采用短程硝化、厌氧氨氧化、反硝化组合工艺处理合成革废水，研究结果表明，总氮去除率约85%左右，具有良好的处理效果。某化学企业采用水解酸化、升流式厌氧污泥床、厌氧氨氧化与膜生物反应器组合工艺对原有设备进行升级改造，并对PU 合成革废水进行处理，工程运行表明，厌氧氨氧化对总氮较高的废水去除效果更好，同时厌氧氨氧化运行过程中污泥产量少、耗电少，节省了运行成本[7]。林皓[8]对厌氧氨氧化与反硝化的组合工艺处理合成革废水的效果进行探究，研究结果发现，组合工艺里，厌氧氨氧化工艺在总氮去除方面起主要作用；当NO2--N/NH4+-N 质量浓度为1.2～1.5 mg·L-1时，总氮的去除率可达80%以上。

2.2 餐厨废水

餐具的洗涤水、餐厨残余的渗沥液等都属于餐厨废水，里面含有各种各样的有机物，如淀粉、洗涤剂等。餐厨废水水量较小，但水质复杂，因为来源不同，所以废水中污染物成分也有所差别。废水浓度高，水中富含脂类物质，若处理不当，会对水体造成严重危害。冯佳珺[9]等采用部分亚硝化-厌氧氨氧化串联工艺处理餐厨垃圾厌氧消化液，通过合理地控制COD、DO、NH4+-N 的质量浓度，实现部分亚硝化[10]。研究表明，总氮去除率可达80%以上，餐厨垃圾厌氧消化液脱氮基本可通过该串联工艺实现。耿震[11]等采用厌氧氨氧化、两级A/O、MBR 组合工艺，对餐厨废弃物厌氧消化产生的沼液进行处理，运行结果表明，这种组合工艺可避免高浓度氨氮抑制异养菌生长繁殖，降低了运行过程中的外加碳源投加量及曝气量，总氮浓度满足出水排放要求。针对餐厨废水氨氮浓度高、传统脱氮处理工艺占地面积大等缺点，王思琦[12]等对应用两级厌氧氨氧化工艺的脱氮效果进行探究，研究结果发现，两级厌氧氨氧化工艺对TN 的去除率为90.1%，其中仅有2.4%是通过反硝化作用去除。

2.3 垃圾渗滤液

垃圾渗滤液来源比较广泛，主要包括垃圾所含有的水分、填埋场内的雨水、雪水等，水质也比较复杂，含有高浓度苯胺化合物、酚类化合物等。若不能妥善处理，不但会危害生态环境，还可能危及饮用水源。现如今大多采用生物法处理此类废水。为了对广州市垃圾场实际渗滤液进行处理，黄奕亮[13]等应用短程硝化SBR、厌氧氨氧化ASBR 的组合工艺[14]，研究该组合工艺的脱氮特性，试验研究发现，厌氧氨氧化反应器中NO2--N 与NH4+-N 的进水比为0.9～1.6 时，脱氮效果最佳。为了对垃圾渗滤液的脱氮除碳性能进行探究，王凡[15]等采用反硝化、短程硝化、厌氧氨氧化工艺处理苏州生活垃圾填埋场渗滤液。研究结果发现，该工艺体系在NH4+-N、COD 的进水质量浓度均大于1 000 mg·L-1的情况下，仍然可以保持高效、稳定的运行状态，大部分易生物降解的有机物均可被去除，该组合工艺将反硝化装置前置，在一定程度上减弱了有机物对厌氧氨氧化的影响，达到了深度脱氮的效果。为了更好地降低垃圾渗滤液出水中氮的含量，张良茂[16]等采用短程硝化、厌氧氨氧化组合工艺，运行结果表明，系统中总氮的去除率可达90%；随着垃圾渗滤液的投加量不断增大，厌氧氨氧化脱氮的能力随之下降。吴莉娜[17]等为了解决采用常规脱氮方法处理垃圾渗滤液出水中氮含量过高的问题，采用UASB-A/O-厌氧氨氧化组合工艺进行试验研究，研究结果发现，组合工艺对NH3-N 和TN 的去除率均在90%以上，可实现氮的深度去除；组合工艺前端的UASB 使废水中大部分有机物得以去除，减少了有机物对厌氧氨氧化的抑制。陈润竹[18]等对厌氧氨氧化反应影响因素的最优条件进行探究，试验结果发现，水力停留时间为24 h、温度为35 ℃、pH 为7.5～8.5，去除效果最佳；当进水NH3-N 质量浓度为150 mg·L-1时，经厌氧氨氧化反应出水NH3-N 质量浓度仅为15.5 mg·L-1。

2.4 高盐废水

石油化工的采集、加工等均会产生高盐废水，废水中可能会含有Fe、Mn 等某些重金属以及大量的Cl-、F-等非金属离子。废水中含盐量超标，不但会对微生物细胞内的酶产生破坏作用，还会对微生物的生长繁殖有一定的抑制影响。

采用物理、化学方法处理时，成本比较高，同时也难以达到较好的处理效果，因此普遍采用生物法进行处理。杨振琳[19]等采用海藻糖强化厌氧氨氧化工艺处理高盐废水，研究结果表明，当海藻糖的投加量为0.25 mmol·L-1时，去除效果最佳；在相同条件下，氨氮、亚硝酸氮比没有添加海藻糖时分别提高了50%、43%。

吴国栋[20]等为了解决含盐废水脱氮效果不好的问题，探究厌氧氨氧化污泥脱氮效能与K+浓度变化之间的关系，在厌氧序批式反应器中进行实验。研究发现，适量的K+对反应器的脱氮效能有一定的提升；当K+的浓度为8 mmol·L-1时，处理效果最佳。为了在高盐条件下依然可以提高脱氮效率，于德爽[21]等采用投加不同浓度的甜菜碱进行试验研究。结果表明，投加一定浓度的甜菜碱有利于厌氧氨氧化脱氮；当甜菜碱的浓度为0.4～0.5 mmol·L-1时，即便对厌氧氨氧化菌有少许的抑制，但总体上还是表现为促进作用。

2.5 低浓度氨氮废水

高浓度的氨氮废水毒性大，通常通过吹脱等方法形成低浓度的氨氮废水，再排入水体。但即便如此，废水中依然含有低浓度的氮，易引发水华、赤潮等现象，因此也需要着重进行处理。通常采用化学法处理中、低浓度的含氮废水，即向废水中投加化学药剂，实现氮的转化。但采用这种方式会使水体中残留部分药剂，而且投加药剂会增加成本，因此应采用生物法进行处理。为了对低浓度氨氮废水不易处理的问题进行研究，陈国燕[22]等采用部分反硝化、厌氧氨氧化组合工艺进行试验。研究结果发现，当NO3--N 与NH4+-N 的比为1.2 时，组合工艺脱氮效果最好，此时NO3--N、NH4+-N 的去除率均在90%以上。为了对一段式部分亚硝化、厌氧氨氧化组合工艺的处理效果进行探究，赵良杰[23]等对低浓度氨氮废水进行处理，研究结果发现，这种组合工艺可去除废水中75%以上的总氮；AOB与厌氧氨氧化菌具有协同作用，同时它们也是污泥中的优势菌，可保证废水稳定脱氮。

尽管厌氧氨氧化技术在处理氨氮废水方面有很多优势，但仍存在一些问题，如低浓度的氨氮废水不易积累大量的亚硝酸盐、厌氧氨氧化菌难以富集、冬季低温抑制厌氧氨氧化菌生长等，都限制了其在低氨氮废水处理方面的应用[24]。

3 结束语

厌氧氨氧化技术作为目前比较成熟的一种技术，广泛地用于餐厨废水、合成革废水、垃圾渗滤液、低浓度氨氮废水、高盐废水等多种废水的处理。将其与其他技术相耦合，可使组合工艺达到更优的脱氮效果。在应用过程中，仍会存在一些问题，如厌氧氨氧化菌细胞产率较低，生长繁殖周期较长，使得反应得启动较慢。大批量培育高活性的厌氧氨氧化菌、找寻厌氧氨氧化与多种工艺组合的可能性，应是接下来主要的研究方向。