厭氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)是近些年發(fā)現(xiàn)的一種綠色節(jié)能的生物脫氮法，主要用于處理高氮廢水。該方法中起到重要作用的微生物為Anammox菌，該菌在缺氧條件下，以亞硝酸鹽作為電子受體，產(chǎn)生氮?dú)夂蜕倭肯跛猁}，并在反應(yīng)過(guò)程中伴有一定的聯(lián)氨和羥胺產(chǎn)生[2]。
與傳統(tǒng)的脫氮工藝相比，厭氧氨氧化法不僅不必額外添加碳源，還可以節(jié)約大約50%的耗氧量，同時(shí)幾乎能減少100%的二氧化碳排放量[3]。因此，厭氧氨氧化法是一種非常具有前景的污水處理方法。
影響厭氧氨氧化效率的因素
已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)Anammox菌的生長(zhǎng)條件進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明較適宜pH值范圍是6.4～8.3，溫度范圍是20～43℃[4]。但Anammox菌的生長(zhǎng)速率還受到很多其他因素的影響，而其生長(zhǎng)速率過(guò)低又是阻礙厭氧氨氧化法發(fā)展應(yīng)用的一個(gè)主要因素。因此，研究影響Anammox菌生長(zhǎng)的因素對(duì)提高厭氧氨氧化工藝的效率有著重要意義。
基質(zhì)和產(chǎn)物(氨和亞硝酸鹽)
氨和亞硝酸是厭氧氨氧化反應(yīng)的基質(zhì)，理論上隨著氨和亞硝酸濃度的升高，會(huì)提高厭氧氨氧化速率。但事實(shí)是當(dāng)濃度超過(guò)一定值時(shí)，它們也會(huì)對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生抑制。而厭氧氨氧化工藝通常應(yīng)用于高氨氮廢水，因此在反應(yīng)器運(yùn)行中很容易出現(xiàn)被抑制的情況，這種情形稱(chēng)為基質(zhì)性毒物引發(fā)的反應(yīng)器功能障礙。但關(guān)于氨和亞硝酸引發(fā)抑制的具體濃度值，不同研究者得出的結(jié)果不一。
Strous等[5]的實(shí)驗(yàn)表明，氨濃度低于1000mg/L時(shí)，Anammox菌的活性不會(huì)被抑制，但當(dāng)亞硝酸鹽濃度為100 mg/L時(shí)就會(huì)完全抑制厭氧氨氧化過(guò)程。Dapena-Mora等[6]研究發(fā)現(xiàn)350 mg/L的亞硝酸鹽或濃度為770mg/L氨可使Anammox菌活性降低50%?？梢钥闯龆呦啾?，亞硝酸比氨對(duì)Anammox菌的抑制更為明顯，亞硝酸相對(duì)毒性更大。
丁爽[7]采用分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)兩種方式，監(jiān)測(cè)反應(yīng)器的性能指標(biāo)和污泥性能指標(biāo)，探討基質(zhì)抑制Anammox菌的濃度及機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氨和亞硝酸的抑制作用是相互獨(dú)立的，不會(huì)互相影響，氨濃度變化比起亞硝酸濃度變化對(duì)反應(yīng)器脫氮效果影響小。氨濃度上升對(duì)污泥性能基本沒(méi)有影響，而亞硝酸濃度上升對(duì)污泥性能出現(xiàn)負(fù)面影響，聯(lián)氨濃度也出現(xiàn)大幅度上升。
溶解氧
對(duì)于將AOB菌和Anammox菌分開(kāi)培養(yǎng)的工藝而言，溶解氧并不是一個(gè)主要的影響因素。但對(duì)于常用的CANON工藝，因?yàn)槠鋵OB菌和Anammox菌在一個(gè)反應(yīng)器中培養(yǎng)，因此溶解氧濃度就會(huì)成為一個(gè)主要影響參數(shù)。針對(duì)Anammox菌而言，溶解氧含量要求盡量低，才能有效地將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?；而?duì)于AOB菌而言，需要溶解氧含量相對(duì)較高，才能有效地將氨轉(zhuǎn)為亞硝酸鹽。
Strous等[8]研究表明，在SBR系統(tǒng)中，當(dāng)溶解氧濃度為低于0.5%空氣飽和度時(shí)，氧對(duì)厭氧氨氧化的抑制不明顯；氧濃度為0.5%～2%空氣飽和度時(shí)，Anammox菌活性被完全抑制。張姚等采用SBR裝置運(yùn)行CANON工藝，溶解氧濃度設(shè)定為0～1.0mg/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明0.46mg/L為拐點(diǎn)，此時(shí)脫氮效率達(dá)到最高。溶解氧濃度低于0.46mg/L時(shí)，可采用連續(xù)曝氣；0.46～1.0mg/L時(shí)，必須采用間歇曝氣的方式。Ni等[10]針對(duì)SBR絮體污泥系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于連續(xù)曝氣的CANON反應(yīng)器，溶解氧最適范圍為0.15～0.30mg/L，高于或低于此范圍均會(huì)降低體系脫氮效率。
通過(guò)各關(guān)于溶解氧濃度的研究我們可以發(fā)現(xiàn)最佳溶解氧濃度值跟運(yùn)行條件和設(shè)備都有關(guān)系，不同的研究得出的最佳值有所出入，只能確定大致范圍。
有機(jī)物
厭氧氨氧化過(guò)程是一個(gè)絕對(duì)的生物自養(yǎng)代謝過(guò)程，很多研究均表明，有機(jī)物的存在對(duì)Anammox菌的生長(zhǎng)有著不利影響。一方面反硝化反應(yīng)的吉布斯自由能(-472kJ/mol)低于厭氧氧氧化反應(yīng)(-335kJ/mol)的吉布斯自由能，反硝化更易發(fā)生；另一方面，反硝化菌為異養(yǎng)菌，其細(xì)胞產(chǎn)率(細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)Y=0.3)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Anammox菌(Y=0.066)[7]。因此在存在一定量有機(jī)物的情況下，異養(yǎng)菌容易在生長(zhǎng)過(guò)程中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，阻礙Anammox菌的繁殖，從而使得反硝化反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)位置。Molinuevo等[11]在研究養(yǎng)豬廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)器進(jìn)水COD為95 mg/L和121 mg/L時(shí)，氨氮仍可得到高效去除，但隨著進(jìn)水COD的增加會(huì)使得厭氧氨氧化反應(yīng)效率降低，反硝化反應(yīng)效率提高；而當(dāng)COD分別達(dá)到237 mg/L時(shí)，厭氧氨氧化反應(yīng)將完全停止。Tang等[12]發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水COD/NO2-N為2.92時(shí)，厭氧氨氧化菌受到抑制，而異養(yǎng)反硝化菌成為優(yōu)勢(shì)菌種，在此條件下長(zhǎng)期運(yùn)行后，即使消除有機(jī)物反應(yīng)器脫氮性能也難以恢復(fù)。
亞鐵離子
在Anammox菌的生長(zhǎng)過(guò)程中，亞鐵離子是至關(guān)重要的底物之一，許多研究都表明亞鐵離子可以影響Anammox菌的新陳代謝[13]，van Niftrik[14]實(shí)驗(yàn)證明為了能給血紅素C的合成提供充足的亞鐵離子，Anammox菌會(huì)將其儲(chǔ)存在體內(nèi)單元中。
Liu等[15]考察了五個(gè)濃度下的Anammox菌的生長(zhǎng)速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，亞鐵離子濃度從0.03mM到0.09mM，能使Anammox菌的生長(zhǎng)速率從0.1184/d上升至0.1719/d，但若繼續(xù)提高亞鐵離子濃度，生長(zhǎng)速率會(huì)開(kāi)始下降。
由于實(shí)驗(yàn)配置的廢水中亞鐵離子易被氧化成鐵離子，因此進(jìn)入到厭氧氨氧化工藝的廢水通常兩種離子都有，李祥等[16]針對(duì)這一特點(diǎn)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)為搖瓶實(shí)驗(yàn)，配置不同濃度的亞鐵離子或鐵離子廢水，加入等量且脫氮效能相近的厭氧氨氧化污泥，10h后測(cè)定廢水中氮濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分別將亞鐵離子和鐵離子濃度從0mg/提高到5mg/L，出水的氨氮和亞硝氮的濃度都有較大幅度降低，且下降幅度沒(méi)有明顯區(qū)別，說(shuō)明兩種離子都能對(duì)厭氧氨氧化的活性產(chǎn)生刺激。當(dāng)二者濃度分別從5mg/提高到65mg/L時(shí)，出水氨氮和亞硝氮濃度出現(xiàn)波動(dòng)，但也沒(méi)有明顯的抑制現(xiàn)象。而依據(jù)常用的Strous[17]營(yíng)養(yǎng)鹽配方，鐵離子濃度為1.8 mg/L，明顯不能達(dá)到Anommax菌的需求。
總結(jié)
厭氧氨氧反應(yīng)是一種非常有前景的脫氮方法，但是Anammox菌培育難是個(gè)重大的問(wèn)題，還需進(jìn)一步研究各個(gè)影響因素的內(nèi)在機(jī)理，想辦法提高Anammox菌的生長(zhǎng)速率，使厭氧氨氧化法更具有推廣可能性。
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