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厭氧氨氧化生物脫氮技術(shù)

文檔作者：李聰文檔來源：武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年04月26日
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厭氧氨氧化生物脫氮技術(shù)
李聰
(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院湖北武漢430070)
摘要厭氧氨氧4匕(An鋤mox)生物脫氮技術(shù)由于在經(jīng)濟(jì)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為近年國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，是未來污水生物
脫氮技術(shù)發(fā)展的主流。目前已有不少國內(nèi)外學(xué)者對(duì)厭氧氨氧化作了大量的研究和分析．但是國內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究與國外還存
在較大的差距。尤其在Anammox機(jī)理方面。對(duì)Anammox生物脫氮技術(shù)的發(fā)展、機(jī)理及研究現(xiàn)狀作了全面的論述，并進(jìn)行了總
結(jié)．從而為該技術(shù)的深入研究及其在實(shí)際中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞厭氧氨氧化反硝化脫氮
中圖分類號(hào)：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—9064(2010)04—0097—03
厭氧氨氧化(Anaerobic Ammonium 0xidation．Anammox)
是指在厭氧或缺氧條件下。微生物直接以NH4+一N為電子供
體，以N02--N為電子受體，將NHd-N、NOf-N轉(zhuǎn)變成N：的
生物過程tl,引。是20世紀(jì)90年代中期由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)
Lluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種新型生物脫氮技術(shù)。在
此過程中．NHd的氧化無需分子態(tài)氧的參與，而NOr的還原
也無需有機(jī)物的參與。厭氧氨氧化技術(shù)是目前已知的最經(jīng)濟(jì)
的生物脫氮技術(shù)．與傳統(tǒng)的硝化反硝化技術(shù)相比．具有需氧
量低，運(yùn)行費(fèi)用低和不需要外加碳源等優(yōu)點(diǎn)[3]。
本文在目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)厭氧氨氧化的研究基礎(chǔ)之上．
對(duì)厭氧氨氧化生物脫氮技術(shù)的發(fā)展、機(jī)理、特性以及工藝進(jìn)
行綜述。
1厭氧氨氧化的發(fā)展
奧地利理論化學(xué)家Engelbert Broda在1977年根據(jù)反應(yīng)
的自由能計(jì)算．預(yù)測(cè)自然界中存在兩種尚未發(fā)現(xiàn)的礦質(zhì)營養(yǎng)
菌．其中之一為以氧或硝酸根或亞硝酸根為電子受體，把氨
轉(zhuǎn)化為N：的自養(yǎng)菌。
ANAMMOX工藝是在荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)一個(gè)中試規(guī)模
的反硝化流化床中發(fā)現(xiàn)的。在該流化床的長期運(yùn)行過程中。
Mulder和van de Gmaf等人發(fā)現(xiàn)．反應(yīng)器內(nèi)除了反硝化作用
所致的各反應(yīng)物的正常消失以外。NH。+和N03-也能同時(shí)消
失，并伴隨著N：的產(chǎn)生。每氧化5mol的NH4懦消耗3mol的
NOr，形成4mol的N：，即反應(yīng)器中發(fā)生了如下反應(yīng)：
5NHd+3NO—Nz+9H20+2H+A G=一297kj／mol
同年v繃de Graaf等人進(jìn)一步證實(shí)厭氧氨氧化是一個(gè)
生物過程，是由微生物作用引起的。這個(gè)結(jié)論證實(shí)了Broda
的預(yù)言。根據(jù)反應(yīng)的條件和細(xì)菌利用的底物．可以推測(cè)
Anammox菌可能存在于有限氧的硝化生態(tài)系統(tǒng)中，也可以
存在于有限電子供體的NOr反硝化中。Grad等?采用一5N同
位素示蹤實(shí)驗(yàn)對(duì)以NOr為電子受體的厭氧氨氧化進(jìn)行了研
究，實(shí)驗(yàn)中，分別用廿N和14N來標(biāo)記NHZ和NOr中的N。結(jié)
果表明：Anammox反應(yīng)主產(chǎn)物為¨5N：(占98．2％)，僅1．7％
的產(chǎn)物是酬5N，．這一數(shù)據(jù)證明了NOr是Anammox反應(yīng)中的
關(guān)鍵電子受體．最可能的反應(yīng)如下所示：
NH4++NO—N2+2H20 A G=一358kJ／tool
van deGraaf等的研究同時(shí)證明了以下3點(diǎn)：①NOC是
最適合的電子受體，羥氨(NH20H)是最可能的電子受體；②
由于Anammox反應(yīng)的Gibbs小于零．說明反應(yīng)是自發(fā)和產(chǎn)
能的。從理論上來說．它所產(chǎn)生的能量可滿足微生物生長所
需：③Anammox過程為生物反應(yīng)過程。
2厭氧氨氧化菌的微生物學(xué)特性以及作用機(jī)理
2．1厭氧氨氧化菌的種類
厭氧氨氧化細(xì)菌屬于浮霉?fàn)罹?Planctomycete)．具有世
代時(shí)間長和外形不規(guī)則等特點(diǎn)。目前利用16S rDNA序列分
析方法已確定了3個(gè)屬的厭氧氨氧化細(xì)菌：Brocadia屬包括
B．a(chǎn)nammoxidans和B．Fulgida：Kuenenia屬包括K．stuttgartien．
sis；Scalindua屬包括S．wagneri，S．brodae和S．sorokinii。另外。
一些屬于13一Proteobacteria的典型好氧氨氧化細(xì)菌也能表現(xiàn)
出厭氧氨氧化活性．因此在某些厭氧氨氧化研究中有好氧氨
氧化細(xì)菌存在．
2．2厭氧氨氧化菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)
厭氧氨氧化菌是革蘭氏陰性光損性球狀化能自養(yǎng)菌．直
徑不到llzm。具有蛋白質(zhì)的S層，細(xì)胞壁上存在漏斗狀結(jié)構(gòu)，
無肽聚糖．厭氧氨氧化菌有一個(gè)單一雙分子層(膜)即厭氧
氨氧化體(anammOXOsome)。厭氧氨氧化菌的細(xì)胞質(zhì)因此被
anammoxosome分為3個(gè)部分：(A)外部區(qū)域(細(xì)胞壁(cell
wan)，細(xì)胞質(zhì)膜(eytop lasmic membrane)，PP質(zhì)(paryphop
lasm)，細(xì)胞內(nèi)質(zhì)膜(intracytop lasmic membrande)。(B)核糖質(zhì)
(ribop lasm)。(C)厭氧氨氧化體膜(anammoxosome membrane)，
厭氧氨氧化體(anammoxosome)，類核(nucleoid)。
2．3厭氧氨氧化菌的生理特性
厭氧氨氧化菌培養(yǎng)基含NH4+、NOr、重碳酸鹽、礦物質(zhì)及
微量元素。
’
· 可用底物：Schmidt等人在成功的富集培養(yǎng)B．a(chǎn)n舢mo菇．
作者簡(jiǎn)介：李聰(1986--)，女，武漢理工大學(xué)市政工程系在讀碩士研究生，主要從事水污染控制理論及其應(yīng)用的研究。
萬方數(shù)據(jù) 2010．No．4． o
dans(5x10s個(gè)細(xì)胞／mL)過程中，采用的無機(jī)鹽培養(yǎng)基成分
有：NaN02、(NH4)2S04、KHC03、KH2P04、CaCl2·2H20、MgS04‘
7H20、FeS04、EDTA、HCI、微量元素(EDTA、ZnS04-7H20、Co-
C12·6H20、MnCl2·4H20、H3804、CuS04·5H20、NaM004·2H20、
NiCl2·6H20、NaSe04·10H20)。一般來說，含有NH4+(5—
30mmol／L)、N02-(5～35mmol／L)、C02(10mmol／L)、金屬及微量
元素的母液可以培養(yǎng)Anammox菌。
抑制物：有機(jī)物、氧氣、氨和NOr、N02和NO。Jetten等人
在序批試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)．不同有機(jī)質(zhì)的加入對(duì)Anammox菌活性
有很大的抑制作用。氧氣對(duì)厭氧氨氧化有明顯的抑制作用，
要使不影響厭氧氨氧化活性．必須控制氧的低濃度。
2．4厭氧氨氧化作用機(jī)理
v鋤deGrad等?通過哪示蹤實(shí)驗(yàn)。提出了Anammox可
能代謝途徑。他們認(rèn)為在微生物的厭氧氨氧化過程中，
NH20H是最有可能的電子受體。NOr首先還原產(chǎn)生NH20H，
然后厭氧氨氧化菌以NH20H為電子受體將NH4+氧化為聯(lián)
氨(N：H。)，N：H。又進(jìn)一步被還原成N：，同時(shí)產(chǎn)生的2H+。該模
型中．N02-具有3種功能：①羥氨的前體；②電子匯，處置反
應(yīng)產(chǎn)生的電子：③作為能源，在氧化成N03-的過程中產(chǎn)生還
原能。
在Anammox可能代謝途徑的基礎(chǔ)上．Villi deGraaf等[4]
又提出了Anammox的2種可能機(jī)理溉6]：①在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。一個(gè)
被膜包圍的復(fù)雜酶將NH20H和NH4+轉(zhuǎn)化為N2H。。N2H。則在
細(xì)胞內(nèi)被氧化成氮?dú)狻Ｔ诩?xì)胞內(nèi)將N：H。氧化的同一種酶的
不同部位．可利用N：H。氧化為氮?dú)鈺r(shí)產(chǎn)生的電子把NOr還
原為NH20H：(至)NH20H和NH4+在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)被一種膜包同的
復(fù)雜酶催化為N，H4，N：H4在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓a(chǎn)生的電
子通過電子傳遞鏈傳遞給細(xì)胞內(nèi)的亞硝酸還原酶．將NOr還
原為NH20H。
有研究表明?．在厭氧氨氧化過程中存在以下平衡關(guān)
系：NH4+-N消耗量、NO—N消耗量和N03-_N產(chǎn)量之間的比
例為1：1．32：0．26．其包括細(xì)胞合成在內(nèi)的生物反應(yīng)過程
可用如下反應(yīng)式表示：
NH4++1．32N02-+O．066HC03一+0．13H+_舊．26N03_+1．02N2+
0．066CH20n5NnI一2．03H20
3厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)及影響因素研究
3．1厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)
目前．國內(nèi)對(duì)Anammox反應(yīng)器的啟動(dòng)研究較多．文獻(xiàn)報(bào)
道采用的反應(yīng)器類型主要有：上流式厭氧污泥床(UASB)、序
批式反應(yīng)器(SBR)、序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)及膨脹
顆粒污泥流化床(EGSB)。采用的接種污泥主要有：好氧污
泥、好氧硝化污泥、厭氧污泥、厭氧顆粒污泥、厭氧硝化污泥、
厭氧顆粒污泥和好氧污泥的混合污泥等。試驗(yàn)用水主要為人
工配水、垃圾滲濾混合液、生活污水及焦化廢水等。
梁輝強(qiáng)等采用序批式反應(yīng)器．以好氧硝化污泥為接種污
泥，成功地培養(yǎng)出厭氧氨氧化菌：沈平等采用兩套相同的小
試UASB系統(tǒng)．分別接種厭氧顆粒污泥與好氧污泥的混合污
泥和河底污泥。自配含氮廢水，經(jīng)過324d和263d，2套小試
2010．No．4．
UASB反應(yīng)器均成功實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化。胡勇有等[7]采用厭
氧序批式反應(yīng)器．以好氧硝化污泥為接種污泥，以模擬廢水
經(jīng)過142d．成功地培養(yǎng)出厭氧氨氧化菌。徐崢勇等采用
SBBR反應(yīng)器．處理垃圾滲濾液．經(jīng)過58d的培養(yǎng)馴化和33d
的穩(wěn)定運(yùn)行．成功啟動(dòng)Anammox反應(yīng)器。康晶等采用EGSB
反應(yīng)器，經(jīng)過近3個(gè)月運(yùn)行，成功啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)器。
3．2厭氧氨氧化影響因素研究
林琳等研究了亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、羥氨對(duì)厭氧氨氧化的
影響．得出氨和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化比例為1．085，氨和亞硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)
化比例為0．897．在培養(yǎng)液中加入羥氨，加速了厭氧氨氧化反
應(yīng)的進(jìn)行。楊洋等t81研究了溫度、pH值和有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧
化污泥活性的影響。研究表明：最佳溫度為30～35℃，溫度和
氨氧化速率的關(guān)系可用修正的Arrhenius描述；最佳pH值
為7．0～9．0，pH值和氨氧化速率的關(guān)系可用雙底物雙抑制模
型來描述：有機(jī)物的存在會(huì)導(dǎo)致氨氧化菌之間的競(jìng)爭(zhēng)。陳曦
等研究了溫度和DH值對(duì)厭氧氨氧化微生物活性的影響，研
究表明：最佳溫度為30。C，最佳pH值為7．8。張樹德等研究
了啞硝態(tài)氮對(duì)厭氧氨氧化的影響．研究表明：提高亞硝態(tài)氮
濃度有利了二加快Anammox反應(yīng)速率。當(dāng)P(NOr)=118．4
mg／L時(shí)．氨氮的轉(zhuǎn)化速率最大。進(jìn)一步提高進(jìn)水中NOr濃
度．對(duì)Anamillox反應(yīng)產(chǎn)生明顯的抑制作用，反應(yīng)速率下降，
為獲得良好的脫氮效果．進(jìn)水中適宜的NOr與NH4+的量比
應(yīng)為1．3：1：阮文權(quán)等對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器運(yùn)行條件的研究
表明：厭氧氨氧化反應(yīng)最適pH值為7～7．5，溫度為(30±
1)℃．當(dāng)COD質(zhì)量濃度為(800±50)mr∥L時(shí)，厭氧氨氧化速
率達(dá)到最大。
胡勇有等通過厭氧氨氧化批式試驗(yàn)．研究了有機(jī)碳源環(huán)
境下COD／NH4+一N比、pH值以及N02-_N濃度對(duì)厭氧氨氧化
反應(yīng)的影響。結(jié)果表明：①在有機(jī)碳源環(huán)境下，厭氧氨氧化作
用和反硝化作用可以同時(shí)存在：適宜的的COD／NH4+-N比值
范圍在0～1．57之間；適宜的pH值范圍應(yīng)該在6．02～8．50之
間，最適pH值為8．00；②理論計(jì)箅表明，自由氨濃度對(duì)厭氧
氨氧化菌的抑制作用是高pH值導(dǎo)致脫氮性能下降的主要
原岡：③當(dāng)存在有機(jī)碳源時(shí)，適宜提高初始NOf--N濃度能夠
得到較好的脫氮和脫碳效果。但N02--N濃度過高，會(huì)抑制厭
氧氨氧化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，且反硝化作用加強(qiáng)的同
時(shí)．厭氧氨氧化作用會(huì)被削弱，為了得到較好的脫碳和脫氮
效果．在初始COD值為300mgrL時(shí)，初始NOr—N濃度不宜
超過500mg／U。
目前國內(nèi)外已有不少學(xué)者研究了有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化
作用的影響。Gijven等?用丙酸鹽對(duì)厭氧氨氧化培養(yǎng)物進(jìn)行
了長達(dá)150d的培養(yǎng)．發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化菌能夠優(yōu)先氧化丙酸
鹽生成C02。還原N02--N或N03--N為N2。通過FISH驗(yàn)證了
反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化菌一直保持在80％左右。而反硝化菌只
占2％．兩者的相對(duì)數(shù)量沒有改變，從而闡明了厭氧氨氧化菌
的反硝化代謝途徑．Kartal等[10】研究報(bào)道了一種厭氧氨氧化
菌．命名為Candidatus“Anammoxoglobus propionicus”，它能夠
在NH4+．N、N02--N、N03--N和丙酸鹽同時(shí)存在的條件下，優(yōu)
萬方數(shù)據(jù) o
于反硝化菌利用丙酸鹽進(jìn)行反硝化代謝。劉金苓、賈曉珊等
[111研究表明在葡萄糖作為有機(jī)碳源的條件下．厭氧氨氧化微
生物不僅具有厭氧氨氧化代謝特性．還具有反硝化的代謝能
力能夠氧化葡萄糖．并通過添加青霉素實(shí)驗(yàn)證明了這一結(jié)
論。Kartal等㈦研究報(bào)道了一種能夠氧化乙酸鹽的厭氧氨氧
化菌。
4厭氧氨氧化在廢水生物脫氮領(lǐng)域的應(yīng)用‘
基于厭氧氨氧化技術(shù)開發(fā)的新型廢水生物脫氮工藝主
要有2種：?jiǎn)蜗郈anon工藝和兩相Sharon—Anammox工藝。
4．1 Canon工藝
在厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)物中存在有一定數(shù)量的好氧
氨氧化菌．通過控制DO濃度可在單一反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)兩類細(xì)
菌的協(xié)調(diào)生長。從而構(gòu)成單相Canon t藝。其中主要進(jìn)行了
好氧氨氧化作用和厭氧氨氧化作用，總的反應(yīng)可表示為：
NH4++0．8502_—町．1 lN03—+0．44N一1．43H20+0．14H+
單相Canon工藝的開發(fā)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段．主要存
在SBR和氣提式反應(yīng)器2種形式。
4．2 Sharon-Anammox工藝
Sharon—Anammox工藝分別在2個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)部分硝
化和厭氧氨氧化．能優(yōu)化2類細(xì)菌的生存環(huán)境．運(yùn)行性能穩(wěn)
定。Sharon是一種理想的N02-生成裝置，目前已有生產(chǎn)規(guī)模
運(yùn)行，Sharon和Anammox聯(lián)合脫氮時(shí)，只需約50％的NH4+轉(zhuǎn)
化成NOr。
5結(jié)論
厭氧氨氧化具有不少突出的優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)如下：(1)不
需要外加有機(jī)物作為電子供體．既節(jié)省費(fèi)用又可防止二次污
染；(2)耗氧量為零，使能耗大大降低；(3)Anamillox微生物
的增長率(倍增時(shí)間為lld)與產(chǎn)率(0．1lg[VSS]／g[NHZ])是
非常低的，故污泥產(chǎn)量低，然而氮的轉(zhuǎn)化率卻為O．25 mg[N]／
(ms[SS]·d)，與傳統(tǒng)的好氧硝化旗鼓相當(dāng)；(4)產(chǎn)堿量為零，
可節(jié)省大量的中和劑．
厭氧氨氧化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氨氮的最短途徑轉(zhuǎn)化．開拓了厭
氧生物脫氮的新思路．這種節(jié)約能源、能耗、又能節(jié)省基建投
資、運(yùn)行費(fèi)用．同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)氮高效去除的新工藝是可持
續(xù)污水生物脫氮T藝的主流。目前還未能在丁程實(shí)踐中得到
廣泛應(yīng)用，主要原因在于：①Anammox技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究所采用
的污水大多為人工配水．與實(shí)際污水的水質(zhì)存在較大的差
理想的條件下，而在實(shí)際工程中．控制理想運(yùn)行條件較為困
難。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：①如何促進(jìn)Anammox
菌的快速大量繁殖．并對(duì)微生物及其酶的特性作進(jìn)一步研
究；②如何解決氨氮和亞硝態(tài)氮同時(shí)存在對(duì)厭氧氨氧化菌的
抑制作用；③Anammox的機(jī)理有待進(jìn)一步研究，特別是氨和
羥胺的耦合機(jī)理；④大多數(shù)的厭氧氨氧化是在高氨氮濃度條
件下研究開發(fā)的．因此低氨濃度條件下的研究仍有待進(jìn)一步
進(jìn)行。
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¨antonuoreaeent anaerobic ammonium oxidizing bacteriⅢ，
距；②在實(shí)驗(yàn)室研究，可以將Anammox影響岡素控制在相對(duì)FEMS Microbiological Ecology．2008，63(I)
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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相對(duì)于一般的建筑和設(shè)備來說具有其自
身特點(diǎn)：既有高電壓等級(jí)．也有很多非常敏感的電子設(shè)備。集
中在一個(gè)比較小的空間．遭受雷擊的概率大．同時(shí)各個(gè)國家
地區(qū)的電力系統(tǒng)和自然環(huán)境差異性較大。因此．在電氣防雷
設(shè)計(jì)上有其特殊性。本文力求提供了一個(gè)系統(tǒng)的SPD設(shè)計(jì)
選用的方法，可以根據(jù)實(shí)際的需求和成本預(yù)算．定制出既符
合標(biāo)準(zhǔn)又適應(yīng)不同環(huán)境的方案。
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