生物技術去除氨氮廢水研究進展

周雨婷

(重慶工商大學 環境與資源學院，重慶 400067)

氨氮作為廢水中一種重要的常見氮，在農業、生活和工業廢水中普遍存在[1]。值得注意的是，與其他氮形式(即硝酸鹽和亞硝酸鹽)相比，某些廢水源的氨氮含量高得多，為防止富營養化，氨氮的處理至關重要[2-3]。

目前，脫氮技術可分為物理、化學與生物脫氮技術，Gupta 等[4]認為，離子交換、生物技術和吸附是氨氮廢水處理中研究最頻繁的技術之一。對于傳統的物理化學脫氮技術在生產、操作和維護方面都是昂貴的，因為它們需要化學試劑或補充設施[5]。本文就生物技術(微生物處理技術和植物修復技術)處理氨氮廢水熱點問題展開綜述，并展望未來生物技術處理氨氮廢水的研究方向。

1 微生物處理技術

微生物處理技術是利用氨還原菌進行廢水中氨去除，對于自然界中天然存在的細菌，具有費用低廉、來源廣泛且效果明顯優于其它技術的特點[6]。氨還原細菌分為好氧氨氧化菌及厭氧氨氧化菌[7]。好氧氨氧化菌以O2作為電子受體，將氨還原為硝酸鹽，硝酸鹽則通過等效的外源電子受體(如甲醇)被還原為N2，而厭氧氨氧化菌需在厭氧的條件下進行，可直接以硝酸鹽作為電子供體，將氨還原為N2。其反應機理如下：

好氧氨氧化菌反應機理：

厭氧氨氧化菌反應機理：

1.1 傳統的硝化/反硝化技術

Koren等[8]針對氨去除工藝進行了兩階段生物硝化/反硝化的可行性研究，該研究比較了滴濾池和連續攪拌塔反應器(CASR)在硝化第一階段的有效性，結果表明CASR工藝相對于滴濾池工藝，對于氨氮的去除率高3倍，同時，CASR的硝化過程與反硝化過程結合后，在初始濃度為400 mg/L的條件下，氨去除率可達90%。

Mook等[9]分別使用物理化學和生物技術處理水產養殖廢水中的總氨氮和硝酸鹽，該研究觀察到生物處理可能是一個很好的選擇，因為它的效率高，設備尺寸小，副產物(污泥)最少。

滴濾器由固定介質床和預過濾的廢水組成，在有氧生物膜上向下流動。滴濾器的關鍵參數是過濾介質。Lekang等[10]使用4種不同類型的過濾介質進行了研究，這些過濾介質由Finturf人造草、Norton環、Kaldnes環和Leca柱(2～10 mm)組成，用于處理1.5 mg 的TAN-N/L。在Leca柱中脫氮率最高，因為其具有更大的表面積和更長的柱停留時間。

流化床反應器作為面臨堵塞問題的系統的替代反應器之一，粒度決定著流化床反應器的處理效率。Davidson等[11]進行了兩種不同砂粒(0.11 mm和0.19 mm)的實驗研究，以去除廢水中的總氨氮(TAN)、含碳生化需氧量(cBOD)和總懸浮固體(TSS)，研究結果表明，當粒徑為0.11 mm時，具有更高的TAN去除率。

Cheballah等[12]進行了滴濾器、流化床反應器和篩網過濾器組合的反應器去除TAN的有效性研究，結果表明TAN去除率約為65.21%。但是，這種類型的反應器需要一個額外的曝氣系統，以啟動該處理程序。

1.2 單種微生物處理技術

Yun等[17]從養殖廢水中直接篩選培養異養單胞菌株LPN080去除水樣中的氨氮，在水樣中加入氨氮和葡萄糖，當以氨氮作為唯一氮源時，氨氮在48 h內從最初的8 mg/L降至0.3 mg/L，氨氮去除率達96%。

光和細菌(PSB)處理高氮濃度廢水具有極大優勢，有研究表明光合細菌可處理含氮濃度為1～2 300 mg/L的污水，同時，在沒有前處理的情況下，可處理氨氮濃度為2 300 mg/L的廢水[18]。盡管PSB生物轉化在處理高氮廢水和培養富蛋白細胞方面顯示出了巨大的潛力，但這一領域的研究還不夠。以往的研究主要集中在去除效率和蛋白質含量方面[19]。

一些研究已經報道了光合細菌對于處理高氨廢水中的氮具有巨大的潛力。Zhou等[20]研究發現光合細菌在含氨濃度為7 000 mg/L的雞糞廢水中存活良好，且氨去除率可達83.2%。同時，Yang等[21]表明在低碳氮比、高氨的沼液廢水中可得到99.75%的氨去除效率。

1.3 組合微生物處理技術

Yang等[23]采用生物濾池耦合硝化+厭氧氨氧化共同作用去除Fe、Mn和氨氮，該研究根據時間將反應階段分為Ⅰ→Ⅷ階段，結果表明，在Ⅰ→Ⅵ階段，氨氮可有效轉換，最高轉換率可達98%。DO對硝化反應和厭氧氨氧化反應均有影響，同時根據廢水處理研究報道，高濃度的氨會抑制ANAMMOX反應過程，半抑制濃度為770 mg/L[24]。游離態的氨被證明是主要的抑制劑，而不是氨鹽[25]。

Ge等[26]通過馴化淡水硝化-厭氧氨氧化污泥(SNAP)以去除高鹽和超鹽廢水中的氮，通過觀察微生物活性和微生物群落情況，以了解SNAP工藝在不同鹽度下對氨氮的去除效果。結果表明，SNAP系統經強化曝氣后，經逐步適應，可處理含鹽(3%)、富氨(185 mg/L)廢水。高鹽度(5%)嚴重抑制anammox活性，導致SNAP系統最終惡化。Oshiki等[27]也發現3%的鹽度對anammox活性無明顯干擾，可維持70%的anammox活性。

2 植物修復技術

K?sesakal等[28]認為植物修復即使用植物和根際微生物的作用將土壤、沉積物、地下水、地表水、大氣中的污染物去除的過程。Placek等[29]將植物修復描述為利用植物和相關微生物來固定(植物穩定)、移除(植物提取)和蒸發或從土壤和水環境中降解污染物的過程。

Lu等[30]認為，水生植物修復系統的操作包括三個原則：①高效水生植物系統的識別和實施；②植物對氮、磷、金屬等溶解營養物的吸收；③對修復系統產生的植物生物量進行收獲和有益利用。

和傳統方法相比，植物修復由于其使用天然植物代替高昂的化學藥劑去除污水中的氮而廣為人知。植物修復具有低運行成本、高社會接受度、易于操作和維護、對環境友好、利于可持續發展、適用于大面積污染區域、植物在高濃度危險廢物下的存活率高于微生物、防止侵蝕和浸出、避免有毒物質或污染物擴散到周圍地區的優勢，但使用植物修復也存在過程緩慢、不適用于污染嚴重的區域、受環境(如極端pH值、鹽度、污染物濃度、其他毒素的存在)的影響、生物質處理問題(如工廠涉及重金屬的吸收，則須考慮回收金屬)、需要大面積的修復、污染物減排水平不達標等不足。

一般來說，去除污染物的植物修復機制有5種(植物揮發、植物降解、植物萃取、根瘤菌過濾和植物穩定)[31-32]。植物揮發是指化合物從植物葉片中提取并以氣態形式釋放到大氣中。植物降解是植物根際或植物內部與相關微生物共同作用，從而將有機污染物轉化為無毒形式的過程。同時，植物萃取是植物從環境中吸收物質(如有機化合物)，然后在植物細胞內進行隔離的自然能力。根瘤菌過濾是指植物根系表面或其他部位對污染物的吸附或沉淀。最后，植物穩定化是通過植物釋放的污染物和化學物質的結合而使周圍環境中的化合物固定化。具體的修復機制詳見表1。

表1 不同污染物的植物修復機理Table 1 Phytoremediation mechanism of different pollutant

2.1 水葫蘆修復廢水的研究

Rezania等報道，水葫蘆在水面的覆蓋會阻止陽光和氧氣通過水面的滲透，從而阻礙水下水生植物光合作用產生氧氣來支持水生生物。因此，控制水葫蘆的生長對防止水葫蘆的危害是十分重要的，可使用機械、化學和生物的方法控制水葫蘆的生長[33-34]。除了不環保和不具成本效益外，由于仍不可能將整個水葫蘆物種從水體中清除，因此取得的成效有限，與其尋找消滅水葫蘆的方法，不如利用水葫蘆做對社會和環境有益的事情。例如，利用水葫蘆清除生活和工業廢水中的各種污染物[35]。20世紀70年代初，植物修復技術在廢水處理中的應用處于起步階段，水葫蘆被報道作為去除不同類型污水的植物，例如消化糖廠廢料、奶牛場、棕櫚油生產、釀酒廠、制革、制漿造紙、農藥生產及重金屬等[36]。20世紀80年代，相關方面的研究沒有多大進展，但21世紀之后，水葫蘆作為各種廢水中有機或無機污染物去除被廣泛研究。

劉立巖等[37]使用水葫蘆對水庫中的氮、磷進行處理，其研究結果表明，水葫蘆的根部可有效地吸收氮和磷，2 d內可去除氮磷80%和40%。賀麗虹等[38]分別進行了水葫蘆在三類水(重污染水、中度污染水與輕度污染水)中的氮磷去除研究，結果表明經過4周的修復，水葫蘆對氮、磷的總去除率分別為80.37%和79.47%，81.97%和81.53%，82.78%和82.05%。水葫蘆可有效去除總氮和氨氮，丁愛芳等[39]使用水葫蘆去除富營養化水體中的總氮、氨氮和總有機氮，經過28 d的培養，其結果表明該方法對總氮、氨氮和總有機氮的去除率分別為87.3%，95.7%和52.4%～65.8%之間。

Anandha[40]進行了實驗室規模的24 d的植物修復過程，其結果表明水葫蘆能去除生活污水中67%的氨氮。陳松[41]在實驗缸中采用水葫蘆對氨氮進行靜態實驗結果表明，對氨氮的去除率為86.44%～93.32%。同時進行動態實驗結果表明，流動水體可增加水中的含氧量，同時促進水中微生物繁殖，根據調查，在水體中存在叢毛單胞菌科等細菌，具有分解蛋白質和攝取酸性物質的能力，也與水葫蘆生長有著密不可分的聯系。水葫蘆的大規模應用主要集中在富營養化湖泊和污染河流的治理上，涉及到長期的修復過程。如Wang等[42]在湖泊面積10.5 km2，覆蓋4.3 km2水葫蘆的富營養化湖泊進行了7個月的植物修復，修復效果為0.02～4.7 mg/L。

2.2 藻類修復廢水的研究

氨毒性是微藻生長的一個主要缺點，尤其是如豬場廢水等高強度氨廢水。氨濃度、碳氮比、pH值對小球藻中的氨毒性和營養物去除有著重要影響。研究人員發現，以生物柴油甘油為碳源，調節其碳氮比，可大大提高微藻生物量的生產和廢水處理效率[43]。將不同碳氮比的廢水混合后，利用普通小球藻去除豬場廢水中的營養成分，成功地調節了豬場廢水的碳氮比[44]。Zheng等[45]發現微藻生長最好的碳/氮比為25∶1，最大生物量濃度為3.83 g/L，最高的細胞生存能力為97%，可去除氨100%、磷95%及化學需氧量99%，通過控制pH值，氨的毒性減輕。

Park等[46]使用綠藻柵藻去除氨氮，研究藻類生長抑制情況(種子細胞濃度、堿度以及曝氣的影響)，結果表明曝氣對氨的去除影響更大，發現在曝氣后氨的去除量每天可達6.3～66.8 mg/L，增加了10倍。

3 結論與展望

相對于傳統的物理化學脫氮技術，生物修復技術具有運行成本低、處理效率高等顯著優點。微生物處理技術近年來受到學者的廣泛關注，厭氧氨氧化菌以及光合細菌對于氨氮廢水具有很好的去除效能，目前對于高鹽度廢水中氨去除的研究相對較少，對于組合處理技術處理氨氮廢水，效果明顯，但從經濟角度出發，需要對其進行進一步的研究。

慢速是植物修復技術的主要缺點，但考慮到處理過程的低運行成本和可持續性，慢速仍然被認為是較好的解決方案。在各種大型植物中，水葫蘆比其他大型植物吸收氮量大，被推薦用于富氮廢水的治理。藻類也被用來處理氨氮廢水，對于水葫蘆和藻類的生存來說，濃度仍然有一個耐受限度。濃度過高會導致植物產生氨毒性，進而導致植物死亡。近年來，水葫蘆在富含氨氮水體修復中的實際應用主要集中在生活污水、富營養化湖泊和河水等方面。水葫蘆在處理工業廢水中含量豐富的應用較少，未來有可能探索并進行先進技術的開發。