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ANAMMOX工艺发现、原理和反应机理

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学社博客 发表于 2019-9-9 08:54 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
ANAMMOX(ANaerobicAMMoniumOXica-tion)即厌氧氨氧化工艺也是荷兰Delft大学1990年提出的一种新型脱氮工艺。该工艺的特征是在厌氧条件下,以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体,将氨氮氧化生成氮气。如果说上述的SHARON工艺还只是将传统的硝化反硝化工艺通过运行控制缩短了生物脱氮的途径,ANAMMOX工艺则是一种全新的生物脱氮工艺,完全突破了传统生物脱氮工艺中的基本概念。
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ANAMMOX工艺的发现

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$ [) b6 y% \( ?/ aANAMMOX工艺是在一个中试规模的反硝化流化床中发现的。该反应器容积为23L,运行温度为36C,pH为7,出水回流使得反应器内的液体上升流速为30~34m/1,HRT为4.21,进水为一个处理酵母生产废水的产甲烷反应器的出水,其COD为550~750mg/L,NH3-N为90~130mg/L,流量为5~6L/1;NO-3-N溶液是单独加入的,浓度为75g/L(以NaNO3浓度计),流量为450mL/1。在该流化床的长期运行过程中,Mulcer和Graaf等人发现,反应器对进水中各种污染物的去除情况有些异常,即除了预期的NO-3-N在出水中下降到了一定的浓度外,进水中较高的氨氮在出水中也降到了相当低的浓度,这是无法用传统的异养反硝化理论来解释的。由于氨的消失与硝酸盐的消失同时发生,且还成一定的比例关系,他们认为反应器中发生了如下的反应:0 Y+ T) D6 i+ R# k9 `4 a2 R0 Z2tech.cn

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由于在这样的一个厌氧反应器中发生了氨的氧化反应,即所谓的“厌氧氨氧化”,他们因此将其命名为ANAMMOX工艺。随后,Graaf通过间歇试验证明了厌氧氨氧化反应确实是一个由微生物引起的生化反应,最终产物是氮气。5 h' p( t) h$ {/ `" b2 |( d& P2tech.cn
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Graaf的进一步研究表明,在ANAMMOX工艺中,NO-2才是关键的电子受体,而不是(3)式中的NO-3,即厌氧氨氧化的反应是按(4)式进行的。, k0 j# w$ h( l, ^1 {" E! H' _2tech.cn
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ANAMMOX工艺的原理和反应机理
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- i* V! g  N$ OGraaf等人通过同位素15N示踪研究表明,氨被微生物氧化的过程中,羟氨最有可能作为电子受体,而羟氨本身又是由NO-2分解而来,其反应的可能途径如图所示。
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Jetten等人通过15N示踪研究也表明,羟氨和联氨是ANAMMOX工艺的重要中间产物。Sc1alk等人研究了联氨的厌氧氧化,并根据15N示踪研究的结果,提出了ANAMMOX工艺的反应机理(见图2)。可见该反应机理与Graaf等人提出的很相似。
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ANAMMOX工艺的微生物特性

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$ [8 _3 h+ T2 {% x6 R4 n$ [, KGraaf研究表明,参与厌氧氨氧化的细菌是一种自养菌,在厌氧氨氧化过程中不需要添加有机物。同时他们还发现,随着试验的进行,反应器内污泥的颜色由褐色逐渐变为红色。Jetten等人和Stous等人在其各自的试验中也都观察到了同样的现象。' d$ C. T( Z8 h( Z4 L2tech.cn
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Jetten等人从上述发现ANAMMOX工艺的反硝化流化床反应器中分离并获取了ANAMMOX细菌,经富集培养后获得了一种优势自养菌,该优势菌种为一种具有不规则球状的革兰氏阴性菌,尚未能确定其在分类学的归属。2 d7 }& L. h. Q: z' H7 w$ R2tech.cn
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Graaf等人在ANAMMOX富集菌群中也发现了同样的优势菌种。此外,Jetten等人和Graaf等人在ANAMMOX富集培养物中都发现有好氧氨氧化菌Nitro-somonaseuropaea的存在。但是,Jetten等人认为这些好氧氨氧化菌在厌氧氨氧化过程中所起的作用不大,在厌氧条件下它们最大的氨氧化速率仅为2nmoI/(min・mgprotein);
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" }% G+ `( b- v! A+ ]而真正的厌氧氨氧化细菌的最大氨氧化速率可达到55nmoI/(min・mgpro-tein);但是这种厌氧氨氧化细菌的生长速率非常低,仅为0.0031-1,即其倍增时间为11c。Jetten等人和Graaf等人的研究都表明,氧气、乙炔以及氯霉素、氨比西林、氯化汞等化学药品在一定浓度下对ANAMMOX细菌具有较强的抑制作用。4 c8 q2 V* r+ |1 k4 e$ p; {7 H2tech.cn
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郑平对比研究了Nitrosomonaseuropaea纯培物、氨氧化菌和硝化菌混培物以及厌氧氨氧化菌混培物的硝化性能,发现三者之间具有一些共性。他认为尽管无法判定好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌之间的确切关系,但是可以肯定好氧氨氧化菌与ANAMMOX工艺关系密切。/ X- Z& D+ c, L9 R/ m5 G2tech.cn
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Strous等人研究了好氧和微氧条件下厌氧氨氧化污泥的性质,发现在好氧和微氧条件下均没有发生氨氧化反应,这说明即使是微量的氧对厌氧氨氧化细菌也具有较强的抑制作用。但是,他们还发现氧气对ANAMMOX工艺的抑制是可逆的,即当厌氧氨氧化细菌从好氧或微氧条件下恢复到厌氧条件下,很快就能恢复活性;并指出好氧氨氧化菌在ANAMMOX工艺中并不起重要作用。6 o2 m# I. O- a* q( C2tech.cn
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自厌氧氨氧化工艺提出以来,人们对这一全新的氨氧化过程进行了大量的研究,结果发现除在反硝化流化床反应器中存在着厌氧氨氧化外,在自然界中的许多缺氧环境中(尤其是缺氧/有氧界面上),如土、湖底沉积物等也发现有该反应过程的发生。
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