焦隴珍，單銘港，王崢嶸，江雨峰，周柯岑，嚴子春，2

（1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省黃河水環(huán)境重點實驗室，甘肅蘭州 730020）

目前我國傳統(tǒng)脫氮主要采用硝化反硝化技術，但該技術存在工藝流程長，需外加碳源，運行成本高等缺點，且隨著污水排放標準的不斷提高，該工藝已不能解決城市污水經二級處理后仍存在低C/N 比的問題，因此國內外學者一直致力于新型脫氮技術的研究[1]。隨著脫氮工藝的改進，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 世紀末，首次在荷蘭的一座脫氮流化床反應器中發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）[4]。厭氧氨氧化技術因其運行費用低、無需外加碳源、脫氮效率高等優(yōu)點而成為人們研究的熱點[5]。

厭氧氨氧化菌是厭氧自養(yǎng)菌，可將氨氮和亞硝氮轉化為氮氣實現(xiàn)脫氮，但脫氮過程易受溫度、pH、溶解氧、COD 等環(huán)境條件影響[6-8]。本文對厭氧氨氧化的反應原理、影響因素等方面的研究進展進行了總結分析，為提高脫氮處理效果提供參考和依據。

1 厭氧氨氧化反應

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-轉化成N2和少量NO3-的生物脫氮過程[9]。

1.1 反應原理

2014 年Lotti 等通過動力學和化學計量對Strous等提出的厭氧氨氧化反應方程式進行了修訂[10，11]，如式（1）所示：

1997 年Graaf 等采用15N 示蹤標記法提出NO2-并沒有直接形成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化為羥氨酶的基因，最后證明中間產物為NO，而不是聯(lián)胺[13]。Anammox 反應的代謝機理圖（見圖1）。

圖1 厭氧氨氧化反應的代謝機理模型[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，細胞外無莢膜，屬于浮霉菌門；世代周期長，生長富集緩慢，內含大量血紅素c，富集期間會由棕色變?yōu)榧t色。其細胞結構（見圖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)溫度可通過影響微生物酶催化反應速率影響厭氧氨氧化菌活性，超出適宜范圍微生物活性會受到抑制。Awata 等采用厭氧氨氧化膜生物反應器考察溫度對Anammox 活性的影響，發(fā)現(xiàn)溫度降低Anammox 的去除效果會隨之下降[16]，Lin 等通過宏蛋白組學研究溫度對厭氧氨氧化菌群落蛋白質組的影響，發(fā)現(xiàn)當溫度為15 ℃時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 濃度與氮去除負荷（NRR）呈正相關，溫度對血紅素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]。紀鑫奇等研究pH 對厭氧氨氧化/反硝化耦合脫氮的影響，發(fā)現(xiàn)當pH 超過適宜范圍時，Anammox 活性會顯著下降，表明pH 過高會抑制厭氧氨氧化活性[20]。也有相關文獻證明過高的pH 會造成不可逆的抑制作用甚至停止反應[21]。

2.1.3 溶解氧 AnAOB 是嚴格厭氧菌。DO 對厭氧氨氧化過程產生抑制作用的主要原因：（1）氧分子參與反應生成一些對AnAOB 有抑制作用的自由基和氧化物；（2）一定濃度的DO 會促進好氧微生物的生長，使AnAOB 活性受到抑制。在低溶解氧條件下AnAOB 的活性暫時受到抑制，DO 過高不利于AnAOB 的生長和增殖，甚至會使厭氧氨氧化菌失去活性，但隨著DO 濃度降低AnAOB 活性會逐漸恢復，表明溶解氧對AnAOB 的抑制作用是可逆過程[22]，即一定量的DO 并不會對AnAOB 造成不可逆的影響，只是暫時抑制其活性[23]。研究表明在有氧條件中，NO2-不穩(wěn)定會被硝化細菌氧化為NO3-，使NO3-積累抑制微生物活性，從而消耗厭氧氨氧化反應底物，影響反應器的脫氮效率[24]。

2.2 物料濃度

2.2.1 有機物 厭氧氨氧化菌屬于化能自養(yǎng)菌，無機碳源為其代謝增殖所需，無需有機碳源參與[25]。陳重軍等采用連續(xù)流UASB 反應器研究乙酸鈉對厭氧氨氧化脫氮性能的影響，試驗研究表明當有機物濃度為40 mg/L時反應器對總氮的去除效果最佳可達88.5%，進水COD 為60 mg/L、80 mg/L 時，反應器的脫氮性能受到了不同程度的抑制[26]。Pijuan M 等研究COD 短期和長期條件下對厭氧氨氧化反應器的影響，短期投加COD不會使氨氮濃度增加，因此并不會影響厭氧氨氧化活性；長期投加會使Anammox 的活性降低，微生物群落發(fā)生轉移，導致厭氧氨氧化分數降低，當停止投加一段時間后發(fā)現(xiàn)其活性逐漸恢復[27]。

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

2.2.3 微生物濃度 浮霉菌門為厭氧氨氧化功能菌，可以去除反應器內的氨氮和亞硝氮，促進厭氧氨氧化反應進行[31]。在屬分類水平下，Brocadia 菌屬對NH4+和NO2-親和性更強，生長速率較快，且適量的有機物可增加Brocadia 菌屬豐度，又可以使反應器內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 屬于厚壁菌門且為有機化能營養(yǎng)型細菌，可進行反硝化作用，過多有機物會使反硝化菌與厭氧氨氧化菌競爭底物基質影響反應器的脫氮性能[33]。

3 體系中的微生物作用

在Anammox 反應器的菌種中存在厭氧氨氧化菌和異養(yǎng)菌，大多數異養(yǎng)菌都參加氮循環(huán)過程，并且進行反硝化過程使得異氧反硝化菌與厭氧氨氧化菌競爭底物基質，從而影響厭氧氨氧化菌的活性和生長增殖[34]。Zhao 等證明Ignavibacterium 和Gp4 與厭氧氨氧化菌存在交互營養(yǎng)共生關系[35]。呂愷等研究發(fā)現(xiàn)生物膜上的氨氧化細菌（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）競爭亞硝酸鹽時具有優(yōu)勢[36]。低有機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，反應器內Anammox 菌產生的NO3--N 被反硝化菌利用，同時反硝化菌為Anammox 菌提供無機碳源和NO2--N，兩者表現(xiàn)為共生關系，相互促進使反應器的脫氮效果提高[37]；高有機物條件下反硝化菌與厭氧氨氧化菌競爭共同底物NO2--N 和生存空間，導致反應器脫氮性能下降（見圖3）。

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

4 厭氧氨氧化技術的應用

世界上第一座厭氧氨氧化反應器在荷蘭鹿特丹Dokhaven 污水廠于2002 年建成并運行，隨著國內外研究者的進一步研究，該工藝逐漸向工藝實際應用的方向發(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，通過缺氧好氧交替進行，水力停留時間短等措施使AOB 成為優(yōu)勢菌種，實現(xiàn)了部分厭氧氨氧化和短程硝化，出水水質較好，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得表明厭氧氨氧化過程的脫氮比例占30%左右，目前該污水廠的Anammox 已穩(wěn)定運行[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 總結與展望

目前，厭氧氨氧化的實際應用受厭氧氨氧化菌生長富集緩慢、細胞產率低、環(huán)境因素等條件限制，因此未來發(fā)展應研究解決以下方面的問題：（1）優(yōu)化工藝條件提高厭氧氨氧化菌活性，培養(yǎng)出對環(huán)境要求低、世代周期短的新型厭氧氨氧化菌以實現(xiàn)菌的快速富集；（2）將厭氧氨氧化與傳統(tǒng)脫氮工藝相結合，充分發(fā)揮各工藝的優(yōu)勢以達到更好地脫氮效果，例如SHARON 反應器與厭氧氨氧化工藝串聯(lián)運行處理高氨氮廢水，可彌補傳統(tǒng)脫氨工藝對高C/N 廢水處理效果差的問題。探索厭氧氨氧化耦合其他工藝的脫氮性能，為加快實際應用提供技術指導。