鹽度對(duì)新型生物脫氮技術(shù)影響的研究進(jìn)展

宋慧赟，王瑩，陳虎，呂永康，

（1 太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030024；2 太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)保產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院，山西太原030024）

高鹽廢水是指含鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)不少于1%[1]（含鹽量以氯化鈉的量表示），且含有機(jī)物質(zhì)和不少于3.5%的溶解性固體（TDS）的廢水[2]，廣泛來(lái)源于海鮮工業(yè)、腌制芥末塊莖工業(yè)、皮革工業(yè)等工業(yè)產(chǎn)生的廢水。高鹽廢水中含氮物質(zhì)的大量排放會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，破壞生態(tài)環(huán)境，影響人類的生產(chǎn)生活和生態(tài)平衡[3]。生物脫氮技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的含氮物質(zhì)去除方法。傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)必須通過(guò)好氧硝化和厭氧反硝化兩個(gè)獨(dú)立過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以普遍存在占地面積大、運(yùn)行成本及動(dòng)力消耗偏高、工藝流程長(zhǎng)、系統(tǒng)抗沖擊能力差等缺點(diǎn)[4]。近年來(lái)人們對(duì)生物脫氮過(guò)程的微生物學(xué)原理的理解逐漸加深，大量突破傳統(tǒng)理論的新理論及新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而 生[5-8]， 如 同 步 硝 化 反 硝 化 （simultaneous nitrification-denitrification, SND）、短程（部分）硝化反硝化（shortcut nitrification-denitrification）、厭氧 氨 氧 化 （anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX） 以及部分硝化-厭氧氨氧化技術(shù)（partial nitritation-anammox process, PN-AMX）等。而鹽度作為高鹽廢水的第一影響要素，會(huì)顯著影響生物脫氮系統(tǒng)中微生物的生長(zhǎng)及生理代謝功能，進(jìn)而影響該系統(tǒng)的脫氮效果[9-11]。因此本文綜述了鹽度對(duì)兩種新型生物脫氮技術(shù)的影響，分別為基于硝化-反硝化生化過(guò)程的新型生物脫氮技術(shù)（主要有同步硝化反硝化技術(shù)和短程硝化反硝化技術(shù)）、基于厭氧氨氧化反應(yīng)的新型生物脫氮技術(shù)（主要有厭氧氨氧化技術(shù)和部分硝化-厭氧氨氧化技術(shù)），簡(jiǎn)述了鹽度對(duì)微生物的抑制作用及微生物對(duì)鹽度的耐受性，以期為新型脫氮工藝處理實(shí)際高鹽含氮廢水的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 鹽度對(duì)基于硝化-反硝化技術(shù)處理高鹽含氮廢水的影響

基于硝化-反硝化原理的新型生物脫氮技術(shù)降解高鹽含氮廢水的研究較多，比較有代表性的有同步硝化反硝化技術(shù)和短程硝化反硝化技術(shù)等。

1.1 鹽度對(duì)SND處理高鹽含氮廢水的影響

有學(xué)者從高鹽環(huán)境中分離出一些嗜鹽菌和對(duì)普通微生進(jìn)行馴化運(yùn)用到高鹽含氮廢水的處理中，以加強(qiáng)同步硝化反硝化技術(shù)的脫氮效果。Jin 等[20]從海洋海綿中分理出一株耐鹽異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌Pseudomonassp. ADN-42，NaCl 濃度從10g/L 增加至50g/L 時(shí)對(duì)氨氮去除率無(wú)明顯影響。從海洋中分離出的異氧硝化好氧反硝化嗜鹽芽孢桿菌N31在鹽度為2%～4%時(shí)氨氮去除率均達(dá)到70%～80%之間[21]。Duan等[22]從海洋沉積物中分離出一株嗜鹽異氧硝化好氧反硝化菌株Vibrio diabolicussp.SF16，在鹽度為3.0%時(shí)，培養(yǎng)48h后，氨氮從119.77mg/L降至10.96mg/L，去除率可達(dá)90.86%。好氧顆粒污泥在鹽度梯度為5g/L 逐步提升到25g/L 的環(huán)境馴化60 天后，接種到反應(yīng)器中采用同步硝化反硝化技術(shù)處理魚罐頭廢水，鹽度為50g/L 時(shí)，總氮去除率接近98%[23]。Shi等[24]將海洋嗜鹽菌加入到反應(yīng)器中采用同步硝化反硝化進(jìn)行含氮物質(zhì)去除，與不加嗜鹽菌的對(duì)照組去除效果比較，發(fā)現(xiàn)加嗜鹽菌的反應(yīng)器中總氮的去除率總體提高7%～9%。當(dāng)鹽度為5%～7%時(shí)，添加嗜鹽菌的反應(yīng)器中總氮去除率達(dá)到60%以上。結(jié)果表明利用同步硝化反硝化技術(shù)處理高鹽含氮廢水時(shí)添加嗜鹽菌和經(jīng)過(guò)馴化的微生物可以在鹽度大于2%的環(huán)境中脫氮且達(dá)到一定的脫氮效果。

以上研究結(jié)果表明，鹽度會(huì)通過(guò)影響系統(tǒng)中微生物的活性，進(jìn)而影響微生物的脫氮方式，即鹽度升高到2%以上時(shí)，會(huì)抑制NOB活性，脫氮路徑發(fā)生改變，系統(tǒng)中部分硝化反硝化逐步取代完全硝化反硝化成為主要的脫氮方式[14,25]。同時(shí)含鹽廢水中系統(tǒng)脫氮路徑并不唯一，存在自養(yǎng)/異養(yǎng)硝化、缺氧/好氧反硝化等多種脫氮路徑。盡管脫氮方式發(fā)生改變，但系統(tǒng)的脫氮性能幾乎不受影響。一些嗜鹽菌和在鹽度條件下馴化的菌可耐受更高的鹽度，為高鹽廢水脫氮提供了可行性。

1.2 鹽度對(duì)短程硝化反硝化技術(shù)處理高鹽含氮廢水的影響

綜上所述，在鹽度耐受范圍內(nèi)，鹽度對(duì)部分硝化反硝化系統(tǒng)脫氮性能影響較小甚至促進(jìn)脫氮；當(dāng)系統(tǒng)中鹽度超過(guò)一定耐鹽閾值時(shí)，會(huì)顯著抑制AOB的生長(zhǎng)及代謝活性，導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)、氨氧化過(guò)程受阻、亞硝酸鹽氮的產(chǎn)量減小等諸多問(wèn)題。這主要是由于不同微生物對(duì)鹽度的耐受程度不同，鹽度增加時(shí)促使系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致脫氮效果發(fā)生變化。

2 鹽度對(duì)基于厭氧氨氧化反應(yīng)技術(shù)處理高鹽含氮廢水的影響

基于厭氧氨氧化反應(yīng)的新型生物脫氮技術(shù)主要有厭氧氨氧化技術(shù)（anammox,AMX）和部分硝化-厭氧氨氧化技術(shù)（partial nitritation-anammox process,PN-AMX）。

2.1 鹽度對(duì)厭氧氨氧化技術(shù)處理高鹽含氮廢水的影響

總體來(lái)看，不同厭氧氨氧化菌對(duì)鹽度的耐受程度不同，在系統(tǒng)所能承受的鹽度范圍內(nèi)，鹽度對(duì)系統(tǒng)的脫氮性能具有一定的促進(jìn)作用，這主要是由于此時(shí)鹽度（3～15g/L NaCl）促進(jìn)了厭氧氨氧化顆粒污泥的形成[41]并增加了細(xì)菌在反應(yīng)器中的滯留率[42]。而當(dāng)系統(tǒng)鹽度超過(guò)一定值時(shí)（約為30g/L NaCl時(shí)），高鹽度產(chǎn)生高滲透壓會(huì)使微生物處于休眠狀態(tài)或死亡，嚴(yán)重抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。但可以通過(guò)添加相容性物質(zhì)甜菜堿[35,43]調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓，緩解高鹽度對(duì)系統(tǒng)微生物活性的抑制，以減輕高鹽對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

2.2 鹽度對(duì)部分硝化-厭氧氨氧化技術(shù)處理高鹽含氮廢水的影響

以上研究結(jié)果表明在部分硝化-厭氧氨氧化工藝中，鹽度在5g/L 之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)幾乎不受影響，甚至促進(jìn)系統(tǒng)脫氮，適量的鹽度有利于調(diào)節(jié)微生物體內(nèi)的滲透壓，使細(xì)胞內(nèi)滲透壓與環(huán)境滲透壓相近，進(jìn)而為微生物生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境。脫氮處理中起關(guān)鍵作用的微生物隨著鹽度增加，物種豐度發(fā)生變化，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。系統(tǒng)中鹽度的添加方式也會(huì)影響系統(tǒng)的脫氮效果，采用逐步加鹽的方式可使系統(tǒng)適應(yīng)更高的鹽度。在不超過(guò)系統(tǒng)耐受鹽度范圍時(shí)，鹽度對(duì)系統(tǒng)的抑制作用具有可逆性，但超過(guò)一定范圍時(shí)鹽度對(duì)系統(tǒng)的抑制不可逆。

OLAND 是限氧亞硝化與厭氧氨氧化相耦合的生物脫氮工藝，在亞硝態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化中通過(guò)控制溶解氧含量，使反應(yīng)因缺少足夠的氧氣作電子受體而受到阻礙，從而使氨氧化反應(yīng)主要產(chǎn)生亞硝態(tài)氮；隨后厭氧氨氧化菌在厭氧條件下以亞硝態(tài)氮作電子受體將氨氮氧化成氮?dú)?。與傳統(tǒng)的生物脫氮相比，能耗低，反應(yīng)時(shí)間短，污泥產(chǎn)量少，不需投加碳源，脫氮效率高，在較低溫度下仍可正常運(yùn)行，在技術(shù)研究和開發(fā)上具有良好的潛力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[52]。Windey 等[53]在OLAND 生物膜反應(yīng)器有效地實(shí)現(xiàn)高鹽濃度廢水的自養(yǎng)脫氮，與不添加鹽時(shí)期相比，在鹽含量為30g/L 時(shí)，氮去除能力降低31%，硝化活性降低43%，厭氧氨氧化活性降低96%。目前采用OLAND工藝處理高鹽含氮廢水的研究甚少，可能是鹽度的存在致使限氧系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境更加惡劣，阻礙亞硝酸鹽的生產(chǎn)，導(dǎo)致OLAND 工藝處理高鹽含氮廢水的處理效果不佳。

綜合以上6種新型生物脫氮技術(shù)處理高鹽含氮廢水結(jié)果來(lái)看，鹽度在3%以內(nèi)時(shí)，不管采用哪種脫氮技術(shù)均可達(dá)到一定的脫氮效果，鹽度繼續(xù)升高，脫氮效果降低，系統(tǒng)甚至崩潰。采用同種脫氮技術(shù)脫氮時(shí)，不同系統(tǒng)中添加相同鹽度時(shí)，脫氮效果出現(xiàn)差異。表1總結(jié)了6種新型生物脫氮技術(shù)降解高鹽含氮廢水的處理效果。

3 鹽度的抑制機(jī)理和耐受機(jī)理

鹽度的存在對(duì)脫氮微生物的生長(zhǎng)帶來(lái)一定的抑制作用。溶液的濃度與滲透壓成正比，溶液中無(wú)機(jī)鹽濃度越高，滲透壓就越高[54]。在高鹽度環(huán)境（例如2%NaCl）中，微生物細(xì)胞可能會(huì)發(fā)生溶質(zhì)而無(wú)法適應(yīng)，微生物細(xì)胞內(nèi)的水分子可能會(huì)滲透到外部環(huán)境中，甚至死亡同時(shí)抑制微生物的生長(zhǎng)[55]。在純水或低鹽條件下（例如0.01%NaCl），溶液中的水分子可能會(huì)滲入微生物中，致使細(xì)胞溶脹甚至破裂。一般而言，鹽濃度增加導(dǎo)致微生物活性下降，污染物質(zhì)的去除能力降低。Wang 等[56]發(fā)現(xiàn)當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時(shí)，比氧吸收率（SOUR）降低了35%。鹽度從0 增加到1%時(shí)，SOUR 降低了約40%[57]，當(dāng)NaCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%時(shí)，對(duì)微生物活性的抑制作用增強(qiáng)[58]。從分子水平分析主要是因?yàn)辂}度抑制脫氮相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)引起脫氮關(guān)鍵酶的活性降低，最終導(dǎo)致系統(tǒng)微生物脫氮性能降低。Fu等[59]研究發(fā)現(xiàn)相比較于鹽度為0時(shí)的對(duì)照組，鹽度為1.8%時(shí)將氨氮轉(zhuǎn)化為羥胺的氨單加氧酶基因（amoA）和將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮的亞硝酸鹽氧化酶基因（nxrA）豐度均顯著降低，實(shí)驗(yàn)組中氨氮的去除性能低于對(duì)照組。Wang 等[60]研究發(fā)現(xiàn)與未添加鹽度的對(duì)照組相比，中等鹽度（1%和2%）時(shí)amoA基因豐度升高，而鹽度為3%時(shí)，amoA基因豐度降低，氨氮濃度一直較高。隨鹽度（0、15ng/L、25ng/L、35ng/L）增加，亞硝酸鹽還原酶基因（nirK、nirS）豐度降低，硝酸鹽去除率比無(wú)鹽度降低54%～69%[61]。鹽度從0 升高到25%時(shí)，一氧化二氮還原酶基因（nosZ）比例從34.5%降至6.4%，反硝化能力降低[62]。

脫氮微生物具有一定的自我調(diào)節(jié)能力，能夠耐受一定范圍的鹽濃度。如果環(huán)境中的鹽濃度逐漸增加，脫氮微生物將適應(yīng)并減少鹽度帶來(lái)的影響?？赡苁钱?dāng)環(huán)境中的鹽度增加時(shí)，微生物細(xì)胞可以通過(guò)自身調(diào)節(jié)機(jī)制合成相容性溶質(zhì)（如糖、氨基酸、四氫嘧啶等）平衡細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓，體內(nèi)積累一些小分子作為保護(hù)來(lái)抵抗不利環(huán)境，而這些小分子包括K+、糖類、醇類、氨基酸及其衍生物等[63]。隨著鹽度增加，微生物種群中耐鹽的優(yōu)勢(shì)菌種出現(xiàn)并增多，脫氮微生物的呼吸作用增強(qiáng)，活性增大[64-65]。同時(shí)有研究結(jié)果表明，鹽度小于12g/L 時(shí)，可以提高厭氧氨氧化的活性[38]。當(dāng)接種到高鹽環(huán)境后，微生物可能會(huì)產(chǎn)生新的酶系統(tǒng)調(diào)節(jié)新陳代謝來(lái)適應(yīng)高鹽環(huán)境[66]，以進(jìn)一步抵抗高鹽環(huán)境。鹽度對(duì)一些脫氮基因豐度的影響較小，脫氮微生物對(duì)高鹽廢水呈現(xiàn)了一定的耐受性。鹽度為1%、3%、5%時(shí)，反硝化基因（nirK）和亞硝酸鹽氧化酶基因（qNor）的豐度略高，硝酸鹽氮的去除率高達(dá)84.4%～97.4%[67]。Wang 等[60]發(fā)現(xiàn)鹽度為0、10ng/L、20ng/L和30ng/L 時(shí)，對(duì)反硝化基因（nirK、nirS和nosZ）的影響較小，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中N2O的排放量隨鹽度增加變化較小。Fu 等[59]發(fā)現(xiàn)鹽度為1.8%時(shí)，對(duì)亞硝酸鹽還原酶基因（nirS）的豐度影響不明顯，含氮物質(zhì)去除效率達(dá)到90%以上。鹽度從30g/L 增加到70g/L時(shí)，amoA基因豐度均增加，氨氮去除率均達(dá)到99%以上[68]。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

本文綜述了鹽度對(duì)新型生物脫氮技術(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)不同工藝對(duì)鹽度的耐受程度不同。在鹽度耐受范圍內(nèi)，新型工藝脫氮性能影響較小，甚至?xí)龠M(jìn)新型工藝脫氮，而超過(guò)一定范圍后會(huì)顯著抑制新型工藝的脫氮性能，在一定程度上可通過(guò)改變鹽度添加方式加強(qiáng)新型工藝對(duì)鹽度的耐受程度?？傮w來(lái)看，采用新型生物脫氮工藝去除高鹽廢水中的含氮物質(zhì)時(shí)，多數(shù)系統(tǒng)在鹽度不超過(guò)30g/L 時(shí)系統(tǒng)可以進(jìn)行脫氮，對(duì)于鹽度大于2%的含氮廢水時(shí)可利用嗜鹽菌和經(jīng)過(guò)一定鹽度馴化的微生物進(jìn)行處理。新型工藝在含鹽廢水中的脫氮性能雖與其操作方式有著密切關(guān)系，但其本質(zhì)則是新型工藝中多種微生物

的相互作用以及自身活性受到鹽度影響。微生物作為廢水生物脫氮工作的主體，加強(qiáng)鹽度對(duì)新型脫氮工藝中微生物群落結(jié)構(gòu)及代謝模式的影響分析，揭示微生物響應(yīng)鹽度變化機(jī)制是改進(jìn)和提高自身工藝處理性能的根本，已成為當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)所在。同時(shí)加強(qiáng)生物強(qiáng)化功能的耐鹽脫氮微生物的篩選及應(yīng)用是提高含鹽廢水脫氮性能的一條有效途徑，并具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，加強(qiáng)微生物耐鹽機(jī)理及其響應(yīng)外界信號(hào)的調(diào)控機(jī)制的探究對(duì)于提高耐鹽微生物的應(yīng)用性具有重要意義，必會(huì)成為今后的研究熱點(diǎn)。

表1 6種新型生物脫氮工藝降解高鹽廢水的處理效果