王振毅，李欣宇，趙大密，廉 靜

（河北科技大學 環(huán)境科學與工程學院,河北省污染防治生物技術(shù)實驗室，河北 石家莊050018）

0 引 言

在制藥、化工肥料、食品加工、鋼鐵制造和飼料生產(chǎn)等工業(yè)生產(chǎn)中，均排放了大量的高濃度含氮廢水。根據(jù)我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2016～2019全國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計公報》，2019年，我國廢水中總氮（TN）排放量高達117.6萬t。

大量含氮廢水的排放，會引起水體富營養(yǎng)化，增加飲用水的處理成本，給人類健康帶來隱患，嚴重威脅環(huán)境、經(jīng)濟和人類生命的安全。

當前，國內(nèi)常見的脫氮技術(shù)包括物化法和生物法。空氣吹脫、吸附和離子交換等物化法，具有操作簡單、效果穩(wěn)定等優(yōu)點，但也存在著處理成本高、容易造成二次污染等缺點。而以硝化和反硝化等為原理的傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)，因其條件溫和、二次污染少、可持續(xù)運行等優(yōu)點，成為了目前生物脫氮的主要方法。盡管生物法機理清晰、處理穩(wěn)定、且技術(shù)類型較多，但都無法避免對曝氣量和外加有機物的較大需求。因此，亟需研發(fā)經(jīng)濟、高效的新型脫氮技術(shù)。

厭氧氨氧化（ANAMMOX）技術(shù)是近年來新興的針對含氮廢水的高效生物處理技術(shù)，它能夠在嚴格厭氧或缺氧的條件下，以CO2或碳酸鹽（HCO3-）為碳源，以銨鹽（NH4+）為電子供體，以亞硝酸鹽（NO2-）為電子受體，將其直接轉(zhuǎn)化成氮氣（N2），并從中獲得能量。

相比于傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)，ANAMMOX技術(shù)可節(jié)省約50%的曝氣、100%的有機物以及90%的運行費用，且具有污泥產(chǎn)率低等優(yōu)點，是目前廢水處理技術(shù)中的研究熱點。

盡管ANAMMOX技術(shù)比傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)更具有優(yōu)勢，但由于厭氧氨氧化菌（AnAOB）屬于化能自養(yǎng)菌，存在世代周期長、細胞增殖速率慢、對環(huán)境要求嚴苛等缺點，使其難以在工程中大規(guī)模應用。實際上，即使ANAMMOX反應完全，仍然有約11%的硝酸鹽（NO3－）無法去除。

同時，大部分工業(yè)或生活所產(chǎn)生的廢水中都含有機物，單一的ANAMMOX技術(shù)對有機物沒有去除效果，但廢水中存在的較高的有機物會對AnAOB產(chǎn)生抑制作用，不利于AnAOB的生長和脫氮效率的提高，進而導致啟動耗時過長，限制了該技術(shù)的工程應用。

因此，以去除ANAMMOX過程所產(chǎn)生的NO3－和廢水中的有機物為目的，具有同步脫氮除碳功能的ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)被提出。

為實現(xiàn)ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的高效穩(wěn)定運行，本文通過研究和文獻分析，對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的反應機理進行闡述，深入分析了環(huán)境因素，以及底物因素對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的影響，以期為ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)在工業(yè)上的廣泛應用提供借鑒和指導。

1 厭氧氨氧化耦合反硝化技術(shù)的反應機理

ANAMMOX反應是指AnAOB在嚴格厭氧或缺氧的條件下，以NO2－為電子受體，將NH4+直接轉(zhuǎn)變成N2排入大氣中的過程。

反應式如式（1）所示：

在式（1）中，ΔG＜0，說明該反應能夠自發(fā)進行。

ANAMMOX的總反應是一個產(chǎn)能反應，能維持AnAOB的生長所需。

總反應式如式（2）所示：

由式（2）可以看出，反應中消耗了0.13 mol的H+，這導致了pH值的升高。由于AnAOB是自養(yǎng)菌，以無機碳（CO2）為碳源，因此，該反應不需要額外添加有機物，還會產(chǎn)生一定量的NO3－。

通常反硝化反應是指反硝化菌在厭氧或缺氧條件下，以有機物為電子供體，以NO3-或NO2-為電子受體，釋放N2的過程。絕大部分的反硝化菌是厭氧異養(yǎng)菌，以有機物為碳源，進行無氧呼吸。

反應式如式（3）、（4）所示：

由式（3）、（4）可以看出，反硝化反應消耗了NO3－或NO2－，并消耗了H+，使得pH值升高。

根據(jù)ANAMMOX和反硝化的反應方程式，當電子供體不足時，反硝化反應會將NO3－還原成ANAMMOX反應所需的NO2－，同時，反硝化反應還會消耗有機物并產(chǎn)生CO2，這在一定程度上減少了有機物濃度過高時對ANAMMOX反應的抑制作用，還為ANAMMOX反應提供了所需的碳源。

目前，已經(jīng)有不少的研究發(fā)現(xiàn)，ANAMMOX與反硝化可以在同一個系統(tǒng)內(nèi)共存，并協(xié)同脫氮、除碳。

此外，由于NO2－是AnAOB與反硝化菌的共同底物，而反硝化反應具有更低的吉布斯自由能，這可能會導致AnAOB在與反硝化菌的競爭中處于劣勢，破壞了系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時，ANAMMOX和反硝化反應都存在pH值升高的現(xiàn)象，過高的pH值會抑制菌群的活性，這可能成為影響兩者共存的限制性因素。

由于ANAMMOX和反硝化反應在耦合過程中存在相似與差異，因此，了解ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的影響因素對控制其反應進程，以及提高其穩(wěn)定性尤為重要。

2 厭氧氨氧化耦合反硝化技術(shù)的影響因素

由于AnAOB和反硝化菌特殊的菌群習性，ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的反應過程對外界環(huán)境的敏感度比較高，溫度、pH值和溶解氧（DO）等環(huán)境因素，以及有機物種類和濃度、碳氮比（C/N）及基質(zhì)比等底物因素的變化都會對耦合反應產(chǎn)生影響。

2.1 環(huán)境因素

ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)會受到一些環(huán)境因素的影響，這些因素會對反應速率和微生物活性等產(chǎn)生影響，其中最主要的因素包括溫度、pH值和DO等。

2.1.1 溫度

一般來說，微生物的活性受溫度影響主要體現(xiàn)在2個方面：一是影響酶催化反應的速率；二是影響基質(zhì)向細胞擴散的速度。作為廢水生物處理技術(shù)，ANAMMOX與反硝化反應都會受到溫度的影響。

Rysgaard等人通過對北極海洋的沉積物研究發(fā)現(xiàn)，AnAOB在北極海洋中的最佳溫度為12℃，而反硝化菌的最佳溫度為24℃。

Cheng等人在研究城市河流時，利用氮同位素示蹤技術(shù)進行了沉積物泥漿的實驗，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，冬季時，ANAMMOX的反應速率高于反硝化，而在夏季時，反硝化的反應速率則高于ANAMMOX。

Zhao等人采集了2個富營養(yǎng)化湖泊的沉積物，通過采用氮同位素示蹤技術(shù)，研究了溫度對沉積物中AnAOB和反硝化菌的影響，發(fā)現(xiàn)當溫度為20～33℃時，更有利于ANAMMOX耦合反硝化反應的進行；當溫度＜20℃或＞33℃時，TN去除率則會下降。由于AnAOB與反硝化菌的最適溫度范圍存在重合，因此，找到合適的溫度范圍是讓ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)穩(wěn)定運行的關鍵。

2.1.2 pH值

通常廢水生物處理過程受pH值的影響主要包括2個方面：一方面是基于pH值對溶液中抑制劑和基質(zhì)的影響；另一方面是基于pH值對細胞中電解質(zhì)平衡的影響。

因此，pH值對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)脫氮、除碳有著重要影響。一般來說，AnAOB的最佳pH值范圍為6.7～8.3，反硝化菌的最佳pH值范圍為6.0～9.0。

劉常敬等人利用上流式厭氧污泥床-生物膜反應器，研究了ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化的代謝特性，分析發(fā)現(xiàn)，在25℃、pH值為7.8時，NH4+和NO2-的去除率可達100%，TN的去除率達87.51%，在此條件下，ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)能保持長期穩(wěn)定。

田文婷等人通過上流式厭氧污泥床反應器，研究了pH值對ANAMMOX耦合反硝化脫氮性能的影響，實驗通過測試耦合污泥在4種不同pH值下的脫氮性能，發(fā)現(xiàn)AnAOB的最佳pH值范圍為7.0～8.5，而反硝化菌的最佳pH范圍為7.0～8.0。

總的來看，pH值為7.5～8.0是ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)適宜的pH值范圍。

2.1.3 溶解氧

由于AnAOB和絕大多數(shù)反硝化菌都是厭氧菌，因此，ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)會在有氧的環(huán)境下受到嚴重抑制，當DO的濃度過高時，不僅會導致氧氣和NO3-競爭電子供體，還會抑制NO3-還原酶的合成和活性。

張黎等人采用厭氧序批式反應器，研究了DO對ANAMMOX脫氮性能的影響，分析發(fā)現(xiàn)AnAOB對DO十分敏感，當DO濃度＜0.03 mg/L時，AnAOB菌群數(shù)量才能保持穩(wěn)定。

Mathava等人指出，ANAMMOX耦合反硝化反應發(fā)生的前提條件是DO濃度＜0.5 mg/L。

段莊等人通過對畜禽養(yǎng)殖廢水進行研究，發(fā)現(xiàn)當DO濃度＜0.2 mg/L時，反硝化菌才會進行無氧呼吸，同時，AnAOB的脫氮效果最佳。

所以，DO的存在，會對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)產(chǎn)生影響，適合的DO濃度對耦合的穩(wěn)定性和脫氮、除碳效率來說都有著重要意義。

2.2 底物因素

除了環(huán)境因素的影響之外，底物因素也會對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的脫氮效率產(chǎn)生影響，其中主要的底物因素包括有機物種類和濃度、碳氮比及基質(zhì)比等。

2.2.1 有機物種類和濃度

AnAOB是自養(yǎng)菌，而反硝化菌屬于異養(yǎng)菌，因此，有機物對AnAOB和反硝化菌的影響存在巨大差異。有機物對AnAOB的影響主要表現(xiàn)為抑制作用；由于有機物能為反硝化菌提供碳源，因此，有機物對反硝化菌的影響則表現(xiàn)為促進作用。

正是因為有機物對AnAOB和反硝化菌影響的差異性，研究有機物對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的影響顯得尤為重要。

劉常敬等人研究了不同的有機物對ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化脫氮性能的影響，分析發(fā)現(xiàn)有機物對TN去除率的影響大小為乙酸鈉＞丙酸鈉＞間苯二酚＞鄰苯二酚＞苯甲酸鈉。

Jensen等人研究了甲醇、乙炔以及烯丙基硫脲等對海洋沉積物中AnAOB和反硝化菌的作用，實驗發(fā)現(xiàn)甲醇對海洋沉積物中ANAMMOX反應具有特異性抑制作用。3.3 mmol/L甲醇既可完全抑制ANAMMOX，同時又促進反硝化反應；2～4 mol/L的乙炔可明顯降低AnAOB的活性；而10 mol/L乙炔才會降低反硝化反應中N2O的還原速率；烯丙基硫脲在高于環(huán)境本底濃度10倍的條件下，對AnAOB和反硝化菌活性沒有抑制作用。

Maite等人對比單一乙酸鹽與復合有機物對ANAMMOX反應器的短期影響，實驗發(fā)現(xiàn)2個反應器中均存在反硝化菌的生長，且單一有機物更有利于反硝化菌生長，在停止添加有機物后，2個反應器均可以恢復正常，表明添加有機物后，短期內(nèi)不會對反應器造成不可逆的影響。

除了有機物的種類之外，有機物的濃度也會對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)產(chǎn)生顯著的影響。

Zhu等人通過研究發(fā)現(xiàn)，當有機物濃度過高時，反硝化菌的生長速率要快于AnAOB，導致AnAOB在與反硝化菌的競爭中處于劣勢，這就破壞了ANAMMOX耦合反硝化反應的穩(wěn)定性。

萬莉等人采用電增強零價鐵—上流式厭氧污泥床反應器來處理養(yǎng)豬廢水，實驗發(fā)現(xiàn)當有機物充足時，隨著有機物濃度的提高，ANAMMOX和反硝化反應對TN的去除率呈不同的變化趨勢，ANAMMOX反應對TN的去除率不斷下降，反硝化反應則相反。

Tang等人通過上流厭氧污泥床反應器，發(fā)現(xiàn)當有機物濃度為700 mg/L時，AnAOB的活性幾乎消失，且NH4+平均去除率也會降至3%。

Trimmer等人通過對沉積物泥漿進行采樣實驗，研究發(fā)現(xiàn)ANAMMOX反應會隨著有機物濃度的變化而變化。

Wang等人將具有不同TN和有機物濃度的12個反應器分為3組進行批次試驗，結(jié)果表明相對于TN而言，有機物對ANAMMOX反應的影響更大，且在TN為600 mg/L、有機物濃度為300 mg/L時，TN去除率相對較高，ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)有良好的表現(xiàn)。

總的來看，由于有機物對ANAMMOX和反硝化反應的影響具有較大差異，如何選取合適有機物，以及不同有機物濃度對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的影響差異有待進一步研究。

2.2.2 碳氮比

AnAOB對有機物并沒有需求，但通常認為，缺乏有機物很難進行有效的反硝化反應。然而，當C/N過高時，一部分NO2－會發(fā)生反硝化反應，這使得ANAMMOX反應所需的NO2－變少，進而導致ANAMMOX反應受到抑制，最終破壞了ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的穩(wěn)定性。因此，C/N也是影響ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的重要因素。

Akunna等人利用葡萄糖作為唯一有機物，研究了C/N對反硝化的影響，發(fā)現(xiàn)了當C/N＞53時，沒有脫氮效果，且會產(chǎn)生甲烷；當C/N=9～53時，發(fā)生了完全反硝化和甲烷化；僅在C/N＜9時，發(fā)生的是反硝化反應。

呂振等人通過厭氧序批式反應器研究了不同C/N下NO2－的積累情況，分析發(fā)現(xiàn)當C/N=3.2時，NO2－的積累率高達84%。

田文婷等人通過采用上流式厭氧生物濾池反應器，設置了5種不同的C/N（0.2、0.25、0.5、2、3），研究了在這5種不同C/N下NO3-去除率隨時間的變化規(guī)律，得出了當C/N為0.5時耦合脫氮效果最佳的結(jié)論。

實際上，不同反應體系下AnAOB和反硝化菌會有比例差異，因此，ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的最適C/N還有待進一步的研究。

2.2.3 基質(zhì)比

不同的基質(zhì)比（NO2－/NH4+）會對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的脫氮、除碳性造成影響。在ANAMMOX反應中，約11%的TN（NH4+和NO2－）轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3－，使得TN濃度無法達到排放標準。

周凌等人通過采用低基質(zhì)的人工合成廢水啟動ANAMMOX反應器時，發(fā)現(xiàn)最佳NO2－/NH4+=1.02，NH4+和NO2－平均去除率分別為94.5%和97.4%。

閭剛等人通過對厭氧折流板反應器的脫氮性能進行研究，發(fā)現(xiàn)反應器最佳進水NO2－/NH4+=1.34時，ANAMMOX脫氮效率最好，NO2－和NH4+的去除率達到99.99%。

傅金祥等人采用上流式厭氧污泥床生物膜反應器來研究基質(zhì)比對反應器的脫氮性能的影響，通過設定5種不同的基質(zhì)比（1、1.1、1.2、1.32、1.4），得出了當NO2－/NH4+=1.2時反應器的脫氮效果最好的結(jié)論。

安芳嬌等人通過研究低基質(zhì)濃度的人工合成廢水對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)當進水NO2－/NH4+=1.4時，NH4+和NO2－的出水濃度分別為0.8 mg/L和1.5 mg/L，去除率分別高達96.2%和95.4%。

總的來看，NO2－/NH4+不同時，脫氮效率也不同，因此，最佳基質(zhì)比還有待進一步的研究。

3 結(jié) 語

ANAMMOX技術(shù)因其無需曝氣和外加有機物、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)勢，成為目前極具應用前景和潛力的新型生物脫氮技術(shù)。然而，由于NO3-的產(chǎn)生，該技術(shù)無法實現(xiàn)完全脫氮，并且對廢水中原有的有機物沒有去除效果。在此基礎上，具有同步脫氮、除碳功能的ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)被提出。

本文綜述了ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的反應機理及其影響因素，并從AnAOB和反硝化菌的角度分析了環(huán)境因素和底物因素對耦合體系的影響。分析表明，由于AnAOB和反硝化菌的菌群特性在溫度、pH值以及DO等環(huán)境因素方面存在相似性，這就為ANAMMOX與反硝化的耦合提供了環(huán)境基礎。

而AnAOB和反硝化菌在對有機物種類和濃度、C/N及基質(zhì)比等底物因素上存在明顯差異，因此，底物因素成為了影響ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)穩(wěn)定運行的關鍵因素。

為進一步理解和推動ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的應用，結(jié)合現(xiàn)有研究進展，今后應探究其他因素（如鹽度、金屬離子等）對ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的影響，尤其是探究AnAOB和反硝化菌在環(huán)境變化下的響應機制及兩類菌群之間的相互影響。

此外，由于底物因素的影響，AnAOB和反硝化菌生長速率的差異可能成為耦合體系穩(wěn)定性下降的主要因素，因此，應進一步研究ANAMMOX耦合反硝化強化技術(shù)，如特異性強化AnAOB或特異性抑制反硝化菌等；也可進一步研究分離技術(shù)如旋流分離器、微篩選擇器等，用以協(xié)調(diào)AnAOB與反硝化菌之間的共生關系，從而進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。