厌氧氨氧化的简介李权全解
厌氧发酵和厌氧氨氧化
厌氧发酵和厌氧氨氧化
厌氧发酵是指微生物在缺氧条件下通过代谢有机物质产生能量
的过程。
这个过程产生了一些有用的产物，例如乳酸、酒精和醋酸等。
这些产物被广泛用于食品加工、化工和医药等领域。
厌氧氨氧化是指微生物在缺氧条件下利用氨气产生能量的过程。
这个过程产生了一些有用的产物，例如硝酸盐和亚硝酸盐等。
这些产物在环境保护和水处理等领域起着重要的作用。
厌氧发酵和厌氧氨氧化都需要特殊的微生物来完成这些代谢过程。
这些微生物通常生活在极端环境中，例如深海、高山和沼泽等地方。
因此，研究这些微生物和它们的代谢过程对于我们了解生命的奥秘和开发新的技术具有重要意义。
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厌氧氨氧化工艺在污水处理中的研究进展.
厌氧氨氧化工艺在污水处理中的研究进展摘要:厌氧氨氧化 (anaerobic ammonia oxidation , 简称 anammox 工艺是一种新型高效的脱氮技术。
综述了厌氧氨氧化工艺的生物学原理、特点及其主要影响因子,归纳了其在不同污水中的研究和应用进展,展望了厌氧氨氧化今后的研究方向。
关键词:厌氧氨氧化影响因子高氨氮研究进展随着人口的增加,工农业的发展以及城市化步伐的加快,含有高浓度氮磷物质的生活污水、工业废水和农田地表水径流汇入湖泊、水库、河流和海湾水域,使藻类等植物大量繁殖,导致水体的富营养化,因此以控制富营养化为目的的脱氮除磷已成为世界各国主要的奋斗目标。
高氨氮废水往往碳源不足,厌氧氨氧化工艺不需要额外的投加碳源,在缺氧条件下能够实现氨氮的高效去除,而且工艺流程短,运行费用低,因此吸引了国内外学者的广泛研究。
本文归纳了厌氧氨氧化工艺在不同污水中的研究和应用进展。
1 厌氧氨氧化工艺的微生物学原理厌氧氨氧化是指在厌氧条件下,厌氧氨氧化菌以 nh3-n 为电子供体,以 no2-n 为电子受体,将 nh3-n 和 no2-n 同时转化成 n2,以实现废水中氮素的脱除。
郑平通过研究厌氧氨氧化菌混培物的基质转化特性,认为除被证实的硝酸盐外, no2-n 和 n2o 也能作为厌氧氨氧化的电子受体, 将 nh3-n 转化为 n2。
厌氧氨氧化工艺作为一种新型高效的脱氮技术,与传统的污水脱氮除磷工艺比较,具有耗氧量少、无需外加碳源、污泥产量低和无二次污染等众多优点。
2 影响厌氧氨氧化的主要因子2.1 基质浓度通常, nh3-n 和 no2-n 是厌氧氨氧化的限制基质。
国内众多学者证明 no2-n 和nh3-n 的比率对厌氧氨氧化工艺脱氮效率影响较大,张树德等提出进水中适宜的no2-n 和 nh3-n 比值为 1.3,而杨岚认为当进水 no2-n 与 nh3-n 比值为 1.16时,利于厌氧氨氧化反应的进行。
厌氧氨氧化反应器
厌氧氨氧化反应器中的微生物通过厌 氧氨氧化反应，将氨和亚硝酸盐作为 电子供体和受体，进行氧化还原反应 ，生成氮气和能量。
厌氧氨氧化反应器的应用领域
01
02
03
污水处理
厌氧氨氧化反应器可用于 污水处理厂，提高脱氮效 率，减少能源消耗和温室 气体排放。
生物能源
厌氧氨氧化反应器可以用 于生产生物能源，如氢气 和甲烷，为可再生能源提 供新的途径。
。
03
与生物滤池结合
利用生物滤池提供生物膜载体，提高厌氧氨氧化反应器的处理能力。
CHAPTER
05
厌氧氨氧化反应器的未来展望
厌氧氨氧化反应器在污水处理领域的应用前景
高效脱氮
厌氧氨氧化反应器能够实现高效脱氮，降低污水处理过程中的氮 排放，有助于改善水体质量。
节能降耗
相较于传统的硝化反硝化过程，厌氧氨氧化反应器在处理过程中不 需要额外投加碳源，降低了能耗和物耗。
厌氧氨氧化反应器
汇报人：可编辑 2024-01-04
CONTENTS
目录
• 厌氧氨氧化反应器简介 • 厌氧氨氧化反应器的设计和运行 • 厌氧氨氧化反应器的微生物学 • 厌氧氨氧化反应器的研究进展 • 厌氧氨氧化反应器的未来展望
CHAPTER
01
厌氧氨氧化反应器简介
定义与工作原理
定义Байду номын сангаас
厌氧氨氧化反应器是一种生物反应器 ，用于在厌氧条件下将氨和亚硝酸盐 转化为氮气，同时产生能量。
生物质能利用
厌氧氨氧化反应器可以应用于生物质能利用领域，实现生 物质的厌氧发酵和产气，同时去除废水中的氨氮。
厌氧氨氧化反应器面临的挑战与解决方案
技术成熟度
厌氧氨氧化应用于城市主流污水处理工艺的研究进展
厌氧氨氧化应用于城市主流污水处理工艺的研究进展厌氧氨氧化应用于城市主流污水处理工艺的研究进展一、引言城市化进程的加快导致城市污水处理成为一个重要议题。
传统的城市污水处理工艺主要包括物理处理、生物处理和化学处理等步骤。
然而，这些传统工艺存在着一些问题，如能源消耗、处理效率低等。
因此，寻找一种新的高效、环保的污水处理技术成为迫切的需求。
厌氧氨氧化是一种新兴的污水处理技术，具有高效、节能、减排的特点，因此被广泛研究和应用于城市主流污水处理工艺中。
本文将对厌氧氨氧化应用于城市主流污水处理工艺的研究进展进行综述。
二、厌氧氨氧化原理厌氧氨氧化是一种类似于硝化反应的过程，通过厌氧条件下的微生物代谢，在无氧环境中将氨氮氧化为亚硝酸氮。
与传统的硝化反应相比，厌氧氨氧化不需要耗氧，因此减少了能源消耗，并能够产生较少的氮氧化物。
厌氧氨氧化反应主要由两步反应组成。
首先是氨氧化细菌（AOB）通过氨单加氧化酶催化将氨氮转化为亚硝酸氮。
接着，异硝酸氧化细菌（NOB）嫁接亚硝酸氮来获得能量，并将其氧化为硝酸氮。
这两步反应一般会同时进行，因为AOB和NOB在自然环境中共存。
三、厌氧氨氧化的优势和挑战厌氧氨氧化具有以下优势：1. 高效处理氮污染：厌氧氨氧化的反应速率较传统硝化反应快，能够更高效地处理城市污水中的氮污染物。
2. 节能减排：由于厌氧氨氧化不需要耗氧，因此相比传统工艺能够节约大量的能源，并且减少氮氧化物的生成，减轻了对环境的负面影响。
3. 减少污泥产量：相比传统工艺，厌氧氨氧化过程中减少了生化污泥的产生，减轻了后续处理的负担。
然而，厌氧氨氧化的应用也面临一些挑战：1. 厌氧氨氧化微生物的筛选和培养：厌氧氨氧化微生物的筛选和培养是厌氧氨氧化技术推广应用的关键，目前仍存在一些困难。
2. 受限的应用范围：厌氧氨氧化对于污水中COD/N比例的要求较高，有一定的应用限制。
3. 厌氧氨氧化反应机理研究不足：厌氧氨氧化的反应机理尚不完全清楚，需要进一步的研究来揭示其反应过程和微生物代谢途径。
厌氧氨氧化技术原理及在市政污水系统中运用难点
厌氧氨氧化技术原理及在市政污水系统中运用难点1、厌氧氨氧化原理Anammox是在无氧条件下，以氨为电子供体、亚硝酸为电子受体，产生氮气和硝酸的生物反应。
Anammox包括两个过程：一是分解（产能）代谢，即以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，两者以1:1的比例反应生成氮气，并把产生的能量以ATP的形式储存起来；二是合成代谢，即以亚硝酸盐为电子受体提供还原力，利用碳源二氧化碳以及分解代谢产生的ATP合成细胞物质，并在这一过程中产生硝酸盐。
厌氧氨氧化菌是厌氧氨氧化的实施者。
厌氧氨氧化的发生进程主要分为两大步：“第一个过程是部分亚硝化，在这个过程中只有大约55%的氨氮需要转化为亚硝酸盐氮;第二个过程是厌氧氨氧化(Anammox)，氨氮在厌氧条件下，被亚硝酸氮作为电子受体，氧化成氮气。
因此它也被称作PN/A工艺。
在这过程中，大约89%的无机氮都将被转化产生氮气，另外11%的无机氮被转化为硝酸盐氮，与传统硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺有着巨大的技术优势，其曝气能耗只有传统工艺的55-60%;该工艺几乎无需碳源，如果为了去除硝酸盐产物需要在厌氧氨氧化过程中投加碳源，其投加量也比传统工艺中碳源投加量降低90%;厌氧氨氧化工艺可以减少45%碱度消耗量。
同时，厌氧氨氧化工艺的污泥产量也远低于传统脱氮工艺，这将显著降低剩余污泥的处理和处置成本。
2、厌氧氨氧化在市政污水应用的难点在全球范围内的厌氧氨氧化工程统计中，75%的项目是处理污泥消化液。
消化污泥脱水液水质水量特点非常适合厌氧氨氧化工艺。
正是因为消化液上述特点，工程主要用于污泥消化液的高温高浓度氨氮废水处理(35 ℃，NH4-N> 1000 mg/L)，如今工程界都将目光投到主流厌氧氨氧化上。
市政污水的氨氮浓度约为15-50mg/L，水温为8-25℃。
面对这样的条件，anammox菌的活性一般会下降。
在主流污水处理系统中为anammox菌创造合适的生存条件是目前需要解决的挑战，包括了anammox和AOB菌（氨氮化菌，将氨氮转化成亚硝酸盐）的富集，以及NOB菌（亚硝酸盐氧化菌，将亚硝酸盐转化成硝酸盐）的抑制等。
建筑知识-厌氧氨氧化反应原理、工艺影响因素及应用
厌氧氨氧化反应原理、工艺影响因素及应用厌氧氨氧化是指在缺氧条件下，以亚硝酸盐为电子受体，将氨氧化成氮的过程。
这个过程是由一种叫做“厌氧氨氧化细菌〃的特殊厌氧微生物催化的。
更重要的是，厌氧氨氧化在污水处理领域显示出良好的应用潜力。
目前，厌氧氨氧化是指在缺氧条件下，以亚硝酸盐为电子受体，将氨氧化成氮的过程，由一种独特的厌氧微生物“厌氧氨氧化细菌〃催化；更重要的是，厌氧氨氧化在污水处理领域显示出良好的应用潜力。
目前，厌氧氨氧化工艺及其应用己成为研究热点。
本文重点介绍厌氧氨氧化细菌的生物学特性、厌氧氨氧化反应的原理、厌氧氨氧化过程的影响因素及其实际工程应用。
引言随着城市人口的增加和工业化水平的发展，我国水污染问题日益突出，水体富营养化问题加剧，因此城市污水处理成为目前的热点。
与其他脱氮工艺相比，厌氧氨氧化反应不仅表现出更好的脱氮性能, 而且不需要添加有机碳源作为电子供体，节约了成木，防止了添加碳源带来的二次污染；避免了温室气体的排放，实验所需的占用空间也减少了[2]。
2厌氧氨氧化细菌的生物学特性厌氧氨氧化细菌作为一种漂浮霉菌，必须具备漂浮霉菌细胞的所有特性。
浮模有一种非常独特和典型的细胞结构：膜包裹形成的亚细胞结构。
这种漂浮霉菌的特征结构也体现在厌氧氨氧化细菌上，如图2所示。
透射电镜分析表明厌氧氨氧化细菌有自己独特的被膜包裹的细胞器，称为厌氧氨氧化体。
从图1可以看出，厌氧氨氧化细菌由外向内由八部分组成：（2）细胞壁;⑵细胞质膜；⑶PP质量；⑷胞质膜；⑸核糖体；⑹细胞核；⑺厌氧氨氧化膜；（8）厌氧氨氧化物。
3厌氧氨氧化过程的影响因素（1）温度, 主要影响酶的活性，进而影响厌氧氨氧化反应。
郑平［2］研究表明，当温度从15上升到35时，反应速率加快；当温度升至35时，反应速率降低，因此最佳温度为30左右。
厌氧氨氧化细菌的最佳生存温度为30~35o （2）pH和pH对厌氧氨氧化菌有两方而的影响。
一方而是厌氧氨氧化菌的耐受性，另一方面也影响基质的平衡。
厌氧氨氧化
厌氧氨氧化厌氧氨氧化作用即在厌氧条件下由厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐为电子受体，将氨氮氧化为氮气的生物反应过程。
这种反应通常对外界条件（pH值、温度、溶解氧等）的要求比较苛刻，但这种反应由于不需要氧气和有机物的参与，因此对其研究和工艺的开发具有可持续发展的意义。
厌氧氨氮化一般前置短程硝化工艺，将废水中的一部分氨氮转化成亚硝酸盐。
目前在处理焦化废水、垃圾渗滤液等废水方面已经有成功的运用实例。
厌氧氨氧化是一个微生物反应，反应产物为氮气。
具有一些优点：由于氨直接作反硝化反应的电子供体，可免去外源有机物(甲醇)，既可节约运行费用，也可防止二次污染；由于氧得到有效利用，供氧能耗下降；由于部分氨没有经过硝化作用而直接参与厌氧氨氧化反应，产酸量下降，产碱量为零，这样可以减少中和所需的化学试剂，降低运行费用，也可以减轻二次污染。
厌氧氨氧化（Anammox)厌氧氨氧化的发现Broda的预言1977年，奥地利理论化学家Broda根据化学反应热力学，预言自然界存在以硝酸盐或亚硝酸盐为氧化剂的氨氧化反应，因为与以氧为氧化剂的氨氧化反应相比，它们释放出的自由能一点也不逊色。
序号电子受体化学反应ΔG/（KJ/mol)1 氧 2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H+ -2412 亚硝酸盐NH4++NO2-→N2+2H2O -3353 硝酸盐5NH4++3NO3-→4N2+9H2O+2H+ -278 既然自然界存在自养型亚硝化细菌，能够催化反应1，那么理论上也应该存在另一种自养型细菌，能够催化反应2和反应3。
由于当时这种细菌还没有被发现，所以，Broda 认为它们是隐藏于自然界的自养型细菌。
Mulder的发现20世纪80年代末，荷兰Delft工业大学开始研究三级生物处理系统。
在试运期间，Mulder等人发现，生物脱氮流化床反应器除了进行人们所熟知的反硝化外，还进行着人们未知的某个反应使氨消失了。
进一步观察发现，除了氨不明去向外，硝酸盐和亚硝酸盐也有一半以上不明去向。
污水处理中的厌氧氨氧化技术
拓宽应用范围
厌氧氨氧化技术适用于多种 类型的废水处理，包括工业 废水、城市污水等，具有广 泛的应用前景。
对未来研究的展望
深入研究反应机制
开发高效反应器
进一步深入研究厌氧氨氧化 技术的反应机制和微生物学 特性，有助于优化反应过程
和提高处理效率。
研发高效、稳定的厌氧氨氧 化反应器是未来的研究重点 ，有助于实现技术的规模化
应用。
拓展应用领域
加强工程实践研究
将厌氧氨氧化技术应用于更 多类型的废水处理领域，如 高盐废水、含重金属废水等
，以拓宽其应用范围。
加强厌氧氨氧化技术在工程 实践中的应用研究，不断完 善技术的实际运行效果和经
济效益。
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pH值
厌氧氨氧化反应的最佳pH值为7.0-8.0。
温度
厌氧氨氧化反应的最佳温度为30-40℃。
停留时间
厌氧氨氧化反应的停留时间一般为2-4小时。
溶解氧
厌氧氨氧化反应中，溶解氧的浓度应低于0.5mg/L。
03
厌氧氨氧化技术的优势与 挑战
厌氧氨氧化技术的优势
节能减耗
厌氧氨氧化技术是一种节能的污水处 理技术，相较于传统的硝化反硝化过 程，可以显著降低能耗。
例如，在北京某大型城市污水处理厂中，通过引入厌氧氨氧化技术，成功实现了高 浓度氨氮废水的处理，并取得了良好的处理效果。
工业废水处理中的应用案例
工业废水成分复杂，处理难度较大。厌氧氨氧化技术在此领域的应用，为工业废水处理提供了新的解 决方案。
在实际应用中，针对不同行业的工业废水，通过合理的工艺设计和参数优化，可以实现高效脱氮，降低 处理成本。
该反应不产生有毒物质，且氮气是自然界的非 活性气体，因此厌氧氨氧化技术是一种环境友 好的污水处理方法。
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厌氧氨氧化菌为化能自养型细菌,以二氧化碳作为唯 一 碳源，通过将亚硝酸氧化成硝酸来获得能量，对氧敏 感。
三、特殊的细胞膜
其生物膜的脂 质由五个碳环融合在 一起形成一个密集的 阶梯。这种“梯形烷” 脂质是独特的，这种 结构使得该膜非常致 密，所以能够阻止联 氨泄漏到细胞其余地 方。目前Elias Corey已经在实验室 构造出该脂质的结构。
Anammox 的反应机理
一．反应方程式
其中包括了分解代谢，合成代谢。 1.分解代谢： 2.合成代谢：
其中NO2-具有双重作用，一是作为厌氧氨氧化反应的电子受体；二是作 为无机碳源固定的电子供体。
二、厌氧氨氧化的代谢过程
1、1997年，Van de Graaf 等通过15N 标记实验发现： 厌氧氨氧化是以NO2-而不是NO3-为电子受体 。 羟胺和联氨ANAMMOX反应的重要代谢中间
3 ） 、 根据宏基因组测序，厌氧氨氧化菌还存在一种特殊 的酶（Kustc也能促进厌氧氨氧化反应的试验现 象。
Anammox 的影响因素
氧 温度（30~35） 超过45会不可逆失活
有抑制作用，微氧条件 (<0.5%空气饱和度) 可完 全抑制，但该抑制作用是 可逆的；大于18%空气饱 和度，菌群不可恢复。
• NH4++ HCO3-+ 0.75O2→ 0.5NH4++ 0.5NO2-+ CO2+ 1.5H2O • NH4++ 1.32NO2-+ 0.066HCO3+ 0.13H+→
1.02N2+ 0.26NO3-+ 0.066CH2O0.sN0.1s+ 2.03H2O
一．优点
分别在两个反应器内实现部分硝化和厌氧氨氧化，能优化两类细菌 的生存环境，运行性能稳定。
Anammox细菌的特征：
一．个体形态特征：
厌氧氨氧化菌形态多样,呈球形、卵形等，直径0.81.1μm。厌氧氨氧化菌是革兰氏阴性菌。细胞外无荚 膜。 细胞壁表面有火山口状结构，少数有菌毛。. 细胞内分隔 成 3 部 分 ： 厌 氧 氨 氧 化 体 (anammoxosome)、核糖细胞质 (riboplasm )及外室细胞 质(paryphoplasm )
承受限度（6.7~8.3） 影响基质的有效性
pH
泥龄（越长越好）
影响 因素
基质浓度
亚硝酸盐是一种的毒性基质，一 旦浓度过高，会对厌氧氨氧化菌 产生明显的抑制作用；氨浓度和
硝酸盐浓度低于1000 mg/L
Anammox的工程应用
•Sharon-Anammox工艺是一种将短程硝化和厌氧
氨氧化联合的脱氮工艺（荷兰Delft大学2001年开发 的）。
厌氧氨氧化（Anammox ）
❖ 厌氧氨氧化的发现与发展 ❖ 厌氧氨氧化菌的介绍 ❖ 厌氧氨氧化的反应机理 ❖ 厌氧氨氧化的工程应用
Anammox 的发现与发展
•1977年， Broda根据自由能的变化，预言自然界中存在着能催化亚硝酸
和硝酸氧化氨的细菌，认为它们是隐藏于自然界的自养型细菌。
•1995年，Mulder和Kuene等用流化床反应器研究生物反硝化时，发现了
补充说明：
在联氨氧化成氮气的过程中,可产生4个电子,这4个电子通过细胞 色素c、泛醌、细胞色素bc1复合体以及其他细胞色素c传递给NiR和HH, 其中3个电子传递给NiR,1个电子传递给HH.伴随电子传递,质子被排放至 厌氧氨氧化体膜外侧,在该膜两侧形成质子梯度,驱动ATP合成
3、比较分析 1）、厌氧氨氧化过程中亚硝酸盐确实变成了NO。 2 ） 、 与之前科学家们猜测的NO2- 被还原成NH2OH极大 地不同。更令人惊讶的是，经过大量的试验证实，厌氧氨 氧化菌内根本不存在羟氨合成酶。
2、2006年，Strous通过对厌氧氨氧化菌的宏基因组图谱分析 提出了氮元素的转化过程主要分三步：
Nir：亚硝酸还原酶 HZS：联氨合成酶 HDH：联氨水解酶
过程分析：
从厌氧氨氧化菌中分离获得的HAO
它不能将羟氨转化成亚硝酸，
只能将其转化成NO或N20. 该酶可以催化氧化联氨，但对
羟氨的亲和力更强。
产物，羟胺可能来自NO2-，联氨转化为N2的过程被假定为 给NO2-还原成羟胺提供电子。
而且有少量的NO2-转化为NO3-，可能是为了 给厌氧氨化菌固定碳提供电子。
NiR：亚硝酸还原酶 Cyt C:细胞色素C氧化酶 HZO：可以催化氧化联氨的一种酶，
它可以与羟胺结合，但不会 对它进行催化氧化 HH：联氨水解酶
•CANON工艺是一种在同一个反应器内实现亚硝化
和厌氧氨氧化的脱氮工艺（荷兰Delft大学2001年开 发的）。
Sharon-Anammox工艺
一．基本原理
在两个反应器内，先在一个反应器内有氧条件下，利用氨氧化细菌 将NH4+氧化生成NO2-；然后在另一个反应器缺氧条件下，以NH4+为 电子供体，将NO2-反硝化。
氨氮的厌氧生物氧化现象，从而证实了Broda的预言。
•1998年，荷兰Paques公司和代尔夫特理工大学（TU Delft）于首次发展
了厌氧氨氧化反应器。
•2002年，世界第一座Anammox工业化生产反应器在荷兰鹿特丹污水处
理厂投入运行。
•2006年，Strous等人完成对厌氧氨氧化菌的宏基因组测序
CANON工艺
一．基本原理
亚硝化菌在有氧条件下把NH4+化成NO2-，厌氧氨氧化菌则在无氧条件下把 NH4+和NO2-转化为N2，即利用亚硝化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用，在同 一个反应器中完成亚硝化和厌氧氨氧化。
• NH4+ + 1. 5 O2 →NO2- + H2O + 2H+ • NH4+ + 1. 3NO2- →1. 02N2 + 0. 26NO3-+ 2H2O • NH4+ + 0. 85O2 → 0. 43N2 + 0. 13NO3-+ 1. 3H2O + 1. 4H+
二、优点
限氧条件下进行节约供氧量理论上节约供氧62.5%
硝化50%的氨氮控制在亚硝化阶段节约碱度50%
Anammox优势
• 降低能耗：由于厌氧氨氧化工艺是在厌氧条件下直接将氨
氮和亚硝氮转化成氮气，同时在好氧段只需将氨氮氧化为 亚硝氮，省略后续亚硝氮氧化为硝态氮，所以节省了曝气 量。