影響厭氧氨氧化工藝的因素及其研究進(jìn)展

焦隴珍，單銘港，王崢嶸，江雨峰，周柯岑，嚴(yán)子春，2

（1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730020）

目前我國(guó)傳統(tǒng)脫氮主要采用硝化反硝化技術(shù)，但該技術(shù)存在工藝流程長(zhǎng)，需外加碳源，運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)，且隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，該工藝已不能解決城市污水經(jīng)二級(jí)處理后仍存在低C/N 比的問(wèn)題，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于新型脫氮技術(shù)的研究[1]。隨著脫氮工藝的改進(jìn)，出現(xiàn)短程硝化反硝化[2]、同步硝化反硝化[3]、厭氧氨氧化等一系列新型生物脫氮工藝。20 世紀(jì)末，首次在荷蘭的一座脫氮流化床反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）[4]。厭氧氨氧化技術(shù)因其運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)需外加碳源、脫氮效率高等優(yōu)點(diǎn)而成為人們研究的熱點(diǎn)[5]。

厭氧氨氧化菌是厭氧自養(yǎng)菌，可將氨氮和亞硝氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)脫氮，但脫氮過(guò)程易受溫度、pH、溶解氧、COD 等環(huán)境條件影響[6-8]。本文對(duì)厭氧氨氧化的反應(yīng)原理、影響因素等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)分析，為提高脫氮處理效果提供參考和依據(jù)。

1 厭氧氨氧化反應(yīng)

厭氧氨氧化（Anammox）是指厭氧氨氧化菌以NO2-為電子受體氧化氨氮，在厭氧條件下將NH4+和NO2-轉(zhuǎn)化成N2和少量NO3-的生物脫氮過(guò)程[9]。

1.1 反應(yīng)原理

2014 年Lotti 等通過(guò)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量對(duì)Strous等提出的厭氧氨氧化反應(yīng)方程式進(jìn)行了修訂[10，11]，如式（1）所示：

1997 年Graaf 等采用15N 示蹤標(biāo)記法提出NO2-并沒(méi)有直接形成N2H4而是在亞硝酸鹽還原酶（NIR）還原成NH2OH[12]；但2006 年Strous 等發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化菌缺乏將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為羥氨酶的基因，最后證明中間產(chǎn)物為NO，而不是聯(lián)胺[13]。Anammox 反應(yīng)的代謝機(jī)理圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 厭氧氨氧化反應(yīng)的代謝機(jī)理模型[14]Fig.1 Model diagram of anaerobic ammonia oxidation metabolism

1.2 厭氧氨氧化菌

厭氧氨氧化菌（AnAOB）是化能自養(yǎng)菌，其形態(tài)多樣，細(xì)胞外無(wú)莢膜，屬于浮霉菌門(mén)；世代周期長(zhǎng)，生長(zhǎng)富集緩慢，內(nèi)含大量血紅素c，富集期間會(huì)由棕色變?yōu)榧t色。其細(xì)胞結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。

圖2 厭氧氨氧化菌透射電鏡圖[15]Fig.2 Transmission electron micrograph（TEM）of Anammox bacterrium cell

2 厭氧氨氧化的影響因素

2.1 環(huán)境條件

2.1.1 溫度 AnAOB 的適宜溫度為30～40 ℃。研究發(fā)現(xiàn)溫度可通過(guò)影響微生物酶催化反應(yīng)速率影響厭氧氨氧化菌活性，超出適宜范圍微生物活性會(huì)受到抑制。Awata 等采用厭氧氨氧化膜生物反應(yīng)器考察溫度對(duì)Anammox 活性的影響，發(fā)現(xiàn)溫度降低Anammox 的去除效果會(huì)隨之下降[16]，Lin 等通過(guò)宏蛋白組學(xué)研究溫度對(duì)厭氧氨氧化菌群落蛋白質(zhì)組的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)厭氧氨氧化菌活性明顯受到了抑制[17]。Ma 等以血紅素c 作為指標(biāo)論證不同溫度下厭氧氨氧化能力的可能性，相同溫度下血紅素c 濃度與氮去除負(fù)荷（NRR）呈正相關(guān)，溫度對(duì)血紅素c 有顯著影響[18]。

2.1.2 pH 值 AnAOB 適宜pH 為6.7～8.3。有研究表明改變pH 值可以在較低溫度下保持一定的厭氧氨氧化菌活性[19]。紀(jì)鑫奇等研究pH 對(duì)厭氧氨氧化/反硝化耦合脫氮的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH 超過(guò)適宜范圍時(shí)，Anammox 活性會(huì)顯著下降，表明pH 過(guò)高會(huì)抑制厭氧氨氧化活性[20]。也有相關(guān)文獻(xiàn)證明過(guò)高的pH 會(huì)造成不可逆的抑制作用甚至停止反應(yīng)[21]。

2.1.3 溶解氧 AnAOB 是嚴(yán)格厭氧菌。DO 對(duì)厭氧氨氧化過(guò)程產(chǎn)生抑制作用的主要原因：（1）氧分子參與反應(yīng)生成一些對(duì)AnAOB 有抑制作用的自由基和氧化物；（2）一定濃度的DO 會(huì)促進(jìn)好氧微生物的生長(zhǎng)，使AnAOB 活性受到抑制。在低溶解氧條件下AnAOB 的活性暫時(shí)受到抑制，DO 過(guò)高不利于AnAOB 的生長(zhǎng)和增殖，甚至?xí)箙捬醢毖趸セ钚裕S著DO 濃度降低AnAOB 活性會(huì)逐漸恢復(fù)，表明溶解氧對(duì)AnAOB 的抑制作用是可逆過(guò)程[22]，即一定量的DO 并不會(huì)對(duì)AnAOB 造成不可逆的影響，只是暫時(shí)抑制其活性[23]。研究表明在有氧條件中，NO2-不穩(wěn)定會(huì)被硝化細(xì)菌氧化為NO3-，使NO3-積累抑制微生物活性，從而消耗厭氧氨氧化反應(yīng)底物，影響反應(yīng)器的脫氮效率[24]。

2.2 物料濃度

2.2.1 有機(jī)物 厭氧氨氧化菌屬于化能自養(yǎng)菌，無(wú)機(jī)碳源為其代謝增殖所需，無(wú)需有機(jī)碳源參與[25]。陳重軍等采用連續(xù)流UASB 反應(yīng)器研究乙酸鈉對(duì)厭氧氨氧化脫氮性能的影響，試驗(yàn)研究表明當(dāng)有機(jī)物濃度為40 mg/L時(shí)反應(yīng)器對(duì)總氮的去除效果最佳可達(dá)88.5%，進(jìn)水COD 為60 mg/L、80 mg/L 時(shí)，反應(yīng)器的脫氮性能受到了不同程度的抑制[26]。Pijuan M 等研究COD 短期和長(zhǎng)期條件下對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器的影響，短期投加COD不會(huì)使氨氮濃度增加，因此并不會(huì)影響厭氧氨氧化活性；長(zhǎng)期投加會(huì)使Anammox 的活性降低，微生物群落發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致厭氧氨氧化分?jǐn)?shù)降低，當(dāng)停止投加一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)其活性逐漸恢復(fù)[27]。

2.2.2 基質(zhì)濃度 NH4+-N、NO2--N 是厭氧氨氧化反應(yīng)的主要底物和能量來(lái)源，Strous 等通過(guò)化學(xué)計(jì)量關(guān)系得出厭氧氨氧化過(guò)程基質(zhì)理論值（RIS）為NH4+/NO2-=1:1.32。Ren-Cun Jin 等研究表明亞硝酸鹽對(duì)厭氧氨氧化的抑制作用顯著，當(dāng)RIS 在1.2～1.5 時(shí)微生物會(huì)消耗過(guò)量的亞硝酸鹽，RIS 從1.5 提升至1.8 時(shí)過(guò)量的亞硝酸鹽抑制了厭氧氨氧化菌的活性，從而得出最佳進(jìn)水底物比RIS 為1.2[28]。錢(qián)俊偉等發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)水總氮容積負(fù)荷從0.61 kg/（m3·d）升高到2.52 kg/（m3·d）時(shí)，總氮去除負(fù)荷提高到1.29 kg/（m3·d）；但總氮容積負(fù)荷增加至3.2 kg/（m3·d）時(shí)總氮去除負(fù)荷降低至1.08 kg/（m3·d），此時(shí)厭氧氨氧化菌的活性受到抑制，反應(yīng)器脫氮效能降低[29]。Lotti 等發(fā)現(xiàn)亞硝氮濃度為300 mg/L 時(shí)AnAOB菌仍具有一定的活性[30]。

2.2.3 微生物濃度 浮霉菌門(mén)為厭氧氨氧化功能菌，可以去除反應(yīng)器內(nèi)的氨氮和亞硝氮，促進(jìn)厭氧氨氧化反應(yīng)進(jìn)行[31]。在屬分類水平下，Brocadia 菌屬對(duì)NH4+和NO2-親和性更強(qiáng)，生長(zhǎng)速率較快，且適量的有機(jī)物可增加Brocadia 菌屬豐度，又可以使反應(yīng)器內(nèi)具有一定量的反硝化菌，兩者共存形成穩(wěn)定高效脫氮的耦合生物膜，加快脫氮性能[32]。Bacillus 屬于厚壁菌門(mén)且為有機(jī)化能營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌，可進(jìn)行反硝化作用，過(guò)多有機(jī)物會(huì)使反硝化菌與厭氧氨氧化菌競(jìng)爭(zhēng)底物基質(zhì)影響反應(yīng)器的脫氮性能[33]。

3 體系中的微生物作用

在Anammox 反應(yīng)器的菌種中存在厭氧氨氧化菌和異養(yǎng)菌，大多數(shù)異養(yǎng)菌都參加氮循環(huán)過(guò)程，并且進(jìn)行反硝化過(guò)程使得異氧反硝化菌與厭氧氨氧化菌競(jìng)爭(zhēng)底物基質(zhì)，從而影響厭氧氨氧化菌的活性和生長(zhǎng)增殖[34]。Zhao 等證明Ignavibacterium 和Gp4 與厭氧氨氧化菌存在交互營(yíng)養(yǎng)共生關(guān)系[35]。呂愷等研究發(fā)現(xiàn)生物膜上的氨氧化細(xì)菌（AOB）與厭氧氨氧化菌形成良好的協(xié)同作用，并且厭氧氨氧化菌與亞硝酸鹽氧化菌（NOB）競(jìng)爭(zhēng)亞硝酸鹽時(shí)具有優(yōu)勢(shì)[36]。低有機(jī)物濃度下反硝化菌利用NO3--N 和NO2--N 與厭氧氨氧化菌協(xié)同脫氮，反應(yīng)器內(nèi)Anammox 菌產(chǎn)生的NO3--N 被反硝化菌利用，同時(shí)反硝化菌為Anammox 菌提供無(wú)機(jī)碳源和NO2--N，兩者表現(xiàn)為共生關(guān)系，相互促進(jìn)使反應(yīng)器的脫氮效果提高[37]；高有機(jī)物條件下反硝化菌與厭氧氨氧化菌競(jìng)爭(zhēng)共同底物NO2--N 和生存空間，導(dǎo)致反應(yīng)器脫氮性能下降（見(jiàn)圖3）。

圖3 厭氧氨氧化菌與反硝化菌關(guān)系Fig.3 The relationship between Anammox bacteria and denitrifying bacteria

4 厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用

世界上第一座厭氧氨氧化反應(yīng)器在荷蘭鹿特丹Dokhaven 污水廠于2002 年建成并運(yùn)行，隨著國(guó)內(nèi)外研究者的進(jìn)一步研究，該工藝逐漸向工藝實(shí)際應(yīng)用的方向發(fā)展，目前已有一百多座厭氧氨氧化污水處理廠[38]。

新加坡樟宜污水廠是首座采用主流厭氧氨氧化工藝的處理廠，通過(guò)缺氧好氧交替進(jìn)行，水力停留時(shí)間短等措施使AOB 成為優(yōu)勢(shì)菌種，實(shí)現(xiàn)了部分厭氧氨氧化和短程硝化，出水水質(zhì)較好，樟宜污水廠的能耗可降低至60%[39]。西安市第四污水處理廠在缺氧段投加填料培養(yǎng)厭氧氨氧化菌實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化脫氮，相比傳統(tǒng)脫氮可節(jié)約40%的能耗；2015-2018 年對(duì)厭氧氨氧化菌豐度分析表明填料上的AnAOB 豐度逐漸增加，2018年采用同位素示蹤法定量測(cè)得表明厭氧氨氧化過(guò)程的脫氮比例占30%左右，目前該污水廠的Anammox 已穩(wěn)定運(yùn)行[40]。Han 等在北京高碑店污水處理廠采用短程硝化/厭氧氨氧化（PN/A）工藝處理污泥消化液發(fā)現(xiàn)生物膜中的AnAOB 豐度顯著提高[41]。

5 總結(jié)與展望

目前，厭氧氨氧化的實(shí)際應(yīng)用受厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)富集緩慢、細(xì)胞產(chǎn)率低、環(huán)境因素等條件限制，因此未來(lái)發(fā)展應(yīng)研究解決以下方面的問(wèn)題：（1）優(yōu)化工藝條件提高厭氧氨氧化菌活性，培養(yǎng)出對(duì)環(huán)境要求低、世代周期短的新型厭氧氨氧化菌以實(shí)現(xiàn)菌的快速富集；（2）將厭氧氨氧化與傳統(tǒng)脫氮工藝相結(jié)合，充分發(fā)揮各工藝的優(yōu)勢(shì)以達(dá)到更好地脫氮效果，例如SHARON 反應(yīng)器與厭氧氨氧化工藝串聯(lián)運(yùn)行處理高氨氮廢水，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)脫氨工藝對(duì)高C/N 廢水處理效果差的問(wèn)題。探索厭氧氨氧化耦合其他工藝的脫氮性能，為加快實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。