厌氧氨氧化技术应用于主流城市污水处理的研究进展

专题厌氧氨氧化技术应用于主流城市污水处理的研究进展www.biobusiness.com.cn生物产业技术2019.02（3月）6564www.biobusiness.com.cn生物产业技术2019.02（3月）金仁村，博士后，教授，硕士生导师，杭州师范大学生命与环境科学学院副院长，主要从事水污染控制和环境生物技术方面的教学与科研工作。浙江省首批万人计划青年拔尖人才并享受杭州市政府特殊津贴，曾获得杭州市教育局系统优秀教师、杭州市青年英才等荣誉。主持并完成国家自然科学基金等多项国家级和省部级课题的研究。以第一作者或通讯作者在国内外重要学术刊物上发表论文120余篇，获授权国家发明专利50余件。E-mail：jrczju@aliyun.com厌氧氨氧化技术应用于主流城市污水处理的研究进展李桂凤1，黄宝成1，汪彩华2，程雅菲1，范念斯1，金仁村11.杭州师范大学生命与环境科学学院，杭州3100362.北京碧水源科技股份有限公司，北京102206摘要：长期以来，基于硝化和反硝化过程的传统生物脱氮工艺被广泛应用于废水中氮素污染物的去除，但其能耗物耗高，不能适应节能减排的时代发展要求。近年来新兴的厌氧氨氧化（Anammox）工艺，因具有低能耗、低剩余污泥量、无需外加碳源等优点而备受关注，在废水脱氮领域具有非常广阔的应用前景。综述了Anammox生物脱氮技术应用于城市污水处理的最新研究进展，探讨了主流污水处理应用Anammox所面临的挑战，并提出今后的研究重点。关键词：生物脱氮；厌氧氨氧化；城市污水；工艺组合；主流DOI:10.3969/j.issn.1674-0319.2019.02.008第一作者：李桂凤，硕士研究生，主要从事水污染控制及资源化研究。E-mail：guifeng_li@126.com基金项目：国家自然科学基金项目（51878231）很长一段时间以来，城市污水中氮素污染物的高效、经济去除成为困扰人们的一大难题。目前，比较普遍采用以硝化-反硝化为基础的异养生物脱氮技术处理，但是该过程若要达到较高的水质排放标准往往需要消耗大量的能源。2008年，全球水研究大会提出了未来主流污水处理厂的发展目标[1]，即将污水处理厂建成集水资源再生、能源回用及资源回收的多功能可持续水厂。在此号召之下，“能源中和”污水处理技术（energy-neutral，即污水处理所消耗的能源和产生的能源能够相互抵消，这是一个比“节能”更严格的概念）的研究与发展成为近年来的前沿问题和关注热点。近二十年新兴的厌氧氨氧化（anaerobicammoniumoxidation，Anammox）工艺因其耗能低、产生的污泥少，并且不需要添加有机碳源，逐渐得到人们的青睐，越来越多地应用于城市污水处理领域。专题www.biobusiness.com.cn生物产业技术2019.02（3月）6766www.biobusiness.com.cn生物产业技术2019.02（3月）1Anammox菌的特性及生化机制1.1Anammox菌的发现及反应原理在厌氧环境下，Anammox菌能够以NO2--N为电子受体，以NH4+-N为电子供体，使二者反应生成N2[2]。Anammox工艺是在已有理论的基础上发展起来的。奥地利化学家Broda在1977年发表了“自然界中遗失的两种自养微生物”[3]的文章，根据化学热力学的相关理论推断存在某种微生物可催化如下反应[式（1）]。NH4+-N+NO2--N→N2+H2O（1）1995年，荷兰科学家Mulder等[4]在食品废水的处理以及Siegrist等[5]对垃圾渗滤液的处理中均证实了这一反应的发生。20世纪90年代，Strous等[6]在大量实验研究的基础上，提出了Anammox脱氮的化学反应方程式[式（2）]。NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O（2）以上反应是通过anammox菌催化实现的，这是表1Anammox中心代谢过程反应过程（酶）反应方程式1反硝化反应（Nir）NO2-+2H++e-→NO+H2O2联氨形成（HH）NH4++NO+2H++3e-→N2H4+H2O3氮气形成（HZO）N2H4→N2+4H++4e-4硝化反应（Nar）NO2-+H2O→NO3-+2H++2e-一种化能自养型细菌，以CO2或HCO3-为碳源，并从反应过程中获得能量。Anammox菌的中心代谢途径是由Strous等[7-8]通过采用双向测序技术建立Kueneniastuttgartiensis的BAC文库、Fosmid文库和DNA质粒文库，并对基因组序列进行分析后提出的。表1提供了这几个基本的反应过程[7-10]。Anammox菌的主要代谢途径为：首先