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亚硝化-厌氧氨氧化组合反应器工艺性能的多维度解析与优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化和城市化的快速发展，污水排放量日益增加，污水中的氮污染物对水环境造成了严重威胁。水体中氮含量过高会引发一系列环境问题，其中最突出的就是水体富营养化。当水体中氮、磷等营养物质大量积累时，会促使藻类等浮游生物迅速繁殖，形成水华或赤潮现象。这些藻类过度繁殖不仅会消耗水中大量的溶解氧，导致水体缺氧，使鱼类等水生生物因缺氧而死亡，破坏水生生态系统的平衡；还会分泌毒素，影响饮用水源的水质安全，对人类健康构成潜在威胁。此外，污水中的氮还可能以氨氮、硝酸盐等形式存在，这些物质在一定条件下会转化为有害的亚硝酸盐，进一步加剧水质恶化。

传统的生物硝化-反硝化工艺是常见的污水脱氮方法，该工艺通过将氨氮氧化为硝酸盐氮，再在缺氧条件下将硝酸盐氮还原为氮气，从而实现氮的去除。然而，这种工艺存在诸多局限性。在处理低C/N（碳氮比）废水时，如垃圾渗滤液、消化污泥脱水液等，当C/N＜4时，反硝化容器体积需要提高1.5-1.7倍；当C/N＜2.5时，如果没有外加有机碳源，反硝化就无法有效地进行。这不仅增加了处理成本，还使工艺的运行变得复杂。传统工艺还存在动力消耗大、需额外投加碱度、产泥量大等问题，容易造成二次污染，处理成本高昂，难以满足日益严格的环保要求和可持续发展的需求。

亚硝化-厌氧氨氧化组合反应器工艺作为一种新型的生物脱氮技术，为解决上述问题提供了新的思路和方法。其基本原理是先通过亚硝化过程，在好氧条件下由亚硝化细菌将部分NH??-N氧化为NO??-N；然后在厌氧条件下，利用厌氧氨氧化菌以NO??-N为电子受体，将剩余的NH??-N直接氧化为氮气。该工艺具有诸多显著优势，它能够节省约50%的氧气供应，因为在传统硝化过程中，将氨氮完全氧化为硝酸盐氮需要消耗大量氧气，而亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺只需将部分氨氮氧化为亚硝酸盐氮即可；同时，无需外加有机碳源，这对于低C/N废水的处理尤为重要，避免了因添加有机碳源带来的成本增加和潜在的二次污染问题；污泥产量也相对较低，减少了后续污泥处理的负担和成本。

研究亚硝化-厌氧氨氧化组合反应器工艺的性能对污水处理领域具有重要的现实意义。从环境角度来看，该工艺能够更有效地去除污水中的氮污染物，降低水体富营养化的风险，保护水环境的生态平衡，减少对水生生物和人类健康的危害。在经济层面，其节能、无需外加有机碳源以及低污泥产量的特点，能够显著降低污水处理的成本，提高污水处理厂的运行效益，使其在经济上更具可行性和可持续性。在技术发展方面，深入研究该工艺的性能有助于推动污水处理技术的创新和进步，为解决其他类型废水的处理问题提供借鉴和参考，促进整个污水处理行业向更加高效、环保的方向发展。

1.2国内外研究现状

国外对亚硝化-厌氧氨氧化组合反应器工艺的研究起步较早。20世纪90年代，Mulder在反硝化流化床中发现了厌氧氨氧化（ANAMMOX）反应，揭示了在厌氧状态下，以NO??-N为电子受体，可直接将NH??-N氧化成氮气的新型脱氮反应，为该组合工艺的发展奠定了理论基础。随后，荷兰Delft大学的研究团队在该领域取得了一系列开创性成果，他们深入研究了厌氧氨氧化菌的生理特性、代谢途径以及工艺运行条件，成功实现了亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺在实验室规模的稳定运行，并将其应用于实际废水处理中，如污泥消化液的处理。

在工艺类型方面，国外学者开发了多种亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺。例如，SHARON-ANAMMOX工艺，这是一种二级反应工艺，在两个不同的反应器中分别实现亚硝化和厌氧氨氧化。通过控制SHARON反应器的温度（30-35℃）、水力停留时间等反应条件，使氨氧化停留在亚硝化阶段，将原废水中50％的NH??-N转化为NO??-N，保证出水中NH??-N与NO??-N的比值在1：1左右；再将其引入ANAMMOX反应器进行厌氧氨氧化反应，从而实现氮素的高效脱除。OLAND、CANON、SNAP等单级反应工艺也得到了广泛研究和应用。OLAND工艺利用溶解氧的限制，在同一反应器中实现部分亚硝化和厌氧氨氧化；CANON工艺通过控制溶解氧和pH等条件，实现完全自养脱氮；SNAP工艺则是基于厌氧氨氧化和部分亚硝化的单级脱氮工艺。

在影响因素研究上，国外学者对温度、溶解氧、pH值、基质浓度等因素进行了深入探讨。研究表明，ANAMMOX反应的最佳温度通常在30-40℃之间，在此温度范围内，厌氧氨氧化菌的活性较高，反应速率较快。温度高于30℃时，氨氧化菌（AOB）的