工艺技术 进展：厌氧氨氧化脱氮技术发展

近年厌氧氨氧化除氮技术已陆续发展出许多应用流程，包括SHARON-ANAMMOX (Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over  Nitrite-anaerobic ammonium oxidation)、OLAND (oxygen limited autotrophic nitrification denitrification) 、 CANON (Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite) 及SNAD (simultaneous  partial  nitrification,  ANAMMOX and denitrification) 等，根据处理废水特性不同，每一种流程所应用之优势微生物种、氨氮负荷率、操作条件与反应器形式等均有差异，有关各流程特点、发展与应用情形，说明如下：

01 SHARON-ANAMMOX流程

SHARON-ANAMMOX流程为双反应槽设计， SHARON流程系将部分氨氮先氧化成亚硝酸盐氮，将氨的氧化过程控制在氨氧化阶段，如下反应式，控制氨氮与亚硝酸盐氮摩耳数比例接近1:1～1:1.3，后续再结合ANAMMOX流程之厌氧氨氧化流程完成两种反应物的去除，所得到之最终产物为氮气，反应流程详图3，反应如下所示：



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SHARON-ANAMMOX流程之主要微生物群为好氧及厌氧氨氧化菌，两者均为自营菌，无须外加碳源。为使氨氮氧化成亚硝酸盐氮后不再进一步氧化成硝酸盐氮，SHARON流程在短程硝化的过程中需使用适当操作策略，以有效控制硝化仅止于亚硝酸盐氮，包含：

(1)控制污泥停留时间，因亚硝酸氧化菌  (Nitrite  Oxidizing Bacteria,  NOB)  生长较氨氧化菌  (Ammonia Oxidizing Bacteria, AOB) 慢，控制SRT使化学自营性氨氧化菌AOB成为主要优势菌种。

(2)控制 进流氨氮浓度，因AOB对于氨氮的忍受力较高， 而NOB对于氨氮的忍受力仅1-10 mg-N/L之间， 故可控制进流氨氮浓度为10-100 mg-N/L，抑制NOB的生长。

(3)控制溶氧浓度在0.2-0.5 mg/L之间，防止NOB得到足够的氧量将亚硝酸盐氮进一步氧化为硝酸盐氮，达到抑制 NOB的效果，并且能节省曝气动力费。

02 OLAND流程

OLAND流程为在溶氧浓度为0.1-0.3 mg/L 之限氧条件下，以单一反应槽体实现短程硝化及厌氧氨氧化反应，反应式如下所示。该流程关键在于DO值的控制，目的为使氨氮能够氧化成亚硝酸盐氮，却又不影响同一槽体中之厌氧氨氧化反应。

OLAND流程主要包含两大群微生物，以需氧条件区分成好氧性的氨氧化菌以及厌氧性的氨氧化菌，其电子接受者分别为氧气及亚硝酸根。

OLAND流程以限制溶氧浓度的方式，让好氧及厌氧两种氨氧化菌同时作用，在低溶氧条件下淘汰亚硝酸氧化菌NOB并累积大量的氨氧化菌AOB。

OLAND流程的好处是可以节省大量曝气动力以及不须无机碳源的补充，惟槽内的pH值及溶氧浓度控制较SHARON流程困难许多。



03 CANON流程  

CANON流程同样是在限氧条件下，在单一槽体中进行短程硝化及厌氧氨氧化反应，与OLAND流程相似，反应流程详图，总反应式如下：


图  OLAND与CANON反应流程示意图

CANON流程中的微生物主要是自营性之好氧及厌氧氨氧化菌与少量的硝化菌。该流程主要限制在于氨氮的进流浓度及反应槽中溶氧浓度，进流氨氮浓度过高将抑制氨氧化菌的AOB生长；而溶氧过高将抑制厌氧氨氧化菌生长，过低则影响氨氧化菌AOB的反应速率，故寻找AOB 及厌氧氨氧化菌的平衡点为CANON流程之关键控制因子。由于CANON流程完全由自营性菌参与反应，对于有机碳并无去除效果，不适合处理有机物浓度过高之废水。

04 SNAD流程  

该流程由CANON流程演变而来，主要针对同时含有COD及氨氮的废水，因CANON流程中短程硝化及厌氧氨氧化的两种微生物都属于自营性菌，仅需要无机碳作为碳源；若废水中含有大量的有机碳，会造成异营性菌大量生长，且会抑制短程硝化及厌氧氨氧化两种微生物。

SNAD流程除了结合短程硝化、厌氧氨氧化于同一反应槽之外，还包含了异营性脱硝反应， 在进行厌氧氨氧化流程的同时也能进行脱硝反应，解决进流废水有机物浓度过高的问题，广泛应用于废水除氮处理，因此近年实厂规模研究日趋增加，反应流程详图。


图 SNAD反应流程示意图

目前国内已经研究及实场规模的处理厂利用SNAD流程处理垃圾渗出水，在去除氨氮与化学需氧量 (COD) 方面分别可达80%及30% (林志高，2011)。

此处理技术能降低传统废水处理过程中大量曝气及额外添加碳源需求，大幅减少操作费用，惟进流废水之有机物浓度仍有限制，进流废水之C/N值超过0.5时将导致整体去除效率降低。表为传统生物硝化脱硝与SNAD流程之差异比较。


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05 DEAMOX流程  

近年来有学者研究同时脱硫脱氮之可行性，DEAMOX流程是在含硫系统中，进行自营性脱硝与厌氧氨氧化；利用自营性脱硝菌以硫化物为电子供给者将硝酸盐还原成亚硝酸盐氮， 再以氨氮与亚硝酸盐氮为反应物经厌氧氨氧化反应使氨氮氧化为氮气 (Sergey et al., 2006)，反应流程详图。


图  DEAMOX流程反应流程示意图 (Sergey et al., 2006)

反应式如下所示。


该流程在厌氧条件下可同时脱氮除硫，硫化物在缺氧条件下氧化为单值硫，氨氮也可还原为氮气，从而实现硫与氮的同步去除，较传统除硫方式更为经济 (林翰璘，2011)。

以上各型态之厌氧氨氧化除氮方式，包括以ANAMMOX为基础的SHARON、CANON、OLAND、SNAD、DEAMOX等流程，不同的流程所应用的微生物菌种、氮负荷率汇总如表所示。

表  传统生物硝化脱硝与不同型态之厌氧氨氧化除氮流程比较表