厌氧氨氧化耦合反硝化技术反应机理及其影响因素研究进展

王振毅，李欣宇，赵大密，廉 静

（河北科技大学 环境科学与工程学院,河北省污染防治生物技术实验室，河北 石家庄050018）

0 引 言

在制药、化工肥料、食品加工、钢铁制造和饲料生产等工业生产中，均排放了大量的高浓度含氮废水。根据我国生态环境部发布的《2016～2019全国生态环境统计公报》，2019年，我国废水中总氮（TN）排放量高达117.6万t。

大量含氮废水的排放，会引起水体富营养化，增加饮用水的处理成本，给人类健康带来隐患，严重威胁环境、经济和人类生命的安全。

当前，国内常见的脱氮技术包括物化法和生物法。空气吹脱、吸附和离子交换等物化法，具有操作简单、效果稳定等优点，但也存在着处理成本高、容易造成二次污染等缺点。而以硝化和反硝化等为原理的传统生物脱氮技术，因其条件温和、二次污染少、可持续运行等优点，成为了目前生物脱氮的主要方法。尽管生物法机理清晰、处理稳定、且技术类型较多，但都无法避免对曝气量和外加有机物的较大需求。因此，亟需研发经济、高效的新型脱氮技术。

厌氧氨氧化（ANAMMOX）技术是近年来新兴的针对含氮废水的高效生物处理技术，它能够在严格厌氧或缺氧的条件下，以CO2或碳酸盐（HCO3-）为碳源，以铵盐（NH4+）为电子供体，以亚硝酸盐（NO2-）为电子受体，将其直接转化成氮气（N2），并从中获得能量。

相比于传统的生物脱氮技术，ANAMMOX技术可节省约50%的曝气、100%的有机物以及90%的运行费用，且具有污泥产率低等优点，是目前废水处理技术中的研究热点。

尽管ANAMMOX技术比传统生物脱氮技术更具有优势，但由于厌氧氨氧化菌（AnAOB）属于化能自养菌，存在世代周期长、细胞增殖速率慢、对环境要求严苛等缺点，使其难以在工程中大规模应用。实际上，即使ANAMMOX反应完全，仍然有约11%的硝酸盐（NO3－）无法去除。

同时，大部分工业或生活所产生的废水中都含有机物，单一的ANAMMOX技术对有机物没有去除效果，但废水中存在的较高的有机物会对AnAOB产生抑制作用，不利于AnAOB的生长和脱氮效率的提高，进而导致启动耗时过长，限制了该技术的工程应用。

因此，以去除ANAMMOX过程所产生的NO3－和废水中的有机物为目的，具有同步脱氮除碳功能的ANAMMOX耦合反硝化技术被提出。

为实现ANAMMOX耦合反硝化技术的高效稳定运行，本文通过研究和文献分析，对ANAMMOX耦合反硝化技术的反应机理进行阐述，深入分析了环境因素，以及底物因素对ANAMMOX耦合反硝化技术的影响，以期为ANAMMOX耦合反硝化技术在工业上的广泛应用提供借鉴和指导。

1 厌氧氨氧化耦合反硝化技术的反应机理

ANAMMOX反应是指AnAOB在严格厌氧或缺氧的条件下，以NO2－为电子受体，将NH4+直接转变成N2排入大气中的过程。

反应式如式（1）所示：

在式（1）中，ΔG＜0，说明该反应能够自发进行。

ANAMMOX的总反应是一个产能反应，能维持AnAOB的生长所需。

总反应式如式（2）所示：

由式（2）可以看出，反应中消耗了0.13 mol的H+，这导致了pH值的升高。由于AnAOB是自养菌，以无机碳（CO2）为碳源，因此，该反应不需要额外添加有机物，还会产生一定量的NO3－。

通常反硝化反应是指反硝化菌在厌氧或缺氧条件下，以有机物为电子供体，以NO3-或NO2-为电子受体，释放N2的过程。绝大部分的反硝化菌是厌氧异养菌，以有机物为碳源，进行无氧呼吸。

反应式如式（3）、（4）所示：

由式（3）、（4）可以看出，反硝化反应消耗了NO3－或NO2－，并消耗了H+，使得pH值升高。

根据ANAMMOX和反硝化的反应方程式，当电子供体不足时，反硝化反应会将NO3－还原成ANAMMOX反应所需的NO2－，同时，反硝化反应还会消耗有机物并产生CO2，这在一定程度上减少了有机物浓度过高时对ANAMMOX反应的抑制作用，还为ANAMMOX反应提供了所需的碳源。

目前，已经有不少的研究发现，ANAMMOX与反硝化可以在同一个系统内共存，并协同脱氮、除碳。

此外，由于NO2－是AnAOB与反硝化菌的共同底物，而反硝化反应具有更低的吉布斯自由能，这可能会导致AnAOB在与反硝化菌的竞争中处于劣势，破坏了系统稳定性。同时，ANAMMOX和反硝化反应都存在pH值升高的现象，过高的pH值会抑制菌群的活性，这可能成为影响两者共存的限制性因素。

由于ANAMMOX和反硝化反应在耦合过程中存在相似与差异，因此，了解ANAMMOX耦合反硝化技术的影响因素对控制其反应进程，以及提高其稳定性尤为重要。

2 厌氧氨氧化耦合反硝化技术的影响因素

由于AnAOB和反硝化菌特殊的菌群习性，ANAMMOX耦合反硝化技术的反应过程对外界环境的敏感度比较高，温度、pH值和溶解氧（DO）等环境因素，以及有机物种类和浓度、碳氮比（C/N）及基质比等底物因素的变化都会对耦合反应产生影响。

2.1 环境因素

ANAMMOX耦合反硝化技术会受到一些环境因素的影响，这些因素会对反应速率和微生物活性等产生影响，其中最主要的因素包括温度、pH值和DO等。

2.1.1 温度

一般来说，微生物的活性受温度影响主要体现在2个方面：一是影响酶催化反应的速率；二是影响基质向细胞扩散的速度。作为废水生物处理技术，ANAMMOX与反硝化反应都会受到温度的影响。

Rysgaard等人通过对北极海洋的沉积物研究发现，AnAOB在北极海洋中的最佳温度为12℃，而反硝化菌的最佳温度为24℃。

Cheng等人在研究城市河流时，利用氮同位素示踪技术进行了沉积物泥浆的实验，通过对比分析发现，冬季时，ANAMMOX的反应速率高于反硝化，而在夏季时，反硝化的反应速率则高于ANAMMOX。

Zhao等人采集了2个富营养化湖泊的沉积物，通过采用氮同位素示踪技术，研究了温度对沉积物中AnAOB和反硝化菌的影响，发现当温度为20～33℃时，更有利于ANAMMOX耦合反硝化反应的进行；当温度＜20℃或＞33℃时，TN去除率则会下降。由于AnAOB与反硝化菌的最适温度范围存在重合，因此，找到合适的温度范围是让ANAMMOX耦合反硝化技术稳定运行的关键。

2.1.2 pH值

通常废水生物处理过程受pH值的影响主要包括2个方面：一方面是基于pH值对溶液中抑制剂和基质的影响；另一方面是基于pH值对细胞中电解质平衡的影响。

因此，pH值对ANAMMOX耦合反硝化技术脱氮、除碳有着重要影响。一般来说，AnAOB的最佳pH值范围为6.7～8.3，反硝化菌的最佳pH值范围为6.0～9.0。

刘常敬等人利用上流式厌氧污泥床-生物膜反应器，研究了ANAMMOX耦合异养反硝化的代谢特性，分析发现，在25℃、pH值为7.8时，NH4+和NO2-的去除率可达100%，TN的去除率达87.51%，在此条件下，ANAMMOX耦合反硝化技术能保持长期稳定。

田文婷等人通过上流式厌氧污泥床反应器，研究了pH值对ANAMMOX耦合反硝化脱氮性能的影响，实验通过测试耦合污泥在4种不同pH值下的脱氮性能，发现AnAOB的最佳pH值范围为7.0～8.5，而反硝化菌的最佳pH范围为7.0～8.0。

总的来看，pH值为7.5～8.0是ANAMMOX耦合反硝化技术适宜的pH值范围。

2.1.3 溶解氧

由于AnAOB和绝大多数反硝化菌都是厌氧菌，因此，ANAMMOX耦合反硝化技术会在有氧的环境下受到严重抑制，当DO的浓度过高时，不仅会导致氧气和NO3-竞争电子供体，还会抑制NO3-还原酶的合成和活性。

张黎等人采用厌氧序批式反应器，研究了DO对ANAMMOX脱氮性能的影响，分析发现AnAOB对DO十分敏感，当DO浓度＜0.03 mg/L时，AnAOB菌群数量才能保持稳定。

Mathava等人指出，ANAMMOX耦合反硝化反应发生的前提条件是DO浓度＜0.5 mg/L。

段庄等人通过对畜禽养殖废水进行研究，发现当DO浓度＜0.2 mg/L时，反硝化菌才会进行无氧呼吸，同时，AnAOB的脱氮效果最佳。

所以，DO的存在，会对ANAMMOX耦合反硝化技术产生影响，适合的DO浓度对耦合的稳定性和脱氮、除碳效率来说都有着重要意义。

2.2 底物因素

除了环境因素的影响之外，底物因素也会对ANAMMOX耦合反硝化技术的脱氮效率产生影响，其中主要的底物因素包括有机物种类和浓度、碳氮比及基质比等。

2.2.1 有机物种类和浓度

AnAOB是自养菌，而反硝化菌属于异养菌，因此，有机物对AnAOB和反硝化菌的影响存在巨大差异。有机物对AnAOB的影响主要表现为抑制作用；由于有机物能为反硝化菌提供碳源，因此，有机物对反硝化菌的影响则表现为促进作用。

正是因为有机物对AnAOB和反硝化菌影响的差异性，研究有机物对ANAMMOX耦合反硝化技术的影响显得尤为重要。

刘常敬等人研究了不同的有机物对ANAMMOX耦合异养反硝化脱氮性能的影响，分析发现有机物对TN去除率的影响大小为乙酸钠＞丙酸钠＞间苯二酚＞邻苯二酚＞苯甲酸钠。

Jensen等人研究了甲醇、乙炔以及烯丙基硫脲等对海洋沉积物中AnAOB和反硝化菌的作用，实验发现甲醇对海洋沉积物中ANAMMOX反应具有特异性抑制作用。3.3 mmol/L甲醇既可完全抑制ANAMMOX，同时又促进反硝化反应；2～4 mol/L的乙炔可明显降低AnAOB的活性；而10 mol/L乙炔才会降低反硝化反应中N2O的还原速率；烯丙基硫脲在高于环境本底浓度10倍的条件下，对AnAOB和反硝化菌活性没有抑制作用。

Maite等人对比单一乙酸盐与复合有机物对ANAMMOX反应器的短期影响，实验发现2个反应器中均存在反硝化菌的生长，且单一有机物更有利于反硝化菌生长，在停止添加有机物后，2个反应器均可以恢复正常，表明添加有机物后，短期内不会对反应器造成不可逆的影响。

除了有机物的种类之外，有机物的浓度也会对ANAMMOX耦合反硝化技术产生显著的影响。

Zhu等人通过研究发现，当有机物浓度过高时，反硝化菌的生长速率要快于AnAOB，导致AnAOB在与反硝化菌的竞争中处于劣势，这就破坏了ANAMMOX耦合反硝化反应的稳定性。

万莉等人采用电增强零价铁—上流式厌氧污泥床反应器来处理养猪废水，实验发现当有机物充足时，随着有机物浓度的提高，ANAMMOX和反硝化反应对TN的去除率呈不同的变化趋势，ANAMMOX反应对TN的去除率不断下降，反硝化反应则相反。

Tang等人通过上流厌氧污泥床反应器，发现当有机物浓度为700 mg/L时，AnAOB的活性几乎消失，且NH4+平均去除率也会降至3%。

Trimmer等人通过对沉积物泥浆进行采样实验，研究发现ANAMMOX反应会随着有机物浓度的变化而变化。

Wang等人将具有不同TN和有机物浓度的12个反应器分为3组进行批次试验，结果表明相对于TN而言，有机物对ANAMMOX反应的影响更大，且在TN为600 mg/L、有机物浓度为300 mg/L时，TN去除率相对较高，ANAMMOX耦合反硝化技术有良好的表现。

总的来看，由于有机物对ANAMMOX和反硝化反应的影响具有较大差异，如何选取合适有机物，以及不同有机物浓度对ANAMMOX耦合反硝化技术的影响差异有待进一步研究。

2.2.2 碳氮比

AnAOB对有机物并没有需求，但通常认为，缺乏有机物很难进行有效的反硝化反应。然而，当C/N过高时，一部分NO2－会发生反硝化反应，这使得ANAMMOX反应所需的NO2－变少，进而导致ANAMMOX反应受到抑制，最终破坏了ANAMMOX耦合反硝化技术的稳定性。因此，C/N也是影响ANAMMOX耦合反硝化技术的重要因素。

Akunna等人利用葡萄糖作为唯一有机物，研究了C/N对反硝化的影响，发现了当C/N＞53时，没有脱氮效果，且会产生甲烷；当C/N=9～53时，发生了完全反硝化和甲烷化；仅在C/N＜9时，发生的是反硝化反应。

吕振等人通过厌氧序批式反应器研究了不同C/N下NO2－的积累情况，分析发现当C/N=3.2时，NO2－的积累率高达84%。

田文婷等人通过采用上流式厌氧生物滤池反应器，设置了5种不同的C/N（0.2、0.25、0.5、2、3），研究了在这5种不同C/N下NO3-去除率随时间的变化规律，得出了当C/N为0.5时耦合脱氮效果最佳的结论。

实际上，不同反应体系下AnAOB和反硝化菌会有比例差异，因此，ANAMMOX耦合反硝化技术的最适C/N还有待进一步的研究。

2.2.3 基质比

不同的基质比（NO2－/NH4+）会对ANAMMOX耦合反硝化技术的脱氮、除碳性造成影响。在ANAMMOX反应中，约11%的TN（NH4+和NO2－）转变为NO3－，使得TN浓度无法达到排放标准。

周凌等人通过采用低基质的人工合成废水启动ANAMMOX反应器时，发现最佳NO2－/NH4+=1.02，NH4+和NO2－平均去除率分别为94.5%和97.4%。

闾刚等人通过对厌氧折流板反应器的脱氮性能进行研究，发现反应器最佳进水NO2－/NH4+=1.34时，ANAMMOX脱氮效率最好，NO2－和NH4+的去除率达到99.99%。

傅金祥等人采用上流式厌氧污泥床生物膜反应器来研究基质比对反应器的脱氮性能的影响，通过设定5种不同的基质比（1、1.1、1.2、1.32、1.4），得出了当NO2－/NH4+=1.2时反应器的脱氮效果最好的结论。

安芳娇等人通过研究低基质浓度的人工合成废水对ANAMMOX耦合反硝化技术的影响，发现当进水NO2－/NH4+=1.4时，NH4+和NO2－的出水浓度分别为0.8 mg/L和1.5 mg/L，去除率分别高达96.2%和95.4%。

总的来看，NO2－/NH4+不同时，脱氮效率也不同，因此，最佳基质比还有待进一步的研究。

3 结 语

ANAMMOX技术因其无需曝气和外加有机物、污泥产量低等优势，成为目前极具应用前景和潜力的新型生物脱氮技术。然而，由于NO3-的产生，该技术无法实现完全脱氮，并且对废水中原有的有机物没有去除效果。在此基础上，具有同步脱氮、除碳功能的ANAMMOX耦合反硝化技术被提出。

本文综述了ANAMMOX耦合反硝化技术的反应机理及其影响因素，并从AnAOB和反硝化菌的角度分析了环境因素和底物因素对耦合体系的影响。分析表明，由于AnAOB和反硝化菌的菌群特性在温度、pH值以及DO等环境因素方面存在相似性，这就为ANAMMOX与反硝化的耦合提供了环境基础。

而AnAOB和反硝化菌在对有机物种类和浓度、C/N及基质比等底物因素上存在明显差异，因此，底物因素成为了影响ANAMMOX耦合反硝化技术稳定运行的关键因素。

为进一步理解和推动ANAMMOX耦合反硝化技术的应用，结合现有研究进展，今后应探究其他因素（如盐度、金属离子等）对ANAMMOX耦合反硝化技术的影响，尤其是探究AnAOB和反硝化菌在环境变化下的响应机制及两类菌群之间的相互影响。

此外，由于底物因素的影响，AnAOB和反硝化菌生长速率的差异可能成为耦合体系稳定性下降的主要因素，因此，应进一步研究ANAMMOX耦合反硝化强化技术，如特异性强化AnAOB或特异性抑制反硝化菌等；也可进一步研究分离技术如旋流分离器、微筛选择器等，用以协调AnAOB与反硝化菌之间的共生关系，从而进一步提高系统的稳定性。