厭氧氨氧化菌富集過程影響因素的研究現狀

王 特，田 凱，李 杰，2

（1.蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省膜科學技術研究院，甘肅蘭州 730030）

近些年來，城市化的逐步加快與社會機制發展速度加快，水體污染現象日益加重，其中主要污染之一為氮素污染，而氮素污染造成的一個主要問題就是水體富營養化，水污染問題亟待解決[1-3]。雖然最近幾年全國水環境質量總體有一定改善，但水體污染的現狀短期內仍不能完全改變，因此，繼續加強控制水體氮素污染的形勢依舊嚴峻。

自從《巴黎協定》簽署之后，在2020 年，我國應諾于2030 年達到碳達峰，2060 年達到碳中和，因此各行各業均需要對各自領域碳排放進行一定的控制與調整。據研究報道，在世界范圍內，污水處理行業的碳排放占社會總排放量的1%～3%[4]，而在我國，污水處理行業的碳排放占我國社會總排放量的1%～2%[5]。目前，由于污水處理廠尾水處理不夠徹底，是水體氮污染的重要來源，成為地表水氮素污染的第二大污染源[6]，同時造成了更多的碳排放。現階段，我國城鎮污水處理廠在達標提標、污泥處置、能源消耗、水回收利用等方面，僅靠一個污水排放標準難以滿足不同地區環境行政主管部門的需要，我國部分地區（如江蘇省）還要求將出水總氮（TN）的限值從15 mg/L 降至10 mg/L，這對發展中國家的大多數污水處理廠來說是一個巨大的挑戰，全國范圍內越來越多的污水廠出水難以達到新標準的要求，并且出現了越來越多的后續問題[7-12]。

目前，世界范圍內的絕大多數國家與地區廣泛應用傳統的生物脫氮技術，但是，隨著污水處理排放標準的提高，許多工藝已經不再滿足新的需求，目前，城鎮污水處理廠運行工藝主要存在的問題有：能耗高，需要大量曝氣；投藥量大，調節pH；處理效率較低；能源回收率差；有機物含量低，最終導致出水硝酸鹽氮含量過高；污泥產量高，污泥處理額外耗能，超過了污水處理60%的成本；脫氮負荷低，不滿足高氨氮廢水處理的要求[13-18]。總之，傳統生物脫氮工藝正面臨著以上諸多限制問題的影響[19]。

厭氧氨氧化（Anammox）于1995 年在反硝化流化床反應器中首次被發現[20]。與傳統生物脫氮工藝相比，厭氧氨氧化工藝具有占地面積小、節約100%碳源、節省60%供氧能耗、污泥產量低、減少溫室氣體N2O 排放、最終約減少90%的運行費用等顯著低碳特性，是污水處理領域的顛覆性技術，已成為國內外污水生物脫氨領域的研究熱點[21-26]。

然而，厭氧氨氧化工藝目前還存在諸多的限制，如厭氧氨氧化反應條件苛刻（基質濃度、pH、有機物、溶解氧無機碳源等都有要求）、AnAOB 菌種世代周期長、反應器啟動時間較長、生成硝態氮降低總氮處理效率[27-32]。

因此，對于厭氧氨氧化菌如何能夠實現快速富集，如何使厭氧氨氧化反應器穩定運行，成為國內外學者關注的熱點方向。本文將對這一過程中的影響因素進行綜述，并提出自己的建議，希望對后續研究提供一定的借鑒和幫助。

1 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化反應主要是一種泛指厭氧氨氧化菌通過在厭氧或者缺氧環境中產生氮氣的化學反應過程，亞硝酸鹽氮作為電子受體，氨氮作為電子供體，主要的化學反應式有：

2 厭氧氨氧化菌富集影響因素

2.1 溫度

厭氧氨氧化工藝的最佳溫度范圍是30～37 ℃[24，33]。低溫會顯著抑制厭氧氨氧化工藝的脫氮效率[34]，當溫度高于45 ℃時，厭氧氨氧化的活性不可逆地降低[35]。Wang 等[36]研究了連續溫度變化對固定化厭氧氨氧化填料脫氮效果的影響，發現12.5 ℃以下，Anammox 活性受到嚴重抑制，在12.5～23 ℃范圍內，溫度對脫氮效果的影響大于水力停留時間，同時發現群落結構隨著溫度的變化而遷移。Lin 等[37]研究發現，當溫度從35 ℃下降到15 ℃時，蛋白質含量的變化明顯，證明厭氧氨氧化菌活性受到的抑制作用較為明顯。李祥等[38]的研究發現，溫度低于20 ℃后，反應器內的氮素去除受到抑制，低于15 ℃后，抑制更加明顯，且出現了亞硝酸鹽積累。周蒙蒙等[39]研究發現，23 ℃是UASB 反應器穩定運行的轉折點，低于23 ℃后，脫氮效率下降，但是長期運行，有利于馴化厭氧氨氧化微生物適應低溫環境的能力。在自然系統中，厭氧氨氧化細菌在-2～85 ℃范圍內具有較強的耐溫能力，這些結果為厭氧氨氧化工藝在馴化后處理不同溫度的廢水提供了可能性。然而，即使經過馴化，厭氧氨氧化脫氮能力在低溫和高溫下仍低于最適溫度范圍。因此，控制溫度仍會是制約厭氧氨氧化工藝實際規模應用的眾多影響因素之一。

2.2 pH

厭氧氨氧化細菌對pH 的變化十分敏感，所以在厭氧氨氧化工藝的建造過程中控制pH 在合理范圍至關重要。Strous 等[28]提出，厭氧氨氧化細菌的生理pH值在6.6～8.4。Tomaszewski 等[22]研究結果顯示，厭氧氨氧化菌在pH 為6.5～8.9 范圍之內表現出最高的活性。Egli 等[40]的研究發現，最適pH 為7.6～8.2。Tang 等[41]研究發現，在高pH 值8.7～9.2 的條件下，Jaroszynski 等[42]研究發現，在低pH 值6.4 的條件下，均可以進行穩定的厭氧氨氧化反應。相比之下，Fux 等[43]研究發現，當pH 為9.3 時，厭氧氨氧化活性被完全抑制。李亞峰等[44]研究了pH 對厭氧氨氧化反應脫氮效率的影響，發現pH 為8 時，是厭氧氨氧化反應的最佳值，脫氮效率最高。唐政坤等[45]在pH 單因素實驗中研究發現，pH 在7.6～8.2 范圍內時，氮去除效率最高，厭氧氨氧化菌的活性也達到了最佳值。綜上所述，當環境pH 在最佳pH 范圍之外時，厭氧氨氧化菌的代謝活性會表現出不同程度的抑制作用。

2.3 溶解氧

DO 是厭氧氨氧化過程的關鍵操作參數[46]。有文獻研究表明[30，40]，作為專性的厭氧菌，厭氧菌可以被低水平的溶解氧（0.25%～2%氧飽和度）可逆地抑制，但在高溶解氧水平（＞20%氧飽和度，約1.5 mg/L）時可能不可逆地抑制。Kalvelage 等[47]實驗結果表明，20 μmol/L 的溶解氧濃度，是厭氧氨氧化菌能夠適應的濃度上限，另外，也有其他的文獻研究表明，厭氧氨氧化菌能夠適應的溶解氧濃度最大值為1.5 mg/L。李祥等[48]對比了去除DO 與不去除狀態下的厭氧氨氧化啟動，發現不去除DO 的反應器，啟動時間延長，啟動成功后的處理效果均不如去除DO 的反應器。李亞峰等[49]研究發現，DO對厭氧氨氧化菌活性產生的負面作用是可恢復的，再進行DO 去除后，觀察到厭氧氨氧化菌活性恢復到抑制之前的狀態。因此，應該嚴格控制厭氧氨氧化反應系統中的DO 濃度，以達到避免出現溶解氧產生的抑制。

2.4 有機物

厭氧氨氧化工藝自身不需要外加有機碳源就能發生，但就工業廢水和生活污水來說，其中含有大量的有機物，甚至污水廠尾水依舊含有一定程度的有機物。一般認為，有機物（有機碳）對厭氧氨氧化的菌有不利影響[50-52]。Zhu 等[53]以淀粉作為有機碳源，發現在COD 小于200 mg/L 時，有機碳源對厭氧氨氧化過程影響不大。當COD 濃度為240 mg/L 時，出水硝酸鹽氮濃度降至29.5 mg/L，隨著COD 的增加，氮濃度進一步降低，當COD＞480 mg/L 時，出水氨氮濃度增加，當COD 濃度為720 mg/L 時，達到峰值36 mg/L。馬艷紅等[54]以乙酸鈉為有機碳源，探究不同COD 濃度對厭氧氨氧化啟動的影響，發現有機物濃度較低時對厭氧氨氧化啟動起到了良好的促進作用，高濃度則有一定抑制，但啟動成功后，高濃度下脫氮效率更高。嚴子春等[55]探究有機碳源對厭氧氨氧化膜生物反應器脫氮效能影響，發現30 mg/L 和60 mg/L COD 濃度下脫氮效率相較于不投加時有明顯提升，但繼續提升至90 mg/L 時，效果則較低濃度時有小幅下降。因此，研究有機物對厭氧氨氧化工藝的影響作用，將有助于深入研究和應用厭氧氨氧化工藝來處理含氮有機廢水。

2.5 底物濃度

厭氧氨氧化工藝的主要反應底物是氨氮和亞硝酸鹽氮，但是，這兩種底物在反應器中的濃度是需要控制的，如果在反應器中氨氮和亞硝酸鹽氮濃度過高時，會對厭氧氨氧化菌的活性產生強烈的抑制作用，且濃度一旦超過反應閾值時，則會對厭氧氨氧化菌造成不可逆轉的抑制危害。不同的進水負荷會降低工藝性能，甚至會降低優勢細菌的變化[56]。高超龍等[57]考察了利用UASB 反應器作為厭氧氨氧化反應器，來處理高濃度的含氮廢水時，氨氮和總氮去除率分別達到了99.33%和92.96%，而當采用低濃度含氮廢水為進水時，總氮的去除效果下降為74.09%。李龍翔等[58]將進水負荷由150 mg/L 逐步提升至400 mg/L 時，發現脫氮性能依舊穩定，但使反應器內膜污染加劇。有研究報道，即使當氨氮濃度高達1 g/L 時，厭氧氨氧化反應過程也沒有受到抑制[28]。然而，其他研究報告稱，當氨氮濃度過高時，會對厭氧氨氧化反應過程產生嚴重抑制[28，59，60]。據報道，亞硝酸鹽濃度過高的情況存在時，大多數的微生物受到了嚴重抑制[61]。厭氧氨氧化的底物之一是亞硝酸鹽，但是由于亞硝酸鹽自身所具有一定的生物毒性，亞硝酸鹽濃度超過承受閾值時對厭氧氨氧化菌活性會產生危害，厭氧氨氧化反應也會受到明顯的抑制作用。因此，在現實工藝和日常實驗中需要嚴格控制氨氮和亞硝酸鹽濃度，為厭氧氨氧化反應的穩定運行提供條件。

2.6 鹽度

采用厭氧氨氧化工藝處理含鹽廢水，特別是高鹽廢水時，應考慮鹽度作為潛在抑制因素的影響。Zhang等[62]研究厭氧氨氧化法處理含鹽的低氨廢水，發現低濃度鹽度（1～5 g/L）條件下，厭氧氨氧化細菌的活性和脫氮效率均未受到較大影響，但顯著提高了其生長。中等鹽度（10～40 g/L）條件下，比厭氧氨氧化活性（SAA）從最初的13.15 mg N g-1SS h-1降低到8.11 mg N g-1SS h-1，但（Candidatus Kuenenia）豐度從30.1% 增加到52.3%。高鹽度（50～60 g/L）對活性和豐度都有嚴重的抑制作用，SAA 降至0，豐度降至11.9%。Jeong 等[63]研究發現，當鹽度從0 增加到5 g/L 時，氮去除率急劇降至2.3%，但是Zhang 等[64]發現AnAOB 隨著鹽度的增加而富集。Zhou 等[65]研究發現，30 g/L 的鹽度脅迫下，抑制了反應器的脫氮效率。Lin 等[66]研究發現，9.1 g/L的鹽度作用下，厭氧氨氧化活性降低了50%。總之，厭氧氨氧化法處理低鹽度低氨污水可直接采用厭氧氨氧化法，處理中高鹽度污水需預先提出活性增強或適應性改進，以防止高鹽度對厭氧氨氧化菌產生不可逆的抑制。

3 厭氧氨氧化反應器類型

隨著厭氧氨氧化工藝的逐步發展，誕生出一系列厭氧氨氧化反應器，目前主要應用于實驗室的小型實驗和中型實驗的反應器類型主要有：UASB（上流式厭氧污泥床）、EGSB（膨脹顆粒污泥床）、SBR、UBF（上流式污泥床-過濾器）、ABF（曝氣生物濾池）、血清瓶、圓柱形反應器等。其中，因UASB 反應器具有污泥保持量高、反應器容積負荷高、水力停留時間短依舊可以穩定運行等優點，成為了最常見的反應器，受到大多數研究者的應用。

4 結語與展望

厭氧氨氧化工藝自身所具有的優勢，受到越來越多的關注，但是如何實現厭氧氨氧化菌快速富集是厭氧氨氧化生物脫氮工藝推廣應用的主要障礙。

Anammox 菌的快速富集可以通過適當的措施加以促進。可以通過底物濃度和進水負荷控制、pH 調節、DO 和溫度的控制、污泥培養馴化、控制有機物濃度、投加厭氧氨氧化污泥都能有效地改善厭氧氨氧化菌的富集。

同時，考慮針對厭氧氨氧化工藝的特點，需要把厭氧氨氧化工藝應用到更廣泛的水質處理，尤其是低碳氮比廢水的處理中去，并且與傳統工藝相耦合，達到更高效的脫氮效果，也能對厭氧氨氧化工藝的進一步推廣提供幫助。