厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用

陈育明

（苏州市排水有限公司 江苏苏州 215000）

1 引言

1.1 厌氧氨氧化菌概述

1932年，Allgeier等研究发现位于美国的Mendota湖的低质在发酵过程中会产生氮气，但是并未对机理有明确阐述；1965年，日本学者Koyama等研究发现Kizakiko湖低质中所产生的氮气是由氨氮直接发酵而形成的；1977年，Broda等基于热力学反应的自由能等进行了计算和推测，认为在自然界中存在着能够进行厌氧氨氧化作用的反硝化氨氧化菌。1995年Mulde等在荷兰某酵母生产企业的污水处理系统中对高氨废水进行处理时发现了Aammox细菌的存在，指出厌氧氨氧化菌在厌氧条件下以羟胺等作为中间产物，可以实现将亚硝酸盐和氨氮氧化还原转化形成氮气[1]。随后大量的学者对厌氧氨氧化菌开展了深入研究，发现Aammox细菌在淡水湖泊、厌氧水体、温泉以及海洋水体和沉积物等多种自然环境中广泛存在。

1.2 厌氧氨氧化菌的生理生化特点

Anammox细菌的世代周期约为10天，其生长较为缓慢，菌体呈球菌状，直径很小，对光、氧气等等较为敏感。对厌氧氨氧化菌进行富集培养时，其污泥颜色会由棕色转变成深红色，但目前尚未获得该细菌的纯培养菌株[2]。

Anammox细菌与其他细菌相比较而言具有明显不同的一些生理生化特点，具体如下:第一，该细菌的脂质呈环形阶梯状，是一种独特的梯形膜脂质，目前仅在该细菌中发现存在有这种梯形膜脂质，其组成成分主要为酯-脂肪酸、醚-脂肪酸两类脂肪酸；第二，该细菌具有厌氧氨氧化体，这是一种非常独特的细胞结构，是进行厌氧氨氧化作用以及能量代谢的场所，在厌氧氨氧化体的膜上附着进行氧化还原反应所需的酶。

2 厌氧氨氧化菌脱氮机理在污水处理中的应用

厌氧氨氧化菌的存在能够将氨氮氧化还原成为氮气的过程大大缩短，有效减少了在脱氮过程中对物质和能量的损耗。

2.1 ANAMMOX工艺及其反应机理

厌氧氨氧化工艺是指以NO2-作为氧化剂，将NH4+-N氧化为氮气，也可以是以NH4+-N作为还原剂将NO2-还原为氮气的一种生物脱氮反应[3]。目前国内外许多学者对厌氧氨氧化的反应机理开展了大量的研究，其中主要研究内容包括反应过程中氮素转化途径、主要的中间产物以及参与反应的酶等方面。据报道，厌氧氨氧化脱氮技术在实验室不同的反应器中的应用方面均已经获得良好的运行效果，例如上流式反应器、混合床SBR反应器等，但与此同时在应用的过程中也存在很多问题，例如由于Anammox细菌生长较为缓慢从而致使反应器启动时间和响应时间过长。

国内外许多学者通过N示踪试验对厌氧条件下的氨氧化机理开展了大量的研究，结果显示可能的厌氧氨氧化菌脱氮机理如下：Anammox细菌将NO2-作为氧化剂，以羟胺、联氨等作为中间产物从而实现了对NH4+-N的转化、脱除。此外，有研究发现，Anammox细菌消耗底物(NH4+-N和NO2-）的比例为1:1.32，这其中多出的亚硝酸盐在厌氧条件下被氧化成硝酸盐，氧化还原过程中所产生的电子用于CO2的合成，具体反应式如下:

2.2 SHANON-ANAMMOX工艺及其反应机理

由上述反应式中可知:在厌氧氨氧化过程中进行氧化还原反应的反应底物NH4+-N和NO2-的比例大致相等，因此在高NH4+-N、低NO2-的污水处理前期过程中必须将部分NH4+-N转化为NO2-，即所谓的硝化阶段，从而有效保证厌氧氨氧化过程中的反应底物比例保持大致相等。SHARON-ANAMMOX工艺正是为适应这种需要而产生的，其机理大致如下：在大约一半的氨氮被氧化之后，由于pH的降低、溶氧受限等会抑制剩余氨氮继续氧化，从而SHARON反应器就能够成功使厌氧氨氧化所需要的反应底物保持大致相等的浓度比。其反应式如下:

2.3 厌氧氨氧化技术在污水处理领域的发展趋势

厌氧氨氧化脱氮技术在污水处理的应用中相对于传统的硝化-反硝化脱氮技术来说，表现出明显的优势，因而该技术在污水处理中具有极其广阔的发展应用前景。ANAMMOX反应底物为NH4+和NO2-，但是实际上在污水中的氮素大部分以有机氮、氨氮的形态存在，很少存在有亚硝态氮，因此如何为厌氧氨氧化反应提供稳定的NO2-来源成为厌氧氨氧化技术在污水处理的应用中必须解决的主要问题，也是该技术未来研究和应用的发展趋势。目前，许多研究者为了解决这一问题，基于厌氧氨氧化技术开发出了许多类型的脱氮工艺，例如亚硝化-厌氧氨氧化工艺、硫酸型厌氧氨氧化工艺等。这些为数众多的新型工艺的研究与应用极大地促进了ANAMMOX技术在污水处理领域的应用，最终实现对污水的低能耗处理。

[1]王惠,刘研萍,陶莹,刘新春.厌氧氨氧化菌脱氮机理及其在污水处理中的应用[J].生态学报,2011,(07）:2019-2028.

[2]祖波,张代钧,白玉华.厌氧氨氧化菌特性及其在生物脱氮中的应用[J].微生物学通报,2006,(01）:149-153.