厌氧氨氧化技术现状、研究进展及主要影响因素

王沙沙，潘 阳，谭宇杰，甄广印，2，陆雪琴，3

（1. 华东师范大学 生态与环境科学学院，上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海200241；2.上海污染控制与生态安全研究院，上海 200092；3.崇明生态研究院，上海 200062）

1 引言

作为典型的废水之一，高氨氮废水具有低碳氮比和较差可生化性的特征，传统的处理方法除氮效率低、效果较差。厌氧氨氧化（Anammox） 技术，不仅可以节约碳源、减少供氧量和二次污染，而且脱氮效率高，能有效降低污水脱氮处理过程中的运行成本，给高氨氮废水中氨氮的去除提供了一种新的思路，从而得到了更多的关注。但是，Anammox 技术也面临着一些困境和挑战，如厌氧氨氧化菌培养缓慢、启动时间长、细胞产率低、对外界环境敏感性高等，阻碍了其大规模的推广应用［1］。随着Anammox 技术的研究发展，有必要对其技术现状、研究进展及其主要影响因素等进行详细总结和全面分析，为Anammox 技术应用和未来发展提供理论和技术参考。因此，本研究对Anammox 的原理、技术现状进行阐述，并讨论了Anammox 技术的主要影响因素。

2 原理

Anammox 是指在厌氧条件下，以亚硝酸盐作为电子受体，氨作为电子供体，同时生成氮气的生物反应，它是目前最为经济高效的脱氮技术［1］，与传统的脱氮工艺，即硝化/反硝化相比，该技术具有非常突出的优势，不同脱氮方式的对比见表1。

表1 不同脱氮方式的对比

图2 Anammox 技术发展史

Anammox 原理示意见图1，由图1 可知，硝化是指在有氧的条件下，氨氮经亚硝酸细菌（AOB） 和硝酸细菌（NOB） 的作用转化为硝酸的过程，反硝化作用是指在缺氧条件下，反硝化菌将硝酸盐及亚硝酸盐还原为氮气的过程，其化学方程式如下所示：

而Anammox 是厌氧氨氧化菌（AnAOB） 直接利用亚硝氮和氨氮发生反应转化为氮气，亚硝酸盐与氨分别位于细胞膜的细胞质与厌氧氨氧化体两侧。当细胞质一侧的亚硝酸盐被还原成羟胺时，能够跨膜的联氨水解酶将其转运到厌氧氨氧化体一侧，然后羟胺在联氨水解酶催化作用下与氨缩合形成联氨，从而被厌氧氨氧化体一侧的联氨还原酶还原为氮气［5］。

该技术可以节省62.5%的供氧量和100%的外加碳源，在该过程中不需要额外投加酸碱中和剂，N2O 和NO 等温室气体的排放量有所减少，污泥产生量也减少了90%［3］，因此，Anammox 技术不仅可以减少二次污染，而且脱氮效果较好，很大程度上减少了污水脱氮处理过程中的运行成本。

图1 Anammox 原理示意

3 技术现状

Anammox 技术发展历史见图2。

1995 年，荷兰Delft 大学的研究人员在一个生物脱氮流化床反应器中发现了Anammox 现象［6］。这个发现给众多致力于污水脱氮处理的科研人员带来了新的研究思路，自此之后，相关科研人员开始积极探索与开发应用新型的生物脱氮技术，从而早日研发出可以方便快速、经济高效去除污水中的氨氮的新技术。在Anammox 反应过程中，发挥主要作用的就是厌氧氨氧化菌，厌氧氨氧化菌种是该生物反应器的核心，该菌广泛存在于环境中，如海洋、湖泊和河底土壤生态系统等［7］，但是其在自然环境中存在的数量较少。若想要让接种污泥表现出明显的Anammox 功能，就需对其进行一定时间的驯化和精心培养，只有当厌氧氨氧化菌种富集达到一定的数量时，才会表现出较明显的Anammox 功能，Anammox 是一个比较缓慢的过程。

2002 年，在荷兰鹿特丹污水厂建成并运行世界上第1 座生产性的Anammox 反应器［8］。随后，越来越多的科研人员开始进行Anammox 的相关研究，实验室规模以及工业化的Anammox 反应器也逐渐发展起来，在世界范围内Anammox 工程性装置的数量也呈现逐年上升的趋势。有一项调查指出，全世界已经有了110 多个全规模的Anammox装置［9］，见图3。目前，该工艺在处理污泥消化液的领域已经逐渐成熟［10］，其在发酵工业废水、垃圾渗滤液、养殖废水等高氨氮废水处理领域的推广也在逐渐开展。但受科研水平以及自然条件等因素的限制，该技术在我国起步较晚。由于我国大部分地区的气温并不适合Anammox，使得Anammox 反应器的工业化应用在我国的开展比较困难。

图3 全规模厌氧氨氧化厂的地理分布

4 影响因素

目前已经发现的厌氧氨氧化菌有6 个属，包括Candidatus“Brocadia”、Candidatus“Anammoxoglobus”、Candidatus“Jettenia”、Candidatus“Kuenenia”、Candidatus“Anammoximicrobium”和Candidatus“Scalindua”。其中，前5 个属是淡水厌氧氨氧化菌，最后1 个属是海水厌氧氨氧化菌［11］。由于菌体内含有大量的血红素［12］，成熟的Anammox 污泥呈现出深红色的颗粒状。想要利用Anammox 高效地处理废水，就需要保证Anammox反应能够高效稳定地运行，同时要保证足够的厌氧氨氧化菌的数量，防止其流失，这也是将其投入工程化应用的主要目标。但由于厌氧氨氧化菌生长非常缓慢、倍增时间较长、对环境要求高，使得该反应在启动和稳定运行方面面临着诸多困难。Anammox 工艺处理污水过程中存在着废水中NH4+/NO2-失衡、厌氧氨氧化菌对生活污水等复杂水质的适应能力差、反应器启动时间长和对环境变化敏感等问题［13］，所以不仅要求反应器要能够富集微生物、保证微生物尽量不流失，而且要严格控制环境条件，缩短Anammox 的启动时间，维持短程硝化的长期稳定。目前，Anammox 技术的工业化应用急需解决的问题主要有2 个方面：①缩短Anammox 的启动时间；②保证Anammox 反应的长期稳定［14］。影响Anammox 反应的因素主要有如下4 个方面：

4.2 反应器启动慢

由于厌氧氨氧化菌生长缓慢、世代时间长，其最大比增长率为0.002 7 h-1［15］，细胞产率仅为0.11 g/g，其倍增时间长达10～15 d［17］，这也导致Anammox 工艺启动时间较长，世界上的第1 个Anammox 生产性装置的启动时间长达3.5 a［18］。丁爽等［19］在研究生产性短程硝化-Anammox 装置处理制药废水的启动性能时，尽管在Anammox 过程中接种污泥含有部分Anammox 污泥，该工程从启动到正常运行也将近1.5 a。由此可见，如果将Anammox 投入生产性装置，必然需要很长的启动时间才能够达到理想的脱氮效果，部分Anammox反应器运行情况见表2。

表2 部分Anammox 反应器的运行情况

Anammox 反应启动时间的长短视接种污泥种类［13］、反应器类型、实验操作方式、实验条件等因素而定，长则3～4 a，短则1～2 a。但Anammox的高效稳定运行又必须有足够的厌氧氨氧化菌来保证，才能显现出Anammox 活性。如果不能实现厌氧氨氧化菌的富集培养，就无法真正发挥其脱氮的作用，而富集厌氧氨氧化菌需要足够的时间，这也是Anammox 反应器启动时间比较长的原因。当然，这也是Anammox 的工程化应用所面临的主要问题。倘若能早日解决Anammox 反应器启动时间长的问题，必将更有利于Anammox 工程化应用的进一步推广。

4.3 游离氨（FA） 和游离亚硝酸（FNA） 的抑制作用

Anammox 的处理对象一般都是含氮量比较高的废水，而作为给Anammox 提供营养和能源的氨氮和亚硝酸盐氮，也可能对Anammox 产生抑制作用。有研究表明，在实验室规模和工业化的Anammox 反应器中，低浓度的氨氮和亚硝酸盐氮可以作为基质，当氨氮和亚硝酸盐氮的浓度提高到一定程度之后，便会抑制厌氧氨氧化菌的活性，这不仅可以抑制细菌生长，而且会干扰细菌的代谢过程。有研究表明，氨氮和亚硝酸盐氮对Anammox 的影响主要是由其未离子化状态即FA和FNA 引起的［27］。其中，FNA 比FA 对Anammox 的抑制作用更明显，由于Anammox 反应的实验操作条件、接种污泥、污泥结构以及污泥中微生物种类不同，FNA 和FA 的抑制浓度也不尽相同。根据查阅相关文献，FA 的最低抑制浓度为2 mg/L，而FNA 的抑制浓度为1.5～213.0 μg/L［11］。为了保证反应的稳定进行，必须控制反应体系内FA 和FNA 的浓度，以避免其对Anammox 反应产生抑制作用，反应体系内FA 和FNA 浓度的计算方式如下［11］：

式中：TAN 为总氨氮，TAN=NH4+-N+NH3-N；TNN 为总亚硝酸盐氮，TNN=NO2--N+HNO2-N；T为反应温度，℃。

4.4 对外界环境敏感度高

由于厌氧氨氧化菌特殊的生活习性，其对外界环境的敏感度比较高，温度、pH、溶解氧（DO）、有机物、无机盐等条件的变化都会对Anammox 反应产生影响。

1） 温度。温度是对生物反应影响比较大的一个因素，因为无论是参与反应的微生物还是在生物反应中发挥作用的相关的酶，都有温度要求，过高或过低的温度都会对生物反应产生抑制作用，有些抑制作用甚至是不可恢复的。所以，想要保证Anammox 反应的稳定正常运行，就必须将反应体系的温度控制在其最适温度范围之内。而且在常温下，亚硝酸盐会迅速被氧化为硝酸盐，而当温度大于30 ℃时，才会有明显的亚硝酸盐积累［16］。有研究表明，Anammox 的最适温度在30 ℃左右，一般情况下，厌氧氨氧化菌的活性随着温度的降低而降低，但是，温度过高也会对厌氧氨氧化菌产生非常不利的影响［28］。Dosta 等［29］研究表明，当反应温度超过45 ℃之后就会导致细胞色素的丢失，进而对其产生不可逆的抑制作用。杨庆等［14］在用短程硝化耦合Anammox 工艺处理低C/N 比生活污水的过程中发现，温度对滤池中Anammox 反应的影响较大，当滤池温度降低至16 ℃时，厌氧氧化菌虽有活性，但活性比较低，当逐步把温度升高到25 ℃后，其活性又逐渐恢复。然而，污水的温度在自然状态下难以达到Anammox 的最适温度，要想达到理想的反应温度，需对其进行适当加热。但如果对其进行加热，就会增加能耗，从而增加水的处理成本。所以，温度问题也是Anammox 反应所面临的主要问题之一，如果能够通过实验来驯化厌氧氨氧化菌，驯化其在常温下或者低温下高效脱氮的能力，那么Anammox 的应用便没有那么多限制，这也会有助于进一步推广Anammox 在低温地区的应用。

2） pH。pH 和温度一样，也是对生物反应影响比较大的一个因素，在Anammox 反应中，pH对Anammox 产生的影响主要来自于其对基质和微生物的影响。根据Anammox 反应式可知，H+也是Anammox 反应所需要的底物之一，而pH=-lg[H+]，所以反应体系内应保证有适量的H+存在。同时，pH 的变化也会对基质的浓度变化产生影响。研究表明，厌氧氨氧化菌的最适pH 范围是7.5～8.0［30］，当pH 不在这个范围内时，就会抑制Anammox 反应。同时，由于pH 与FNA 和FA 的浓度之间的关系[公式（6）、（7）]，pH 的降低会增加溶液中FNA和FA 的浓度。Puyol 等［31］研究表明，当pH 低于7.1 时，对该反应产生主要抑制作用的是FNA。而当pH 大于8.0 时，FA 的含量急剧增大，这就容易抑制Anammox 工艺的性能，从而削弱反应体系的脱氮性能。所以，在Anammox 体系中，为了保证Anammox 反应的顺利进行，必须要把pH 保持在一定范围内。

3） DO。由于厌氧氨氧化菌是严格厌氧菌，DO 的影响主要来自于对厌氧过程的抑制。较高浓度的氧气会对Anammox 过程产生抑制作用，氧气浓度过高时不利于厌氧氨氧化菌的存活和繁殖，甚至会导致厌氧氨氧化菌活性的完全丧失。此外，有足够氧气存在时，更有利于硝酸菌的生存，硝酸菌会与厌氧氨氧化菌竞争底物，进一步削弱Anammox 反应。所以必须要严格控制体系内DO 的浓度。Kimura 等［32］在研究DO 的浓度对Anammox反应影响实验中发现，当DO 的浓度超过2.5 mg/L时就能够抑制Anammox 反应，但是，这种抑制作用是可逆的，DO 的浓度下降后，厌氧氨氧化菌又可以恢复其活性。

4） 有机物。厌氧氨氧化菌是一种化能自养型细菌，CO2是它的唯一碳源［33］，无需另外投加有机物。如果反应体系内有机物含量过高，则会对其产生不利影响。因为有机物是反硝酸菌等异养菌的碳源，如果反应体系内的有机物过多，会增强异氧型细菌与厌氧氨氧化菌的竞争作用，更有利于反硝化等反应的进行，造成反硝化细菌等异养菌的积累。与厌氧氨氧化菌相比，反硝化细菌增长速率高，世代周期短［34］，在与厌氧氨氧化菌的竞争中处于优势，使其成为反应体系内的优势种，侵占厌氧氨氧化菌的生存空间，进而对Anammox 反应产生抑制作用，削弱体系内的Anammox 反应。然而许多高氨氮的废水中有机物的含量也比较高，如垃圾渗滤液、动物消化液和味精废水等，倘若用Anammox 来处理此类废水则不太恰当。假如要用Anammox 反应来处理某类废水，必须要保证反应体系内没有过多的有机物存在，反应过程中也无需外加碳源。

5） 无机盐。一般来说，高盐度对于Anammox会产生抑制作用，所以Anammox 不适用于处理来自海鲜业、制药业和垃圾填埋场等的高盐度高氨氮废水。到目前为止所发现的6 个属的厌氧氨氧化菌种，有5 个属存在于淡水，该类细菌易受到盐类的抑制，而只有1 个属能够存在于海洋，该类细菌能够适应高盐度的环境。但有科研人员发现，在逐渐增加基质盐度的情况下，可以驯化淡水菌，使其适应高盐度的生活，而不至于对Anammox 反应产生抑制作用。Nakajima 等［35］已经利用柱式反应器连续培养，成功地在高盐度环境中富集出厌氧氨氧化菌。但目前还是缺乏该方面的相关研究，如果能够大量培养此类细菌，Anammox 应用于高盐度废水就会早日成为现实。

5 结束语

Anammox 技术作为近20 多年来兴起的新技术，对于脱氮技术的进程来说，是个新的里程碑。与其他脱氮技术相比，Anammox 因为低能耗、无污染、经济效益好，同时又满足当代可持续发展的要求而具有得天独厚的优势，但是该技术易受各种因素影响，这也制约了该技术的发展，限制了其发挥独特优势。即便如此，该技术仍具有广阔的应用前景，值得也需要更多科研人员的关注与探究，假如能够通过更多探究与实验，解决一些问题与挑战，便能够进一步推进该技术的应用，进而减少氮素的排放量，也能够从很大程度上缓解目前存在的一些河流湖泊富营养化等氮素污染问题。