污水處理新技術-厭氧氨氧化原理與其對傳統脫氮工藝的優勢
2023.09.14
厭氧氨氧化的原理
厭氧氨氧化的工藝原理其實蠻簡單的，得從傳統的硝化與反硝化說起。
我們知道，在活性污泥
首先是硝化，它包括前后兩段，前段是在好氧環境下，由AOB（Ammonium Oxidizing Bacteria, 氨氧化菌）將污水中的氨氮（NH3/NH4+）氧化為亞硝態氮
接著是反硝化，即在缺氧環境下，由DNF（Denitrifier, 反硝化菌）將硝態氮（NO3-）還原為氮氣（N2）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菌在起作用（需從有機化合物中獲取碳源的叫異養菌；可從無機化合物，比如CO2中獲取碳源的叫自養菌），因而需要曝氣，會產生大量能耗，并且需要消耗大量有機碳源，反應過程中還會釋放N2O和CO2等溫室氣體，不符合我們追求綠色低碳的目標。
后來，人們在研究中發現，亞硝態氧（NO2-）可以直接還原。AOB和NOB在動力學特性上存在固有差異，如果抑制NOB的生長，控制硝化反應只進行到NO2-階段，造成大量的亞硝態氮的累積，就直接進行反硝化反應，也能將污水中的氨氮變成氮氣去除掉。
這種情況下，硝化反應只進行了一半，路沒有走完，所以叫短程硝化反應。
接著，人們又發現，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%）氧化為亞硝態氮，同時將AnAOB富集，在嚴格厭氧的環境下，亞硝態氮在AnAOB的作用下，可以直接與污水中剩余的氨氮反應，產生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）的前幾個字母，組合就誕生了Anammox。
這種反應形式特別簡潔明快。
一般情況下，1摩爾（mol）氨氮需與1.32摩爾（mol）亞硝態氮反應，即1份氨氮需消耗1.32份亞硝態氮，所以Z佳配比是將57%的氨氮先氧化為亞硝態氮（57%*0.985/43%=1.31，氨氮與亞硝態氮的轉化率為0.985）。但在實際情況中，我們很難實現這個理想配比，如果能做到將一半的氨氮氧化為亞硝態氮，使Anammox反應中，氨氮和亞硝態氮達到1:1的比例，就已經相當不錯了。
由于只是部分亞硝化，所以也叫“部分亞硝化反應
看起來，三者的區別明顯又簡單，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份有機碳源，而短程硝化中，還原6份NO2-只需要3份有機碳源，因此，短程反硝化可節約40%的有機碳源。
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氮，再與剩余43%的氨氮進行厭氧氨氧化反應，過程中幾乎無需有機碳源，因此，半短程硝化與厭氧氨氧化反應可節約接近60%的曝氣量（即能耗，計算式為：1-57%×（1-25%）），且無需消耗有機碳源。
另外，由于AOB和AnAOB都是自養菌，自養菌起作用則污泥產量也遠低于傳統脫氮工藝，可顯著降低剩余污泥
三者的反應過程與原理可參考下圖：
到藍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。
