污水处理新技术-厌氧氨氧化原理与其对传统脱氮工艺的优势
2023.09.14
厌氧氨氧化的原理
厌氧氨氧化的工艺原理其实蛮简单的，得从传统的硝化与反硝化说起。
我们知道，在活性污泥
首先是硝化，它包括前后两段，前段是在好氧环境下，由AOB（Ammonium Oxidizing Bacteria, 氨氧化菌）将污水中的氨氮（NH3/NH4+）氧化为亚硝态氮
接着是反硝化，即在缺氧环境下，由DNF（Denitrifier, 反硝化菌）将硝态氮（NO3-）还原为氮气（N2）释放到空气中。污水中含有的氨氮就这么去除了。
硝化过程需要消耗氧气，而反硝化过程主要是由异养菌在起作用（需从有机化合物中获取碳源的叫异养菌；可从无机化合物，比如CO2中获取碳源的叫自养菌），因而需要曝气，会产生大量能耗，并且需要消耗大量有机碳源，反应过程中还会释放N2O和CO2等温室气体，不符合我们追求绿色低碳的目标。
后来，人们在研究中发现，亚硝态氧（NO2-）可以直接还原。AOB和NOB在动力学特性上存在固有差异，如果抑制NOB的生长，控制硝化反应只进行到NO2-阶段，造成大量的亚硝态氮的累积，就直接进行反硝化反应，也能将污水中的氨氮变成氮气去除掉。
这种情况下，硝化反应只进行了一半，路没有走完，所以叫短程硝化反应。
接着，人们又发现，所有污水厂都存在一种红色的厌氧氨氧化菌 （Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB），如果将污水中的一部分氨氮（57%）氧化为亚硝态氮，同时将AnAOB富集，在严格厌氧的环境下，亚硝态氮在AnAOB的作用下，可以直接与污水中剩余的氨氮反应，产生N2，使污水中的氨氮去除掉。
我们分别取厌氧氨氧化英文单词（Anaerobic ammonia oxidation）的前几个字母，组合就诞生了Anammox。
这种反应形式特别简洁明快。
一般情况下，1摩尔（mol）氨氮需与1.32摩尔（mol）亚硝态氮反应，即1份氨氮需消耗1.32份亚硝态氮，所以Z佳配比是将57%的氨氮先氧化为亚硝态氮（57%*0.985/43%=1.31，氨氮与亚硝态氮的转化率为0.985）。但在实际情况中，我们很难实现这个理想配比，如果能做到将一半的氨氮氧化为亚硝态氮，使Anammox反应中，氨氮和亚硝态氮达到1:1的比例，就已经相当不错了。
由于只是部分亚硝化，所以也叫“部分亚硝化反应
看起来，三者的区别明显又简单，走完的叫全程，走一半的叫短程（或亚硝化），一半走一半叫半短程（部分亚硝化）。
我们看一下三者的简要化学式。
全程硝化与反硝化：
NH4+ + 2O2 => NO3- + H2O + 2H+
6NO3- + 5CH4O + CO2 => 3N2 + 6HCO3- + 7H2O
短程硝化与反硝化：
NH4+ + 1.5O2 => NO2- + H2O + 2H+
6NO2- + 3CH4O + 3CO2 => 3N2 + 6HCO3- + 3H2O
半短程硝化与厌氧氨氧化：
NH4+ + 1.5O2 => NO2- + H2O + 2H+
NH4+ + 1.32NO2- => N2 + 2H2O
从上面化学式可见，全程硝化中，氧化一份氨氮需2份氧气；而短程硝化中，氧化一份氨氮只需1.5份氧气，所以短程硝化可节约25%的曝气量（0.5/2），即能耗。
全程反硝化中，还原6份NO3-需要5份有机碳源，而短程硝化中，还原6份NO2-只需要3份有机碳源，因此，短程反硝化可节约40%的有机碳源。
而在半短程硝化与厌氧氨氧化中，只需将57%的氨氮氧化为亚硝态氮，再与剩余43%的氨氮进行厌氧氨氧化反应，过程中几乎无需有机碳源，因此，半短程硝化与厌氧氨氧化反应可节约接近60%的曝气量（即能耗，计算式为：1-57%×（1-25%）），且无需消耗有机碳源。
另外，由于AOB和AnAOB都是自养菌，自养菌起作用则污泥产量也远低于传统脱氮工艺，可显著降低剩余污泥
三者的反应过程与原理可参考下图：
到蓝色箭头为止的是全程硝化与反硝化；到桔色箭头为止的是短程硝化与反硝化；黑色箭头部分则是厌氧氨氧化。
