工艺技术 精解：厌氧氨氧化工艺原理、控制及抑制

厌氧氨氧化技术是通过工程措施，利用厌氧氨氧化菌将废水中氨和亚硝酸转化为氮气的处理过程。


厌氧氨氧化反应的化学计量关系如式1.1所示(Minder et al., 1995; van de Graaf et al., 1995;郑平等，2004 )。由于厌氧氨氧化工艺高效、经济、节能，该工艺可能成为未来废水生物脱氮处理的升级工艺。

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厌氧氨氧化工艺的原理

厌氧氨氧化工艺的基质为NH4+和NO2，由于废水中的氮素主要以氨氮形态存在，厌氧氨氧化工艺需与短程硝化工艺组合，才能实现脱氮。与传统硝化一反硝化工艺相比，短程硝化一厌氧氨氧化工艺在供氧量、耗碱量、有机电子供体需要量以及剩余污泥产生量方面均具有更好的经济性(图1.7 )。

因为厌氧氨氧化以NH4+为电子供体，所以在短程硝化过程中，仅需要进行半量硝化(即将一半MH4+转化为N2-)。由图1.7可知，短程硝化比全程硝化节省62.5%的供氧量和50%的耗碱量。

厌氧氨氧化比全程反硝化节省大量甲醇(郑平等，2004 )。此外，厌氧氨氧化菌的细胞产率远低于反硝化菌，短程硝化一厌氧氨氧化工艺的污泥产量也远低于硝化一反硝化工艺，这将大大降低剩余污泥的处理和处置成本。

虽然厌氧氨氧化菌可以将NH4+和NO2-转化为N2，但是许多生境下，只存在NH4+，而不存在NO2-。

因此，如果要进行厌氧氨氧化，需要氨氧化菌把NH4+氧化为No2氨氧化菌和厌氧氨氧化菌成为共同完成生物脱氮的伙伴。氨氧化菌和厌氧氨氧化菌是短程硝化一厌氧氨氧化工艺的基石。

由表1.2可知，厌氧氨氧化菌代谢活性高，对基质的亲和力强，说明厌氧氨氧化工艺具有很高的容积氮去除速率和基质转化率。

厌氧氨氧化菌倍增时间长，细胞产率低，说明厌氧氨氧化工艺虽有剩余污泥少的优点，但也存在启动时间长(菌种量少)和运行不稳定(菌种流失)的缺点。







图1.7全程硝化一反硝化工艺与短程硝化一厌氧氨氧化工艺的物耗、能耗以及污泥产率对比(郑平等，2004)

表1.2好氧氨氧化和厌氧氨氧化的重要生理参数

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厌氧氨氧化工艺的控制

厌氧氨氧化工艺的控制关键在于培育和持留足量的厌氧氨氧化菌，并通过控制环境条件，避免不利因素对厌氧氨氧化菌的影响，提高功能菌的活性和数量。厌氧氨氧化菌的控制因素主要包括以下几方面:

1. 温度控制。

温度对厌氧氨氧化的影响主要体现在影响酶活性上。

厌氧氨氧化反应的活化能为70 kJ/mol，与亚硝酸细菌的反应活化能基本相当。从化学反应角度讲，厌氧氨氧化属于容易进行的化学反应;但从生物反应角度讲，又属于较难进行的生物反应。

因此，在废水生物处理中，厌氧氨氧化属于对温度变化较为敏感的反应类型，在一定的温度范围内，提高温度有利于加速反应。

郑平等研究表明，当温度从15℃升至30℃，反应速率逐渐提高; 当温度升至35℃时，反应速率反而下降;最适温度约为30℃左右(郑平等，2001 )。

杨洋等研究表明，控制反应温度为30-35℃时，厌氧氨氧化速率最高;而当温度高于40 ℃ ,厌氧氨氧化活性则出现明显下降(杨洋等，2006 )。

Dosta等研究了温度对厌氧氨氧化的长期与短期影响。

在温度短期影响的实验中，测得厌氧氨氧化反应的活化能为63 kJ/mol; 在35-40℃范围内，厌氧氨氧化活性最高;当温度超过45℃时会出现不可逆的失活。

在温度长期影响的实验中，温度低于15℃时，所用SBR反应器内出现亚硝氮积累，反应器失稳(Dosta et al., 2008 )。

综上所述，厌氧氨氧化菌的最适生长温度为30-35℃。

2. pH控制。

pH对厌氧氨氧化的影响主要来自两个方面。一是直接作用，即超出厌氧氨氧化菌的耐受限度。

郑平等研究发现，当pH值从6.0升至7.5时，厌氧氨氧化速率升高;但当pH值继续升至9.5时，厌氧氨氧化速率则不断下降，最适pH值在7.5-8.0附近(郑平等，2001 )。

杨洋等研究表明，当pH=8.3时，污泥厌氧氨氧化活性最大;当pH<8.3时，污泥活性略有下降; 而当pH>8.3时，其活性下降幅度较大，最适pH值为7.5-8.3(杨洋等，2006 )。

Strous等研究表明，厌氧氨氧化的适宜pH范围为6.7-8.3，最大反应速率在pH8.0左右(Strous et al., 2006 )。二是间接作用，即影响基质的有效性。氨和亚硝酸盐是厌氧氨氧化菌的基质，而其有效成分为游离氨(free ammonia, FA)和游离亚硝酸(free nitrous acid, FNA ) ，pH会影响FA和FNA在水相中比例。

在水溶液中，NH3与NH4十之间存在如式1.7的电离平衡，FA占总氨氮浓度的比例可由式1.9计算(Anthonisen et al.,1976 )。

式1.9中，CFA为游离氨浓度(mg/L)，  CtNH3为总氨氮浓度(mg/L)，T为温度(℃ )。

25℃时氨的电离常数为Ka值为5.6x10^-10，根据式1.9计算可知，当pH分别为7.0, 8.0和9.0时，FA的分配百分比依次为0.56%, 5.30%和35.90%表明在正常生物处理系统中，NH4+是氨的主要存在形式，提高pH可以增加FA的分配百分比。

HNO2与NO2-之间存在如式1.8的电离平衡，FNA占总亚稍酸浓度的比例可由式1.10计算(Anthonisen et al., 1976 )。式1.10中，CFNA为游离亚硝酸浓度(mg/L), CtHNO2为总亚硝酸盐浓度(mg/L), T为温度(℃)。

25 ℃时亚硝酸的电离常数为Ka值为4.6x10^-4，根据式1.10计算可知，当pH分别为7.0, 8.0和9.0时，FNA的分配百分比依次为0.217%, 0.022%和0.002%，表明在正常生物处理系统中，NO2-是亚硝酸盐的主要存在形式，降低pH可以增加FNA的分配百分比。




3. 溶解氧控制。

Strous等研究表明，氧能够抑制厌氧氨氧化活性，但抑制是可逆的，除氧后厌氧氨氧化活性可以恢复。

在氧浓度为(0.5-2.0 )%空气饱和度条件下，厌氧氨氧化的活性被完全抑制; 氧对厌氧氨氧化的抑制浓度低于0.5%空气饱和度(Strous et al., 1998 )。

郑平等研究表明，氧对厌氧氨氧化反应有很大的影响。但在好氧状态下，厌氧氨氧化混培物具有通常的好氧氨氧化能力(郑平等，2000 )。

Fux等研究表明，厌氧氨氧化中试装置敞口并有水下搅拌，厌氧氨氧化反应依然可以高速进行(Fux et al., 2002 )。

4. 基质控制。

厌氧氨氧化反应的基质为氨和亚硝酸，但两者浓度超过阂值，会对厌氧氨氧化菌产生抑制作用。

研究表明，基质氨和产物硝酸盐对厌氧氨氧化活性的影响较小，只要氨浓度和硝酸盐浓度低于1000 mg/L，就不会对厌氧氨氧化菌活性产生抑制作用(Strous et al., 1999 )。

基质氨对厌氧氨氧化菌的抑制主要源于游离氨的作用。基质亚硝酸盐对厌氧氨氧化菌活性的影响较大。

Strous等研究表明，当亚硝酸盐浓度高于100 mg/L时，厌氧氨氧化活性被完全抑制( Strous et al., 1999 )。  

Egli等研究表明，当亚硝酸盐浓度超过185 mg/L , 厌氧氨氧化才会受到抑制(Egli et al., 2001 )。

Dapena-Mora等研究表明，分批试验中，亚硝酸盐对厌氧氨氧化菌的半抑制浓度为350 mg/L ( Dapena-Mora et al., 2007 ),

其他学者也得到相近的结果(Fernandez et al., 2012; Lotti et al., 2012; Tang et al.,2010a )。

由于菌种富集程度和实验条件的不同，各个研究者所得到厌氧氨氧化菌所能耐受的亚硝酸盐浓度也不相同。

但亚硝酸盐是一种公认的毒性基质，一旦浓度过高，会对厌氧氨氧化菌产生明显的抑制作用，因此操作时要重点控制亚硝酸盐浓度。

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抑制物控制

实际废水水质成分复杂，有机物与氨共存是普遍现象，这些有机物作为抑制物，会降低厌氧氨氧化工艺的脱氮效能。厌氧氨氧化工艺的抑制物主要包括不溶性有机物和可溶性有机物。

不溶性有机物可被吸附在污泥表面而影响厌氧氨氧化菌对营养物质的吸收。非极性有机分子累积在细胞膜表面，会引起细胞膜胀大，导致细胞裂解(Heipieper et al., 1994; Sikkema et al.,1994)。

可溶性有机物又分为无毒有机物（如葡萄糖、乙酸、两酸等）和有毒抑制物如甲醇、抗生素、酸类等）。

常见的可溶性无毒有机物对厌氧氨氧化的影响主要可归结为反销化作用：当有机物、氣和亚销酸盐共存时，因反确化的吉布斯自由能(-472kJ/mol)低于厌氧氧氧化(-335kJ/mol)的吉布斯自由能，反确化更易发生；另外，反销化菌为一般为异氧菌，其细胞产率（细胞产率系数Y=0.3)远远高于厌氧氛氧化菌(Y=0.066), 在基质和空间竞争中处于优势。

Molinuevo等研究表明，当厌氧氨氧化反应器的有机负荷高于136mg COD/L/d时，厌氧氨氧化反应器性能恶化(Molinuevo et al., 2009)。

杨洋等研究表明，加入有机物对污泥中的厌氧氨氧化活性影响不大；加入200mg/L有机物可明显抑制厌氧氨氧化活性，反确化与厌氧象氧化之间存在着激烈的基质竞争（杨洋等，2006)。

长期在较高的有机物浓度下运行厌氧氨氧化反应器，厌氧氨氧化菌难以生长，停止添加有机物并降低容积氣负荷，可在短期内消除有机物对厌氧數氧化反应器的影响；但长期运行后，即使消除有机物，反应器也不能恢复至原有水平（Tang et al.，2010b; 郑平等,2006)。

在短程硝化厌氧氨氧化工艺中，甲醇被广泛用作电子供体以控制厌氧氨氧化工艺的进水亚销氣浓度及进水亚销氮和氨氮的比例，残余的甲醇可能会对厌氧氨氧化菌产生抑制作用。甲醇的抑制机理可能是甲醇转化产生的甲酸对蛋白质和酶产生不可逆抑制作用。

Guven等研究表明，在分批试验中，当甲醇浓度为0.5 mM时，厌氧氨氧化发生不可逆抑制；在连续试验中，当甲醇浓度为时，厌氧氛氧化发生不可逆抑制（Guven et al., 2005)。

Jensen等研究表明，当甲醇浓度为时，厌氧氛氧化活性几乎被完全抑制(Jensen et al., 2007)。

Isaka等研究表明，厌氧氨氧化活性随着甲醇浓度的升高而降低，当加入0.5 mM甲醇时，相对活性只有最大活性值的29%。在连续实验中添加甲醇时，80h后厌氧氨氧化活性降到原来的46%。停止加入甲醇后，厌氧氨氧化活性未能恢复。甲醇抑制厌氧氧氧化的真正抑制劍可能为甲酸，导致了不可逆抑制（Isaka et al., 2008）。

抗生素是某些生物产生的在低浓度时即能选择性抑制其他生物的功能性化学物质（沈萍和彭珍荣，2003）。

不同的抗生素对微生物的抑制机理不同（如图）。我国抗生素生产业发展迅猛，产生的制药废水含有高浓度裁氣并残留抗生素，在废水脱氮中抗生素很可能会抑制厌氧氨氧化菌。




van de Graaf等研究发现，氯霉素浓度为200mg/L时，厌氧氨氧化活性降低68%，其抑制程度与微生物的富集培养程度和暴露时间等因素有关（van de Graaf et al，1995）。

Fernandez等研究表明，在分批培养中，四环素浓度从100mg/L上升到1000mg/L，氯霉素浓度从250mg/L上升到1000mg/L，两种抗生素均对厌氧氨氧化产生了显著抑制；在连续培养中，分别加入20mg/L的氯霉素和50mg/L四环素，厌氧氨氧化活性都显著下降（Fernandez et al，2009）。