厭氧氨氧化的原理

厭氧氨氧化的工藝原理其實(shí)蠻簡單的，得從傳統(tǒng)的硝化與反硝化說起。

我們知道，在活性污泥法中，生物脫氮包括硝化與反硝化兩個(gè)過程。

首先是硝化，它包括前后兩段，前段是在好氧環(huán)境下，由AOB（Ammonium Oxidizing Bacteria, 氨氧化菌）將污水中的氨氮（NH3/NH4+）氧化為亞硝態(tài)氮（NO2-，含2個(gè)氧原子氧化了一半的中間環(huán)節(jié)，所以叫“亞”硝態(tài)氮），后段也是在好氧環(huán)境下，由NOB（Nitrite Oxidizing Bacteria，亞硝酸鹽氧化菌）將亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮（NO3-，含3個(gè)氧原子全氧化態(tài)），這個(gè)過程叫硝化，也就是全程硝化。

接著是反硝化，即在缺氧環(huán)境下，由DNF（Denitrifier, 反硝化菌）將硝態(tài)氮（NO3-）還原為氮?dú)猓∟2）釋放到空氣中。污水中含有的氨氮就這么去除了。

硝化過程需要消耗氧氣，而反硝化過程主要是由異養(yǎng)菌在起作用（需從有機(jī)化合物中獲取碳源的叫異養(yǎng)菌；可從無機(jī)化合物，比如CO2中獲取碳源的叫自養(yǎng)菌），因而需要曝氣，會(huì)產(chǎn)生大量能耗，并且需要消耗大量有機(jī)碳源，反應(yīng)過程中還會(huì)釋放N2O和CO2等溫室氣體，不符合我們追求綠色低碳的目標(biāo)。

后來，人們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，亞硝態(tài)氧（NO2-）可以直接還原。AOB和NOB在動(dòng)力學(xué)特性上存在固有差異，如果抑制NOB的生長，控制硝化反應(yīng)只進(jìn)行到NO2-階段，造成大量的亞硝態(tài)氮的累積，就直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)，也能將污水中的氨氮變成氮?dú)馊コ簟?

這種情況下，硝化反應(yīng)只進(jìn)行了一半，路沒有走完，所以叫短程硝化反應(yīng)。

接著，人們又發(fā)現(xiàn)，所有污水廠都存在一種紅色的厭氧氨氧化菌 （Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB），如果將污水中的一部分氨氮（57%）氧化為亞硝態(tài)氮，同時(shí)將AnAOB富集，在嚴(yán)格厭氧的環(huán)境下，亞硝態(tài)氮在AnAOB的作用下，可以直接與污水中剩余的氨氮反應(yīng)，產(chǎn)生N2，使污水中的氨氮去除掉。

我們分別取厭氧氨氧化英文單詞（Anaerobic ammonia oxidation）的前幾個(gè)字母，組合就誕生了Anammox。

這種反應(yīng)形式特別簡潔明快。

一般情況下，1摩爾（mol）氨氮需與1.32摩爾（mol）亞硝態(tài)氮反應(yīng)，即1份氨氮需消耗1.32份亞硝態(tài)氮，所以Z佳配比是將57%的氨氮先氧化為亞硝態(tài)氮（57%*0.985/43%=1.31，氨氮與亞硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化率為0.985）。但在實(shí)際情況中，我們很難實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想配比，如果能做到將一半的氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，使Anammox反應(yīng)中，氨氮和亞硝態(tài)氮達(dá)到1:1的比例，就已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了。

由于只是部分亞硝化，所以也叫“部分亞硝化反應(yīng)”，或“半短程硝化反應(yīng)”。

看起來，三者的區(qū)別明顯又簡單，走完的叫全程，走一半的叫短程（或亞硝化），一半走一半叫半短程（部分亞硝化）。

我們看一下三者的簡要化學(xué)式。

全程硝化與反硝化：

NH4+ + 2O2 => NO3- + H2O + 2H+

6NO3- + 5CH4O + CO2 => 3N2 + 6HCO3- + 7H2O

短程硝化與反硝化：

NH4+ + 1.5O2 => NO2- + H2O + 2H+

6NO2- + 3CH4O + 3CO2 => 3N2 + 6HCO3- + 3H2O

半短程硝化與厭氧氨氧化：

NH4+ + 1.5O2 => NO2- + H2O + 2H+

NH4+ + 1.32NO2- => N2 + 2H2O

從上面化學(xué)式可見，全程硝化中，氧化一份氨氮需2份氧氣；而短程硝化中，氧化一份氨氮只需1.5份氧氣，所以短程硝化可節(jié)約25%的曝氣量（0.5/2），即能耗。

全程反硝化中，還原6份NO3-需要5份有機(jī)碳源，而短程硝化中，還原6份NO2-只需要3份有機(jī)碳源，因此，短程反硝化可節(jié)約40%的有機(jī)碳源。

而在半短程硝化與厭氧氨氧化中，只需將57%的氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，再與剩余43%的氨氮進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)，過程中幾乎無需有機(jī)碳源，因此，半短程硝化與厭氧氨氧化反應(yīng)可節(jié)約接近60%的曝氣量（即能耗，計(jì)算式為：1-57%×（1-25%）），且無需消耗有機(jī)碳源。

另外，由于AOB和AnAOB都是自養(yǎng)菌，自養(yǎng)菌起作用則污泥產(chǎn)量也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)脫氮工藝，可顯著降低剩余污泥的處理和處置成本。

三者的反應(yīng)過程與原理可參考下圖：

到藍(lán)色箭頭為止的是全程硝化與反硝化；到桔色箭頭為止的是短程硝化與反硝化；黑色箭頭部分則是厭氧氨氧化。