張玨，陳輝，姬玉欣，楊畢娥，劉甲紅，金仁村

（杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036）

厭氧氨氧化工藝（ANAMMOX）是在厭氧條件下，以亞硝酸鹽為電子受體，將氨轉(zhuǎn)化為N2。厭氧氨氧化工藝具有高脫氮效率，在污水處理中發(fā)展?jié)摿薮?。但是，該脫氮過程非常復(fù)雜。厭氧氨氧化工藝在實驗室規(guī)模和工業(yè)應(yīng)用中的第一個難題是微生物的生長速度非常緩慢[1-2]。在實驗室中，解決該問題的辦法是使用序批式反應(yīng)器（SBR），SBR具有較高的生物持留能力[2]和附著生長型反應(yīng)器（如生物膜和顆粒污泥反應(yīng)器）。國際上第一個工業(yè)化規(guī)模的厭氧氨氧化反應(yīng)器于 2002年在荷蘭鹿特丹建成，用于污泥壓濾液處理[3]。該工藝由上流式厭氧氨氧化反應(yīng)器與短程硝化反應(yīng)器（SHARON）組成，其中，經(jīng)過SHARON可將進(jìn)水中50%～57%氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸氮[3]。之后，第一個工業(yè)化規(guī)模的單級厭氧氨氧化系統(tǒng)——完全自養(yǎng)脫氮（CANON）系統(tǒng)在奧地利的 Strass啟動[4]。在該系統(tǒng)中，通過限制O2的供應(yīng)量，使半短程硝化和厭氧氨氧化在單一反應(yīng)器中同時發(fā)生[5]。

目前已有約40個工業(yè)化規(guī)模的自養(yǎng)脫氮裝置，應(yīng)用在各種高濃度含氨市政和工業(yè)廢水，包括制革、食品加工、半導(dǎo)體、發(fā)酵、酵母、釀酒等廢水[6]。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)階段該系統(tǒng)處理廢水的最大氮負(fù)荷為11t/d。此外，據(jù)報道，實驗室規(guī)模的厭氧氨氧化工藝還可以處理廁所排水厭氧消化液[7]、糞便消化液[8]、尿液[9]和制藥廢水[10]。

本文概述了厭氧氨氧化工藝的現(xiàn)狀，并對厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定性、厭氧氨氧化工藝的溫室氣體（N2O）排放及其工業(yè)化應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。

1 厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀

在過去的十年里，厭氧氨氧化工藝的累積氮負(fù)荷增加了近60倍，這表明，該工藝的應(yīng)用已日趨廣泛。目前，厭氧氨氧化工藝只有在中溫條件下才能成功實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模來處理含高濃度氨氮廢水[3-4，11]。兩種方法可以為厭氧氨氧化過程提供亞硝酸鹽，一種是在一個獨(dú)立的曝氣反應(yīng)器中產(chǎn)生亞硝酸鹽[12]，另一種是在一個無O2的或者少量O2的[5，13]厭氧氨氧化反應(yīng)器中產(chǎn)生亞硝酸鹽。這兩種方法有很多不同的命名方式（表1），以下將分別稱它們?yōu)閮杉壪到y(tǒng)和單級系統(tǒng)。

因為沒有短程硝化罐，單級系統(tǒng)往往比兩級系統(tǒng)的投資要少。但在兩級系統(tǒng)中，可以更好地調(diào)控短程硝化和厭氧氨氧化過程，進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，所以兩級系統(tǒng)運(yùn)行更靈活、穩(wěn)定。盡管如此，這兩者之間的選擇還要考慮很多具體的情況，如短程硝化單元、貸款利率、廠區(qū)空間和廢水特性等。資料數(shù)據(jù)表明，在約40個自養(yǎng)脫氮的工業(yè)化系統(tǒng)中，只有4個使用了兩級系統(tǒng)[3，15]。

表1 涉及厭氧氨氧化工藝的脫氮系統(tǒng)的工藝選項和名稱

對于單級系統(tǒng)來說，如氣提式SBR、生物轉(zhuǎn)盤（RBC）和移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）等可以用來建立在微氧條件下好氧氨氧化菌（AOB）和厭氧氨氧化菌的共存體系[13-14，22-23]。當(dāng)菌體存在形態(tài)為生物膜或顆粒時，由于氧氣擴(kuò)散受限，所以AOB只在有氧的外層活性較高，而氧氣擴(kuò)散不到內(nèi)部的核心，內(nèi)部核心會形成厭氧環(huán)境，確保其內(nèi)厭氧氨氧化菌的高活性。好氧氨氧化會產(chǎn)生一定量的亞硝酸鹽，這些亞硝酸鹽可以完全穿透生物膜，供厭氧氨氧化菌代謝[2，13，24-25]。在懸浮生長系統(tǒng)中，可以通過開關(guān)曝氣裝置來限制溶解氧濃度在較低的水平。基于模型的研究表明，若生物膜的表面氨負(fù)荷一定，則存在一個最佳的溶解氧濃度和生物膜厚度，可使反應(yīng)器獲得最高脫氮效率[26]。表面氨負(fù)荷一定，溫度越低，則需要較厚的生物膜厚度和較高濃度的DO來維持高水平的氮去除率；生物膜厚度一定，溫度越低，需要較小的表面氨負(fù)荷和較低濃度的DO來保持高效率氮去除能力。

在單級系統(tǒng)中，可防止亞硝酸鹽氧化菌（NOB）產(chǎn)生硝酸鹽，這是由于NOB對O2的親和力比AOB低；和厭氧氨氧化菌相比，NOB對亞硝酸的親和力較低[27]。一些研究者提出，在高濃度廢水條件下，通過游離氨（FA）來抑制亞硝酸鹽的氧化作用，可以快速高效地提升總氮去除效率。但FA對NOB的效果在文獻(xiàn)中存在較大的分歧[28-29]，建議不要僅僅依賴FA來抑制亞硝酸氧化[30]。因此在今后的研究中，單級系統(tǒng)的操作條件優(yōu)化將成為主要研究方向，如溶解氧濃度、氨濃度、COD/N比、pH值等如何影響單級系統(tǒng)的運(yùn)行性能。在實際運(yùn)行過程中確定最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，尋找有效的調(diào)控策略對系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化。

由厭氧氨氧化菌或亞硝酸鹽氧化菌產(chǎn)生的硝酸鹽可以在硝酸鹽還原（如異養(yǎng)反硝化）的過程中脫除。不過，為了能夠成功實現(xiàn)厭氧氨氧化，目前認(rèn)為首要條件是去除COD。由于厭氧氨氧化菌的生長速率緩慢且產(chǎn)率較低，應(yīng)嚴(yán)格控制異養(yǎng)生長條件，使污泥中厭氧氨氧化菌的豐度維持在較高水平。有機(jī)物可以在反硝化微生物的催化下還原硝酸鹽。此外，有研究證實，若COD/N設(shè)定為0.5 gCOD/(gN)時，厭氧氨氧化菌能成功與異養(yǎng)微生物競爭[31-33]，這就為工藝優(yōu)化提供了新的思路。

2 厭氧氨氧化工藝的N2O排放

氧化亞氮（N2O）是一種重要的溫室氣體，擁有比CO2強(qiáng)300倍以上的全球變暖的潛力，它是反硝化反應(yīng)的中間產(chǎn)物，在一定的條件下也是 AOB的副產(chǎn)物。在處理污水的過程中，有幾個氮轉(zhuǎn)化的過程均會產(chǎn)生大量的N2O，包括硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)以及亞硝酸鹽和羥胺之間的化學(xué)反應(yīng)[34]。但在厭氧氨氧化的代謝中，N2O既不是中間產(chǎn)物，也不是副產(chǎn)物[35]。 然而，在單級系統(tǒng)中，AOB的生長需要 O2，因此可能有兩種途徑產(chǎn)生 N2O：①AOB可以通過氨或 H2等電子供體來還原亞硝酸鹽產(chǎn)生N2O[36]；②AOB中不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物羥胺的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生N2O[37]。據(jù)報道，在一個工業(yè)化規(guī)模的單級短程硝化-厭氧氨氧化系統(tǒng)中，N2O的排放量為氮負(fù)荷的1.3%[38]，而在間歇曝氣與連續(xù)曝氣期間N2O的排放量分別為氮負(fù)荷的0.6%和0.4%[14]。在一個工業(yè)化規(guī)模的兩級短程硝化-厭氧氨氧化系統(tǒng)中（荷蘭鹿特丹Dokhaven Sluisjesdijk污水處理廠），N2O的排放量占短程硝化反應(yīng)器氮負(fù)荷的1.7%，為厭氧氨氧化反應(yīng)器氮負(fù)荷的0.6%[21]。而在另一個工業(yè)化規(guī)模的兩級系統(tǒng)中，N2O的排放量占 6.6%[15]。de Graaff等[7]測得厭氧氨氧化SBR反應(yīng)器的N2O排放量為總氮負(fù)荷的 1%，該反應(yīng)器用于處理廁所排水厭氧消化液短程硝化后的出水。最近有報道稱，在12℃下運(yùn)行的實驗室規(guī)模的單級系統(tǒng)反應(yīng)器中，氮去除量的2.4%要?dú)w因于N2O的排放[39]。這些結(jié)果表明，N2O從單級系統(tǒng)和兩級系統(tǒng)都有排放。但詳細(xì)的排放數(shù)據(jù)還有待進(jìn)一步研究，以期充分了解這兩類系統(tǒng)的 N2O排放量，并能夠與傳統(tǒng)的硝化-反硝化系統(tǒng)進(jìn)行比較。同時，應(yīng)該重視在污水處理過程中N2O的排放，積極改進(jìn)和研發(fā)污水處理技術(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而有效地控制N2O的排放。

3 厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定性

厭氧氨氧化菌的倍增時間長[1]，因此，菌體最大限度地持留對于厭氧氨氧化工藝的穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此，生物膜和顆粒系統(tǒng)比絮狀生長系統(tǒng)更具優(yōu)勢。SBR中絮狀污泥的上浮問題已有報道[14]，通過縮短曝氣時間和添加納米絮凝劑的方式優(yōu)化污泥的沉降性能，解決上浮問題。然而，當(dāng)污泥的沉降發(fā)生在一個單獨(dú)的步驟中時，例如在一個CSTR反應(yīng)器的沉淀池或者一個SBR反應(yīng)器中沉降，此時有必要對其進(jìn)行優(yōu)化。一般情況下，較大的聚集體更適合單級系統(tǒng)[26]。此外，有研究表明，較大的聚集體還會表現(xiàn)出較高的厭氧氨氧化活性和較低好氧氨氧化-亞硝酸氧化活性[33，40]。為了能更好地留住較大的聚集體，可以在絮狀污泥SBR中安裝水力旋流器[41]。然而，也有部分沒有這種裝置的SBR反應(yīng)器表現(xiàn)出了長期穩(wěn)定性[14]（SBR反應(yīng)器內(nèi)安裝攪拌器）。此外，反應(yīng)器的構(gòu)型也是污泥沉降性能的影響因素之一，氣升式系統(tǒng)和升流式反應(yīng)器系統(tǒng)中低沉降性能的污泥不斷洗出，反應(yīng)器內(nèi)留下沉降性能較好的污泥逐漸集聚形成較大顆粒，所以此類反應(yīng)器內(nèi)會產(chǎn)生較大的顆粒污泥[11]。在反應(yīng)器啟動過程中，應(yīng)綜合考慮接種污泥類型與反應(yīng)器構(gòu)型，這樣能夠更有效地建立高效穩(wěn)定的厭氧氨氧化工藝。對于固體和COD負(fù)荷的波動，生物膜和顆粒系統(tǒng)比絮狀污泥系統(tǒng)更穩(wěn)定。事實上，在生物膜和顆粒污泥的系統(tǒng)中，小顆粒和異養(yǎng)的絮狀污泥很容易從生物膜中分離出來。因此，這可以更有效地去除它們，避免其對自養(yǎng)微生物的干擾。

厭氧氨氧化菌是在厭氧的條件下才能顯示出較好的活性，這使得溶解氧成為厭氧氨氧化工藝的關(guān)鍵操作參數(shù)。最初報道，0.5%的飽和溶解氧即可抑制厭氧氨氧化菌[24]。不過在實驗室規(guī)模的生物反應(yīng)器中已經(jīng)多次發(fā)現(xiàn)，即使經(jīng)過較長時間的有氧狀態(tài)（＞8mgO2/L），厭氧氨氧化的活性也可以恢復(fù)。但過量的溶解氧也會導(dǎo)致NOB的增長，它會與厭氧氨氧化菌競爭亞硝酸鹽，與AOB競爭O2，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。由此可見，溶解氧的濃度是厭氧氨氧化工藝中一個重要的參數(shù)，其濃度的調(diào)控得當(dāng)與否直接決定該工藝的運(yùn)行性能的優(yōu)良。因此，嚴(yán)格控制溶解氧的濃度是厭氧氨氧化工藝建立與運(yùn)行的必備條件。但是實際運(yùn)行過程中溶解氧的穩(wěn)定控制存在一定的難度，鑒于好氧微生物和厭氧微生物錯綜復(fù)雜的關(guān)系，有人建議將溶解氧和氮的液相濃度結(jié)合起來作為控制參數(shù)。Joss等[14]建議，溶解氧濃度應(yīng)該維持在一個設(shè)定的點(diǎn)（＜1mgO2/L），在這種操作模式下，第一個SBR反應(yīng)器連續(xù)的亞硝氮生成與消耗最終使出水亞硝氮濃度保持在 10mg/L以下，并直接通過氨離子選擇電極來測量氨氮，對SBR進(jìn)行調(diào)控；為了驗證連續(xù)曝氣與間歇曝氣對反應(yīng)器產(chǎn)生的不同影響，在隨后啟動的反應(yīng)器中采取兩種不同模式曝氣方式進(jìn)行運(yùn)作，兩個反應(yīng)器的出水亞硝氮均低于2mg/L，這說明厭氧氨氧化在兩個反應(yīng)器中都能持續(xù)發(fā)生，但是連續(xù)曝氣方式的優(yōu)勢在于其操作的簡易性。另一方面，對于連續(xù)流系統(tǒng)中的溶解氧可以通過自動比色測量氨進(jìn)行控制[11]。

工業(yè)廢水和生活污水的成分往往非常復(fù)雜，這使得厭氧氨氧化的成功工業(yè)化實施和穩(wěn)定運(yùn)行面臨巨大挑戰(zhàn)[3]，這些廢水通常會含較高濃度氮素、抗生素、重金屬和酚類等有毒物質(zhì)，這些成分會很大程度地影響厭氧氨氧化的活性[12，42-44]，最終導(dǎo)致厭氧氨氧化工藝性能降低，穩(wěn)定性變差。低濃度的無毒性有機(jī)物會對厭氧氨氨氧化不會有抑制作用，有時還能起到促進(jìn)作用，但是濃度過高就會對厭氧氨氧化產(chǎn)生毒害作用。一些有毒性的有機(jī)物會通過微生物毒害與酶活的鈍化對厭氧氨氧化產(chǎn)生毒害，這些抑制作用通過是不可恢復(fù)的。重金屬為不易降解物質(zhì)，它們會在微生物內(nèi)部積累從而產(chǎn)生毒害作用。

氨對厭氧氨氧化菌不會產(chǎn)生抑制，反而是它的基質(zhì)，但亞硝酸鹽會對它產(chǎn)生很強(qiáng)的抑制[45]。有研究表明，長期（超過一周）暴露于980mg/L氨對厭氧氨氧化菌不會產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響[45]，而 20～25mg/L的游離氨可以抑制厭氧氨氧化菌[25，46]。當(dāng)亞硝酸鹽的濃度高于100mg/L時，厭氧氨氧化菌的活性會完全被抑制，但抑制可逆，添加微量的聯(lián)氨或羥胺可以迅速恢復(fù)厭氧氨氧化菌的活性[45]。早期的亞硝酸鹽對厭氧氨氧化菌抑制研究表明，這種抑制效果與接觸時間和亞硝酸鹽的濃度有關(guān)[22，45，47]。最近對亞硝酸鹽抑制的綜合研究表明，暴露在高達(dá)1000mg/L的亞硝酸鹽濃度下24h，其活性同樣是可以恢復(fù)的[48]。這表明厭氧氨氧化菌生存在高濃度的亞硝酸鹽濃度時，它將表現(xiàn)出與常規(guī)條件不一樣的特性。此外，在低濃度的亞硝酸鹽濃度（＜1mg/L）下培養(yǎng)的厭氧氨氧化菌似乎更容易被短時的高濃度亞硝酸鹽抑制，而在更高濃度的亞硝酸鹽下運(yùn)行需要嚴(yán)格調(diào)控亞硝酸鹽的濃度，否則就會導(dǎo)致厭氧氨氧化菌中毒[4，48]。

本文作者課題組在厭氧氨氧化抑制方面做了大量研究，包括土霉素、銅（Ⅱ）、鹽度、硫化物、苯酚對厭氧氨氧化工藝的抑制作用以及土霉素、銅（Ⅱ）、硫化物、苯酚對厭氧氨氧化工藝的聯(lián)合抑制作用[43，49-52]（表2）。研究發(fā)現(xiàn)，由于不同的工作條件、實驗方法、污泥的物理化學(xué)特性差異和所涉及的微生物種群，抑制劑的作用差別也很大，其中重金屬銅的毒害作用較為顯著，其半抑制濃度（IC50）僅為 12.9mg/L，而重金屬又是多種廢水中常見的有毒污染物之一，因此就重金屬對厭氧氨氧化工藝抑制毒害作用以及有效地緩解重金屬抑制方法的研究意義重大。此外，厭氧氨氧化菌對生長環(huán)境的要求較為嚴(yán)格，要想實現(xiàn)厭氧氨氧化工藝更廣的工業(yè)化應(yīng)用，仍需進(jìn)行大量關(guān)于厭氧氨氧化菌快速富集培養(yǎng)與抑制物毒害作用的研究。

4 展 望

表2 不同抑制劑對厭氧氨氧化菌的IC50

基于對厭氧氨氧化菌生理特性的研究，已經(jīng)出現(xiàn)了一些厭氧氨氧化工藝的嶄新應(yīng)用方式：①市政污水處理中厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用；②與有機(jī)酸氧化耦合去除硝酸鹽。

到目前為止，大多數(shù)文獻(xiàn)報道的自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)都在25℃以上運(yùn)行，進(jìn)水氮的濃度超過0.1g/L[53]。因此下一個研究工作就是在較低的溫度下和較低的氮濃度下進(jìn)行厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用。這將增加厭氧氨氧化工藝應(yīng)用到市政污水處理的可能性，有望使污水處理廠達(dá)到一個能量平衡[54]。為了避免過多的有機(jī)物輸入到自養(yǎng)脫氮步驟，能最大限度地從市政污水中進(jìn)行能量的回收，可以在A/B步驟中的A階段后預(yù)先脫除有機(jī)碳，或設(shè)置在厭氧消化或者物化預(yù)處理之后[4，14，54-56]。

厭氧氨氧化工藝在處理市政污水時最大的挑戰(zhàn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)在低溫下（8～15℃）有良好的菌體持留能力和較低的出水氮濃度。近日，低溫條件下厭氧氨氧化工藝的研究已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展[39，57]。一個實驗室規(guī)模的單級系統(tǒng)在25℃正常運(yùn)行，可以迅速地適應(yīng)（10d）并正常運(yùn)行在 12℃下。此外，該系統(tǒng)運(yùn)行超過了300d都沒有亞硝酸鹽的積累，也檢測不到NOB的活性，去除率能夠在12℃能夠達(dá)到90%以上[39]。本文作者課題組的研究表明，實驗室規(guī)模的UASB反應(yīng)器在35℃下正常運(yùn)行，逐漸降低溫度，通過常規(guī)馴化、菌種流加和添加甜菜堿的策略，反應(yīng)器可在9.1℃的低溫下，總氮去除速率達(dá)到6.61 kg/(m3?d)[57]。這兩個最新的研究報告證明，厭氧氨氧化系統(tǒng)原則上是能夠在低溫下運(yùn)行的，但進(jìn)一步的研究是有必要的，以便能夠確定該工藝的可行性，為將來實施中試和最終的工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

目前，厭氧氨氧化工藝僅適用于氨的去除。但是在未來，這些過程將被組合在一起實現(xiàn)同步去除氨、溶有機(jī)物和亞硝酸鹽。厭氧氨氧化菌在氨和亞硝酸鹽的環(huán)境中生長會導(dǎo)致硝酸鹽的產(chǎn)生，因為這些微生物會氧化部分亞硝酸鹽成為硝酸鹽并釋放出固碳的必要的質(zhì)子。因此，硝酸鹽會始終存在于采用厭氧氨氧化菌的污水處理系統(tǒng)中。厭氧氨氧化菌也可以耦合硝酸鹽和亞硝酸鹽還原來氧化還原多種有機(jī)物（甲酸、乙酸、丙酸、甲胺）[31-33，58-59]。有機(jī)酸的共氧化可能會增加厭氧氨氧化菌在污水處理中的應(yīng)用潛力。在實驗室規(guī)模的反應(yīng)器中，厭氧氨氧化菌可以在C/N比低于2∶1的情況下與異養(yǎng)反硝化菌競爭，這將意味著厭氧氨氧化過程可以應(yīng)用于同時含有機(jī)物和氨的廢水中。此外，這種現(xiàn)象可以用來去除厭氧氨氧化反應(yīng)器出水中的硝酸鹽。而且，這兩種厭氧氨氧化菌都可以從相同的接種污泥中富集培養(yǎng)，且所有已知的厭氧氨氧化菌均能在沒有誘導(dǎo)的情況下轉(zhuǎn)化有機(jī)酸[32-33，59]。

5 結(jié) 語

厭氧氨氧化提供了一種新的脫氮思路，與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，可大大降低能源和化學(xué)藥劑的消耗，為今后污水處理降低成本、簡化脫氮過程提供了可能，具有很好的發(fā)展空間。盡管厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用目前僅限于高濃度氨氮廢水的脫氮處理，但有關(guān)低溫厭氧氨氧化、反硝化耦合厭氧氨氧化的實驗室研究表明，厭氧氨氧化菌具有非常大的潛力，將會以幾種不同的方式應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。為了實現(xiàn)這些最新研究成果的工業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)一步的可行性研究很有必要。

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