厌氧氨氧化生物脱氮研究

[摘要]厌氧氨氧化是一种绿色、高效的脱氮工艺，但厌氧氨氧化菌难以富集、硝态氮积累等问题仍限制其广泛应用。综述了厌氧氨氧化的基本原理、影响因素和相关的组合工艺，展望了厌氧氨氧化工艺在污水处理中的应用前景。进一步明晰厌氧氨氧化菌的代谢机制，优化工艺设计并探究其最佳运行工况，最大限度地提升脱氮效率，是本领域后续的研究重点。

[关键词]厌氧氨氧化，生物脱氮，污水处理，反硝化，短程硝化

随着人类日益频繁的生产活动，大量的高浓度含氮废水被不断排放到江河湖泊等水体中，NH4+-N浓度过高会导致水体富营养化，NO2--N和NO3--N会对人体健康产生威胁，如儿童的高铁血红蛋白血症，氮素的脱除已成为污水处理的重要目标之一。目前，污水脱氮技术主要包括物理、化学和生物等方法。其中，生物脱氮技术因经济有效、无二次污染等优势，近年来受到了越来越多的关注。传统的污水生物处理技术通过硝化、反硝化过程实现氮的去除，即在好氧条件下，硝化菌(Ammonia-oxidizingbacteria，AOB)和亚硝酸盐氧化菌(Nitriteoxidizingbacteria，NOB)将氨氮氧化成亚硝态氮和硝态氮，随后在缺氧条件下反硝化菌以有机碳为电子供体，将硝态氮转化为氮气。该过程需要消耗大量能源以提供氧气，且反硝化过程以有机物为电子供体，碳源不足时，易导致反硝化速率降低和NO2--N积累。此外，反硝化过程逸出的N2O是温室气体重要来源，存在“污染转嫁”的隐患。厌氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation，Anammox)指在缺氧条件下，以CO2/CO32-为碳源，以NO2--N为电子受体，将NH4+-N氧化为N2，产生少量NO3--N。相较于传统生物脱氮，减少了曝气和补充碳源所造成的能源消耗。同时，厌氧氨氧化菌(Anaerobicammoniumoxidationbacteria，AnAOB)细胞产率低，仅为0.11gVSS/gNH4+[1]，大大减少了剩余污泥产量。厌氧氨氧化因其经济、高效和清洁等优势被认为是极具前景的生物脱氮工艺，且已被广泛应用于低C/N废水的处理，如消化液、垃圾渗滤液和养殖废水。然而，厌氧氨氧化在污水处理厂的主流应用仍面临许多挑战。其中，厌氧氨氧化菌的活性、体系中亚硝酸盐的供给和硝态氮的进一步去除是影响脱氮效率的主要因素。基于以上背景，围绕厌氧氨氧化的组合工艺应运而生，通过调节最佳工况降低硝酸盐而提高亚硝酸盐的积累，同时为厌氧氨氧化菌的生长和代谢提供适宜的环境，是提高厌氧氨氧化脱氮效能的主要手段。本文介绍了厌氧氨氧化脱氮的基本原理和影响因素，对相关组合工艺展开论述，旨在明晰该工艺在实际应用中的最佳参数和适用范围，为实际工程应用提供参考，最大限度地实现氮素的去除。

1厌氧氨氧化菌与厌氧氨氧化体

二十世纪90年代，Mulder在反硝化流化床中发现了NH4+-N与NO3--N同时降低的现象，随后Graaf等通过灭活实验，证明这是一种生物反应，反应基质为NO2--N而非NO3--N，并将该过程命名为厌氧氨氧化，并富集了一种新型微生物——厌氧氨氧化菌。AnAOB能够在缺氧条件下，以CO2为碳源，以NO2--N为电子受体，将NH4+-N氧化为N2，并产生少量NO3--N。该过程包括四个反应步骤：反硝化、生成联氨、生成氮气和硝化，每一步都涉及不同的酶：亚硝酸还原酶(Nir)、联氨合成酶(HZS)、联氨脱氢酶(HZO)和亚硝酸盐氧化还原酶(NXR)。已报到的AnAOB共有6个属，分别为CandidatusBrocadia，CandidatusKuenenia，CandidatusJettenia，CandidatusScalindua，CandidatusAnammoxoglobus和CandidatusBrasilis。由于AnAOB极难被分离纯化，目前的研究对象均为高浓度富集物，在流化床和SBR中，AnAOB的纯度为64%和74%，黄晓丽[2]等在EGSB反应器中获得纯度为83%的培养物。AnAOB有着与其他原核生物不同的结构——厌氧氨氧化体，该结构被致密的“梯烷”包裹，Damste[3]等利用与联氨结构类似的荧光分子进行渗透试验，发现荧光分子虽然可以通过细胞质膜和浆内膜，但无法穿透“梯烷”膜，这解释了为什么厌氧氨氧化过程产生的联氨不会对细胞造成影响。因其特殊性，部分研究将“梯烷”作为厌氧氨氧化菌的标志物，检测其在环境中的分布[4]。

2厌氧氨氧化的影响因素

AnAOB对环境敏感，反应器类型、环境因子(温度、盐度、溶解氧)、底物浓度(有机物、硝酸盐)和污泥形态等均会影响脱氮效率。在此着重阐述温度、盐度、底物浓度和污泥形态对厌氧氨氧化的影响。

2.1温度

温度是影响AnAOB活性的重要参数，大量研究表明，AnAOB的最适温度为30~40℃，高于45℃时，细胞裂解，发生不可逆的失活[5]。王思可[6]等研究了不同温度下比厌氧氨氧化活性和胞内ATP浓度变化，30℃时，比厌氧氨氧化活性为850mg·(g·d)-1，15℃时，降低至47mg·(g·d)-1；胞内ATP浓度(以VSS计)则从2.9×108RFU·g-1降低至1.3×107RFU·g-1。ATP作为能量货币，低温限制了AnAOB的能量合成，同时微生物消耗胞内ATP来维持代谢，从而导致胞内ATP浓度降低。尽管存在厌氧氨氧化工艺在20℃成功启动，而长期的低温操作造成NO2--N和NO3--N积累，脱氮效率显著降低。较高的温度要求已成为限制厌氧氨氧化发展的主要原因。

2.2底物浓度

理论上，AnAOB作为自养微生物，有机物的存在会导致异养菌的过度繁殖，抑制厌氧氨氧化效率。Chamchoi等分析了系统中微生物的竞争活性，AnAOB对NO2--N的竞争能力远低于反硝化细菌[7]。然而，部分研究证明，少量有机物存在能提高厌氧氨氧化效率，吕永涛[8]等研究了不同有机负荷下厌氧生物转盘的脱氮效率，当COD为50mg·L-1时，总氮去除率达到96.59%，比不添加有机物时提高了7.57%。Kangwannarakulet[9]等同样发现，在短期内添加0.5mmol的乙酸盐不会影响厌氧氨氧化效率。Tao[10]等通过纳米二次离子质谱技术(NanoSIMS)证明乙酸盐并非直接被同化，而是被氧化为CO2后，用于后续自养。另外，少量的有机碳存在可作为硝酸盐异化还原成铵(DNRA)的电子供体，减少体系中硝酸盐的积累，提高脱氮效率[11]。由此可见，有机物对AnAOB的抑制依赖于浓度，而目前对AnAOB的有机物转化过程知之甚少，亟需进一步研究。通过对部分厌氧氨氧化菌动力学的研究，亚硝酸的半饱和常数Ks为0.006~0.5mg·L-1，抑制常数Ki为105~224mg·L-1，为了实现AnAOB的指数增长，亚硝酸盐浓度应保持在2Ks~1/2Ki。如B.sinica的最适亚硝酸盐浓度为0.96~112mg·L-1[12]。

2.3盐度

多数AnAOB能适应15gNaCl·L-1的盐度。高盐度不会对AnAOB的形态产生长期有害影响，甚至会促进厌氧氨氧化颗粒污泥的形成。Gonzalez等发现，在低盐度浓度(0~3gNaCl·L-1)下，CandidatusBrocadia为优势菌，高盐度条件(30gNaCl·L-1)，CandidatusKuenenia为优势菌。尽管厌氧氨氧化系统可以适应不同的盐度，但盐度的增加仍能改变包括AnAOB在内的微生物群落结构[13]。

2.4污泥形态

AnAOB在系统中的存在形式直接影响了微生物活性。理论上，悬浮污泥比颗粒污泥具有更大的比表面积，具有更高的传质效率。然而，在相同条件下，颗粒污泥表现出更高的氮去除率。已报道的颗粒污泥最高氮去除率为74.3~76.7kgN·(m3·d)-1。Xu等人发现，厌氧氨氧化颗粒污泥可以进行“lung-like”呼吸，有规律地膨胀和收缩，从而实现更快的传质[14]。此外，颗粒污泥结构紧密，沉降速度超过100m·h-1，使得AnAOB可以更有效地保留在反应器内，维持污泥浓度。虽然颗粒污泥在脱氮速率和沉降速度方面表现较好，但厌氧氨氧化颗粒污泥的机械强度与温度和进水底物浓度密切相关。Wang等指出，当NH4+-N为50mg·L-1，温度为15℃时，厌氧氨氧化颗粒污泥的粒径减小[15]。这是因为低温和低氮负荷导致胞外聚合物(EPS)浓度下降，而EPS对维持厌氧氨氧化颗粒机械强度有着至关重要的作用。另外，生物膜表现出与颗粒污泥相同的优点，提供合适的载体可以促进生物膜的形成，从而提高AnAOB的停留时间和脱氮性能。Gu等评价了4种载体在生物膜反应器中的脱氮效果，聚乙烯塑料因为其亲水性表面，无法有效形成生物膜；颗粒活性炭由于其疏水表面可以吸附疏水蛋白，从而促进AnAOB生长；无纺布由于表面多孔、粗糙的特性，虽加速生物膜的形成，但在使用过程中生物膜容易脱落；聚氨酯海绵也可将细菌粘附在表面和内部孔上，当生物膜变厚时，会抑制脱氮效率。因此，不同载体的最优运行条件还需要进一步研[16]。

3厌氧氨氧化的工艺类型

在厌氧氨氧化中，持续的NO2--N和NH4+-N供应是稳定运行的先决条件，因此，研究人员基于厌氧氨氧化基本原理，将其进一步扩展、补充，通过耦合短程硝化或短程反硝化，引入短程硝化-厌氧氨氧化(partialnitrificationanammox，PNA)和短程反硝化-厌氧氨氧化(partialdenitrificationanammox，PDA)组合工艺，有效解决了厌氧氨氧化过程中底物不足问题和硝态氮积累问题。3.1短程硝化-厌氧氨氧化(partialnitrificationanammox，PNA)短程硝化-厌氧氨氧化脱氮过程通常包括两个阶段：(1)好氧状态下，将部分氨氮转化为亚硝态氮，通过抑制NOB的生长和活性，阻止NO2--N进一步被氧化为NO3--N。该过程被称为部分短程硝化(partialnitrification，PN)；(2)在厌氧或缺氧的条件下，AnAOB以剩余氨氮为电子供体，以第一阶段产生的NO2--N为电子受体，将氨氮转化为氮气。基于以上基本原理，PNA工艺可以分为一体式和两段式。其中，一体式系统因占地面积小，设备简单，建设成本低而得到广泛应用，然而该体系要求AOB和AnAOB两种功能菌共存，因此对曝气要求高，易受冲击负荷等环境因素的影响，反应器难以稳定运行。与之相比，两段式系统中AOB和AnAOB在不同的反应器中富集，更有利于工况的调节和控制，但是相应增加了投资成本。研究显示，将PN与Anammox结合的自养脱氮工艺可节省43%曝气能耗和100%有机碳源，有望实现污水处理过程的能量自给。然而，PNA工艺在实际的应用过程中仍存在诸多问题，如氨氮浓度高时难以完全抑制NOB的硝化作用，氨氮浓度低时难以控制并匹配PN阶段和Anammox阶段的反应速率，系统设计复杂，这增加了实际应用的难度。3.2短程反硝化-厌氧氨氧化(partialdenitrificationanammox，PDA)完整的反硝化过程包括从NO3--N到N2的一系列步骤，部分反硝化(partialdenitrification，PD)则将反应终止在第一阶段，即将NO3--N还原为NO2--N，从而有效减少NO3--N的积累，并为Anammox过程提供电子受体。Ma等验证了Anammox与PD耦合在主流条件下应用的可行性，研究称PDA的NO2--N积累似乎比PND更稳定[17]。PDA工艺可以有效解决Anammox中经常产生的NO3--N过多、NO2--N容易氧化成NO3--N的问题。Gong等采用乙酸“Feast-Famine”策略，使NO2--N积累比例达到71.7%[18]。在上升污泥流化床中，NO3--N与NO2--N的最大转化比达到81.4%。在实际过程中，PDA往往需要需要添加NO3--N来生成NO2--N。

4结论与展望

综上所述，在众多的污水脱氮工艺中，厌氧氨氧化生物脱氮技术因成本低、污泥产量少、环境友好等优势而具有广阔的应用前景。然而，在实际应用中，仍面临反应底物不足、易受环境干扰、系统运行不稳定等挑战。不同组合工艺的产生有效实现了亚硝态氮的积累同时一定程度地降低了硝态氮的浓度，有利于厌氧氨氧化系统的稳定运行。后续的研究应着重关注以下几点：(1)深入探究AOB和AnAOB等功能菌的富集及代谢机制，为系统的最佳参数选择提供理论基础；(2)通过添加外源材料如纳米铁等手段提高AnAOB的活性，或强化细胞间的电子传递效率；(3)围绕Anammox开发更多创新性的组合工艺，或优化已有的工艺设计，最大限度地降低运行成本，提高脱氮效能。

作者：车林轩 刘方剑 单位：东华大学 环境科学与工程学院