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厭氧技術(shù)在污水處理中的作用
反應(yīng)是在缺氧條件下由厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽為電子受體,，將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣的生物反應(yīng)過程。與傳統(tǒng)的硝化反硝化過程相比,，厭氧氨氧化工藝無需外源有機物,，供氧能耗、污泥產(chǎn)生量和 CO2 排放量大為減少,，降低了運行費用,，并具有可持續(xù)發(fā)展意義。本文對厭氧氨氧化的工藝原理,、工藝形式,、影響因素和應(yīng)用情況進行總結(jié)與討論。
1 工藝原理
BRODA 根據(jù)熱力學(xué)計算,，在 20 世紀(jì) 70 年代提出了厭氧氨氧化的存在,，認為它是自然氮循環(huán)中的一個缺失的部分,。MULDER 和 VAN DE GRAAF在 20 世紀(jì) 90 年代中期先對此進行了實驗證明，此后人們對該過程產(chǎn)生了極大的興趣,。厭氧氨氧化的反應(yīng)方程式為：
該反應(yīng)合成細胞生物量的碳源是碳酸氫鹽,，表明這些細菌為化學(xué)自養(yǎng)細菌。亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的過程中產(chǎn)生的還原當(dāng)量（能源）用于碳的固定[1],。厭氧氨氧化細菌對底物有很高的親和力,，可以將氨氮和亞硝酸鹽的含量降至較低的水平。
上述反應(yīng)式中的 NO - 來自于亞硝化反應(yīng),。傳統(tǒng)硝化反應(yīng)包括 2 個基本過程：氨氧化菌 （AOB）將
NH + 氧化為 NO -,；亞硝酸鹽氧化菌（NOB）將 NO -氧化為 NO -。亞硝化反應(yīng)是通過調(diào)控,，富集 AOB,，抑制或淘洗 NOB，將硝化反應(yīng)控制在第 1 步,，保持NO - 的累積率并使出水 ρ(NO --N)/ρ(NH +-N)=1～1.3,。
2 工藝形式
厭氧氨氧化的工藝形式可以分為兩段式和一體式。兩段式系統(tǒng)的亞硝化和厭氧氨氧化過程分別在
一體式工藝占地小,，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單,，由于短程硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)在同一反應(yīng)器中進行，基質(zhì)含量較低,，因此出現(xiàn)游離氨（FA）,、游離亞硝酸（FNA）毒害抑制的可能性稍低一些。但是一體化工藝生物組成更復(fù)雜,，NOB 在系統(tǒng)中不容易淘汰或抑制,，工藝對 pH、水溫更為敏感,，系統(tǒng)的控制難度更大,，出現(xiàn)問題后要很長時間才能恢復(fù)。
兩段式工藝亞硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)容易實現(xiàn)優(yōu)化控制,，亞硝化反應(yīng)器中的異養(yǎng)微生物能夠降解污水中的有機物及其他有毒有害物質(zhì),，降低對厭氧氨氧化反應(yīng)的不利影響，因此系統(tǒng)運行崩潰后容易
恢復(fù),。但是亞硝化段中亞硝酸鹽累積易產(chǎn)生 FNA 抑制,，且由于要將亞硝化速率和厭氧氨氧化速率進行匹配，所以系統(tǒng)的設(shè)計較為復(fù)雜,。
生物硝化反應(yīng)在 5～40 ℃均可進行,，但 15 ℃為分界點。溫度高于 15 ℃時，AOB 的生長速度高于NOB,，AOB 的小泥齡小于 NOB 的小泥齡,，并且隨著溫度的升高，二者的差值將增加,，所以高溫有利于 AOB 的生長,。在 25 ℃以上控制泥齡，可以有效地選擇NOB,。目前的工程實例通常將亞硝化過程的溫度控制在 30～35 ℃。
多數(shù)研究認為,，AAOB 的理想溫度條件為 30～ 40 ℃,，但是自然條件下在溫度較低時也可以進行穩(wěn)定的厭氧氨氧化反應(yīng)，RYSGAARD 等指出在-1.3 ℃時,，北極海底沉積物中的 AAOB 菌仍具有活性[2],。低溫條件下反應(yīng)器中的 AAOB 菌的活性一直受到關(guān)注，一些研究結(jié)果表明,，在亞硝化 - 厭氧氨氧化工藝系統(tǒng)中,，溫度降到 20 ℃以下后都測定發(fā)現(xiàn)了 AAOB菌的活性，有些研究顯示,，在 10 ℃甚至更低溫度都有可能存在穩(wěn)定的厭氧氨氧化反應(yīng)[3-4],。但是也有研究指出，當(dāng)溫度降低到 15 ℃時,，生物膜反應(yīng)器內(nèi)開始積累 NO -,，表明 AAOB 菌的活性受到了抑制[5]。
基質(zhì)中的FNA 對AOB 和NOB 均有抑制,，而離子態(tài)亞硝酸鹽 NO - 的影響較小,。FNA 對 AOB 和NOB 的抑制質(zhì)量濃度為 0.01～1 mg/L，哪種細菌對FNA 具有更高的耐受性,，目前的研究結(jié)果仍相互矛盾[8-9],。NO - 對 AAOB 的影響較大，當(dāng) NO - 的質(zhì)量濃度高于 100 mg/L 時,，AAOB 活性被*抑制[6],。
pH 一方面影響了 AOB、NOB,、AAOB 等微生物的生長活性,，另一方面影響了 NH + 和 FA 以及 NO和 FNA 之間的化學(xué)平衡。一般而言,，在中性偏堿性條件下,，AOB 和AAOB 才能表現(xiàn)出相對較高的生長活性。AOB 適宜生長的 pH 是 7.0～8.6，AAOB 適宜生長的pH 為 6.5～8.8[10],。pH 較高時,，化學(xué)平衡向生成 FA 方向進行；pH 較低時,，化學(xué)平衡向生成 FNA方向進行,。當(dāng) pH 分別大于 8.0 和低于 6.0 時，F(xiàn)A 和FNA 在體系內(nèi)所占比例迅速增大,。經(jīng)計算,，35 ℃水溶液中總 NO --N 的質(zhì)量濃度為 500 mg/L、pH 為 7時,，F(xiàn)NA 的質(zhì)量濃度只有 0.1 mg/L,。所以當(dāng) pH 大于7 時，F(xiàn)NA 對 AOB 和 NOB 的抑制作用較為有限,。
3.3 DO 含量
AAOB 為嚴(yán)格厭氧菌,，STROUS 等指出，在 DO含量為 0.5%～2.0%空氣飽和度時,，AAOB 活性被*抑制[6],。但該抑制是可逆的，DO 消除后,，AAOB 的活性可以恢復(fù),。AOB 和 NOB 都是嚴(yán)格好氧菌，當(dāng)
AAOB 和AOB 共存在系統(tǒng)中時,，AOB 消耗了DO,，所以即使 DO 的質(zhì)量濃度在高于 0.2 mg/L 的條件下，
AAOB 也可以保持正?；钚?，這使得亞硝化結(jié)合厭氧氨氧化工藝的一段式系統(tǒng)成為可能。實際工藝中還利用顆粒污泥和填料富集微生物,，形成 DO 內(nèi)外不同的微環(huán)境,，為 AAOB 和 AOB 在系統(tǒng)中共生創(chuàng)造條件。
好氧菌 AOB 和 NOB 對 DO 有競爭作用,，二者的 DO 半飽和系數(shù)分別為 0.74～0.99 mg/L 和 1.4～1.75 mg/L,，所以 AOB 具有更好的氧親和力。在實際工藝中,，通常將 DO 含量控制在較低的水平,，可以使AOB 優(yōu)先獲得有限的氧，抑制 NOB 的活性,。文獻中報道的抑制 NOB,，維持 AOB 活性的臨界 DO 含量各不相同,。RUIZ 等指出，臨界 DO 的質(zhì)量濃度宜控制在 1.7 mg/L 以下[11],；而 HANAKI 等認為,，在 25 ℃時將 DO 的質(zhì)量濃度降至 0.5 mg/L，AOB 沒有受到明顯影響,，而 NOB 活性下降[12],。除了直接控制 DO含量，也可以利用生物膜和顆粒污泥內(nèi)存在傳質(zhì)阻力,，間接限制 DO 含量,，抑制 NOB。
3.4 有機物
可生物降解有機物不直接影響 AAOB,，但能誘導(dǎo)反應(yīng)器內(nèi)普通異養(yǎng)菌（OHO）的生長,。由于 AAOB的生長速率比 OHO 低得多，當(dāng)存在過量的有機碳時,，異養(yǎng)細菌將占據(jù)反應(yīng)器的主導(dǎo)地位，因而限制了AAOB 生長的空間和底物,。通常,，在一體式厭氧氨氧化工藝中，進水可降解 COD 和總 NH +-N 的質(zhì)量濃度比需要低于 0.5,。另一方面,，如果進水中含有一定含量的可降解有機物，那么出水中的硝酸鹽可以被去除,，所以 TN 去除率是提高的,。
VEUILLET 等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進水中慢速降解 COD:ρ (NH +-N) 低于 0.5 時,，出水 ρ (NO --N)/ρ (NH +-N) 約4%,；當(dāng) COD:ρ(NH +-N)在 1:1～1.5:1 時，出水 ρ(NO --N)/ρ(NH +-N)約 1%[13],。一些研究指出,，當(dāng)進水中含有醋酸鹽、甲醇等其他有機物時,，COD:ρ(TN)達到 2 左右時,，AAOB 菌的活性受到抑制[14]。LACKNER 對 14 個生產(chǎn)性反應(yīng)器測試后指出,，進水 COD:ρ(TN)從 1 提高至 1.5 后,，生物膜系統(tǒng)對 TN 的去除率沒有降低[15]。