本文共6429字
作者：廖南维 刘伟裕 林志高
来源：原文摘选自《中华技术》期刊2016年1月专题报道
《新型厌氧氨氧化生物除氮技术动态》
推荐阅读时间28分钟
一、作者简介及摘要
廖南维 台湾世曦工程顾问股份有限公司／水及环境工程部／工程师
刘伟裕 台湾世曦工程顾问股份有限公司／水及环境工程部／副理
林志高 国立交通大学环境工程研究所／教授
摘要: 厌氧氨氧化除氮技术不仅可缩短传统生物硝化及脱硝流程，更能有效降低操作成本，近年已成为国际生物脱氮研究领域之主要趋势，目前国内对于该技术的研究已逐渐与国际接轨。由于厌氧氨氧化菌生长缓慢且对于废水中有机物与溶氧浓度等环境条件非常敏感，如何在控制流程中维持足够的生物量，并进一步提高厌氧氨氧化菌的活性和脱氮效率是现有技术极需克服的问题。本文综述厌氧氨氧化除氮技术的机制、原理及控制条件等，并列举目前于学术及商业上使用之厌氧氨氧化相关流程及其实际案例，以作为日后工程应用之参考。
二、前言
近年来水体优养化的现象日益严重，污水中营养盐的去除逐渐引起重视，如何避免含氮废水的排放，导致河川污染以及水生生态的影响，已成为河川保育的重要课题。为防止工业废水氨氮排放污染水体，环保署近年先后发布「石油化学业放流水标准」、「石油化学专业区污水下水道系统放流水标准」、「晶圆制造及半导体制造业放流水标准」、「光电材料及组件制造业放流水标准」、「化工业放流水标准」及「科学工业园区污水下水道系统放流水标准」等法规，将氨氮纳入放流水标准管制项目，该等产业与园区污水处理厂需将氨氮纳为处理目标。
污废水之氨氮大多来自有机质或含氮化学药品，一般利用生物处理方式利用微生物之代谢作用将氨氮有效去除，主要机制包含了两个主要的步骤，分别为硝化与脱硝。氨氮经硝化菌之好氧硝化反应，产生亚硝酸盐氮与硝酸盐氮，后续由脱硝菌进行厌氧脱硝分解后，还原为氮气返回大气层中。而在厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX) 除氮技术多年前被开发后，其直接去除氨氮的特性，在国际上相当受到瞩目；相较于传统高耗能的硝化与脱硝技术，厌氧氨氧化能够以最短路径将氨氮转化为氮气，不仅曝气动力降低，加药量与污泥产量亦较传统方式减少许多，厌氧氨氧化除氮技术的应用除了提供新的除氮方式选择，更为生物除氮技术展开新页。
三、厌氧氨氧化脱氮方式探讨
图1 氮循环反应流程
四、厌氧氨氧化脱氮控制条件
厌氧氨氧化菌生长速率缓慢，需要相当长的污泥停留时间；许多研究尝试不同形式的反应槽避免污泥溢流发生，其中以连续批次式反应槽 (sequencing batch reactor, SBR) 驯养，可得到较稳定之厌氧氨氧化菌，被广泛使用于研究用途。
厌氧氨氧化除氮流程的操作控制策略，主要在于藉由控制系统中pH值、温度、曝气量及污泥停留时间等条件抑制硝酸菌的活性，避免亚硝酸氮 (NO -) 氧化为硝酸盐氮 (NO -)，使厌氧氨氧化菌可将NO -作为电子接受者直接进行脱硝作用，因此该途径被称为短程硝化/反硝化流程。厌氧氨氧化除氮技术操作条件整理如表1所示，建议进流废水之氨氮浓度高于 150mg/L 较能达到处理效益，以操作面而言，各项操作项目彼此间存在共伴效应及交互作用，需监测水质变化实时调整参数，以下就不同控件目进行说明：
表1 表厌氧氨氧化基本操作条件说明（林志高，2011）
01
溶氧浓度的控制为关键操作因子，需依进入氨氮浓度的不同进行调整；以氨氮浓度为150mg/L 之进流废水而言，反应过程若溶氧高于 0.5mg/L，将抑制厌氧氨氧化菌之活性 (Strous et al., 1997)，然而溶氧浓度也不宜过低，否则将因生成之亚硝酸盐量不足无法提供厌氧氨氧化反应。
02
温度温度是影响细菌活性的重要环境条件之一，厌氧氨氧化菌适合生长温度介于20-43℃， 为常温菌，若操作温度超过45℃，活性将迅速下降 (Dosta et al., 2008)。由于厌氧氨氧化菌的生长世代周期较长，使得该流程与其他生物处理流程相比较难执行，故厌氧氨氧化流程操作温度应尽量在中温 (30-35℃) 进行 (盖书慧， 2009)
03
PH系统中pH值控制应操作介于6.5-9之间， 由于部分氨氮转化为亚硝酸盐氮会消耗水中碱度，使pH值降低，需添加碱剂调整，一般厌氧氨氧化的最大反应速率出现在pH为8左右，当继续提升pH值至9左右，氨氧化速率和总氮去除速率则不断下降，直至接近于零因此污泥驯养环境中pH值需控制得宜以获得较佳反应活性 (盖书慧，2009)。
04
厌氧氨氧化菌之生长与增值极为缓慢，操作时污泥增值所需废弃之污泥量相当少，故操作上需延长污泥停留时间以保留大部分污泥， 或是采用较能避免污泥流失之处理设施，以确保获得充分而稳定的厌氧氨氧化菌种。当厌氧氨氧化菌驯养阶段渐趋稳定时，污泥会呈现暗红色，红色的鲜艳程度可以初步推估厌氧氨氧化菌的活性良好与否，颜色越鲜艳活性越高 (林志高，2011)，易聚集形成污泥团状颗粒，并有小气泡不断自污泥中窜出。经驯养后的菌体易于附着生长，图2为台湾垃圾渗出水处理厂中所发现附着于载体之厌氧氨氧化菌群。
图2 厌氧氨氧化菌体附着生长外观(Wangetal.,2010)
五、厌氧氨氧化脱氮技术发展
近年厌氧氨氧化除氮技术已陆续发展出许多应用流程，包括SHARON-ANAMMOX (Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over Nitrite-anaerobic ammonium oxidation)、OLAND (oxygen limited autotrophic nitrification denitrification) 、 CANON (Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite) 及SNAD (simultaneous partial nitrification, ANAMMOX and denitrification) 等，根据处理废水特性不同，每一种流程所应用之优势微生物种、氨氮负荷率、操作条件与反应器形式等均有差异，有关各流程特点、发展与应用情形，说明如下：
图3 SHARON-ANAMMOX 流程反应流程示意图
01
SHARON-ANAMMOX流程SHARON-ANAMMOX流程为双反应槽设计， SHARON流程系将部分氨氮先氧化成亚硝酸盐氮，将氨的氧化过程控制在氨氧化阶段，如反应式(2)，控制氨氮与亚硝酸盐氮摩耳数比例接近1:1～1:1.3，后续再结合ANAMMOX流程之厌氧氨氧化流程完成两种反应物的去除，所得到之最终产物为氮气，反应流程详图3，反应如下所示：
SHARON-ANAMMOX流程之主要微生物群为好氧及厌氧氨氧化菌，两者均为自营菌，无须外加碳源。为使氨氮氧化成亚硝酸盐氮后不再进一步氧化成硝酸盐氮，SHARON流程在短程硝化的过程中需使用适当操作策略，以有效控制硝化仅止于亚硝酸盐氮，包含(1)控制污泥停留时间，因亚硝酸氧化菌 (Nitrite Oxidizing Bacteria, NOB) 生长较氨氧化菌 (Ammonia Oxidizing Bacteria, AOB) 慢，控制SRT使化学自营性氨氧化菌AOB成为主要优势菌种。(2)控制 进流氨氮浓度，因AOB对于氨氮的忍受力较高， 而NOB对于氨氮的忍受力仅1-10 mg-N/L之间， 故可控制进流氨氮浓度为10-100 mg-N/L，抑制NOB的生长。(3)控制溶氧浓度在0.2-0.5 mg/L之间，防止NOB得到足够的氧量将亚硝酸盐氮进一步氧化为硝酸盐氮，达到抑制 NOB的效果，并且能节省曝气动力费。
02
OLAND流程OLAND流程为在溶氧浓度为0.1-0.3 mg/L 之限氧条件下，以单一反应槽体实现短程硝化及厌氧氨氧化反应，反应式如下所示。该流程关键在于DO值的控制，目的为使氨氮能够氧化成亚硝酸盐氮，却又不影响同一槽体中之厌氧氨氧化反应。OLAND流程主要包含两大群微生物，以需氧条件区分成好氧性的氨氧化菌以及厌氧性的氨氧化菌，其电子接受者分别为氧气及亚硝酸根。OLAND流程以限制溶氧浓度的方式，让好氧及厌氧两种氨氧化菌同时作用，在低溶氧条件下淘汰亚硝酸氧化菌NOB并累积大量的氨氧化菌AOB。OLAND流程的好处是可以节省大量曝气动力以及不须无机碳源的补充，惟槽内的pH值及溶氧浓度控制较SHARON流程困难许多。
03
CANON流程CANON流程同样是在限氧条件下，在单一槽体中进行短程硝化及厌氧氨氧化反应，与OLAND流程相似，反应流程详图4，总反应式如下：
图4 OLAND与CANON反应流程示意图
CANON流程中的微生物主要是自营性之好氧及厌氧氨氧化菌与少量的硝化菌。该流程主要限制在于氨氮的进流浓度及反应槽中溶氧浓度，进流氨氮浓度过高将抑制氨氧化菌的AOB生长；而溶氧过高将抑制厌氧氨氧化菌生长，过低则影响氨氧化菌AOB的反应速率，故寻找AOB 及厌氧氨氧化菌的平衡点为CANON流程之关键控制因子。由于CANON流程完全由自营性菌参与反应，对于有机碳并无去除效果，不适合处理有机物浓度过高之废水。
04
SNAD流程该流程由CANON流程演变而来，主要针对同时含有COD及氨氮的废水，因CANON流程中短程硝化及厌氧氨氧化的两种微生物都属于自营性菌，仅需要无机碳作为碳源；若废水中含有大量的有机碳，会造成异营性菌大量生长，且会抑制短程硝化及厌氧氨氧化两种微生物。SNAD流程除了结合短程硝化、厌氧氨氧化于同一反应槽之外，还包含了异营性脱硝反应， 在进行厌氧氨氧化流程的同时也能进行脱硝反应，解决进流废水有机物浓度过高的问题，广泛应用于废水除氮处理，因此近年实厂规模研
究日趋增加，反应流程详图5。
图5 SNAD反应流程示意图
目前国内已经研究及实场规模的处理厂利用SNAD流程处理垃圾渗出水，在去除氨氮与化学需氧量 (COD) 方面分别可达80%及30% (林志高，2011)。
此处理技术能降低传统废水处理过程中大量曝气及额外添加碳源需求，大幅减少操作费用，惟进流废水之有机物浓度仍有限制，进流废水之C/N值超过0.5时将导致整体去除效率降低。表2为传统生物硝化脱硝与SNAD流程之差异比较。
表2 传统生物硝化脱硝与SNAD流程之差异比较表
05
DEAMOX流程近年来有学者研究同时脱硫脱氮之可行性，DEAMOX流程是在含硫系统中，进行自营性脱硝与厌氧氨氧化；利用自营性脱硝菌以硫化物为电子供给者将硝酸盐还原成亚硝酸盐氮， 再以氨氮与亚硝酸盐氮为反应物经厌氧氨氧化反应使氨氮氧化为氮气 (Sergey et al., 2006)，反应流程详图6。
图6 DEAMOX流程反应流程示意图 (Sergey et al., 2006)
反应式如下所示。
该流程在厌氧条件下可同时脱氮除硫，硫化物在缺氧条件下氧化为单值硫，氨氮也可还原为氮气，从而实现硫与氮的同步去除，较传统除硫方式更为经济 (林翰璘，2011)。
以上各型态之厌氧氨氧化除氮方式，包括以ANAMMOX为基础的SHARON、CANON、OLAND、SNAD、DEAMOX等流程，不同的流程所应用的微生物菌种、氮负荷率汇总如表3所示。
表3 传统生物硝化脱硝与不同型态之厌氧氨氧化除氮流程比较表
六、厌氧氨氧化脱氮应用发展与现状
01
厌氧氨氧化流程发展现况厌氧氨氧化是目前已知最经济的生物除氮技术，主要处理污泥厌氧消化出流的上澄液及垃圾渗出水。与传统生物硝化脱硝流程相比， 厌氧氨氧化具有需氧量低、操作费用低、污泥产量少且不须外加碳源等优点。实现厌氧氨氧化的重要前提是以短程硝化获得稳定的亚硝酸盐氮，短程硝化的基本原理是利用氨氧化菌(AOB) 和亚硝酸盐氧化菌 (NOB) 的生理特性差异，控制反应条件使成为有利于AOB增殖的环 境，从而抑制NOB的活性与增殖让AOB成为优势菌种。但亚硝酸盐浓度过高会产生毒性，因此在累积亚硝酸盐的控制过程相当严格。
为防止污泥流失，厌氧氨氧化反应槽体型式目前以SBR较常使用，近几年薄膜技术成熟，亦有日本学者将薄膜技术结合厌氧氨氧化流程，提高污泥停留时间。目前厌氧氨氧化技术已商业化并实际应用于都市污水处理厂回流液、垃圾渗出水与工业废水等含氮废水处理， 并根据厌氧氨氧化菌及废水特性，发展出不同的处理系统及操作特性、分属专利技术。由于技术应用移转门坎高，尚未有成功模仿案例， 兹就所搜集取得资料，兹就已投入实厂运转之商业化处理系统应用情形说明如下：
(一) DEMON®
DEMON技术以批次式反应槽使短程硝化与厌氧氨氧化反应两者在同一槽体中执行，由于不同生化特性菌种之增值速度差异较大，为确保提供厌氧氨氧化菌足够停留时间， 该技术利用水力涡漩(hydrocyclone) 菌种分离装置使污泥颗粒化，并能够培养出良好的AOB及厌氧氨氧菌，避免菌种自系统中流失。目前该专利技术已有10座以上实厂操作，主要位于欧洲包括奥地利、德国、瑞士、荷兰、芬兰与匈牙利等国，美国第一座实厂于2012年开始运转 (Gonzalez et al., 2015)。该反应器源自世界水务公司（ World Water Works, Inc）。
图7 DEMON反应器图
(二) ANAMMOX®
以污泥颗粒化控制作为固液分离方式延长污泥停留时间，并使用上流式厌氧生物反应系统 (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket, UASB)，达成较高的氨氮去除效率。目前该技术有20座以上实厂操作，包含欧洲英国、波兰、瑞士与荷兰等国，亚洲地区则以中国为主要应用国家。该反应器源自帕克公司（ PAQUES）。
图8 ANAMMOX反应器图
(三) ANITATMMOX
该技术采用可移动式载体形成接触式生长系统，生物膜外部以氨氧化产生亚硝酸盐氮为主，内部则提供厌氧氨氧化菌生长，以保留菌种于系统中。主要使用国家包含丹麦、德国、瑞典等欧洲国家，亚洲则有中国之实厂操作。该反应器源自威立雅公司（ Veolia）。
图9 ANITATMMOX反应器图
02
厌氧氨氧化流程工程实践国内研究与实厂主要以使用CANON流程与SNAD流程在同一反应槽体执行短程硝化及厌氧氨氧化流程为主，避免硝酸盐的产生及降低控制短程硝化的复杂性。以下就国内垃圾渗出废水处理厂所设置厌氧氨氧化实厂及模块进行说明：
(一) 基隆天外天垃圾掩埋场垃圾渗出废水处理厂
该处理厂于生物处理系统中建置一座处理水量为150CMD之薄膜生物处理模块，并于设置初期驯养厌氧氨氧化菌，导入SNAD流程进行培养，氨氮处理量约为180kg-N/d。MBR系统可有效拦截菌体于反应池中，延长污泥停留时间，经由现场操作验证SNAD系统在微量溶氧浓度及废水中存在有机物的条件下，可达到在同一反应槽中进行短程消化、厌氧氨氧化及异营菌脱硝作用，该流程中有80%以上之氨氮由厌氧氨氧化反应去除，剩余氨氮则经由异营性脱硝去除 (林志高，2011)。
(二) 新北市八里垃圾掩埋场垃圾渗出废水处理厂
八里垃圾渗出废水处理厂同样导入SNAD流程处理，以UASB上流式厌氧反应槽 (108m3) 进行厌氧氨氧化菌种驯养， 设定操作溶氧浓度为 0.5mg/L 并增加回流量保持菌体活性，最终成功驯养活性良好之厌氧氨氧化菌种，氨氮去除效率可达70%。该厂案例之菌种培养成败关键在于进流水质的稳定，浓度变化过大不利菌种培养，需稳定溶氧及进流水质浓度条件以形成良好培养环境。
七、结论
一、与传统硝化脱硝流程相比，厌氧氨氧化反应每氧化1摩尔氨氮只需0.75摩尔氧气， 耗氧量下降了62%，可使曝气能耗大为降低；而该反应过程不须以有机碳源作为能量来源，故可大量节省加药费用。
二、目前无论是实验室规模或是实厂操作，厌氧氨氧化技术在国内外大部分仅用于垃圾渗出废水或污泥处理单元上澄液处理，未来须确认原理机制及经过更严谨的操作条件控制，确定反应过程之产物及相关生物反应，以及透过实验数据建立完善动力学模型以利于工程实际应用，并提高厌氧氨氧化技术在其他污废水处理领域的可行性。
免责声明：微信部分文章及图片系网络转载，仅供分享不作商业用途，版权归原作者和原出处所有。部分文章及图片因转载众多，无法确认原作者及出处的，仅表明转载来源，如原版权所有者不同意转载的，请及时联系小编，我们会立即删除，谢谢！
2024年必须关注的水环境方向公众号：
（1）污水处理工作室
（2）农村污水
（3）水环境与水生态
（4）水环境碳达峰碳中和碳足迹
小编赵博士微信交流：
