厭氧氨氧化工藝特性及影響因素綜述

摘要：厭氧氨氧化因無需曝氣、無需外加碳源、剩余污泥量少等節能降耗優勢，與我國提出的碳達峰碳中和目標吻合。研究通過系統地介紹厭氧氨氧化工藝及厭氧氨氧化菌，綜述溫度、底物濃度、鹽度、PH、新型影響因素對厭氧氨氧化的影響，展望厭氧氨氧化工藝在脫氮領域中值得研究的方向及優化策略，對推進厭氧氨氧化工藝的大范圍應用起到了積極的作用。

關鍵詞：厭氧氨氧化；厭氧氨氧化菌；影響因素；新型影響因素

引言

相比于傳統脫氮工藝，厭氧氨氧化（Anammox）作為一種新型脫氮工藝具有無需曝氣、無需外加碳源、剩余污泥量少等優勢，目前已在城市污水的處理中取得了較好的應用前景。本文在介紹Anammox機理、耦合工藝、菌種的基礎上，分析了Anammox的影響因素，以期為Anammox工藝及耦合工藝應用于脫氮領域提供理論依據。

1 厭氧氨氧化及耦合工藝

1995年，MULDER A等[1]在密封的厭氧反硝化流化床中推測出Anammox現象的存在；1998年，STROUS M等[2]通過物料平衡計算確定了Anammox反應的理論化學計量關系，反應過程中NH3-N消耗量、NO2--N消耗量及NO3--N生成量之間的比例為1：1.32：0.26。反應方程式如下所示。

NH3+1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→

1.02N2+0.26NO3- + 0.066CH2O0.5N0.15 +2.03H2O

基于Anammox工藝所研發的新型脫氮工藝有短 程 硝 化―厭 氧 氨 氧 化（PN/A）工藝、短程反硝化―厭氧氨氧化（PD/A）工藝為生物脫氮領域帶來了新的技術革新。NO2-作為底物對Anammox工藝非常關鍵，然而城市污水進水往往匱乏NO2-，PN/A 工藝和PD/A工藝為獲取NO2-提供可靠保障。PN/A工藝是氨氧化菌（AOB） 先將廢水的NH3轉 化 為NO2-，為Anammox反應的發生提供前提。PD/A工藝可將常規反硝化中的最終產物抑制為NO2-，控制其進一步還原成氮氣，以保證 Anammox 電子受體的穩定供給。

2厭氧氨氧化菌的特征

厭氧氨氧化菌（AnAOB）屬于分枝很深的浮霉狀菌，最新的研究表明AnAOB有6類菌屬，分別是Caudidatus Brocadia、Caudidatus Scaliudua、Caudidatus Auammoxoglobus、Caudidatus Jettenia、Canditatus Anammoximicrobium、Caudidatus Kueuenia。AnAOB屬于化能自養菌，生長緩慢、世代周期長，對各種環境高度敏感。Anammox反應在AnAOB的亞細胞結構厭氧氨氧化體體內發生。

3厭氧氨氧化菌的富集

AnAOB分析及菌群結構檢測主要基于近年來興起的實時熒光定量PCR分析、熒光原位雜交分析、變性梯度凝膠電泳、高通量測序分析等分子生物學手段。AnAOB是提高Anammox工藝的脫氮效率、強化Anammox工藝的穩定運行、維持反應體系高豐度的關鍵，因此附于載體上的生物膜和Anammox顆粒污泥是實現AnAOB富集的有效途徑。

楊慎華等[3]認為填料作為生物膜的載體，選擇合適的填料及對填料進行預處理非常重要。此外，將富含AnAOB的污泥固定在載體，可加速生物膜的形成及菌種富集，從而縮短Anammox工藝的啟動時間。

Anammox污泥的外觀形態主要有絮凝態和顆粒狀，Anammox顆粒污泥是長期馴化、培養而來。穩定運行1年多的Anammox反應器中的顆粒污泥呈磚紅色特征，顆粒污泥形狀不規則，呈不規則球狀和長條形，表面凹凸不平，有許多隆起和內陷[4]。

4厭氧氨氧化反應的影響因素

影響 Anammox反應的因素有很多，傳統影響因素有溫度、底物濃度、鹽度、PH、碳源等，新型影響因素有改良反應器、添加微量元素、添加新型材料等。

4.1溫度影響

溫度是影響Anammox反應的重要因素之一，Anammox反應過程的最佳溫度通常是30～35℃。有研究指出，40℃高溫會導致Anammox活性消失，低溫則會影響反應中酶的活性。我國大多數地區冬季較寒冷，研究低溫對Anammox反應的影響具有重要意義。

馬雨晴等[5]采用 UASB 反應器研究PD/A工藝，隨著溫度從 25℃下降到 19℃逐步提高進水氮濃度從20 mg/L到100 mg/L，在第III階段（第40～115d），進水總氮為100mg/L

左右，總氮去除率最高可達到 89.9%，PD/A反應能夠維持較高的脫氮效率。周瑋怡[4]采用 EGSB 反應器研究Anammox工藝，當反應器溫度從33℃降低到19℃，反應器氨氮去除率、亞硝氮去除率、總氮去除率都維持在80%以上，降溫對反應器脫氮性能沒有表現出抑制作用。低溫環境下Anammox及耦合工藝都具備較好的脫氮性能，為Anammox成為主流脫氮工藝提供了支撐。

4.2底物濃度影響

Anammox反應的底物是亞硝酸鹽氮和氨氮，高濃度底物對AnAOB有毒害作用，低濃度底物則影響AnAOB生物量的增長。STROUS M 等[6]認為氨氮濃度在1000mg/L以下就不會抑制Anammox過程。對Anammox反應的抑制亞硝酸鹽氮要比氨氮強，KIMURA Y等[7]研究表明，NO2--N濃度超過274 mg/L 時會對Anammox反應產生抑制。

城市污水中的氨氮濃度通常小于100mg/L，而且幾乎不含亞硝酸鹽，因此城市污水處理系統中的亞硝酸鹽氮和氨氮通常不會抑制AnAOB生長，相反低濃度的亞硝酸鹽氮還會影響AnAOB的富集。

底物濃度會對AnAOB菌屬之間的競爭產生影響。有報道表明，在底物濃度較高的情況下，Candidatus Brocadia菌占主導作用，而在底物濃度較低的情況下，Candidatus Kuenenia菌占主導作用[8]，因此可以根據城市污水進水底物濃度針對性地馴化AnAOB菌屬。

4.3鹽度影響

在脫氮領域處理高鹽度廢水一直是研究的熱點，自然界中發現的AnAOB菌屬，僅Candidatus Scalindua菌存在于海洋環境中，而其它5類AnAOB屬在淡水環境中被發現。目前，Anammox工藝處理含鹽含氮廢水主要有2種方法，一種是直接利用厭氧氨氧化嗜鹽菌，另一種是對淡水AnAOB屬進行耐鹽馴化。

LIU C等[9]通過添加NaCl來創造鹽度梯度，發現當鹽度為10g/L時，Anammox系統運行穩定，證明了在鹽度環境下，Anammox工藝可以穩定運行。齊泮晴等[10]采用ASBR反應器研究Anammox工藝處理含海水污水的脫氮特性，結果表明當海水比例不高于40%時，反應器的穩定性和脫氮效能幾乎不受鹽度提升的影響；在海水比例繼續增大時，反應器脫氮效能短期下降后經過馴化可以得到改善。

為了深入了解高鹽度下Anammox工藝的脫氮性能，從微生物角度研究脫氮功能菌群是一個方向。周瑋怡[4]考察了不同鹽度梯度條件下穩定運行 Anammox 顆粒污泥的微生物群落變化，結果表明在鹽度從18g/L分別提升至23g/L和28g/L過程中，AnAOB仍維持在較高豐度，AnAOB菌種發生了遷移，由鹽度18g/L環境下的Caudidatus Brocadia菌和Candidatus Kuenenia菌共存轉變為28g/L環境下Caudidatus Brocadia菌占據優勢。

以上研究證實了AnAOB經過馴化能夠適應高鹽環境，但還有必要進一步探討鹽度對Anammox反應機制的影響。

4.4 PH影響

pH對Anammox的影響體現在2個方面，一方面是酸堿性直接影響微生物周圍環境，從而影響微生物的酶活性；另一方面是酸堿性通過影響底物濃度進而影響厭AnAOB的活性。通常來說，Anammox反應最適pH范圍為7.5～8.3[11]。EGLI K等[12]采用旋轉盤接觸器處理含氨滲濾液時發現，Anammox反應的最適pH為6.5～9之間。在連續流Anammox系統中，即使出水pH在8.5～9.3之間，Anammox反應仍穩定運行[13]。文獻報道的Anammox反應的最適pH不盡相同，分析原因是不同的Anammox菌種最適的pH范圍有一定差別。此外，Anammox工藝的環境參數也不同。

4.5新型影響因素

為實現AnAOB的富集及優化Anammox反應效能，在傳統影響因素的基礎上，一些學者開始研究新方法，如改良反應器、添加微量元素、固定包埋化技術、添加新型材料、環境影響因素（電磁場、光照）等，以期將Anammox工藝更快地應用于主流脫氮處理中。

在添加微量元素方面，彭玲等[14]通過對照試驗考察了添加 MnO2對Anammox反應的影響，發現添加MnO2對反應器積氮負荷及容積氮去除速率具有促進作用；高通量測序結果也表明，添加MnO2粉末的反應器更易富集AnAOB。也有研究表明，添加Fe2+有利于加快AnAOB培養，提高AnAOB豐度。

在固定包埋化技術方面，研究思路是通過包埋固定化減少細菌的流失進而提高反應器中的生物量，學者們有采用聚乙烯醇―聚丙烯、聚乙烯醇―海藻酸鈉、聚乙烯醇―碳酸鈣、聚乙烯醇―聚丙烯等作為載體材料包埋AnAOB，提高了反應器的抗沖擊負荷能力。

在添加新型材料方面，黃碩等[15]通過對照試驗考察了添加氧化石墨烯對Anammox反應的影響，發現投加0.15 g/L的氧化石墨烯時，Anammox脫氮性能最好，總氮去除率試驗組比空白組提高18.6%。

結語

在我國“雙碳”背景下，Anammox工藝作為一種綠色、節能的脫氮工藝，近年來備受關注，Anammox及耦合工藝為生物脫氮領域帶來了新的技術革新。Anammox工藝主要影響因素包括溫度、底物濃度、鹽度、PH、碳源等，這些因素可以通過影響厭AnAOB來影響Anammox工藝的脫氮性能。

針對 Anammox工藝脫氮的研究現狀，未來應對Anammox、PN/A、PD/A工藝的運行參數進行優化，為其在脫氮廢水處理工程中的應用提供支持，并運用分子生物學方法對AnAOB豐度、菌群結構等進行分析，探究Anammox反應機制并提供改進方法；同時，在Anammox傳統影響因素的基礎上，進一步研究新手段（改良反應器、添加微量元素、固定包埋化技術、添加新型材料、環境影響因素）來推進Anammox工藝的應用。

參考文獻

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作者簡介

周瑋怡（1991—），女，土家族，重慶人，工程師，碩士，研究方向為污水脫氮處理。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-07