厭氧氨氧化脫氮工藝研究進展

劉佳祺，唐普恩

（1.中國石油烏魯木齊石化公司研究院，新疆 烏魯木齊 830019；2.新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

氮元素作為衡量水污染的重要指標，以各種形態存在于自然界中。隨著城鎮化和工業化的發展，生產、生活廢水的排放量增加，水體中氮污染日趨嚴重，超過其自凈范圍，造成水體富營養化，嚴重破壞生態環境，甚至損害人體健康，因此對水體進行脫氮處理尤為重要。

厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）作為低耗高效的新型生物脫氮工藝［1］，給目前國內面臨的污水脫氮難、能耗大等問題提供了解決方法［2］，在污水處理領域顯示出良好的應用潛力。但是，由于厭氧氨氧化菌群的富集時間較長，對環境條件較敏感，因而厭氧氨氧化工藝的脫氮效率又被諸多因素限制，如溫度、pH值、溶解氧等，水體中的硫化物、有毒金屬元素、醇類、酚類和抗生素也都會對厭氧氨氧化反應產生影響，嚴重制約了厭氧氨氧化工藝的大規模應用。文中概述了厭氧氨氧化工藝的研究現狀，以期為厭氧氨氧化工藝的早日規模化應用提供參考。

1 厭氧氨氧化氮代謝途徑

1977年，Broda等人依據熱力學理論推測自然界中存在1種微生物可以在厭氧條件下將NH4+-N還原為NO2--N，預測了Anammox反應的存在。1998年，strous等人［3］在SBR反應器中富集到了AAOB，可以使反應器中NO2--N和NH4+-N以1種可再生的方式轉化，從而在反應器中得到1種碳氮平衡，得到Anammox反應式（1）。

Anammox的發現顛覆了對氮循環的認知，完善了氮代謝過程。1997年，van de Graaf等［4］提出第1種氮代謝途徑，由于在厭氧氨氧化過程中NO2--N無法直接與NH4+-N反應，NO2--N先還原生成羥胺（NH2OH）再與NH4+-N反應 生 成N2。當 反應中存在過量NH2OH和NH4+-N時，觀 察 到 肼（N2H4）的瞬態積累，表明N2H4是厭氧氨氧化反應最后1步的中間體，NH2OH先還原生成N2H4，隨后生成N2［5］。2001年，利用電子顯微鏡發現厭氧氨氧化體（Anammoxosome）是進行Anammox能量代謝的細胞器，是生成N2H4的重要部位［6］，進一步證明了中間體N2H4的存在。

隨著分析方法的提高，2006年，研究人員在Candidatus Kuenenia stuttgartiensis中 發 現 了2種 反硝化功能基因narGH和nirS，nirS能夠參與作用NO2--N→NO過程，與第1種假設的Anammox氮代謝途徑不兼容，基于此Strous等人提出了第2種氮代謝途徑，即NO代替NH2OH成為中間產物［7］。首先在亞硝酸鹽還原酶nir的作用下參與完成NO2--N→NO過程，緊接著在聯氨合成酶hzs的作用下與NH4+-N結合生成N2H4，隨后在肼脫氫酶基因hdh的作用下生成N2。

2016年，Oshiki等［8］利用同位素標記法發現Candidatus Brocadia sinica不具有編碼亞硝酸鹽還原酶的功能基因（nirS和nirK），而是利用1種未定義的亞硝酸鹽還原酶還原NO2--N→NH2OH參與Anammox反應合成N2H4，異于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis以NO為中間產物的厭氧氨氧化過程，表明厭氧氨氧化菌（anaerobic ammonium oxidation bacteria，AAOB）的代謝途徑具有多樣性。

近年來，研究人員集中于厭氧氨氧化反應器中微生物群落結構與氮代謝相關基因的研究。在常溫下啟動不同類型的厭氧氨氧化反應器（SBR、UASB、A/O）［9～11］，采用不同的接種污泥（厭氧污泥、顆粒污泥、絮狀污泥）［12～14］，在常溫下成功富集了AAOB，利用宏基因組測序技術和PCR定量探究反應器中氮代謝途徑，其中共有6種氮代謝途徑多種生物脫氮功能基因，見圖1。

圖1 厭氧氨氧化反應中氮代謝途徑

包括硝酸鹽還原酶基因（narGHI和napAB），亞硝酸鹽還原酶基因（nirK、nirS和nrfHA），NO還原酶基因（norBC和norZ）和N2O還原酶基因（nosZ），以及Anammox功能基因聯氨合酶基因（hzs-ABC）和肼脫氫酶基因（hdh）均被檢測到［15］。除了hzsABC和hdh是AAOB所特有的酶，其它幾種酶在好氧氨氧化細菌和反硝化細菌中都有發現。表明AAOB參與的Anammox反應氮循環過程需要多種微生物共同參與完成，具有氮代謝多樣性，從而提高AAOB適應不同極端環境的生存能力。

2 厭氧氨氧化工藝類型

2.1 部分硝化耦合厭氧氨氧化工藝

部分硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PN/A）是基于2種自養菌：氨氧化細菌（AOB）和AAOB的新型污水脫氮工藝，AOB將部分NH4+-N氧化為NO2--N，生成的NO2--N隨即被AAOB利用和剩余NH4+-N結合生成N2［16］。目前PN/A工藝多集中于不同溫度下（29～36℃）的側流污水（400～1 000 mg·N/L）如消化廢水、垃圾滲濾液和特定類型的工業廢水的研究［17］。

近些年PN/A工藝在實驗室條件下和中試規模下取得了一定突破，但實際用于工業規模的污水處理裝置仍不多見［18］。侯朝陽等人［19］啟動序批式反應器（sequencing batch reactor，SBR）和上流式厭氧污泥床反應器（upflow sludge bed reactor，UASB）分別進行PN和Anammox反應，接種污水處理廠A2O缺氧池末端污泥并以人工配水為進水，脫氮效率最高達到81.3%。

吳莉娜等［20］采用UASB+A/O反應器+Anammox組合工藝處理實際垃圾滲濾液，結果表明NH4+-N和TN的去除率達到95%和91%，最終出水質量濃度滿足《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB 16889-2008）的排放要求。

李金河等［21］在PN池和Anammox池中分別接種污水處理廠回流污泥和AAOB擴培裝置污泥，實現厭氧消化污泥脫水液的穩定脫氮處理，氮去除效率達到86%。

盡管學者們做了大量研究，但在主流條件下實現PN/A工藝仍有許多困難，其中抑制NOB的生長和低溫低氨氮條件下AAOB的低生長速率是限制該工藝發展的主要原因，全面了解主要微生物群落和各種工藝條件是今后研究的重點和方向。

2.2 部分反硝化耦合厭氧氨氧化工藝

部分反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PD/A）是基于PN/A工藝進一步開發出的新型厭氧氨氧化工藝，通過反應器內不完全反硝化菌和AAOB的協同作用，完成NO3--N→NO2--N過程，隨即作為電子受體完成Anammox過程，該工藝能夠在克服PN/A工藝NO2--N供給不穩定的同時進一步提高脫氮效率，被認為是最具應用潛力的Anammox耦合工藝［22］。PD/A工藝具有較高的脫氮效率，理論上可以實現100%的總氮去除，研究證明當PD/A工藝同時處理含NH4+-N和NO3--N的廢水時，平均脫氮效率為93.6%，NO3--N轉化為NO2--N含量為95.8%［23］。此外，如此高的NO4+-N去除率被證明即使在低溫下也能持續存在［24］，而此前PN/A被報道在中溫條件下脫氮效果最好，脫氮效率隨溫度的降低逐漸下降，基于此PD/A工藝相較于PN/A工藝在主流污水脫氮工藝具有較好的應用前景。

與PN/A工藝一致，PD/A工藝目前尚未推廣應用于城市污水處理。盡管厭氧氨氧化的應用逐漸增加，開發厭氧氨氧化耦合工藝已成必然發展趨勢，但PD/A工藝仍舊發展滯后，開展實驗室規模的研究將對工程應用產生積極影響。劉寧等［25］采用膨脹污泥床反應器（EGSB）經過75 d實現PD/A工藝的快速啟動，在反應穩定運行階段TN去除率接近90%，PD/A對總氮去除貢獻率達到97.1%。

Cao等人［26］采用序批式反應器（SBR）和上流式厭氧污泥床反應器（UASB）分別進行反硝化和厭氧氨氧化反應構成PD/A系統，穩定運行224 d，NH4+-N和COD的去除率保持在95%和80%左右，出水TN平均為39.2×10-6N/L，遠低于目前國內污水處理廠147×10-6N/L以下的排放標準。

Du等［27］采用上述相同反應裝置同時處理高NO3--N廢水（1 000 mgN/L）和市政污水（COD：182.5 mg/L，NH4+-N：58.3 mg/L），共運行215 d，NO3--N、NH4+-N去除率分別達到95.8%和92.8%。盡管COD較高，Anammox對TN去除率的貢獻率仍達到78.9%。因此，PD/A工藝可以在一定程度上克服COD對Anammox的抑制作用，將其應用于污水處理廠高NO3--N濃度廢水的后續深度處理，有且僅有很少的NO和N2O的溫室氣體產出，是1種更為經濟、高效的處理方案。

PD/A工藝為擴展厭氧氨氧化技術的應用提供了更大的希望，考慮到實際工程應用，NO2--N持續穩定供給在長期運行中起著至關重要的作用，同時有機碳用量和缺氧反應時間也被證明是PD/A工藝的有效控制策略，優化工藝參數確保PD/A工藝的高效穩定運行將是今后的研究重點。另外，先前研究雖然已經確定了反硝化菌和AAOB的群落，但功能微生物的代謝機理以及微生物共存體系中各微生物之間的協同競爭關系還尚未清晰揭露，因此，后續研究中進一步揭示微生物協同脫氮反應機理至關重要。

2.3 反硝化厭氧甲烷氧化耦合厭氧氨氧化工藝

反硝化厭氧甲烷氧化工藝（DAMO）是以甲烷為電子供體，從而實現NO2--N/NO3--N轉化為N2，同時去除CH4的過程，但該工藝無法實現NH4+-N的轉化，而厭氧氨氧化工藝恰好就能彌補此不足，因而提出反硝化厭氧甲烷氧化耦合厭氧氨氧化工藝的新思路。

研究表明，自然環境和實驗室條件的生物反應器中均出現AAOB和DAMO菌共存的現象［28，29］，揭示了2種工藝耦合的可能性。Zhu等［30］在室溫條件下利用厭氧氨氧化顆粒污泥啟動SBR反應器，成功富集了DAMO微生物，證明DAMO菌可以消耗過剩的亞硝酸鹽，但不會與AAOB競爭，此結論也為2種工藝的耦合提供了依據。

Shi等［31］以合成廢水為進水成功啟動膜生物膜反應器（MBfR），發現DAMO細菌、DAMO古菌和AAOB為優勢菌種，相對豐度均達20%～30%，穩定運行240 d后總氮去除速率達2.45 N（/L·d-1）。

劉春爽等［32］采用反硝化厭氧甲烷絮狀污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥為接種污泥，經過160 d，成功培養出了2者的耦合顆粒污泥，DAMO細菌Candidatus Methylomirabilis、DAMO古菌Candidatus Methanoperedens以及AAOB屬Candidatus Brocadia 3者協同實現完全脫氮，總氮去除率高達92.5%。

Liu等［33］使用成熟的厭氧氨氧化顆粒污泥作為生物載體來包埋DAMO微生物，從而在180 d內獲得了AAOB和DAMO微生物的復合顆粒污泥，顆粒污泥被用于側流污水處理的實際脫氮速率達到9.8 N/（m3·d-1）。

上述研究均表明DAMO和AAOB有著良好的協同作用達到高效脫氮。

理論上，結合使用反硝化厭氧甲烷氧化和厭氧氨氧化工藝將導致出水中的甲烷減少15%，該組合過程也被認為是1種綠色環保和經濟高效的脫氮工藝［34］，在污水處理廠中具有潛在的應用價值。基于此，Wang等［35］提出了將該工藝納入污水處理廠的2項策略，見圖2。

圖2 DAMO-Anammox工藝納入未來污水處理廠運營的2項策略

將DAMO-Anammox工藝納入側流線以緩解主流線的脫氮壓力的同時能夠達到更高的脫氮效率。對于使用“活性污泥”的傳統污水處理廠將DAMO-Anammox工藝納入主流線，用作后處理單元，去除出水中殘留的NO3--N和NH4+-N。同時，為促進污水處理廠的可持續運行，將DAMOAnammox工藝應用于污水處理廠的主流脫氮將發揮巨大潛力。但由于DAMO和AAOB所需的啟動周期長且前期脫氮率低［36］，阻礙了該工藝的實際應用，后續應當深入了解DAMO的微生物行為，制定可以應用于工程的策略。

3 厭氧氨氧化工藝的發展與應用

世界上首座厭氧氨氧化中試裝置于2002年在荷蘭鹿特丹建成，裝置有效容積70 m3，采用PN/A2步工藝，歷時3.5 a成功啟動，污水處理量達到了7 350 N/d［37］。2004年，奧地利strass污水處理廠將傳統的AB法與Anammox結合，全年達到85%以上的自養脫氮效率，實現能量自給自足［38］，該工藝的成功運行推動了以好養反氨化為核心的Anammox工藝向主流化方向邁進［39］。2006年，亞洲首個全尺寸厭氧氨氧化裝置在日本建成，有效容積50 m3，污水處理量達2 156 N/d［40］。2011年，新加坡樟宜污水處理廠率先實現主流厭氧氨氧化工藝穩定運行，水溫在28～32℃，設計處理量為80×104m3/d，出水水質良好，對TN的去除率達到62%［41］。

近年來，國內Anammox工藝也逐漸從實驗室規模到工程應用［42］。2009年，Anammox首次在1個全面的垃圾滲濾液處理設施中被報道，污水處理量達到304 m3/d，NH4+-N的去除率達到80%，該工程結合了部分硝化—厭氧氨氧化—反硝化并能夠實現微生物共存，是處理高氨氮廢水的1個進步［43］。同年內蒙古通遼梅花工業園區污水處理廠和山東濱州安琪酵母公司分別將Anammox應用于味精生產廢水和酵母廢水處理領域［44］，在節能降耗的同時實現高氨氮去除率。

2012年，西安市第4污水處理廠將Anammox應用于主流的污水脫氮工藝，是繼奧地利Strass污水處理廠和新加坡樟宜污水處理廠后第3個實現主流Anammox工藝的污水處理廠［45］，推動了PD/A工藝的工業化應用，印證了PD/A工藝在主流城市污水的深度脫氮處理領域具有發展潛力。

2013年，國內首座自主知識產權的厭氧氨氧化脫氮工程在北京市高碑店污水處理廠建成，用于處理污泥消化液，設計處理量500 m3/d，項目經90 d快速啟動，啟動成功后TN去除率與去除負荷分別達到85%～95%與7.84 kgN/d。

2015年，湖北十堰垃圾滲濾液處理工程將Anammox和MBR/RO膜過濾工藝相結合，突破了低C/N下Anammox的工程應用瓶頸，出水中TN的含量控制在40 mg/L，去除率超過80%，出水水質符合《生活垃圾填埋場污染控制標準》（GB 16889-2008），該工藝推進了國內實現垃圾滲濾液處理技術的高效、節能、降耗［46］。

2021年，河北省養豬場廢水厭氧消化液處理工程經過180 d的穩定運行，Anammox的脫氮貢獻由最初的39%提高至78%，NH4+-N和TN的去除率分別達到91.95%和83.48%，該工藝的穩定運行為實際工程應用提供技術支撐［47］。

4 結束語

厭氧氨氧化工藝對傳統污水處理廠面臨的高能耗、低效率、高投入等現狀具有明顯優勢和實際應用價值。目前針對厭氧氨氧化工藝的動力學研究和功能微生物的脫氮機理尚不成熟，優化工藝條件提高功能微生物的穩定性，強化功能微生物的脫氮效率以完善脫氮機理是未來研究重點。

厭氧氨氧化工藝耦合其它工藝在一定程度上能夠彌補單一厭氧氨氧化工藝的不足，但尚不能滿足規模化應用條件。未來在實現高脫氮效率和低能耗的基礎上，縮短厭氧氨氧化工藝的啟動周期并實現穩定運行，同時控制NO2--N的含量以保證AAOB在系統中較快富集，以維持其在系統中的較高的脫氮貢獻將是推進厭氧氨氧化工藝工程應用的研究方向，在反應器中的變化趨勢以及微生物的協同去除機理還值得深入研究。