厌氧氨氧化工艺的研究进展

厌氧氨氧化工艺的研究进展

厌氧氨氧化工艺随着社会经济发展和人民生活水平的提高，从工业和家庭生活排放的废水中氨氮含量增加，水体富营养化现象日益严重。自1932年Wuhrmann利用内援反硝化开发了后置反硝化工艺以来,相继出现了A/A/O、UCT、JHB等众多新型脱氮工艺,然而,这些工艺存在着能耗大、碳源需要量大、抗冲击负荷能力弱等缺点。1995年Mulder等人在厌氧流化床反应器中观察到氨氮和硝态氮同时减少的现象,该现象引起了国内外学者的深入研究,并提出了一些不同于传统脱氮理论的新型脱氮途径,如短程硝化反硝化,同步硝化反硝化以及厌氧氨氧化等。厌氧氨氧化工艺(ANAMMOX)是由荷兰Delft技术大学提出的。该工艺是指在厌氧或缺氧条件下,厌氧氨氧化细菌以NO-2作为电子受体,直接将NH+4氧化为N2的过程。于传统工艺相比,ANAMMOX工艺无需供氧,无需添加有机碳源,无需外加酸碱中和试剂,同时污泥产量减少了90%,是目前已知的最简洁和最经济的生物脱氮途径。但厌氧氨氧化菌的生长速度非常缓慢,世代期约为11天,对氧非常敏感。因此该工艺尚难应用到实际工程中。目前国内外学者的研究重点是在特定厌氧反应器中如何实现并维持足够的生物量,提高厌氧氨氧化菌的活性和脱氮效率,以及厌氧氨氧化反应器接种污泥的来源问题。由于过去对厌氧和缺氧过程的区分不太严格,两者被统称为厌氧。实际上把厌氧氨氧化称为缺氧氨氧化或许更为贴切。但是因为此工艺的创始者称其为厌氧氨氧化,所以此名称被沿用至今。1微生物的氧化Broda在1977年根据反应的自由能计算,预言自然界中存在2种尚未发现的矿质营养菌,其中之一为以氧或硝酸根或亚硝酸根为电子受体,把氨氧化为N2的自养菌。NH+4的厌氧氧化途径及反应自由能变化总结于表1。1995年Mulder在荷兰的GistBrocades公司处理工业废水的中试流化床中发现,进水中较高浓度的氨氮在出水中降低到了一个相当低的浓度,这无法用传统的硝化反硝化理论加以解释。由于氨氮的消失与亚硝酸盐的消失同时发生,且两者成一定比例,故他们认为在反应器中氨氮与亚硝酸盐发生了反应,产物为氮气,Mulder等人将此命名为厌氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxidation),即ANAMMOX。VandeGraat等人通过一系列的研究方法证明厌氧氨氧化是一种生物过程,通过用15N标记的氨做研究,证明了亚硝酸盐才是关键的电子受体。2化形成的氮气厌氧氨氧化系指在厌氧条件下氨氮以亚硝酸盐作为电子受体直接被氧化为氮气的过程。ANAMMOX的生化反应式为:NH+4+NO-2→N2↑+2H2O(1)这一反应的自由能为-297kJ/mol,该反应几乎与好氧氨氧化那样(自由能为-315kJ/mol)可以顺利进行。氨厌氧氧化产生的一分子氮气中一个氮原子来自NO-2,而另一氮原子则来自于氨,对氨的最大去除速率可达1.2mmol/(L·h),氧化1mol氨需要消耗0.6mol的NO-2,并由此产生0.8mol的氮气。羟胺(NH2OH)和联氨(N2H4)是厌氧氨氧化过程的中间产物,其中羟胺为最可能的电子受体,而羟胺本身则是由HNO2产生的。当反应系统中有过量的羟胺和氨时将发生暂时的N2H4积累。联氨向氮气的转化被认为是通过将NO-2还原为羟胺同时产生等量的电子而实现的,但该反应是在同种酶不同部位发生NO-2还原和羟胺的氧化还是通过由电子转移链相连接的不同酶系统的催化反应实现的尚待进一步研究,ANAMMOX可能的反应途径如图1所示。3厌氧细菌3.1膜的生成anammoxos研磨法厌氧氨氧化菌是革兰氏阴性光损性球状化能自养菌,直径不到1μm。具有蛋白质的S层,细胞壁上存在漏斗状结构,无肽聚糖,厌氧氨氧化菌有一个单一双分子层(膜)即厌氧氨氧化体(anammoxosome)。厌氧氨氧化菌的细胞质因此被anammoxosome分为3个部分:(1)外部区域。包括:细胞壁,细胞质膜,PP质和细胞内质膜。(2)核糖质(riboplasm)。(3)厌氧氨氧化体膜,厌氧氨氧化体,类核。目前已经确定的厌氧氨氧化菌有两种,分别被命名为CandidatusBroea-diaanammoxidans和CandidatusKueneniastuttgartien-sis。3.2磷酸腺苷的合成厌氧氨氧化反应的关键酶之一是位于anammoxosome的肼氧化酶(HZO),生化模型如图2所示。NH+4和羟胺(NH2OH)被肼水解酶(HH)结合为肼。肼又被肼氧化酶(HZO)氧化,HZO与HAO(Neuropaea)有些相似。氧化发生在anammoxosome的里面,形成N2、4个质子和4个电子。这4个电子和从来自Riboplasm中的5个质子一起被亚硝酸还原酶(NIR)还原亚硝酸盐至羟胺。在这个模型中,通过消耗在Riboplasm中的质子和在anammoxosome里面产生的质子,厌氧氨氧化反应建立了一个质子梯度。这就导致了电化学质子梯度直接从anamm-oxosome到Riboplasm。这种梯度含有化学势能(ΔpH)和电子势能(Δψ)。ΔpH和Δψ都有一种让质子从anammoxosome的里面到外面的一种力(质子驱动力Δp)。在厌氧氨氧化体膜的三磷酸腺苷酶(ATPase)的催化作用下合成三磷酸腺苷(ATP)。质子通ATPase形成的质子孔回到Riboplasm中,厌氧氨氧化体膜的ATPase位于Riboplasm中球状的、亲水的ATP合成区和厌氧氨氧化体膜中非亲水的质子迁移区上,合成的ATP在Riboplasm中被释放。4影响厌氧化氨酸根活动的因素4.1厌氧氨氧化速率温度是影响细菌活性的重要环境条件之一,温度适宜,细菌才会表现出良好的反应活性,从而增进反应器的运行效果.杨洋,左剑恶等通过实验发现当反应温度在30℃~35℃时,其厌氧氨氧化速率最高,为0.171~0.174mg/(mg·d);当温度升至40℃时,其活性明显下降,仅为0.091mg/(mg·d);而当温度低于30℃时,其活性也明显下降。厌氧氨氧化反应的活化能约为70kJ/mol,属于容易进行的化学反应,但由于厌氧氨氧化细菌的生长特性(如世代周期长等),使得该过程与其它生物过程相比又较难进行(一般废水生物处理过程中,活化能的范围为8.4~83.7kJ/mol),所以,厌氧氨氧化工艺应尽量在较高温度(30℃~35℃)条件下进行。4.2硝化菌的最适ph值在厌氧氨氧化过程中,pH值是一个非常重要的环境条件,很多学者就pH值对厌氧氨氧化的影响进行了研究。郑平等认为厌氧氨氧化的最适宜pH值在7.5~8.0附近;Strous等人认为厌氧氨氧化的最大反应速率出现在pH值为8左右。Antoniou等人测得硝化菌混培物的氧化速率最大时,pH值为7.0~8.2,并且按其推导出的离解方程计算出的厌氧氨氧化菌最适pH值为7.607。陈曦、崔莉凤等人通过实验得出pH值从6.50升至7.80左右时,厌氧氨氧化反应速率逐渐提高,当继续升至9.00左右时,氨氧化速率和总氮去除速率则不断下降,直至接近于零.厌氧氨氧化反应最适的pH值在7.80左右。4.3氧化预处理厌氧氨氧化菌属于自养型细菌,其生长无需有机碳的参与,但有机物作为废水生物处理中常见的电子供体,易与亚硝酸氮发生反硝化反应。杨洋,左剑恶等研究发现在厌氧氨氧化反应器中,少量有机物的加入对污泥的厌氧氨氧化活性影响不大;而大量有机物的加入在明显抑制其厌氧氨氧化活性的同时,使污泥表现出较高的反硝化活性,这表明反硝化过程与厌氧氨氧化过程之间存在着基质竞争,而当反应体系中亚硝酸盐充足时,反硝化过程不会对污泥的厌氧氨氧化活性产生明显影响。5运行装置的选择目前对厌氧氨氧化开展的研究较多集中于理论方面,实际用于工业规模的运行装置还不多见。目前主要有荷兰Delft工业大学提出的SHARON/ANAMMOX工艺及氧限制自养硝化反硝化OLAND工艺等。5.1sharon反应器SHARON是基于短程硝化反硝化理论的,它是单个的经由NO-2的高脱氨活性的反应器。在高温和极短的泥龄条件下将氨的氧化过程控制在亚硝化阶段,然后利用缺氧条件进行反硝化。不需要污泥停留,只需简单的连续流搅拌反应器。无污泥停留,则水力停留时间(HRT)等于污泥停留时间(SRT),控制HRT就可以控制SRT,因此可以通过HRT达到冲洗硝化菌,积累氨氧化菌的作用。SHARON反应器中的优势菌种为N.europaea。SHARON工艺的生化反应方程式为:NH+4+HCO-3+0.75O2→0.5NH+4+0.5NO-2+CO2+1.5H2O(2)ANAMMOX反应方程式为:NH+4+NO-2→N2↑+2H2O(3)SHARRON和ANAMMOX连用,仅需将50%的氨转化为NO-2,不仅不需要投加NO-2,而且由于大多数厌氧出水中含有以重碳酸盐存在的碱度可以补偿硝化所造成的碱度消耗,因而无需投加碱度物质。荷兰Delf大学采用SHANRON-ANAMMOX工艺处理污泥消化液上清液的研究表明,在不控制SHANRON反应器pH值、进水总氮负荷为0.8kg/(m3·d)的条件下,上清液中的氨被转化为NO-2产生的NO-3占总硝态氮的11%。所产生的氨和NO-2混合液适合于ANAMMOX工艺的脱氮处理,氮的总去除率达到83%。5.2osol&工艺氧限制自养硝化反硝化(oxygenlimitedautotrophicnitrificationdenitrification,OLAND)工艺是由比利时Gent大学微生物生态实验室开发的。该工艺的关键是控制DO值,使消化过程仅进行NH+4到氧化NO-2为阶段,由于缺乏电子受体,由NH+4氧化产生NO-2与剩余的NH+4形成N2。该反应机理为由亚硝化菌催化的NO-2歧化反应。传统生物脱氮工艺化学反应方程式:NH+4+2O2→NO-3+H2O+2H+(4)NO-3+H++0.83CH3OH→0.5N2+2.17H2O+0.83CO2(5)NH+4+2O2+0.83CH3OH→0.5N2+3.17H2O+H++0.83CO2(6)OLAND工艺化学反应方程式:0.5NH+4+0.75O2→0.5NO-2+0.5H2O+H+(7)0.5NH+4+0.5NO-2→0.5N2+H2O(8)NH+4+0.75O2→0.5N2+1.5H2O+H+(9)DO值是硝化和反硝化过程中的重要因素,研究表明低DO条件下亚硝酸菌增殖速度加快,补偿了由于低氧造成的代谢活动下降,使得整个消化阶段中氨氧化未受到明显影响。低溶解氧条件下,亚硝酸盐大量积累是由于亚硝化菌对DO的亲和力较硝化菌强。亚硝化菌氧饱和常数一般为0.2mg/L~0.4mg/L,硝化菌为1.2mg/L~1.5mg/L。OLAND工艺就是利用这两类菌动力学特性的差异,实现了淘汰硝化菌,使亚硝化菌大量积累。该工艺与传统生物脱氮工艺相比,可节省62.5%的供氧量和100%的电子供体(碳源),但目前存在的问题是在混合菌群体连续运行难以对氧和污泥的PH值进行良好的控制。实验室研究表明OLAND工艺对TN的去除率相当高,可达50mgTN/(L·d)。OLAND工艺是在低氧浓度下实现亚硝酸盐积累,但是对悬浮系统低氧下活性污泥易解体和发生丝状膨胀,因此处理效果有待于进一步研究。6厌氧氨氧化工艺与传统的硝化反硝化工艺或同时硝化反硝化工艺相比,氨的厌氧氧化具有不少突出的优点:(1)无需外加有机物作电子供体,既可节省费用,又可防止二次污染;(2)硝化反应每氧化1mol需耗氧2mol氧,而在厌氧氨氧化反应中,每氧化1molNH+4只需0.75mol氧,耗氧下降了62.5%(不考虑细胞合成时),所以可使耗氧能耗大为降低;(3)传统的硝化反应氧化1molNH+4可产生2molH+,反硝化还原1molNO-3将产生1molOH-而氨厌氧氧化的生物产酸量大为下降,产碱量降至为零,可以节省可观的中和试剂。荷兰B.V.Paques在Pollutec2006上展出了一项将氨选择性转化为氮气的生物脱氮工艺,并成为EPP环境保护奖的获得者之一。该厌氧氨氧化工艺由B.V.Paques与荷兰代尔夫特理工大学及奈梅亨大学研究人员联合开发而成,是目前对自然界氮循环最经济、简捷的一种新型生物脱氮工艺。该工艺利用planctomycete菌群为厌氧氨氧化菌,其中,Brocadia、anammoxidan是首个被确认有厌氧氨氧化作用的微生物。厌氧氨氧化微生物能将氨根离子(NH+4)和亚硝酸根离子(NO-2)转化为氮气,由于其为自养型微生物,因此不需要外加甲醇等碳源。在反应过程中,空气不断鼓人反应器,作为反应的驱动力,而且空气的鼓入量受NH+4浓度的控制,并可在反应器中进行连续监测。同时,在反应器中还安装了一个内部沉积系统,可用于保留生物质。与传统生物处理工艺相比,该厌氧氨氧化工艺中空气的供给量和用电量降