厌氧氨氧化脱氮工艺研究进展

刘佳祺，唐普恩

（1.中国石油乌鲁木齐石化公司研究院，新疆 乌鲁木齐 830019；2.新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

氮元素作为衡量水污染的重要指标，以各种形态存在于自然界中。随着城镇化和工业化的发展，生产、生活废水的排放量增加，水体中氮污染日趋严重，超过其自净范围，造成水体富营养化，严重破坏生态环境，甚至损害人体健康，因此对水体进行脱氮处理尤为重要。

厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）作为低耗高效的新型生物脱氮工艺［1］，给目前国内面临的污水脱氮难、能耗大等问题提供了解决方法［2］，在污水处理领域显示出良好的应用潜力。但是，由于厌氧氨氧化菌群的富集时间较长，对环境条件较敏感，因而厌氧氨氧化工艺的脱氮效率又被诸多因素限制，如温度、pH值、溶解氧等，水体中的硫化物、有毒金属元素、醇类、酚类和抗生素也都会对厌氧氨氧化反应产生影响，严重制约了厌氧氨氧化工艺的大规模应用。文中概述了厌氧氨氧化工艺的研究现状，以期为厌氧氨氧化工艺的早日规模化应用提供参考。

1 厌氧氨氧化氮代谢途径

1977年，Broda等人依据热力学理论推测自然界中存在1种微生物可以在厌氧条件下将NH4+-N还原为NO2--N，预测了Anammox反应的存在。1998年，strous等人［3］在SBR反应器中富集到了AAOB，可以使反应器中NO2--N和NH4+-N以1种可再生的方式转化，从而在反应器中得到1种碳氮平衡，得到Anammox反应式（1）。

Anammox的发现颠覆了对氮循环的认知，完善了氮代谢过程。1997年，van de Graaf等［4］提出第1种氮代谢途径，由于在厌氧氨氧化过程中NO2--N无法直接与NH4+-N反应，NO2--N先还原生成羟胺（NH2OH）再与NH4+-N反应 生 成N2。当 反应中存在过量NH2OH和NH4+-N时，观 察 到 肼（N2H4）的瞬态积累，表明N2H4是厌氧氨氧化反应最后1步的中间体，NH2OH先还原生成N2H4，随后生成N2［5］。2001年，利用电子显微镜发现厌氧氨氧化体（Anammoxosome）是进行Anammox能量代谢的细胞器，是生成N2H4的重要部位［6］，进一步证明了中间体N2H4的存在。

随着分析方法的提高，2006年，研究人员在Candidatus Kuenenia stuttgartiensis中 发 现 了2种 反硝化功能基因narGH和nirS，nirS能够参与作用NO2--N→NO过程，与第1种假设的Anammox氮代谢途径不兼容，基于此Strous等人提出了第2种氮代谢途径，即NO代替NH2OH成为中间产物［7］。首先在亚硝酸盐还原酶nir的作用下参与完成NO2--N→NO过程，紧接着在联氨合成酶hzs的作用下与NH4+-N结合生成N2H4，随后在肼脱氢酶基因hdh的作用下生成N2。

2016年，Oshiki等［8］利用同位素标记法发现Candidatus Brocadia sinica不具有编码亚硝酸盐还原酶的功能基因（nirS和nirK），而是利用1种未定义的亚硝酸盐还原酶还原NO2--N→NH2OH参与Anammox反应合成N2H4，异于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis以NO为中间产物的厌氧氨氧化过程，表明厌氧氨氧化菌（anaerobic ammonium oxidation bacteria，AAOB）的代谢途径具有多样性。

近年来，研究人员集中于厌氧氨氧化反应器中微生物群落结构与氮代谢相关基因的研究。在常温下启动不同类型的厌氧氨氧化反应器（SBR、UASB、A/O）［9～11］，采用不同的接种污泥（厌氧污泥、颗粒污泥、絮状污泥）［12～14］，在常温下成功富集了AAOB，利用宏基因组测序技术和PCR定量探究反应器中氮代谢途径，其中共有6种氮代谢途径多种生物脱氮功能基因，见图1。

图1 厌氧氨氧化反应中氮代谢途径

包括硝酸盐还原酶基因（narGHI和napAB），亚硝酸盐还原酶基因（nirK、nirS和nrfHA），NO还原酶基因（norBC和norZ）和N2O还原酶基因（nosZ），以及Anammox功能基因联氨合酶基因（hzs-ABC）和肼脱氢酶基因（hdh）均被检测到［15］。除了hzsABC和hdh是AAOB所特有的酶，其它几种酶在好氧氨氧化细菌和反硝化细菌中都有发现。表明AAOB参与的Anammox反应氮循环过程需要多种微生物共同参与完成，具有氮代谢多样性，从而提高AAOB适应不同极端环境的生存能力。

2 厌氧氨氧化工艺类型

2.1 部分硝化耦合厌氧氨氧化工艺

部分硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PN/A）是基于2种自养菌：氨氧化细菌（AOB）和AAOB的新型污水脱氮工艺，AOB将部分NH4+-N氧化为NO2--N，生成的NO2--N随即被AAOB利用和剩余NH4+-N结合生成N2［16］。目前PN/A工艺多集中于不同温度下（29～36℃）的侧流污水（400～1 000 mg·N/L）如消化废水、垃圾渗滤液和特定类型的工业废水的研究［17］。

近些年PN/A工艺在实验室条件下和中试规模下取得了一定突破，但实际用于工业规模的污水处理装置仍不多见［18］。侯朝阳等人［19］启动序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR）和上流式厌氧污泥床反应器（upflow sludge bed reactor，UASB）分别进行PN和Anammox反应，接种污水处理厂A2O缺氧池末端污泥并以人工配水为进水，脱氮效率最高达到81.3%。

吴莉娜等［20］采用UASB+A/O反应器+Anammox组合工艺处理实际垃圾渗滤液，结果表明NH4+-N和TN的去除率达到95%和91%，最终出水质量浓度满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889-2008）的排放要求。

李金河等［21］在PN池和Anammox池中分别接种污水处理厂回流污泥和AAOB扩培装置污泥，实现厌氧消化污泥脱水液的稳定脱氮处理，氮去除效率达到86%。

尽管学者们做了大量研究，但在主流条件下实现PN/A工艺仍有许多困难，其中抑制NOB的生长和低温低氨氮条件下AAOB的低生长速率是限制该工艺发展的主要原因，全面了解主要微生物群落和各种工艺条件是今后研究的重点和方向。

2.2 部分反硝化耦合厌氧氨氧化工艺

部分反硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PD/A）是基于PN/A工艺进一步开发出的新型厌氧氨氧化工艺，通过反应器内不完全反硝化菌和AAOB的协同作用，完成NO3--N→NO2--N过程，随即作为电子受体完成Anammox过程，该工艺能够在克服PN/A工艺NO2--N供给不稳定的同时进一步提高脱氮效率，被认为是最具应用潜力的Anammox耦合工艺［22］。PD/A工艺具有较高的脱氮效率，理论上可以实现100%的总氮去除，研究证明当PD/A工艺同时处理含NH4+-N和NO3--N的废水时，平均脱氮效率为93.6%，NO3--N转化为NO2--N含量为95.8%［23］。此外，如此高的NO4+-N去除率被证明即使在低温下也能持续存在［24］，而此前PN/A被报道在中温条件下脱氮效果最好，脱氮效率随温度的降低逐渐下降，基于此PD/A工艺相较于PN/A工艺在主流污水脱氮工艺具有较好的应用前景。

与PN/A工艺一致，PD/A工艺目前尚未推广应用于城市污水处理。尽管厌氧氨氧化的应用逐渐增加，开发厌氧氨氧化耦合工艺已成必然发展趋势，但PD/A工艺仍旧发展滞后，开展实验室规模的研究将对工程应用产生积极影响。刘宁等［25］采用膨胀污泥床反应器（EGSB）经过75 d实现PD/A工艺的快速启动，在反应稳定运行阶段TN去除率接近90%，PD/A对总氮去除贡献率达到97.1%。

Cao等人［26］采用序批式反应器（SBR）和上流式厌氧污泥床反应器（UASB）分别进行反硝化和厌氧氨氧化反应构成PD/A系统，稳定运行224 d，NH4+-N和COD的去除率保持在95%和80%左右，出水TN平均为39.2×10-6N/L，远低于目前国内污水处理厂147×10-6N/L以下的排放标准。

Du等［27］采用上述相同反应装置同时处理高NO3--N废水（1 000 mgN/L）和市政污水（COD：182.5 mg/L，NH4+-N：58.3 mg/L），共运行215 d，NO3--N、NH4+-N去除率分别达到95.8%和92.8%。尽管COD较高，Anammox对TN去除率的贡献率仍达到78.9%。因此，PD/A工艺可以在一定程度上克服COD对Anammox的抑制作用，将其应用于污水处理厂高NO3--N浓度废水的后续深度处理，有且仅有很少的NO和N2O的温室气体产出，是1种更为经济、高效的处理方案。

PD/A工艺为扩展厌氧氨氧化技术的应用提供了更大的希望，考虑到实际工程应用，NO2--N持续稳定供给在长期运行中起着至关重要的作用，同时有机碳用量和缺氧反应时间也被证明是PD/A工艺的有效控制策略，优化工艺参数确保PD/A工艺的高效稳定运行将是今后的研究重点。另外，先前研究虽然已经确定了反硝化菌和AAOB的群落，但功能微生物的代谢机理以及微生物共存体系中各微生物之间的协同竞争关系还尚未清晰揭露，因此，后续研究中进一步揭示微生物协同脱氮反应机理至关重要。

2.3 反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化工艺

反硝化厌氧甲烷氧化工艺（DAMO）是以甲烷为电子供体，从而实现NO2--N/NO3--N转化为N2，同时去除CH4的过程，但该工艺无法实现NH4+-N的转化，而厌氧氨氧化工艺恰好就能弥补此不足，因而提出反硝化厌氧甲烷氧化耦合厌氧氨氧化工艺的新思路。

研究表明，自然环境和实验室条件的生物反应器中均出现AAOB和DAMO菌共存的现象［28，29］，揭示了2种工艺耦合的可能性。Zhu等［30］在室温条件下利用厌氧氨氧化颗粒污泥启动SBR反应器，成功富集了DAMO微生物，证明DAMO菌可以消耗过剩的亚硝酸盐，但不会与AAOB竞争，此结论也为2种工艺的耦合提供了依据。

Shi等［31］以合成废水为进水成功启动膜生物膜反应器（MBfR），发现DAMO细菌、DAMO古菌和AAOB为优势菌种，相对丰度均达20%～30%，稳定运行240 d后总氮去除速率达2.45 N（/L·d-1）。

刘春爽等［32］采用反硝化厌氧甲烷絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥为接种污泥，经过160 d，成功培养出了2者的耦合颗粒污泥，DAMO细菌Candidatus Methylomirabilis、DAMO古菌Candidatus Methanoperedens以及AAOB属Candidatus Brocadia 3者协同实现完全脱氮，总氮去除率高达92.5%。

Liu等［33］使用成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥作为生物载体来包埋DAMO微生物，从而在180 d内获得了AAOB和DAMO微生物的复合颗粒污泥，颗粒污泥被用于侧流污水处理的实际脱氮速率达到9.8 N/（m3·d-1）。

上述研究均表明DAMO和AAOB有着良好的协同作用达到高效脱氮。

理论上，结合使用反硝化厌氧甲烷氧化和厌氧氨氧化工艺将导致出水中的甲烷减少15%，该组合过程也被认为是1种绿色环保和经济高效的脱氮工艺［34］，在污水处理厂中具有潜在的应用价值。基于此，Wang等［35］提出了将该工艺纳入污水处理厂的2项策略，见图2。

图2 DAMO-Anammox工艺纳入未来污水处理厂运营的2项策略

将DAMO-Anammox工艺纳入侧流线以缓解主流线的脱氮压力的同时能够达到更高的脱氮效率。对于使用“活性污泥”的传统污水处理厂将DAMO-Anammox工艺纳入主流线，用作后处理单元，去除出水中残留的NO3--N和NH4+-N。同时，为促进污水处理厂的可持续运行，将DAMOAnammox工艺应用于污水处理厂的主流脱氮将发挥巨大潜力。但由于DAMO和AAOB所需的启动周期长且前期脱氮率低［36］，阻碍了该工艺的实际应用，后续应当深入了解DAMO的微生物行为，制定可以应用于工程的策略。

3 厌氧氨氧化工艺的发展与应用

世界上首座厌氧氨氧化中试装置于2002年在荷兰鹿特丹建成，装置有效容积70 m3，采用PN/A2步工艺，历时3.5 a成功启动，污水处理量达到了7 350 N/d［37］。2004年，奥地利strass污水处理厂将传统的AB法与Anammox结合，全年达到85%以上的自养脱氮效率，实现能量自给自足［38］，该工艺的成功运行推动了以好养反氨化为核心的Anammox工艺向主流化方向迈进［39］。2006年，亚洲首个全尺寸厌氧氨氧化装置在日本建成，有效容积50 m3，污水处理量达2 156 N/d［40］。2011年，新加坡樟宜污水处理厂率先实现主流厌氧氨氧化工艺稳定运行，水温在28～32℃，设计处理量为80×104m3/d，出水水质良好，对TN的去除率达到62%［41］。

近年来，国内Anammox工艺也逐渐从实验室规模到工程应用［42］。2009年，Anammox首次在1个全面的垃圾渗滤液处理设施中被报道，污水处理量达到304 m3/d，NH4+-N的去除率达到80%，该工程结合了部分硝化—厌氧氨氧化—反硝化并能够实现微生物共存，是处理高氨氮废水的1个进步［43］。同年内蒙古通辽梅花工业园区污水处理厂和山东滨州安琪酵母公司分别将Anammox应用于味精生产废水和酵母废水处理领域［44］，在节能降耗的同时实现高氨氮去除率。

2012年，西安市第4污水处理厂将Anammox应用于主流的污水脱氮工艺，是继奥地利Strass污水处理厂和新加坡樟宜污水处理厂后第3个实现主流Anammox工艺的污水处理厂［45］，推动了PD/A工艺的工业化应用，印证了PD/A工艺在主流城市污水的深度脱氮处理领域具有发展潜力。

2013年，国内首座自主知识产权的厌氧氨氧化脱氮工程在北京市高碑店污水处理厂建成，用于处理污泥消化液，设计处理量500 m3/d，项目经90 d快速启动，启动成功后TN去除率与去除负荷分别达到85%～95%与7.84 kgN/d。

2015年，湖北十堰垃圾渗滤液处理工程将Anammox和MBR/RO膜过滤工艺相结合，突破了低C/N下Anammox的工程应用瓶颈，出水中TN的含量控制在40 mg/L，去除率超过80%，出水水质符合《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889-2008），该工艺推进了国内实现垃圾渗滤液处理技术的高效、节能、降耗［46］。

2021年，河北省养猪场废水厌氧消化液处理工程经过180 d的稳定运行，Anammox的脱氮贡献由最初的39%提高至78%，NH4+-N和TN的去除率分别达到91.95%和83.48%，该工艺的稳定运行为实际工程应用提供技术支撑［47］。

4 结束语

厌氧氨氧化工艺对传统污水处理厂面临的高能耗、低效率、高投入等现状具有明显优势和实际应用价值。目前针对厌氧氨氧化工艺的动力学研究和功能微生物的脱氮机理尚不成熟，优化工艺条件提高功能微生物的稳定性，强化功能微生物的脱氮效率以完善脱氮机理是未来研究重点。

厌氧氨氧化工艺耦合其它工艺在一定程度上能够弥补单一厌氧氨氧化工艺的不足，但尚不能满足规模化应用条件。未来在实现高脱氮效率和低能耗的基础上，缩短厌氧氨氧化工艺的启动周期并实现稳定运行，同时控制NO2--N的含量以保证AAOB在系统中较快富集，以维持其在系统中的较高的脱氮贡献将是推进厌氧氨氧化工艺工程应用的研究方向，在反应器中的变化趋势以及微生物的协同去除机理还值得深入研究。