王振毅，李欣宇，趙大密，廉 靜

（河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北省污染防治生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(guó)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2016～2019全國(guó)生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2019年，我國(guó)廢水中總氮（TN）排放量高達(dá)117.6萬(wàn)t。

大量含氮廢水的排放，會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，增加飲用水的處理成本，給人類健康帶來(lái)隱患，嚴(yán)重威脅環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和人類生命的安全。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)常見的脫氮技術(shù)包括物化法和生物法?？諝獯得?、吸附和離子交換等物化法，具有操作簡(jiǎn)單、效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著處理成本高、容易造成二次污染等缺點(diǎn)。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(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，成為了目前生物脫氮的主要方法。盡管生物法機(jī)理清晰、處理穩(wěn)定、且技術(shù)類型較多，但都無(wú)法避免對(duì)曝氣量和外加有機(jī)物的較大需求。因此，亟需研發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的新型脫氮技術(shù)。

厭氧氨氧化（ANAMMOX）技術(shù)是近年來(lái)新興的針對(duì)含氮廢水的高效生物處理技術(shù)，它能夠在嚴(yán)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?dú)猓∟2），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(jī)物以及90%的運(yùn)行費(fèi)用，且具有污泥產(chǎn)率低等優(yōu)點(diǎn)，是目前廢水處理技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。

盡管ANAMMOX技術(shù)比傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)、細(xì)胞增殖速率慢、對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)苛等缺點(diǎn)，使其難以在工程中大規(guī)模應(yīng)用。實(shí)際上，即使ANAMMOX反應(yīng)完全，仍然有約11%的硝酸鹽（NO3－）無(wú)法去除。

同時(shí)，大部分工業(yè)或生活所產(chǎn)生的廢水中都含有機(jī)物，單一的ANAMMOX技術(shù)對(duì)有機(jī)物沒有去除效果，但廢水中存在的較高的有機(jī)物會(huì)對(duì)AnAOB產(chǎn)生抑制作用，不利于AnAOB的生長(zhǎng)和脫氮效率的提高，進(jìn)而導(dǎo)致啟動(dòng)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，限制了該技術(shù)的工程應(yīng)用。

因此，以去除ANAMMOX過(guò)程所產(chǎn)生的NO3－和廢水中的有機(jī)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(shí)現(xiàn)ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，本文通過(guò)研究和文獻(xiàn)分析，對(duì)ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行闡述，深入分析了環(huán)境因素，以及底物因素對(duì)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(yīng)用提供借鑒和指導(dǎo)。

1 厭氧氨氧化耦合反硝化技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理

ANAMMOX反應(yīng)是指AnAOB在嚴(yán)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(guò)程。

反應(yīng)式如式（1）所示：

在式（1）中，ΔG＜0，說(shuō)明該反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行。

ANAMMOX的總反應(yīng)是一個(gè)產(chǎn)能反應(yīng)，能維持AnAOB的生長(zhǎng)所需。

總反應(yīng)式如式（2）所示：

由式（2）可以看出，反應(yīng)中消耗了0.13 mol的H+，這導(dǎo)致了pH值的升高。由于AnAOB是自養(yǎng)菌，以無(wú)機(jī)碳（CO2）為碳源，因此，該反應(yīng)不需要額外添加有機(jī)物，還會(huì)產(chǎn)生一定量的NO3－。

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

反應(yīng)式如式（3）、（4）所示：

由式（3）、（4）可以看出，反硝化反應(yīng)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(yīng)方程式，當(dāng)電子供體不足時(shí)，反硝化反應(yīng)會(huì)將NO3－還原成ANAMMOX反應(yīng)所需的NO2－，同時(shí)，反硝化反應(yīng)還會(huì)消耗有機(jī)物并產(chǎn)生CO2，這在一定程度上減少了有機(jī)物濃度過(guò)高時(shí)對(duì)ANAMMOX反應(yīng)的抑制作用，還為ANAMMOX反應(yīng)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(gè)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(yīng)具有更低的吉布斯自由能，這可能會(huì)導(dǎo)致AnAOB在與反硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，破壞了系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)，ANAMMOX和反硝化反應(yīng)都存在pH值升高的現(xiàn)象，過(guò)高的pH值會(huì)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(yīng)在耦合過(guò)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(duì)控制其反應(yīng)進(jìn)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(xí)性，ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的反應(yīng)過(guò)程對(duì)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(jī)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(huì)對(duì)耦合反應(yīng)產(chǎn)生影響。

2.1 環(huán)境因素

ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)會(huì)受到一些環(huán)境因素的影響，這些因素會(huì)對(duì)反應(yīng)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(lái)說(shuō)，微生物的活性受溫度影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是影響酶催化反應(yīng)的速率；二是影響基質(zhì)向細(xì)胞擴(kuò)散的速度。作為廢水生物處理技術(shù)，ANAMMOX與反硝化反應(yīng)都會(huì)受到溫度的影響。

Rysgaard等人通過(guò)對(duì)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(shí)，利用氮同位素示蹤技術(shù)進(jìn)行了沉積物泥漿的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，冬季時(shí)，ANAMMOX的反應(yīng)速率高于反硝化，而在夏季時(shí)，反硝化的反應(yīng)速率則高于ANAMMOX。

Zhao等人采集了2個(gè)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的沉積物，通過(guò)采用氮同位素示蹤技術(shù)，研究了溫度對(duì)沉積物中AnAOB和反硝化菌的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為20～33℃時(shí)，更有利于ANAMMOX耦合反硝化反應(yīng)的進(jìn)行；當(dāng)溫度＜20℃或＞33℃時(shí)，TN去除率則會(huì)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(yùn)行的關(guān)鍵。

2.1.2 pH值

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

因此，pH值對(duì)ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)脫氮、除碳有著重要影響。一般來(lái)說(shuō)，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(yīng)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(shí)，NH4+和NO2-的去除率可達(dá)100%，TN的去除率達(dá)87.51%，在此條件下，ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

田文婷等人通過(guò)上流式厭氧污泥床反應(yīng)器，研究了pH值對(duì)ANAMMOX耦合反硝化脫氮性能的影響，實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)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(lái)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(huì)在有氧的環(huán)境下受到嚴(yán)重抑制，當(dāng)DO的濃度過(guò)高時(shí)，不僅會(huì)導(dǎo)致氧氣和NO3-競(jìng)爭(zhēng)電子供體，還會(huì)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(yīng)器，研究了DO對(duì)ANAMMOX脫氮性能的影響，分析發(fā)現(xiàn)AnAOB對(duì)DO十分敏感，當(dāng)DO濃度＜0.03 mg/L時(shí)，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(yīng)發(fā)生的前提條件是DO濃度＜0.5 mg/L。

段莊等人通過(guò)對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)DO濃度＜0.2 mg/L時(shí)，反硝化菌才會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸，同時(shí)，AnAOB的脫氮效果最佳。

所以，DO的存在，會(huì)對(duì)ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)產(chǎn)生影響，適合的DO濃度對(duì)耦合的穩(wěn)定性和脫氮、除碳效率來(lái)說(shuō)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(huì)對(duì)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(jī)物種類和濃度、碳氮比及基質(zhì)比等。

2.2.1 有機(jī)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(jī)物對(duì)AnAOB和反硝化菌的影響存在巨大差異。有機(jī)物對(duì)AnAOB的影響主要表現(xiàn)為抑制作用；由于有機(jī)物能為反硝化菌提供碳源，因此，有機(jī)物對(duì)反硝化菌的影響則表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

正是因?yàn)橛袡C(jī)物對(duì)AnAOB和反硝化菌影響的差異性，研究有機(jī)物對(duì)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(jī)物對(duì)ANAMMOX耦合異養(yǎng)反硝化脫氮性能的影響，分析發(fā)現(xiàn)有機(jī)物對(duì)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(duì)海洋沉積物中AnAOB和反硝化菌的作用，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)甲醇對(duì)海洋沉積物中ANAMMOX反應(yīng)具有特異性抑制作用。3.3 mmol/L甲醇既可完全抑制ANAMMOX，同時(shí)又促進(jìn)反硝化反應(yīng)；2～4 mol/L的乙炔可明顯降低AnAOB的活性；而10 mol/L乙炔才會(huì)降低反硝化反應(yīng)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(duì)AnAOB和反硝化菌活性沒有抑制作用。

Maite等人對(duì)比單一乙酸鹽與復(fù)合有機(jī)物對(duì)ANAMMOX反應(yīng)器的短期影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2個(gè)反應(yīng)器中均存在反硝化菌的生長(zhǎng)，且單一有機(jī)物更有利于反硝化菌生長(zhǎng)，在停止添加有機(jī)物后，2個(gè)反應(yīng)器均可以恢復(fù)正常，表明添加有機(jī)物后，短期內(nèi)不會(huì)對(duì)反應(yīng)器造成不可逆的影響。

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

Zhu等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)物濃度過(guò)高時(shí)，反硝化菌的生長(zhǎng)速率要快于AnAOB，導(dǎo)致AnAOB在與反硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，這就破壞了ANAMMOX耦合反硝化反應(yīng)的穩(wěn)定性。

萬(wàn)莉等人采用電增強(qiáng)零價(jià)鐵—上流式厭氧污泥床反應(yīng)器來(lái)處理養(yǎng)豬廢水，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)有機(jī)物充足時(shí)，隨著有機(jī)物濃度的提高，ANAMMOX和反硝化反應(yīng)對(duì)TN的去除率呈不同的變化趨勢(shì)，ANAMMOX反應(yīng)對(duì)TN的去除率不斷下降，反硝化反應(yīng)則相反。

Tang等人通過(guò)上流厭氧污泥床反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有機(jī)物濃度為700 mg/L時(shí)，AnAOB的活性幾乎消失，且NH4+平均去除率也會(huì)降至3%。

Trimmer等人通過(guò)對(duì)沉積物泥漿進(jìn)行采樣實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)ANAMMOX反應(yīng)會(huì)隨著有機(jī)物濃度的變化而變化。

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

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

2.2.2 碳氮比

AnAOB對(duì)有機(jī)物并沒有需求，但通常認(rèn)為，缺乏有機(jī)物很難進(jìn)行有效的反硝化反應(yīng)。然而，當(dāng)C/N過(guò)高時(shí)，一部分NO2－會(huì)發(fā)生反硝化反應(yīng)，這使得ANAMMOX反應(yīng)所需的NO2－變少，進(jìn)而導(dǎo)致ANAMMOX反應(yīng)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(jī)物，研究了C/N對(duì)反硝化的影響，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)C/N＞53時(shí)，沒有脫氮效果，且會(huì)產(chǎn)生甲烷；當(dāng)C/N=9～53時(shí)，發(fā)生了完全反硝化和甲烷化；僅在C/N＜9時(shí)，發(fā)生的是反硝化反應(yīng)。

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

田文婷等人通過(guò)采用上流式厭氧生物濾池反應(yīng)器，設(shè)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(shí)間的變化規(guī)律，得出了當(dāng)C/N為0.5時(shí)耦合脫氮效果最佳的結(jié)論。

實(shí)際上，不同反應(yīng)體系下AnAOB和反硝化菌會(huì)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(jìn)一步的研究。

2.2.3 基質(zhì)比

不同的基質(zhì)比（NO2－/NH4+）會(huì)對(duì)ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的脫氮、除碳性造成影響。在ANAMMOX反應(yīng)中，約11%的TN（NH4+和NO2－）轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3－，使得TN濃度無(wú)法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

周凌等人通過(guò)采用低基質(zhì)的人工合成廢水啟動(dòng)ANAMMOX反應(yīng)器時(shí)，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(guò)對(duì)厭氧折流板反應(yīng)器的脫氮性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器最佳進(jìn)水NO2－/NH4+=1.34時(shí)，ANAMMOX脫氮效率最好，NO2－和NH4+的去除率達(dá)到99.99%。

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

安芳嬌等人通過(guò)研究低基質(zhì)濃度的人工合成廢水對(duì)ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水NO2－/NH4+=1.4時(shí)，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(dá)96.2%和95.4%。

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

3 結(jié) 語(yǔ)

ANAMMOX技術(shù)因其無(wú)需曝氣和外加有機(jī)物、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)勢(shì)，成為目前極具應(yīng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)完全脫氮，并且對(duì)廢水中原有的有機(jī)物沒有去除效果。在此基礎(chǔ)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(yīng)機(jī)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(duì)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(chǔ)。

而AnAOB和反硝化菌在對(duì)有機(jī)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(yùn)行的關(guān)鍵因素。

為進(jìn)一步理解和推動(dòng)ANAMMOX耦合反硝化技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)有研究進(jìn)展，今后應(yīng)探究其他因素（如鹽度、金屬離子等）對(duì)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(yīng)機(jī)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(zhǎng)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(yīng)進(jìn)一步研究ANAMMOX耦合反硝化強(qiáng)化技術(shù)，如特異性強(qiáng)化AnAOB或特異性抑制反硝化菌等；也可進(jìn)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(guān)系，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。