厌氧氨氧化污水处理工艺及其实际应用研究进展

厌氧氨氧化(Anammox)反应是指在厌氧或者缺氧条件下,厌氧氨氧化微生物以NO2--N为电子受体,氧化NH4+-N为氮气的生物过程。该过程是一种新型自养生物脱氮反应,反应无需外加有机碳源,且污泥产生量小,相对于传统硝化/反硝化脱氮工艺具有显著优势,对处理含高氨氮废水特别是低有机碳源废水具有重大的潜在实际应用价值。近年来,厌氧氨氧化为主体的污水处理工艺已经在各种类型废水处理中得到成功应用,取得了显著的经济和环境效益。综述了厌氧氨氧化反应中常用的亚硝化-厌氧氨氧化工艺(Sharon-Anammox工艺)和完全自养脱氮工艺(CANON工艺)的作用原理、环境调控因子与功能性微生物种群动态分布等最新研究进展,且阐述了两工艺在垃圾渗滤液、厌氧消化液和猪场养殖废水等低碳氮比废水的处理应用效能和最优化控制参数等,为厌氧氨氧化为主体的污水处理工艺的工程化应用提供了技术支撑。最后,总结并介绍了国内外厌氧氨氧化工艺现场规模化应用实例和控制参数,同时,对厌氧氨氧化污水处理工艺实际应用的研究前景及亟待解决的问题进行了展望,认为现场应用中Anammox菌的快速富集培养、有机碳源对Anammox菌的抑制效应以及厌氧氨氧化工艺的广谱适用性等将是厌氧氨氧化工艺大规模应用的难点和热点问题。为厌氧氨氧化工艺实际应用控制和推广提供了理论基础,具有重要的理论和现实意义。     

厌氧氨氧化工艺的抑制现象

厌氧氨氧化(Anammox)工艺因其高效低耗优势,在废水生物脱氮领域中具有广阔的应用前景.然而,基质、有机物、盐度、重金属、磷酸盐及硫化物等物质对Anammox工艺产生的抑制作用制约了工艺的推广应用.基质主要通过游离氨和游离亚硝酸对Anammox产生抑制,而温度和pH是基质抑制的重要调控参数.非致毒性有机物对Anammox的作用因其种类跟浓度而异.在较低的浓度条件下对Anammox的抑制作用不显著,而高于抑制阈值将严重抑制Anammox.其抑制机制尚无定论.部分研究证明致毒性有机物(醇、醛、酚及抗生素等)对Anammox具有抑制作用,但研究有待拓展深化.超过抑制阈值的盐度会抑制Anammox活性,但合适的盐度(3~15 g L-1NaCl)却能够促进Anammox生物颗粒的形成.重金属对Anammox的抑制报道较少.因试验条件及菌种等的差异使得磷酸盐及硫化物对Anammox的抑制在不同试验中存在很大差异.Anammox抑制是可控的,通过pH和温度调节、基质浓度及负荷控制、污泥驯化以及添加辅助剂等方法可解除或缓解抑制.建议今后在特种废水的Anammox脱氮、复合抑制以及Anammox抑制的分子生态学机理等方面开展深入研究.     

厌氧氨氧化活性抑制、恢复与强化及工艺应用研究进展

厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)工艺是一项节能高效的生物脱氮工艺,但实际应用中存在Anammox细菌增殖缓慢与活性受抑制的问题.首先介绍Anammox的基质与非基质,如亚硝酸、有机物以及无机物的抑制效应,在此基础上阐述调控运行参数以及流加菌种等活性恢复措施.重点评述外加无机碳、Anammox中间产物、Fe和导电材料等对Anammox的强化效果,并以代谢图形式系统总结3种Anammox代谢途径.最后着重探讨将Anammox作为主流工艺推广到处理实际废水时所面临的亚硝酸盐氧化菌(Nitrite-oxidizing bacteria,NOB)抑制和冬季水温低的问题,归纳使用游离氨和游离亚硝酸溶液淘洗NOB的方法以及选择合适反应器构型与培养方式等应对低温的对策;分析Anammox与反硝化间的协同作用以及将Anammox工艺拓展应用到烟气脱硝和芳香烃厌氧降解方面的潜力.提出未来需要在多因素联合抑制、Anammox生理特性和中间代谢机理以及抵御主流废水处理的不利因素等方面进行深入研究.     

厌氧氨氧化反应器研究进展

厌氧氨氧化是废水生物脱氮研究的新领域,厌氧氨氧化反应器影响厌氧氨氧化菌的富集、厌氧氨氧化过程的启动、运行的稳定性和处理效果,是其中十分重要的研究内容.本文根据厌氧氨氧化反应的基本特征,分析了反应过程对反应器的主要要求;通过对固定床反应器、流化床反应器、气提式反应器、上流式厌氧污泥床(UASB)等反应器的运行参数和运行结果的比较,分析了各种类型反应器的主要优缺点,并对反应器今后的发展方向提出了建议.表2参37     

填料投加强化AnMBR性能研究进展

厌氧膜生物反应器(An MBR)是厌氧生物反应器和膜过滤技术的结合,具有高效降解有机物、能源回收利用等特点,逐渐应用于高浓度有机废水处理领域,但其稳定性较差、膜污染严重等问题制约其工业化应用.本文介绍沸石、活性炭、硬硅钙纤维粒子等不同类型填料投加强化An MBR污染物去除效率、缩短反应器启动时间、提升甲烷产量等的工艺性能研究,分析填料强化工艺电化学作用、吸附作用、强化厌氧污泥颗粒化等的可能机制,指出填料可有效提升工艺性能;综述An MBR工艺膜垢组成及膜污染形成过程,探讨膜材质、操作条件、微生物代谢产物、污泥浓度及菌群结构、废水水质等膜污染的影响因素,在此基础上分析填料投加减缓膜污染机制,以期进一步控制膜污染、延长膜寿命.今后应优选开发经济、高效的新型生物填料及新型组合填料,推广其工业化应用,并从厌氧菌群调控与膜污染控制角度构建高效稳定的An MBR工艺技术体系.     

铁氨氧化污水脱氮的应用研究进展

铁氨氧化(Feammox)是一种以廉价、易得的铁作为微生物电子供体的新型自养生物脱氮技术，即Fe(Ⅲ)还原与厌氧氨氧化的结合工艺，拥有成本低廉、无需有机碳源、污泥产量小、无温室气体产生等优势，是污水处理的一种潜在脱氮途径.本文对铁氨氧化反应的机理、功能菌种的种类和特性及电子穿梭体对其的影响进行了介绍，总结了铁氨氧化在污水环境中的脱氮效果及其与厌氧氨氧化、硝酸盐依赖型亚铁氧化和生物电化学系统的耦合技术，并指出目前铁氨氧化的应用问题及该技术未来的研究方向和重点可能是菌分离纯化、工艺参数控制.     

接种污泥源对厌氧氨氧化启动效能的影响

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)菌生长缓慢是影响其实际应用的主要问题之一,选取合适的接种污泥十分重要.本研究采用好氧污泥、厌氧颗粒污泥和厌氧消化污泥3种接种污泥,分别经过61、70和85 d的运行均实现了厌氧氨氧化过程,氨氮去除率分别为82%、92%和91%,总氮去除率达76%、82%和80%.分别接种3种污泥源的厌氧序批式反应器(ASBR)R1、R2、1t3出水pH值最终稳定在8.4、8.5、8.5.好氧污泥呈絮状,但沉降性比接种前好,厌氧颗粒污泥解体后最终形成粒径集中在0.5～1.0 mm的污泥,厌氧消化污泥则呈沙化状态,有细小颗粒出现.根据厌氧氨氧化细胞产率系数及NH4+-N、NO2--N去除量和NO3--N生成量之间的计量学关系,估算出厌氧氨氧化菌产率系数(以1 mol NH4+产生的CH2O0.5N0.15量计)分别为0.080、0.105和0.114 mol·mol-1,说明反应器内厌氧氨氧化菌有不同程度的衰减.总体而言,厌氧颗粒污泥是富集厌氧氨氧化菌的最适污泥源.     

COD对颗粒污泥厌氧氨氧化反应性能的影响

研究了COD对颗粒污泥厌氧氨氧化反应的影响,并对颗粒污泥的厌氧氨氧化脱氮性能进行了分析.厌氧颗粒污泥取自实验室长期运行的EGSB生物脱氮反应器,实验用水为人工配水,以葡萄糖为有机碳源;主要考察了COD对NH4 -N、NO2--N、NO3--N和TN去除的影响.结果表明:当进水不含COD时,反应器对NH4 -N、NO2--N和NO3--N和TN的去除率分别为12.5%、29.1%、16.1%和16.3%;当COD浓度分别为200mg/L、350mg/L和550mg/L时,反应器对NH4 -N的去除率分别为14.2%、14.2%和23.7%,对NO2--N的去除率均接近100%,对NO3--N的去除率分别为94.5%、86.6%和84.2%,对TN的去除率分别为50.7%、46.9%和50.4%,COD去除率分别为85%、66%和60%.分析发现,在反应初期,氨氮的去除主要通过厌氧氨氧化过程实现,随着反应的进行,反硝化菌活性逐渐提高,传统的反硝化过程占优势.同时还观察到,在反应初期COD对氨氮去除的抑制作用非常明显.图2参21     

污泥厌氧消化过程中重金属稳定性研究进展

污水处理产生的剩余污泥含有大量有机质和营养元素,采用厌氧消化技术产沼气实现污泥的稳定化与资源化已成为这一领域的重要发展方向.与此同时,污泥厌氧消化产生的沼渣还可以用作土壤改性材料,但消化沼渣中所含的重金属因其潜在的生态环境毒性严重阻碍了其资源化利用.本文综述了污泥厌氧消化过程中重金属稳定性研究进展,重点对有机质中的腐殖质、反应条件中的温度和p H缓冲体系、促进剂中的纳米铁和表面活性剂等因素对消化过程中重金属稳定性的影响和作用机制进行了总结归纳.p H缓冲体系和表面活性剂通过促进污泥有机物的分解和重金属的释放,从而影响重金属在消化液中的浸出;腐殖质和纳米铁主要是通过物理化学作用,影响消化沼渣中重金属的形态分布;温度则通过改变絮体结构和增强金属离子的扩散运动,影响重金属在消化液中的浸出以及消化沼渣中的形态分布.最后对厌氧消化工艺中提高重金属稳定性的方法和技术进行了展望.     

氨氮废水的厌氧氨氧化生物脱氮研究

利用从厌氧污泥中筛选和驯化的厌氧氨氧化（Anammox）菌直接启动UASB反应器,通过缩短水力停留时间（HRT）提高系统运行负荷,探讨水力停留时间对模拟废水脱氮性能的影响。结果表明,（1）富含Anammox菌的颗粒污泥能够快速启动反应器（只需14d）。（2）连续91d的HRT测试期间,系统具有良好的脱氮性能,且随着HRT的缩短,系统的脱氮效率具有波动上升的特点。NH4＋-N、NO2--N和TN（总氮）的平均去除率超过70.0%。（3）系统总氮容积负荷（TNLR）和总氮去除负荷（TNRR）最大值（以N计）分别为2.04kg·m-3·d-1和1.56kg·m-3·d-1。（4）系统能够比较好的遵循Anammox生物脱氮的理论途径：NH4＋-N、NO2--N的去除速率与NO3--N的生成速率的比例为1？1.15？0.22,与其相应理论值（1？1.32？0.26）非常接近。     

好氧颗粒污泥工艺强化脱氮研究进展

好氧颗粒污泥是微生物通过自凝聚作用形成的一种特殊的生物聚集体,具有结构致密、沉降性能优异、抗冲击负荷能力强、多功能微生物分区定殖等特点,其在废水强化脱氮除磷与难降解有机物去除方面具有明显的技术优势.针对目前工业和养殖废水及城镇生活污水等碳氮比低、处理出水总氮达标压力大等突出问题,综述基于好氧颗粒污泥的全自养、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化、异养硝化-好氧反硝化等强化脱氮工艺,介绍其脱氮机制及技术优势,阐明不同好氧颗粒污泥脱氮工艺的特点与颗粒污泥特性,同时总结各种工艺的启动条件及富集相应功能菌的好氧颗粒污泥的形成因素,评估不同工艺应用于实际废水生物处理的可行性.在此基础上进一步分析进水基质组成(不同碳氮比)、运行模式(连续曝气和间歇曝气)、运行条件(溶解氧浓度、温度和pH)等对好氧颗粒污泥工艺强化脱氮性能与稳定运行的影响.最后提出应进一步优化好氧颗粒污泥强化脱氮工艺的运行参数,解析好氧颗粒污泥微生物菌群功能,揭示好氧颗粒污泥形成与结构稳定的微生物学机理.     

金属元素对厌氧氨氧化生化过程和工艺运行的影响

厌氧氨氧化为高效低耗生物脱氮技术,但金属元素对该工艺的作用存在两面性,一方面其促进作用可提高工艺处理效果,另一方面抑制作用使其工程应用受到一定限制.为此本文从生物化学和污水处理工艺的角度,系统地总结了国内外金属对厌氧氨氧化影响的研究现状,重点分析与讨论了不同金属元素对厌氧氨氧化细胞结构和相关酶蛋白活性等的影响和作用机理;综述了金属元素对厌氧氨氧化工艺运行的影响,讨论与分析了不同厌氧氨氧化工艺的半抑制浓度及活性修复方法.     

废水处理一体化生物反应器的发展

废水处理的一体化生物反应器由于具有投资少、占地小、管理运行方便等特点备受青睐.较早的有一体化氧化沟、SBR反应器、一体式膜生物反应器等.随着一体化反应器的发展,生物膜法被结合起来作为主体工艺,另外好氧工艺也与厌氧/缺氧工艺结合起来,出现了很多系统有机负荷更高、抗冲击能力更强、脱氮除磷效果更好的新式一体化反应器,如AmOn一体化生物反应器、五箱一体化反应池、一体化生物转筒反应器IBDR、A/O一体式曝气生物滤池等.一体化生物反应器的发展适应我国国情,具有广阔的应用和发展前景.参37     

一株嗜酸硫单质还原菌的分离鉴定及其在酸性重金属废水处理中的作用

采用Hungate厌氧滚管法,从酸性重金属废水中筛选了1株嗜酸性的硫单质还原菌NAU-16.经形态学和16S r DNA基因序列分析鉴定为脱硫菌属硫磺细菌种Desulfurella amilsii.研究了其在不同温度(20—60℃)、p H(1.0—7.0)和碳源(乙酸、丙醇、乳酸、葡萄糖、丙三醇、丙酮酸)条件下的生长特性,并通过序批式厌氧瓶培养考察了该菌株对污泥生物沥浸酸液中Zn~(~(2+))、Cu~(~(2+))、Ni~(~(2+))的去除效果.结果表明,菌株NAU-16最适生长温度为35—45℃,可在p H值3.0—7.0范围内较好生长,能利用乙酸、葡萄糖作为电子供体和碳源.同时,Desulfurella amilsii NAU-16介导的生物硫单质还原可有效处理含Zn~(~(2+))、Cu~(~(2+))、Ni~(~(2+))的污泥生物沥浸酸液.对于初始p H 3.0—4.0的沥浸液,处理12 d,Zn~(~(2+))、Cu~(~(2+))的去除率达99%以上,Ni~(~(2+))的去除率90%—99%.上述研究结果为酸性重金属废水生物处理提供了一种新途径.     

粉煤灰对硫酸盐型厌氧氨氧化驯化过程的影响

为了研究粉煤灰对硫酸盐型厌氧氨氧化(S-ANAMMOX)驯化过程的影响,采用两组平行的已启动亚硝酸盐型厌氧氨氧化(N-ANAMMOX)反应的上流式厌氧污泥床反应器(UASB),一组投加粉煤灰载体(U2),另一组不投加任何载体(U1),对比观察了N-ANAMMOX反应在转变为S-ANAMMOX反应的过程中脱氮除硫的变化,以及驯化完成后颗粒污泥的特性。结果表明:在运行的前期(1~123 d),对照组U1的脱氮除硫效果优于实验组U2,而在运行的后期(124~144 d),实验组U2的脱氮除硫效果优于对照组U1。第144天,进水NH_4~+-N和SO_4~(2-)的质量浓度分别为140 mg?L~(-1)和533 mg?L~(-1),U2对NH4+-N和SO42-的去除速率分别是86.68 mg?L~(-1)?d~(-1)和94.34 mg?L~(-1)?d~(-1),而U1对NH_4~+-N和SO_4~(2-)的去除速率分别为67.65mg?L~(-1)?d~(-1)和22.64 mg?L~(-1)?d~(-1)。此时,U1中颗粒污泥粒径较大,结构松散,其表面被大量的分泌物和硫颗粒包裹;而U2中颗粒污泥粒径较小,结构紧密,其表面的分泌物和单质硫明显减少。由此表明,在一定基质浓度条件下投加粉煤灰,经较长时间的适应后,体现出粉煤灰对S-ANAMMOX驯化的促进作用。     

新型生物脱氮技术的工艺研究

以上流式厌氧污泥床反应器（ Ｕ Ａ Ｓ Ｂ） 作为厌氧氨氧化（ａｎａｍ ｍｏｘ） 反应器,用无机盐培养液完成了反应器的启动,并稳态运行ａｎａｍ ｍｏｘ 反应器．采用生物膜反应器作为生物硝化反应器,以无机盐培养液完成反应器的启动．将硝化反应器和ａｎａｍｍｏｘ 反应器组合在一起构成新型生物脱氮系统,以硝化反应器的出水作为ａｎａｍｍｏｘ反应器的进水,同时补充相应数量的 Ｎ Ｈ４ ＋ Ｎ．整个系统的总氮容积去除率可达１ ５７７ ｍｇ Ｌ－ １ ｄ － １ ．该新型生物脱氮系统能同时去除 Ｎ Ｈ４ ＋ Ｎ 和 Ｎ Ｏ Ｘ－ Ｎ,并且对高浓度的 Ｎ Ｈ４ ＋ Ｎ 去除具有较大的潜力．     

厌氧氨氧化菌的种类、特性与检测

厌氧氨氧化是地球氮素循环的重要环节,也是废水生物脱氮和污染环境修复的重要基础;厌氧氨氧化菌作为厌氧氨氧化功能的执行者,近年来成为微生物、环境、地学等领域的研究热点.本文从厌氧氨氧化菌种类、菌种特性及检测手段3个方面综述近年国内外厌氧氨氧化菌研究进展.基于多相分类法,以遗传型分类为主,目前共鉴定厌氧氨氧化菌6属21种,其中Candidatus Anammoximicrobium为最新属.不同种厌氧氨氧化菌在形态结构、细胞组成、生理生化、生态分布存在异同,对温度、盐度、有机物等环境因素的敏感度导致其生态位的差异性,有利于工程应用.近来结合PCR-DGGE、FISH和q PCR等先进的现代分子生物学手段,已形成一套研究厌氧氨氧化菌种类、数量、分布和活性的有效方法,并获得系列基于An AOB 16S r RNA及功能基因(nir S,hzo)的特异性引物.最后提出完善厌氧氨氧化菌纯培物的分离方法、探明厌氧氨氧化菌的代谢途径和遗传特性、明确厌氧氨氧化菌在生境中的分布及贡献是未来研究的热点和难点.     

影响厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的因素

氨氮、氮氧化物对产甲烷菌有一定的抑制作用,但可以通过驯化去除毒性.亚硝酸盐在厌氧氨氧化菌作用下与氨发生厌氧氨氧化反应.虽然厌氧氨氧化菌是自养菌,但具有异养代谢能力,并且NO2可提高厌氧氨氧化菌的活性.因此,通过特殊的反应器技术,将厌氧氨氧化菌与甲烷菌、反硝化菌复合在一个有利的微生态环境中,充分发挥它们之间的协同耦合作用,把有机物转化为清洁能源又同时脱氮,是极有前景的废水厌氧(缺氧)处理研究新方向.表1参31     

废水生物脱氮中N_2O和NO_x的产生和作用

废水生物脱氮中N2O和NOx来源于硝化、反硝化、厌氧氨氧化和化学反硝化等过程.电子受体和供体浓度、pH、缓冲剂类型、有机负荷、微生物种类及其相互作用等都会影响这些气态中间产物的产生.NO2能够氧化氨和强化好氧和厌氧氨氧化,NO能够阻止C2H2对好氧氨氧化活性的抑制,两者对好氧氨氧化活性的恢复至关重要.所有这些表明,废水生物脱氮的气态中间产物N2O和NOx在氮的生物转化中具有重要的正面作用,甚至必不可少.基于NO2曝气技术和Brocadiaanammoxidans与Nitrosomonas协同作用的废水生物脱氮新技术开发是今后一段时间的重要研究方向.图4参35     

厌氧氨氧化电子受体的研究

研究发现,除已经证实的硝酸盐外,常规生物反硝化反应的两种中间产物亚硝酸和Ｎ２Ｏ也能用作氨厌氧氧化的电子受体;厌氧氨生物氧化的主要产物为Ｎ２．