宋慧赟，王瑩，陳虎，呂永康，

（1 太原理工大學煤科學與技術教育部和山西省重點實驗室，山西太原030024；2 太原理工大學環(huán)境科學與工程學院環(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)量分數(shù)不少于1%[1]（含鹽量以氯化鈉的量表示），且含有機物質(zhì)和不少于3.5%的溶解性固體（TDS）的廢水[2]，廣泛來源于海鮮工業(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)的大量排放會引起水體富營養(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]。生物脫氮技術是目前應用最廣泛的含氮物質(zhì)去除方法。傳統(tǒng)的生物脫氮技術必須通過好氧硝化和厭氧反硝化兩個獨立過程來實現(xiàn)，所以普遍存在占地面積大、運行成本及動力消耗偏高、工藝流程長、系統(tǒng)抗沖擊能力差等缺點[4]。近年來人們對生物脫氮過程的微生物學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應運而 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（partial nitritation-anammox process, PN-AMX）等。而鹽度作為高鹽廢水的第一影響要素，會顯著影響生物脫氮系統(tǒng)中微生物的生長及生理代謝功能，進而影響該系統(tǒng)的脫氮效果[9-11]。因此本文綜述了鹽度對兩種新型生物脫氮技術的影響，分別為基于硝化-反硝化生化過程的新型生物脫氮技術（主要有同步硝化反硝化技術和短程硝化反硝化技術）、基于厭氧氨氧化反應的新型生物脫氮技術（主要有厭氧氨氧化技術和部分硝化-厭氧氨氧化技術），簡述了鹽度對微生物的抑制作用及微生物對鹽度的耐受性，以期為新型脫氮工藝處理實際高鹽含氮廢水的應用提供指導。

1 鹽度對基于硝化-反硝化技術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和短程硝化反硝化技術等。

1.1 鹽度對SND處理高鹽含氮廢水的影響

有學者從高鹽環(huán)境中分離出一些嗜鹽菌和對普通微生進行馴化運用到高鹽含氮廢水的處理中，以加強同步硝化反硝化技術的脫氮效果。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 時對氨氮去除率無明顯影響。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%時氨氮去除率均達到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，培養(yǎng)48h后，氨氮從119.77mg/L降至10.96mg/L，去除率可達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，接種到反應器中采用同步硝化反硝化技術處理魚罐頭廢水，鹽度為50g/L 時，總氮去除率接近98%[23]。Shi等[24]將海洋嗜鹽菌加入到反應器中采用同步硝化反硝化進行含氮物質(zhì)去除，與不加嗜鹽菌的對照組去除效果比較，發(fā)現(xiàn)加嗜鹽菌的反應器中總氮的去除率總體提高7%～9%。當鹽度為5%～7%時，添加嗜鹽菌的反應器中總氮去除率達到60%以上。結果表明利用同步硝化反硝化技術處理高鹽含氮廢水時添加嗜鹽菌和經(jīng)過馴化的微生物可以在鹽度大于2%的環(huán)境中脫氮且達到一定的脫氮效果。

以上研究結果表明，鹽度會通過影響系統(tǒng)中微生物的活性，進而影響微生物的脫氮方式，即鹽度升高到2%以上時，會抑制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 鹽度對短程硝化反硝化技術處理高鹽含氮廢水的影響

綜上所述，在鹽度耐受范圍內(nèi)，鹽度對部分硝化反硝化系統(tǒng)脫氮性能影響較小甚至促進脫氮；當系統(tǒng)中鹽度超過一定耐鹽閾值時，會顯著抑制AOB的生長及代謝活性，導致系統(tǒng)啟動時間延長、氨氧化過程受阻、亞硝酸鹽氮的產(chǎn)量減小等諸多問題。這主要是由于不同微生物對鹽度的耐受程度不同，鹽度增加時促使系統(tǒng)微生物群落結構發(fā)生改變，最終導致脫氮效果發(fā)生變化。

2 鹽度對基于厭氧氨氧化反應技術處理高鹽含氮廢水的影響

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

2.1 鹽度對厭氧氨氧化技術處理高鹽含氮廢水的影響

總體來看，不同厭氧氨氧化菌對鹽度的耐受程度不同，在系統(tǒng)所能承受的鹽度范圍內(nèi)，鹽度對系統(tǒng)的脫氮性能具有一定的促進作用，這主要是由于此時鹽度（3～15g/L NaCl）促進了厭氧氨氧化顆粒污泥的形成[41]并增加了細菌在反應器中的滯留率[42]。而當系統(tǒng)鹽度超過一定值時（約為30g/L NaCl時），高鹽度產(chǎn)生高滲透壓會使微生物處于休眠狀態(tài)或死亡，嚴重抑制細菌生長。但可以通過添加相容性物質(zhì)甜菜堿[35,43]調(diào)節(jié)細胞內(nèi)外的滲透壓，緩解高鹽度對系統(tǒng)微生物活性的抑制，以減輕高鹽對系統(tǒng)運行的影響。

2.2 鹽度對部分硝化-厭氧氨氧化技術處理高鹽含氮廢水的影響

以上研究結果表明在部分硝化-厭氧氨氧化工藝中，鹽度在5g/L 之內(nèi)時，系統(tǒng)幾乎不受影響，甚至促進系統(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，使細胞內(nèi)滲透壓與環(huán)境滲透壓相近，進而為微生物生長提供良好的環(huán)境。脫氮處理中起關鍵作用的微生物隨著鹽度增加，物種豐度發(fā)生變化，微生物群落結構發(fā)生改變。系統(tǒng)中鹽度的添加方式也會影響系統(tǒng)的脫氮效果，采用逐步加鹽的方式可使系統(tǒng)適應更高的鹽度。在不超過系統(tǒng)耐受鹽度范圍時，鹽度對系統(tǒng)的抑制作用具有可逆性，但超過一定范圍時鹽度對系統(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)化中通過控制溶解氧含量，使反應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氣。與傳統(tǒng)的生物脫氮相比，能耗低，反應時間短，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行，在技術研究和開發(fā)上具有良好的潛力和經(jīng)濟價值[52]。Windey 等[53]在OLAND 生物膜反應器有效地實現(xiàn)高鹽濃度廢水的自養(yǎng)脫氮，與不添加鹽時期相比，在鹽含量為30g/L 時，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處理高鹽含氮廢水結果來看，鹽度在3%以內(nèi)時，不管采用哪種脫氮技術均可達到一定的脫氮效果，鹽度繼續(xù)升高，脫氮效果降低，系統(tǒng)甚至崩潰。采用同種脫氮技術脫氮時，不同系統(tǒng)中添加相同鹽度時，脫氮效果出現(xiàn)差異。表1總結了6種新型生物脫氮技術降解高鹽含氮廢水的處理效果。

3 鹽度的抑制機理和耐受機理

鹽度的存在對脫氮微生物的生長帶來一定的抑制作用。溶液的濃度與滲透壓成正比，溶液中無機鹽濃度越高，滲透壓就越高[54]。在高鹽度環(huán)境（例如2%NaCl）中，微生物細胞可能會發(fā)生溶質(zhì)而無法適應，微生物細胞內(nèi)的水分子可能會滲透到外部環(huán)境中，甚至死亡同時抑制微生物的生長[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滲入微生物中，致使細胞溶脹甚至破裂。一般而言，鹽濃度增加導致微生物活性下降，污染物質(zhì)的去除能力降低。Wang 等[56]發(fā)現(xiàn)當NaCl質(zhì)量分數(shù)達到2%時，比氧吸收率（SOUR）降低了35%。鹽度從0 增加到1%時，SOUR 降低了約40%[57]，當NaCl 質(zhì)量分數(shù)大于3%時，對微生物活性的抑制作用增強[58]。從分子水平分析主要是因為鹽度抑制脫氮相關基因的表達來引起脫氮關鍵酶的活性降低，最終導致系統(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時的對照組，鹽度為1.8%時將氨氮轉(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，實驗組中氨氮的去除性能低于對照組。Wang 等[60]研究發(fā)現(xiàn)與未添加鹽度的對照組相比，中等鹽度（1%和2%）時amoA基因豐度升高，而鹽度為3%時，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，硝酸鹽去除率比無鹽度降低54%～69%[61]。鹽度從0 升高到25%時，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，脫氮微生物將適應并減少鹽度帶來的影響。可能是當環(huán)境中的鹽度增加時，微生物細胞可以通過自身調(diào)節(jié)機制合成相容性溶質(zhì)（如糖、氨基酸、四氫嘧啶等）平衡細胞內(nèi)外的滲透壓，體內(nèi)積累一些小分子作為保護來抵抗不利環(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)勢菌種出現(xiàn)并增多，脫氮微生物的呼吸作用增強，活性增大[64-65]。同時有研究結果表明，鹽度小于12g/L 時，可以提高厭氧氨氧化的活性[38]。當接種到高鹽環(huán)境后，微生物可能會產(chǎn)生新的酶系統(tǒng)調(diào)節(jié)新陳代謝來適應高鹽環(huán)境[66]，以進一步抵抗高鹽環(huán)境。鹽度對一些脫氮基因豐度的影響較小，脫氮微生物對高鹽廢水呈現(xiàn)了一定的耐受性。鹽度為1%、3%、5%時，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84.4%～97.4%[67]。Wang 等[60]發(fā)現(xiàn)鹽度為0、10ng/L、20ng/L和30ng/L 時，對反硝化基因（nirK、nirS和nosZ）的影響較小，實驗過程中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，對亞硝酸鹽還原酶基因（nirS）的豐度影響不明顯，含氮物質(zhì)去除效率達到90%以上。鹽度從30g/L 增加到70g/L時，amoA基因豐度均增加，氨氮去除率均達到99%以上[68]。

4 結語與展望

本文綜述了鹽度對新型生物脫氮技術的影響，發(fā)現(xiàn)不同工藝對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，甚至會促進新型工藝脫氮，而超過一定范圍后會顯著抑制新型工藝的脫氮性能，在一定程度上可通過改變鹽度添加方式加強新型工藝對鹽度的耐受程度?？傮w來看，采用新型生物脫氮工藝去除高鹽廢水中的含氮物質(zhì)時，多數(shù)系統(tǒng)在鹽度不超過30g/L 時系統(tǒng)可以進行脫氮，對于鹽度大于2%的含氮廢水時可利用嗜鹽菌和經(jīng)過一定鹽度馴化的微生物進行處理。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，加強鹽度對新型脫氮工藝中微生物群落結構及代謝模式的影響分析，揭示微生物響應鹽度變化機制是改進和提高自身工藝處理性能的根本，已成為當前研究工作的重點所在。同時加強生物強化功能的耐鹽脫氮微生物的篩選及應用是提高含鹽廢水脫氮性能的一條有效途徑，并具有廣泛的應用前景。此外，加強微生物耐鹽機理及其響應外界信號的調(diào)控機制的探究對于提高耐鹽微生物的應用性具有重要意義，必會成為今后的研究熱點。

表1 6種新型生物脫氮工藝降解高鹽廢水的處理效果