自营养脱氮技术研究进展

刘琦

摘要：全程自营养脱氮工艺（CANON）能够实现废水的单级自养脱氮。该工艺的原理是：在低有机物浓度的条件下，单个反应器或生物膜系统内，通过控制溶解氧实现短程亚硝化和厌氧氨氧化，即利用好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用将氨氮转化为氮气从而去除废水中氮素污染物的过程。本论文对自营养脱氮技术的研究进展进行论述，为自营养脱氮工艺的推广提供支持。

关键词：自营养脱氮工艺；研究进展

中图分类号：M215 文献标识码：A 文章编号：2095-3178（2018）20-0373-01

2002年，Slieker等人[1]采用SBR反应器并以厌氧氨氧化反应器的污泥作为接种污泥，通过控制溶解氧试运行工艺，结果表明，能够实现好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的共存，这两种菌在各自的反应阶段都表现出很好的活性，该反应器在无外加有机碳源的情况下实现氮的自养去除，即全程自营养脱氮工艺（CANON）。

自营养脱氮工艺的反应模。

自营养脱氮工艺的反应模型。

完全自营养脱氮工艺的方程式如下所示：

CANON工艺的实现是要保证硝化菌和厌氧氨氧化菌（AAOB）的共存，控制溶解氧实现短程硝化，再利用AAOB实现厌氧氨氧化，两者共同完成氮素的去除。目前的研究表明影响自营养脱氮工艺的影响因素主要有：进水基质浓度[2]，温度[3，4]，溶解氧[5，6]，颗粒污泥[7]等。这些因素对CANON工艺的影响主要体现在对短程硝化和厭氧氨氧化的影响。下面将探讨厌氧氨氧化和短程硝化的研究进展。

1 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化是自营养脱氮工艺实现的关键，是将氮素从水体中去除的关键一步。但AAOB世代时间长，对外界环境敏感，富集困难。因此，厌氧氨氧化的快速启动与影响因子研究成为研究者关注的热点。

1.1 厌氧氨氧化菌及生物特性

厌氧氨氧化菌是浮霉状菌，出芽生殖。目前分离获得和分类鉴定了5属14种厌氧氨氧化菌。厌氧氨氧化菌是革兰氏阴性菌，细胞外无荚膜，细胞壁表面有火山口状结构，少数有菌毛。细胞内分隔成3部分：厌氧氨氧化体（anammoxosome）、核糖细胞质（riboplasm）及外室细胞质（paryphoplasm）。大部分DNA存在于核糖细胞质中的核糖体和拟核内。厌氧氨氧化过程发生在厌氧氨氧化体内，该结构占细胞体积的50%—80%。

厌氧氨氧化菌生长缓慢，世代时间长约11天，在短时间内，厌氧氨氧化装置内难以富集较大的菌群浓度，据文献报道，厌氧氨氧化菌只有在细胞密度达到1010个/mL以上时才能显现活性。

1.2 厌氧氨氧化技术

目前，厌氧氨氧化技术在实验室小试阶段已经比较成熟，并成功应用于实际废水的的处理中，该技术的实现主要有两种方式。一是一段式：在单级反应器中实现，有生物膜和完全混合悬浮培养方式。生物膜方式是指膜表层为需氧的亚硝化菌，膜内层为厌氧氨氧化菌；完全混合悬浮培养的方式，通过控制低的溶解氧来实现自养脱氮。二是两段式：第一段Sharon段，该段以氨氧化菌为主，5060%的氨氮被氧化成亚硝态氮，第二段Anammox段，该段以厌氧氨氧化菌为主，剩余的氨氮与新生成的亚硝态氮进行厌氧氨氧化反应生成氮气，并生成部分硝态氮，两段反应有各自的反应容器，工艺参数容易控制。

厌氧氨氧化生物脱氮技术已经广泛应用于低碳氮比废水的处理，在垃圾渗滤液、养殖废水、城镇污水处理厂厌氧消化液、味精加工废水等的处理，均取得了优异的效果。表1.1列举国内外典型的厌氧氨氧化工的实例。

2 国内外典型的厌氧氨氧化工程的实例

工艺类型 地点 处理水源 反应器容积（m3） 处理氨氮负荷 （KgN m-3 d-1） 启动时间（d）

CANON ANAMMOX CANON ANAMMOX SHA+ANAMMOX SHA+ANAMMOX SHA+ANAMMOX CANON CANON 内蒙古 中国湖北 中国山东 中国山东 荷兰 日本 荷兰 瑞士 荷兰 味精废水 6700 酵母生产废水 500 发酵废水 500 制药废水 4300 市政污泥液 1500 半导体废液 1500 半导体废液 3000 市政污泥液 160 土豆加工废液 600 1.67 2 2 1 42 9.5 1.9 3.29 1.9 1.3 30 — — — 1260 60 86 90 180

3 短程硝化

1975年，Votes[8]发现了硝化过程中的亚硝酸盐积累的现象，并首先提出了短程硝化-反硝化这个概念。主要原理是将氨氮的氧化控制在亚硝态氮阶段，不继续氧化为硝态氮，也就是在保证氨氧化菌的前提下，抑制亚硝态氮氧化菌的增殖。目前，短程硝化的影响因素主要有游离氨（FA），温度，溶解氧（DO）等。

3.1 游离氨

好氧氨氧化菌和亚硝酸氧化菌对FA的敏感性不同，好氧氨氧化菌的游离氨抑制浓度范围为10-150 mg/L，亚硝酸氧化菌的游离氨抑制浓度约为0.1-1.0mg/L，因此通过控制FA的浓度，使得好氧氨氧化菌为活性污泥的优势菌种。

3.2 温度

研究表明可以利用好氧氨氧化菌和亚硝酸氧化菌在不同温度下的生长速率的差异来保证亚硝态氮的积累[9]。在温度高于30时，好氧氨氧化菌的生长速率高于亚硝酸氧化菌，使好氧氨氧化菌成为优势菌，能够实现亚硝态氮的积累。荷兰Delft工业大学开发的Sharon工艺，就是应用了好氧氨氧化菌和亚硝酸氧化菌在不同温度下生长速率的不同，控制污泥龄，使亚硝酸氧化菌被逐渐淘洗出反应器，实现了稳定的亚硝酸盐积累。

3.3 DO

好氧氨氧化菌的氧饱和常数一般为0.2-0.4mg/L，亚硝酸氧化菌的为1.2-1.5mg/L，在低DO的条件下，两者的生长速率不同，好氧氨氧化菌处于竞争的优势地位[10]。因此，可以通过控制进水中DO的浓度实现对亚硝酸氧化菌的抑制，将反应器控制在低溶解氧和高游离氨的条件下，成功运行SBR，实现稳定的短程硝化。蔡庆在完全自营养脱氮SBR反应器的启动运行中发现，持续限氧-厌氧的方式更有利于脱氮体系的启动，可能是由于好氧氨氧化菌能够适应高DO的反复运行，亚硝酸氧化菌不能够适应这种交替变化而逐渐被淘汰。

4 结论与展望

针对国内外对厌氧氨氧化技术和短程硝化技术的研究，通过优化操作条件，选择合适的富集培养装置，优化营养配方，采取控制和强化措施等，可获得高活性和高密度的厌氧氨氧化菌颗粒状培养物，缩短自营养脱氮反应器的启动时间，拓宽自营养脱氮技术在实际废水的处理领域。

参考文献

[1]刘涛，李冬，曾辉平等.氨氮浓度对 CANON 工艺功能微生物丰度和群落结构的影响[J].环境科学，2013，34（2）：773-780.

[2]李冬，崔少明， 梁瑜海等.溶解氧对序批式全程自养脱氮工艺运行的影响[J].中国环境科学 2014，34（5）：1131-1138.

[3]朱玲利. 磁性颗粒诱导厌氧氨氧化菌富集及自营养脱氮体系快速启动研究[D].济南：济南大学.2016.

[4]李冬，苏庆岭，梁瑜海等.碱度和pH值对CANON工艺脱氮效果的影响[J].中国给水排水 2015，31（3）：13-18.