工业水处理, 2019, 39(12): 1-6 doi: 10.11894/iwt.2018-1153

专论与综述

厌氧氨氧化技术在市政污水中的应用和研究进展

解云飞,1, 徐文杰1, 迟媛媛2, 万俊锋,1

Application and progress of Anammox technology on the municipal wastewater treatment

Xie Yunfei,1, Xu Wenjie1, Chi Yuanyuan2, Wan Junfeng,1

通讯作者: 万俊锋,博士,博士后。电话:0371-67781062, E-mail:wanjunfeng@zzu.edu.cn

收稿日期: 2019-11-1  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  21107100
河南省科技攻关项目.  172102410031

Received: 2019-11-1  

Fund supported: 国家自然科学基金项目.  21107100
河南省科技攻关项目.  172102410031

作者简介 About authors

解云飞(1993-),硕士研究生E-mail:974712709@qq.com , E-mail:974712709@qq.com

摘要

相对于传统生物脱氮技术,低能耗和低成本的厌氧氨氧化技术迅速成为市政污水脱氮领域的研究热点。介绍了厌氧氨氧化反应机理的最新研究进展,进一步分析和讨论了采用主流及侧流厌氧氨氧化工艺治理市政污水时氮源污染过程中存在的瓶颈。与侧流厌氧氨氧化工艺相比,主流厌氧氨氧化工艺在市政污水脱氮处理上具有更大的优势和潜力。最后,针对市政污水脱氮处理现状给出了厌氧氨氧化技术需解决的问题和未来发展方向。

关键词: 废水脱氮 ; 生物脱氮 ; 厌氧氨氧化 ; 市政污水

Abstract

Compared with the traditional biological nitrogen removal technology, Anaerobic ammonium oxidation(anammox) technology with relatively low energy consumption and economic cost has rapidly become a research hotspot, especially in the field of nitrogen removal from the domestic wastewater. The latest progress on the mechanism of Anammox reaction is reviewed. Furthermore, the bottlenecks are discussed in the applications of mainstream and sidestream Anammox processes to remove nitrogen pollutant from domestic wastewater. Compared with the sidestream anammox process, the mainstream Anammox process has greater advantages and potentials in domestic wastewater treatment. Finally, the challenge of the Anammox technology in future development is given based on the current status of sewage treatment.

Keywords: nitrogen removal from wastewater ; biological nitrogen removal ; Anammox ; municipal wastewater

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本文引用格式

解云飞, 徐文杰, 迟媛媛, 万俊锋. 厌氧氨氧化技术在市政污水中的应用和研究进展. 工业水处理[J], 2019, 39(12): 1-6 doi:10.11894/iwt.2018-1153

Xie Yunfei. Application and progress of Anammox technology on the municipal wastewater treatment. Industrial Water Treatment[J], 2019, 39(12): 1-6 doi:10.11894/iwt.2018-1153

市政污水经处理后氨氮和总氮未达标被认为是我国部分湖泊和河流发生富营养化的主要原因之一。绝大部分市政污水采用传统生物脱氮工艺去除水中的氮污染。传统生物脱氮主要包括好氧硝化和缺氧反硝化2个阶段。好氧阶段必须提供足够的氧气才能完成硝化反应,所以会消耗大量能源;而缺氧阶段往往需要额外补充有机碳源以保证完成反硝化反应。需强调的是,未来市政污水治理资源化和能源化必然导致市政污水的碳氮比进一步降低,使得传统生物脱氮过程中反硝化阶段需要补充更多的有机碳源以保证最终脱氮效果,最终显著增加传统生物脱氮工艺成本。因此,传统生物脱氮技术处理市政污水中的氮污染时不得不面临高能耗和高成本的问题。

一直以来,研究人员基于传统生物脱氮机理不断优化工艺参数并开发出新型生物脱氮工艺,取得了较好的脱氮效果,但由于传统生物脱氮机理本质上仍是硝化和反硝化反应的组合,必然有一定局限性。随着我国市政污水处理标准尤其是氮排放标准的日趋严格,采用传统生物脱氮处理工艺实现达标排放将进一步增加运行成本和能耗。与此同时,随着20世纪末生物厌氧氨氧化反应方程式被证实1,基于厌氧氨氧化反应为原理的新型生物脱氮技术迅速成为国内外研究的热点。以厌氧氨氧化反应为主体的一些新型生物脱氮工艺在实验室被验证并取得成功,已经有少量市政污水处理工程采用厌氧氨氧化工艺,考虑到厌氧氨氧化在市政污水脱氮处理上的巨大潜力,笔者尝试对现有厌氧氨氧化技术对市政污水的处理现状进行总结,并就未来发展进行探讨。

1 厌氧氨氧化反应机理

1995年厌氧氨氧化菌(Anammox bacteria)在荷兰某酵母工厂的缺氧生物反应器中首次被发现并证实2,后续研究进一步给出微生物参与下的厌氧氨氧化反应1,见式(1)。

(1)

尽管厌氧氨氧化反应的生物反应机理和代谢途径仍存在一些争议,但目前有2种普遍接受的反应机理。1997年van de Graaf等3通过同位素15N示踪研究提出了厌氧氨氧化代谢途径。该反应模型如图1所示。①铵根(NH4+)被羟胺(NH2OH)氧化成联氨(N2H4);②联氨(N2H4)变成不稳定的二亚胺(N2H2);③进一步被氧化为氮气(N2);④产生的[H]用于还原更多的亚硝酸盐(NO2-)形成羟胺(NH2OH);⑤硝酸盐(NO3-)还原形成亚硝酸盐(NO2-)。

图1

图1   厌氧氨氧化反应模型


新的模型则认为亚硝酸盐(NO2-)首先在亚硝酸还原酶(Nir)的作用下被还原为一氧化氮(NO),NO再在hh基因簇的作用下与NH4+缩合成联氨(N2H4),最后在羟胺氧化还原酶(HAO)的作用下,N2H4氧化成氮气4,见图2

图2

图2   基于Kueneniastuttgartiensis宏基因组学的厌氧氨氧化改进模型


2 厌氧氨氧化微生物种群研究进展

厌氧氨氧化(Anammox)是指在厌氧条件下厌氧氨氧化细菌利用水中的亚硝酸根和氨氮生成氮气的过程5。迄今为止发现的厌氧氨氧化菌都属于Planctomycetes门,共有6个属(BrocadiaKueneniaJetteniaScalinduaAnammoxoglobusAnammoximicrobium),一共有23种,如表1所示。

表1   已知厌氧氨氧化菌分类

参考文献
PlanctomycetesCandidatus BrocadiaCandidatus Brocadia anammoxidans6
candidatus brocadia fulgida7
candidatus brocadia sinica8〕-〔9
candidatus brocadia brasiliensisNCBI website
candidatus brocadia caroliniensisNCBI website
Candidatus KueneniaCandidatus Kuenenia stuttgartiensis10
candidatus scalindua arabica11
Candidatus Scalindua sorokinii12
candidatus scalindua zhenghei13
Candidatus Scalindua brodae14
Candidatus Scalinduacandidatus scalindua richardsii15
Candidatus Scalindua wagneri16
Candidatus Scalindua rubraNCBI website
Candidatus Scalindua mirinaNCBI website
Candidatus Scalindua siinooifield16
candidatus scalindua profunda17
Candidatus jettnia JettniaCandidatus jettnia asiatica18
Candidatus jettnia moscovienalisNCBI website
Candidatus jettnia caeniNCBI website
AnammoxglobusCandidatus anammoxoglobussulfate19
Candidatus Anammoxglobus propionicus20
Candidatus Anammoxoglobus sulfate21
AnammoximicrobiumCandidatus Anammoximicrobium moscowiiNCBI website

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厌氧氨氧化微生物细胞结构较为复杂和特别。如Brocadia anammoxidans从胞外到胞内共有3种独立的膜类型(细胞膜、胞质内膜和厌氧氨氧化膜),形成三层球体模型和3个独立隔间,隔间内部含有许多参与联氨代谢的特殊酶,这些酶可以促进厌氧氨氧化反应22。需要强调的是厌氧氨氧化细菌代谢过程中不会产生温室气体一氧化二氮(N2O)。最近几年针对不同厌氧氨氧化菌及其功能的研究都取得了一些进展。M. Oshiki等发现Candidatus Brocadia sinica代谢方式主要依赖于羟胺23,当盐度达到3%时该微生物活性降低70%24Candidatus Kuenenia stuttgartiensis可在pH为6.5~9.0的范围内生长25Anammoxoglobus propionicus能用丙酸作基质进行新陈代谢。厌氧氨氧化细菌自身独特的生理特征使其在低基质浓度下生存并具有活性,这保证了厌氧氨氧化技术在市政污水氮污染处理中的应用26

3 厌氧氨氧化工艺在市政污水处理中的应用

相对于传统生物脱氮技术,B. Kartal等27认为具有低能耗和低成本优势的厌氧氨氧化脱氮技术在市政污水脱氮处理上有很大的应用前景。近几年,厌氧氨氧化技术在市政污水脱氮处理中的应用成为污水处理研究热点之一。

3.1 厌氧氨氧化工艺发展

大多数废水不含厌氧氨氧化反应所需的亚硝态氮,必须产生足够的亚硝态氮才能进行厌氧氨氧化反应。目前报道的比较有代表性的厌氧氨氧化组合工艺为Sharon-Anammox工艺与Canon工艺。

3.1.1 Sharon-Anammox工艺

Sharon-Anammox(Single reactor for High Activity ammonia Removal Over Nitrite)工艺包括2个阶段,如图3所示。首先为Sharon段,50%~60%的氨氮被氧化成亚硝态氮;第2阶段为Anammox段,剩余氨氮与新生成的亚硝态氮进行厌氧氨氧化反应生成氮气,同时生成少部分硝态氮(大约16%),该工艺分别在2个反应器中完成。

图3

图3   Sharon-Anammox工艺流程


Sharon和Anammox工艺联用,仅需将大约50%的氨氮转化为亚硝态氮而无需外加亚硝态氮,且大多数厌氧出水含有以重碳酸盐形式存在的碱度,可以补偿亚硝化造成的碱度消耗,实现工艺碱度自平衡。Sharon-Anammox联合工艺操作简单、处理负荷高、亚硝化需氧量低、pH范围宽,具有良好的应用前景。

3.1.2 Canon工艺

Canon(Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite)工艺是一个基于亚硝酸盐的全自养生物脱氮过程。一般来说,在单个反应器内限制曝气条件下,通过好氧氨氧化菌(AOB)的作用,将水中氨氮氧化为亚硝酸根,再利用厌氧氨氧化菌将剩余的氨氮和亚硝酸根转化为氮气。Canon工艺不需要外加有机碳源,只需控制到亚硝化阶段,节约了50%的碱度,在限制溶解氧的条件下可节省63%的曝气需求和100%用于反硝化的外加有机碳源。该组合工艺的最终反应可由式(2)表示28

(2)

事实上,无论是Sharon-Anammox还是Canon工艺,第1步都是在好氧条件下将水中的部分氨氮氧化生成亚硝态氮,而没有完全氧化生成硝态氮,因此这个过程被称为短程硝化反应。同时,针对处理水体和污水中所含氨氮浓度的不同,所采用的厌氧氨氧化工艺可分为侧流和主流厌氧氨氧化工艺。

3.2 侧流厌氧氨氧化工艺处理市政污水

图4为传统A/O工艺处理市政污水联合侧流厌氧氨氧化系统。

图4

图4   传统A/O工艺处理市政污水联合侧流厌氧氨氧化系统


侧流厌氧氧氨氧化处理的污水主要来自市政污水剩余污泥厌氧消化处理的上清液或污泥脱水后的浓缩液,氨氮质量浓度可达到800~3 000 mg/L,短程硝化部分高浓度氨氮后联合厌氧氨氧化工艺实现高效脱氮。通过厌氧氨氧化处理含高浓度氨氮的不同工业废水在实验室和实际工程中已有成功案例。I. Tsushima等29用厌氧氨氧化反应器处理含高浓度氨氮的生活垃圾渗透液,总氮去除速率高达9.5 kg/(m3·d)。

3.3 主流厌氧氨氧化工艺处理市政污水

3.2.1 主流短程硝化-厌氧氨氧化

相对于侧流厌氧氨氧化工艺,主流厌氧氨氧化工艺在处理市政污水时面临2个问题:进水中的低浓度氨氮和大多数地区都要面临的低温环境。目前一些实验数据已经证明了主流厌氧氨氧化工艺的可行性(见表2)。与传统生物脱氮相比,主流短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理市政污水具有3个优势:(1)节省60%的曝气能量38;(2)相比于反硝化,所需有机碳源节省100%39;(3)剩余污泥泥量减少80%40

表2   主流厌氧氨氧化技术

反应器类型/工艺类型体积/m3水力停留时间/hpH氨氮/(mg·L-1温度/℃m(COD):m(N)氮去除速率/(kg·m-3·d-1参考文献
SBR0.23.7N24室温1~30.1430
SBR0.0275.5~7.27.360~16020≈00.5331
150.53
100.27~0.43
MBBR502.5~3N2512~1830.1~0.332
UASB0.0080.12N16.83025.55.7233
0.28162.28
DEMON10~4605.6N15~409~159.20.1934
多级AO+分段进水56~8005.76.5~7.330.83070.1735
UASB0.0028.1±0.330±7111.2±0.536
EGSB0.0013.3932~7929~300.121~0.18337

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实际应用中,新加坡樟宜再生水厂采用短程硝化联合厌氧氨氧化反应装置日处理20万t市政污水。该水厂在28~32 ℃的温度范围内采用分步进料活性污泥法处理产生的污水,主流厌氧氨氧化对总氮去除贡献率接近30%。相比新加坡其他再生水厂,曝气能量不仅降低10%~30%,而且出水中的总氮和亚硝酸盐都达到很低水平(TN < 5 mg/L,NO2-为1.1 mg/L)41。奥地利Strass污水处理厂在侧流厌氧氨氧化工艺的基础上,在主流工艺上安装旋流器不断分离和富集Anammmox菌,以保证厌氧氨氧化菌在主流工艺中的浓度,不仅实现了厌氧氨氧化,而且能生产出更多沼气用于获取能源。Strass污水厂产能高达0.34 kW·h/m3,初步实现了污水处理过程的能量自给,整个脱氮过程不需要额外投加有机碳源。

3.2.2 主流短程反硝化-厌氧氨氧化

主流短程反硝化-厌氧氨氧化由彭永臻院士团队最先提出并开展了一系列研究工作42-43。硝酸根通过短程反硝化实现亚硝态氮的积累,为厌氧氨氧化提供电子供体与氨氮发生厌氧氨氧化反应,如图5所示。

图5

图5   短程反硝化-厌氧氨氧化机理45


S. B. Cao等44在环境温度(14.1~28.8 ℃)下研究部分反硝化上流式污泥床反应器中的亚硝酸盐产量,进一步与厌氧氨氧化结合高效处理含硝酸盐的工艺废水。彭永瑧团队在西安第四污水处理厂发现短程反硝化-厌氧氨氧化现象,证明了主流短程反硝化-厌氧氨氧化的可行性,提出在厌氧和缺氧池加入填料形成移动床生物膜反应器(MBBR),用来强化厌氧和缺氧区除磷和反硝化的能力。其认为第四污水处理厂厌氧氨氧化所需亚硝态氮由厌氧池和缺氧池发生的短程反硝化提供,而不是短程硝化反应提供的亚硝态氮,在厌氧池通过短程反硝化提供亚硝态氮并实现部分厌氧氨氧化。尽管从理论计算可以得出短程硝化比短程反硝化更加节约能源及节省额外有机碳源,但在长达4年的检测过程中该污水处理厂出水的COD、SS、TP、NH4+和TN均达到类Ⅳ水体标准。在此基础上,荧光原位杂交(FISH)、PCR分子生物学测序技术及异位厌氧氨氧化批次实验均证实了厌氧氨氧化菌在该工程中大量存在和具有较高的活性。相比新加坡樟宜污水厂的厌氧氨氧化工程案例,西安第四污水处理厂的突破点是在低温条件下成功实现了稳定和高效的主流厌氧氨氧化反应。

4 挑战与展望

与传统的脱氮技术相比,侧流和主流厌氧氨氧化在市政污水处理中都具有应用前景和发展潜力。但厌氧氨氧化技术在市政污水中的应用研究仍然任重道远46。除了地域原因造成的低温环境和市政污水低浓度氨氮这2个限制厌氧氨氧化菌生长的问题外,如何保证厌氧氨氧化反应所需的亚硝态氮是实现主流厌氧氨氧化工艺的前提和亟需解决的问题。未来可以从以下几个方面着手:(1)新一代强化厌氧氨氧化生长和富集的功能填料的研发;(2)短程反硝化联合厌氧氨氧化处理市政污水的可行性和操作性的深入研究,以及其工艺参数的优化与调控;(3)在已有大量关于抑制硝化菌NOB实现短程硝化的实验数据基础上,短程硝化工艺在市政污水处理工程中的应用开发和工艺参数的优化调控;(4)短程硝化和短程反硝化这2种工艺联合厌氧氨氧化工艺作为主流厌氧氨氧化技术在市政污水脱氮方面的差异性研究。

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