厭氧氨氧化技術現(xiàn)狀、研究進展及主要影響因素

王沙沙，潘 陽，譚宇杰，甄廣印，2，陸雪琴，3

（1. 華東師范大學 生態(tài)與環(huán)境科學學院，上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復重點實驗室，上海200241；2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092；3.崇明生態(tài)研究院，上海 200062）

1 引言

作為典型的廢水之一，高氨氮廢水具有低碳氮比和較差可生化性的特征，傳統(tǒng)的處理方法除氮效率低、效果較差。厭氧氨氧化（Anammox） 技術，不僅可以節(jié)約碳源、減少供氧量和二次污染，而且脫氮效率高，能有效降低污水脫氮處理過程中的運行成本，給高氨氮廢水中氨氮的去除提供了一種新的思路，從而得到了更多的關注。但是，Anammox 技術也面臨著一些困境和挑戰(zhàn)，如厭氧氨氧化菌培養(yǎng)緩慢、啟動時間長、細胞產(chǎn)率低、對外界環(huán)境敏感性高等，阻礙了其大規(guī)模的推廣應用［1］。隨著Anammox 技術的研究發(fā)展，有必要對其技術現(xiàn)狀、研究進展及其主要影響因素等進行詳細總結和全面分析，為Anammox 技術應用和未來發(fā)展提供理論和技術參考。因此，本研究對Anammox 的原理、技術現(xiàn)狀進行闡述，并討論了Anammox 技術的主要影響因素。

2 原理

Anammox 是指在厭氧條件下，以亞硝酸鹽作為電子受體，氨作為電子供體，同時生成氮氣的生物反應，它是目前最為經(jīng)濟高效的脫氮技術［1］，與傳統(tǒng)的脫氮工藝，即硝化/反硝化相比，該技術具有非常突出的優(yōu)勢，不同脫氮方式的對比見表1。

表1 不同脫氮方式的對比

圖2 Anammox 技術發(fā)展史

Anammox 原理示意見圖1，由圖1 可知，硝化是指在有氧的條件下，氨氮經(jīng)亞硝酸細菌（AOB） 和硝酸細菌（NOB） 的作用轉化為硝酸的過程，反硝化作用是指在缺氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽及亞硝酸鹽還原為氮氣的過程，其化學方程式如下所示：

而Anammox 是厭氧氨氧化菌（AnAOB） 直接利用亞硝氮和氨氮發(fā)生反應轉化為氮氣，亞硝酸鹽與氨分別位于細胞膜的細胞質與厭氧氨氧化體兩側。當細胞質一側的亞硝酸鹽被還原成羥胺時，能夠跨膜的聯(lián)氨水解酶將其轉運到厭氧氨氧化體一側，然后羥胺在聯(lián)氨水解酶催化作用下與氨縮合形成聯(lián)氨，從而被厭氧氨氧化體一側的聯(lián)氨還原酶還原為氮氣［5］。

該技術可以節(jié)省62.5%的供氧量和100%的外加碳源，在該過程中不需要額外投加酸堿中和劑，N2O 和NO 等溫室氣體的排放量有所減少，污泥產(chǎn)生量也減少了90%［3］，因此，Anammox 技術不僅可以減少二次污染，而且脫氮效果較好，很大程度上減少了污水脫氮處理過程中的運行成本。

圖1 Anammox 原理示意

3 技術現(xiàn)狀

Anammox 技術發(fā)展歷史見圖2。

1995 年，荷蘭Delft 大學的研究人員在一個生物脫氮流化床反應器中發(fā)現(xiàn)了Anammox 現(xiàn)象［6］。這個發(fā)現(xiàn)給眾多致力于污水脫氮處理的科研人員帶來了新的研究思路，自此之后，相關科研人員開始積極探索與開發(fā)應用新型的生物脫氮技術，從而早日研發(fā)出可以方便快速、經(jīng)濟高效去除污水中的氨氮的新技術。在Anammox 反應過程中，發(fā)揮主要作用的就是厭氧氨氧化菌，厭氧氨氧化菌種是該生物反應器的核心，該菌廣泛存在于環(huán)境中，如海洋、湖泊和河底土壤生態(tài)系統(tǒng)等［7］，但是其在自然環(huán)境中存在的數(shù)量較少。若想要讓接種污泥表現(xiàn)出明顯的Anammox 功能，就需對其進行一定時間的馴化和精心培養(yǎng)，只有當厭氧氨氧化菌種富集達到一定的數(shù)量時，才會表現(xiàn)出較明顯的Anammox 功能，Anammox 是一個比較緩慢的過程。

2002 年，在荷蘭鹿特丹污水廠建成并運行世界上第1 座生產(chǎn)性的Anammox 反應器［8］。隨后，越來越多的科研人員開始進行Anammox 的相關研究，實驗室規(guī)模以及工業(yè)化的Anammox 反應器也逐漸發(fā)展起來，在世界范圍內(nèi)Anammox 工程性裝置的數(shù)量也呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。有一項調(diào)查指出，全世界已經(jīng)有了110 多個全規(guī)模的Anammox裝置［9］，見圖3。目前，該工藝在處理污泥消化液的領域已經(jīng)逐漸成熟［10］，其在發(fā)酵工業(yè)廢水、垃圾滲濾液、養(yǎng)殖廢水等高氨氮廢水處理領域的推廣也在逐漸開展。但受科研水平以及自然條件等因素的限制，該技術在我國起步較晚。由于我國大部分地區(qū)的氣溫并不適合Anammox，使得Anammox 反應器的工業(yè)化應用在我國的開展比較困難。

圖3 全規(guī)模厭氧氨氧化廠的地理分布

4 影響因素

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化菌有6 個屬，包括Candidatus“Brocadia”、Candidatus“Anammoxoglobus”、Candidatus“Jettenia”、Candidatus“Kuenenia”、Candidatus“Anammoximicrobium”和Candidatus“Scalindua”。其中，前5 個屬是淡水厭氧氨氧化菌，最后1 個屬是海水厭氧氨氧化菌［11］。由于菌體內(nèi)含有大量的血紅素［12］，成熟的Anammox 污泥呈現(xiàn)出深紅色的顆粒狀。想要利用Anammox 高效地處理廢水，就需要保證Anammox反應能夠高效穩(wěn)定地運行，同時要保證足夠的厭氧氨氧化菌的數(shù)量，防止其流失，這也是將其投入工程化應用的主要目標。但由于厭氧氨氧化菌生長非常緩慢、倍增時間較長、對環(huán)境要求高，使得該反應在啟動和穩(wěn)定運行方面面臨著諸多困難。Anammox 工藝處理污水過程中存在著廢水中NH4+/NO2-失衡、厭氧氨氧化菌對生活污水等復雜水質的適應能力差、反應器啟動時間長和對環(huán)境變化敏感等問題［13］，所以不僅要求反應器要能夠富集微生物、保證微生物盡量不流失，而且要嚴格控制環(huán)境條件，縮短Anammox 的啟動時間，維持短程硝化的長期穩(wěn)定。目前，Anammox 技術的工業(yè)化應用急需解決的問題主要有2 個方面：①縮短Anammox 的啟動時間；②保證Anammox 反應的長期穩(wěn)定［14］。影響Anammox 反應的因素主要有如下4 個方面：

4.2 反應器啟動慢

由于厭氧氨氧化菌生長緩慢、世代時間長，其最大比增長率為0.002 7 h-1［15］，細胞產(chǎn)率僅為0.11 g/g，其倍增時間長達10～15 d［17］，這也導致Anammox 工藝啟動時間較長，世界上的第1 個Anammox 生產(chǎn)性裝置的啟動時間長達3.5 a［18］。丁爽等［19］在研究生產(chǎn)性短程硝化-Anammox 裝置處理制藥廢水的啟動性能時，盡管在Anammox 過程中接種污泥含有部分Anammox 污泥，該工程從啟動到正常運行也將近1.5 a。由此可見，如果將Anammox 投入生產(chǎn)性裝置，必然需要很長的啟動時間才能夠達到理想的脫氮效果，部分Anammox反應器運行情況見表2。

表2 部分Anammox 反應器的運行情況

Anammox 反應啟動時間的長短視接種污泥種類［13］、反應器類型、實驗操作方式、實驗條件等因素而定，長則3～4 a，短則1～2 a。但Anammox的高效穩(wěn)定運行又必須有足夠的厭氧氨氧化菌來保證，才能顯現(xiàn)出Anammox 活性。如果不能實現(xiàn)厭氧氨氧化菌的富集培養(yǎng)，就無法真正發(fā)揮其脫氮的作用，而富集厭氧氨氧化菌需要足夠的時間，這也是Anammox 反應器啟動時間比較長的原因。當然，這也是Anammox 的工程化應用所面臨的主要問題。倘若能早日解決Anammox 反應器啟動時間長的問題，必將更有利于Anammox 工程化應用的進一步推廣。

4.3 游離氨（FA） 和游離亞硝酸（FNA） 的抑制作用

Anammox 的處理對象一般都是含氮量比較高的廢水，而作為給Anammox 提供營養(yǎng)和能源的氨氮和亞硝酸鹽氮，也可能對Anammox 產(chǎn)生抑制作用。有研究表明，在實驗室規(guī)模和工業(yè)化的Anammox 反應器中，低濃度的氨氮和亞硝酸鹽氮可以作為基質，當氨氮和亞硝酸鹽氮的濃度提高到一定程度之后，便會抑制厭氧氨氧化菌的活性，這不僅可以抑制細菌生長，而且會干擾細菌的代謝過程。有研究表明，氨氮和亞硝酸鹽氮對Anammox 的影響主要是由其未離子化狀態(tài)即FA和FNA 引起的［27］。其中，F(xiàn)NA 比FA 對Anammox 的抑制作用更明顯，由于Anammox 反應的實驗操作條件、接種污泥、污泥結構以及污泥中微生物種類不同，F(xiàn)NA 和FA 的抑制濃度也不盡相同。根據(jù)查閱相關文獻，F(xiàn)A 的最低抑制濃度為2 mg/L，而FNA 的抑制濃度為1.5～213.0 μg/L［11］。為了保證反應的穩(wěn)定進行，必須控制反應體系內(nèi)FA 和FNA 的濃度，以避免其對Anammox 反應產(chǎn)生抑制作用，反應體系內(nèi)FA 和FNA 濃度的計算方式如下［11］：

式中：TAN 為總氨氮，TAN=NH4+-N+NH3-N；TNN 為總亞硝酸鹽氮，TNN=NO2--N+HNO2-N；T為反應溫度，℃。

4.4 對外界環(huán)境敏感度高

由于厭氧氨氧化菌特殊的生活習性，其對外界環(huán)境的敏感度比較高，溫度、pH、溶解氧（DO）、有機物、無機鹽等條件的變化都會對Anammox 反應產(chǎn)生影響。

1） 溫度。溫度是對生物反應影響比較大的一個因素，因為無論是參與反應的微生物還是在生物反應中發(fā)揮作用的相關的酶，都有溫度要求，過高或過低的溫度都會對生物反應產(chǎn)生抑制作用，有些抑制作用甚至是不可恢復的。所以，想要保證Anammox 反應的穩(wěn)定正常運行，就必須將反應體系的溫度控制在其最適溫度范圍之內(nèi)。而且在常溫下，亞硝酸鹽會迅速被氧化為硝酸鹽，而當溫度大于30 ℃時，才會有明顯的亞硝酸鹽積累［16］。有研究表明，Anammox 的最適溫度在30 ℃左右，一般情況下，厭氧氨氧化菌的活性隨著溫度的降低而降低，但是，溫度過高也會對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生非常不利的影響［28］。Dosta 等［29］研究表明，當反應溫度超過45 ℃之后就會導致細胞色素的丟失，進而對其產(chǎn)生不可逆的抑制作用。楊慶等［14］在用短程硝化耦合Anammox 工藝處理低C/N 比生活污水的過程中發(fā)現(xiàn)，溫度對濾池中Anammox 反應的影響較大，當濾池溫度降低至16 ℃時，厭氧氧化菌雖有活性，但活性比較低，當逐步把溫度升高到25 ℃后，其活性又逐漸恢復。然而，污水的溫度在自然狀態(tài)下難以達到Anammox 的最適溫度，要想達到理想的反應溫度，需對其進行適當加熱。但如果對其進行加熱，就會增加能耗，從而增加水的處理成本。所以，溫度問題也是Anammox 反應所面臨的主要問題之一，如果能夠通過實驗來馴化厭氧氨氧化菌，馴化其在常溫下或者低溫下高效脫氮的能力，那么Anammox 的應用便沒有那么多限制，這也會有助于進一步推廣Anammox 在低溫地區(qū)的應用。

2） pH。pH 和溫度一樣，也是對生物反應影響比較大的一個因素，在Anammox 反應中，pH對Anammox 產(chǎn)生的影響主要來自于其對基質和微生物的影響。根據(jù)Anammox 反應式可知，H+也是Anammox 反應所需要的底物之一，而pH=-lg[H+]，所以反應體系內(nèi)應保證有適量的H+存在。同時，pH 的變化也會對基質的濃度變化產(chǎn)生影響。研究表明，厭氧氨氧化菌的最適pH 范圍是7.5～8.0［30］，當pH 不在這個范圍內(nèi)時，就會抑制Anammox 反應。同時，由于pH 與FNA 和FA 的濃度之間的關系[公式（6）、（7）]，pH 的降低會增加溶液中FNA和FA 的濃度。Puyol 等［31］研究表明，當pH 低于7.1 時，對該反應產(chǎn)生主要抑制作用的是FNA。而當pH 大于8.0 時，F(xiàn)A 的含量急劇增大，這就容易抑制Anammox 工藝的性能，從而削弱反應體系的脫氮性能。所以，在Anammox 體系中，為了保證Anammox 反應的順利進行，必須要把pH 保持在一定范圍內(nèi)。

3） DO。由于厭氧氨氧化菌是嚴格厭氧菌，DO 的影響主要來自于對厭氧過程的抑制。較高濃度的氧氣會對Anammox 過程產(chǎn)生抑制作用，氧氣濃度過高時不利于厭氧氨氧化菌的存活和繁殖，甚至會導致厭氧氨氧化菌活性的完全喪失。此外，有足夠氧氣存在時，更有利于硝酸菌的生存，硝酸菌會與厭氧氨氧化菌競爭底物，進一步削弱Anammox 反應。所以必須要嚴格控制體系內(nèi)DO 的濃度。Kimura 等［32］在研究DO 的濃度對Anammox反應影響實驗中發(fā)現(xiàn)，當DO 的濃度超過2.5 mg/L時就能夠抑制Anammox 反應，但是，這種抑制作用是可逆的，DO 的濃度下降后，厭氧氨氧化菌又可以恢復其活性。

4） 有機物。厭氧氨氧化菌是一種化能自養(yǎng)型細菌，CO2是它的唯一碳源［33］，無需另外投加有機物。如果反應體系內(nèi)有機物含量過高，則會對其產(chǎn)生不利影響。因為有機物是反硝酸菌等異養(yǎng)菌的碳源，如果反應體系內(nèi)的有機物過多，會增強異氧型細菌與厭氧氨氧化菌的競爭作用，更有利于反硝化等反應的進行，造成反硝化細菌等異養(yǎng)菌的積累。與厭氧氨氧化菌相比，反硝化細菌增長速率高，世代周期短［34］，在與厭氧氨氧化菌的競爭中處于優(yōu)勢，使其成為反應體系內(nèi)的優(yōu)勢種，侵占厭氧氨氧化菌的生存空間，進而對Anammox 反應產(chǎn)生抑制作用，削弱體系內(nèi)的Anammox 反應。然而許多高氨氮的廢水中有機物的含量也比較高，如垃圾滲濾液、動物消化液和味精廢水等，倘若用Anammox 來處理此類廢水則不太恰當。假如要用Anammox 反應來處理某類廢水，必須要保證反應體系內(nèi)沒有過多的有機物存在，反應過程中也無需外加碳源。

5） 無機鹽。一般來說，高鹽度對于Anammox會產(chǎn)生抑制作用，所以Anammox 不適用于處理來自海鮮業(yè)、制藥業(yè)和垃圾填埋場等的高鹽度高氨氮廢水。到目前為止所發(fā)現(xiàn)的6 個屬的厭氧氨氧化菌種，有5 個屬存在于淡水，該類細菌易受到鹽類的抑制，而只有1 個屬能夠存在于海洋，該類細菌能夠適應高鹽度的環(huán)境。但有科研人員發(fā)現(xiàn)，在逐漸增加基質鹽度的情況下，可以馴化淡水菌，使其適應高鹽度的生活，而不至于對Anammox 反應產(chǎn)生抑制作用。Nakajima 等［35］已經(jīng)利用柱式反應器連續(xù)培養(yǎng)，成功地在高鹽度環(huán)境中富集出厭氧氨氧化菌。但目前還是缺乏該方面的相關研究，如果能夠大量培養(yǎng)此類細菌，Anammox 應用于高鹽度廢水就會早日成為現(xiàn)實。

5 結束語

Anammox 技術作為近20 多年來興起的新技術，對于脫氮技術的進程來說，是個新的里程碑。與其他脫氮技術相比，Anammox 因為低能耗、無污染、經(jīng)濟效益好，同時又滿足當代可持續(xù)發(fā)展的要求而具有得天獨厚的優(yōu)勢，但是該技術易受各種因素影響，這也制約了該技術的發(fā)展，限制了其發(fā)揮獨特優(yōu)勢。即便如此，該技術仍具有廣闊的應用前景，值得也需要更多科研人員的關注與探究，假如能夠通過更多探究與實驗，解決一些問題與挑戰(zhàn)，便能夠進一步推進該技術的應用，進而減少氮素的排放量，也能夠從很大程度上緩解目前存在的一些河流湖泊富營養(yǎng)化等氮素污染問題。