低碳污水微生物氮轉(zhuǎn)化工藝研究進展

李瑞祥，王 鑫，李 田

（1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2.環(huán)境污染過程與基準(zhǔn)教育部重點實驗室，天津 300350；3.天津市城市生態(tài)環(huán)境修復(fù)與污染防治重點實驗室，天津 300350）

隨著溫室效應(yīng)問題加劇以及“雙碳”目標(biāo)的提出，我國各行業(yè)開始密切關(guān)注CO2排放量，并將實現(xiàn)碳中和作為行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。據(jù)調(diào)查，我國污水處理行業(yè)的碳排放量占總排放量的1%～2%，是不可忽視的碳排放領(lǐng)域〔1〕，這主要與污水處理廠在運行過程中各處理單元設(shè)備碳排放量過高以及額外的能量消耗有關(guān)。究其根本原因，主要是污水資源化以及能源化效果不顯著，很難實現(xiàn)低碳運行與能源平衡。宜興概念水廠的建成運行，為我國污水廠的技術(shù)革新提供了良好的基礎(chǔ)。

隨著污水排放總量的不斷增加，污水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)對環(huán)境的影響越來越大。氮、磷的去除已經(jīng)成為城市污水處理工藝的重要部分，氨氮成為我國總量控制指標(biāo)和污染物削減指標(biāo)之一。污水脫氮技術(shù)可以分為物理、化學(xué)和生物方法。隨著微生物技術(shù)的發(fā)展，生物脫氮技術(shù)取得了長足進步并被廣泛應(yīng)用于污水處理廠中〔2〕。污水廠大多數(shù)污水中的氮主要是氨氮和有機氮，有機氮通過異養(yǎng)細菌的氨化過程轉(zhuǎn)化為氨氮，部分作氮源以合成新的生物質(zhì)〔3〕，其余通過微生物的硝化和反硝化過程去除〔4〕。然而，當(dāng)廢水中沒有足夠的有機碳源作為電子供體時，脫氮效率很難滿足處理需求〔5〕。為了提高低碳氮比污水的處理效果，我國污水處理廠大多采用外加碳源的方法，但存在處理成本和能耗增加等問題〔3〕。

在碳達峰和碳中和的宏偉愿景下，制定和研發(fā)低碳源的污水生物脫氮處理技術(shù)勢在必行。已經(jīng)被證明有效的主流生物脫氮新技術(shù)，如短程硝化反硝化、同步硝化反硝化以及厭氧氨氧化等，將在雙碳目標(biāo)下發(fā)揮重要作用。因此，立足碳減排，圍繞目前傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)，筆者首先論述了脫氮功能菌群及其種間的互作方式，其次對其存在的不足進行了討論，分析了國內(nèi)外低碳氮比污水脫氮的最新研究進展和特點，最后對污水生物脫氮技術(shù)的發(fā)展前景進行了總結(jié)，旨在為碳中和背景下低碳污水生物脫氮技術(shù)的發(fā)展和實際應(yīng)用提供參考。

1 傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)概述

污水中，氮主要以無機和有機氮化合物的形式存在。無機氮化合物包括氨（NH3）、銨根離子（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）和硝酸鹽（NO3-）。有機氮化合物則包括氨基酸和蛋白質(zhì)等復(fù)雜化合物，并以可溶性或顆粒形式存在〔6〕。在傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)中，氮的去除以微生物的正常生命活動為重要前提〔7〕，每個過程中都會有對應(yīng)的酶發(fā)揮作用（圖1）〔8〕。不同微生物具有不同的生理特性，對不同的環(huán)境適應(yīng)能力不同，在不同脫氮過程發(fā)揮的作用和脫氮性能上也有差異。因此，為了實現(xiàn)不同污水的高效脫氮，必須選擇合適的脫氮微生物。

圖1 傳統(tǒng)生物脫氮過程及對應(yīng)酶Fig.1 Conventional biological denitrification process and corresponding enzymes

1.1 氨化作用

氨化作用（Ammonification）是生物脫氮的初始步驟，其在厭氧或好氧條件下可以將有機氮化合物轉(zhuǎn)化為氨氮，為硝化作用創(chuàng)造必要條件。一般氨化過程分為2 步：第一步是含氮有機化合物（蛋白質(zhì)、核酸等）在氨化微生物的作用下降解為多肽和氨基酸等結(jié)構(gòu)簡單的含氮化合物；第二步是簡單的含氮化合物通過脫氨基過程轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3〔9〕。氨化微生物在污水處理廠中分布廣泛，對含氮有機物分解能力較強的細菌主要有Bacillus、Pseudomonas、Serratia和Micrococcus等〔8〕，比較常見的還包括Brevundimonas diminuta、Alcaligenes faecalis和Enterobacter aerogenes〔10〕。這些微生物能在有氧或無氧條件下，通過自身的生命活動進行含氮有機物的分解，為后續(xù)的脫氮過程提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2 硝化作用

硝化過程包括亞硝化和硝化2 個連續(xù)的氧化階段，需要在嚴格好氧條件下進行，該過程中的功能微生物大多屬于化能自養(yǎng)型，利用氨/亞硝酸鹽作為能源、CO2作為碳源、O2作為電子受體〔11〕。第一階段亞硝化是指氨氧化細菌（AOB）將氨氧化為亞硝酸鹽的過程〔式（1）〕，具體步驟為：氨首先在氨單加氧酶（AMO）的催化下被氧化成羥氨，再經(jīng)羥氨氧化還原酶（HAO）的催化被氧化成亞硝酸鹽。目前在不同的環(huán)境條件下已經(jīng)檢測到5 種不同屬的AOB：Nitro-somonas、Nitrosospira、Nitrosovibrio、Nitrosolobus和Nitrosococcus，而其中Nitrosomonas eutropha、Nitrosomonas nitrosa和Nitrosomonas vulgaris等在生物脫氮中較為常見〔12〕。第二階段硝化是指亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程〔式（2）〕〔13〕，相關(guān)的NOB 包括Nitrobacter、Nitrospira、Nitrococcus和Nitrospina〔14〕，其中污水處理廠中常見的NOB 為Nitrospira defluvii〔15〕。一般情況下，硝化細菌最適宜的pH 范圍是7.5～8.2〔16〕。

通過硝化過程的化學(xué)計量可知，隨著硝化反應(yīng)的進行，體系pH 會降低，而當(dāng)pH 降低到7.0 以下時，反應(yīng)速率會迅速降低。因此，必須通過添加化學(xué)品來補充適當(dāng)?shù)膲A度，例如NaOH、消石灰和生石灰等。

古菌是一類在惡劣環(huán)境條件下能夠進行正常生命活動的生物。氨氧化過程已經(jīng)被證明除了AOB作用外，還能通過古菌進行，這類微生物被稱為氨氧化古菌（AOA）〔17〕。但是針對污水廠中AOA 的深入研究還相對較少。已經(jīng)被證明能夠進行硝化過程的AOA 包 括Nitrosopumilus maritimus和Cenarchaeum symbiosum等〔18-19〕。AOA 進行部分硝化過程的關(guān)鍵酶也是AMO〔20〕。與AOB不同，AOA可以在低溶解氧、強酸堿環(huán)境以及溫度異常的條件下氧化氨〔21〕。

隨著對脫氮微生物的深入研究，異養(yǎng)脫氮微生物也被證明存在于污水中〔22〕。目前能夠進行異養(yǎng)硝化過程的微生物主要包括Pseudomona sputida、Alcaligees faecalis、Thiosphaera pantotropha、Paracoccous denitrificans以及Arthtobacter〔23〕。

1.3 反硝化作用

反硝化過程是指將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，然后通過NO、N2O 等中間體連續(xù)還原為N2的過程（圖1）。微生物反硝化是以有機和無機碳源作為電子供體和維持微生物生長的能源，在反硝化微生物的作用下，以硝酸鹽作為終端電子受體進行的。反硝化過程中間產(chǎn)物的變化涉及多種酶并伴隨著電子傳遞和能量產(chǎn)生等，其中主要涉及4 種酶：硝酸鹽還原酶（NAR）、亞硝酸鹽還原酶（NIR）、一氧化氮還原酶（NOR）和一氧化二氮還原酶（NOS）〔16〕。微生物的反硝化過程需要嚴格厭氧，因為當(dāng)氧氣存在時，兼氧的反硝化細菌優(yōu)先使用氧氣作為電子受體，從而導(dǎo)致硝酸鹽或亞硝酸鹽無法作為電子受體，進而造成反硝化效果顯著下降〔24〕。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的反硝化菌包括50 多個屬〔25〕，如Pseudomonas、Alcaligenes、Paracoccus和Thiobacillus。污水處理廠中常見的反硝化菌包括Pseudomonas aeruginosaF5、Thiobacillus denitrificans和Paracoccussp.DB2 等〔25-26〕。

除了厭氧反硝化外，好氧反硝化也能夠進行氮去除〔27〕。目前大量好氧反硝化細菌已被從不同的環(huán)境中分離出來，如Pseudomonas〔28〕、Thauera〔29〕、Zoogloea〔30〕、Paracoccus〔31〕和Thiosphaerapan〔32〕等，其中常見的包括Pseudmonas mendocina和Paracoccus denitrificans。好氧反硝化細菌的硝酸鹽還原酶位于周質(zhì)中，與其他好氧基團表現(xiàn)出共呼吸作用，可以同時使用氧氣和硝酸鹽作為電子受體〔33〕。好氧反硝化細菌的發(fā)現(xiàn)解決了AO 工藝中硝化和反硝化作用必須分別在2 個不同的反應(yīng)器中進行的弊端，降低了投資和運營成本。對于好氧反硝化，中性和堿性環(huán)境（pH=7.0～8.5）更有利于生物脫氮〔34〕，因此在實際應(yīng)用中仍需要外加酸或堿以維持pH 在正常范圍。

目前，對古菌的反硝化過程研究較少。以反硝化為特征的古菌包括Halophiles和Lithotrophic hyperthermophiles，可以使用硝酸鹽作為電子受體。Haloferax denitrificans和Pyrobaculum aerophilum這2種古菌已被證明能夠產(chǎn)生N2并作為最終產(chǎn)物，證實了反硝化的完整機制〔35〕。

2 傳統(tǒng)生物脫氮存在的問題

我國近90%的污水處理廠存在總氮去除效率不高的問題，這與微生物生存環(huán)境、污水廠運行模式以及水源水質(zhì)等有很大關(guān)系。

2.1 污水來源與環(huán)境因素

我國污水由生活污水、工業(yè)廢水和雨水組成，其中工業(yè)廢水可生化比例偏低，存在有毒有害物質(zhì)，不利于脫氮功能微生物的生長。氣候和生產(chǎn)方式等因素一旦改變會導(dǎo)致水質(zhì)水量的變化，進而使生物脫氮效率受到影響〔36〕。例如，由于溫度的差異，寒冷地區(qū)生物脫氮過程中的生物活性受低溫影響，脫氮效果不理想〔37〕。而生產(chǎn)方式的改變則會使進水水質(zhì)更復(fù)雜，甚至增加有毒有害物質(zhì)，影響脫氮〔36〕。因此，針對生物脫氮必須因地制宜，優(yōu)先考察水環(huán)境因素，根據(jù)不同的進水特性選擇相應(yīng)技術(shù)，還要做到對進水的實時監(jiān)控以便及時調(diào)整運行參數(shù)。

2.2 碳源和碳氮比

碳源濃度對傳統(tǒng)生物脫氮的影響主要在反硝化階段。由于反硝化菌絕大部分屬于異養(yǎng)菌，因此在脫氮過程中需要利用一定的碳源以用作能源和合成細胞成分的物質(zhì)，并且碳源種類及含量對反硝化過程具有限制性作用〔38〕，一般情況下，BOD5/TN＞4 時具有較好的脫氮效率。然而，我國仍有較多污水處理廠原水中的碳源濃度難以滿足該要求，反硝化過程中脫氮動力不足，影響脫氮效率〔39〕。目前，為使出水水質(zhì)達標(biāo)，往往會在原水中外加一些碳源，這樣既增加了運行成本，積累的碳源又會使反硝化速率降低、亞硝酸鹽累積，較大的生物量還會導(dǎo)致過濾器堵塞〔40〕。因此，開發(fā)新型外加碳源、充分利用進水中的碳源或應(yīng)用新生物脫氮工藝勢在必行。

2.3 不同去除指標(biāo)對營養(yǎng)物質(zhì)的競爭

污水處理過程中，氮、磷和COD 的去除需要不同的工藝，涉及的不同微生物會競爭營養(yǎng)物質(zhì)。在生物脫氮除磷過程中，異養(yǎng)微生物的脫碳過程和自養(yǎng)微生物的硝化過程存在對氧氣的競爭，這使得污水處理廠不得不提高曝氣量以提升脫氮效率；反硝化過程對碳源量的要求極高，然而厭氧釋磷過程中的微生物會競爭碳源以滿足自身生長代謝，這也無形中降低了脫氮可利用的碳源〔41〕。因此，必須根據(jù)出水要求對運行參數(shù)和外加物質(zhì)進行準(zhǔn)確判斷。對功能微生物豐度和種類的準(zhǔn)確判斷也是提高生物脫氮的重要途徑之一。

2.4 微生物之間世代差異

不同功能微生物之間不同的世代時間也會對脫氮效率造成影響。世代時間長于污泥齡的微生物在污泥中不能成為優(yōu)勢菌種，硝化細菌生長極其緩慢；污泥齡越長，脫氮效果越好。相反，聚磷微生物污泥齡越短，有機除磷效果越好。因此，在污水處理過程中對污泥齡的控制也至關(guān)重要〔42〕。污泥齡的控制需根據(jù)處理目的加以選擇，如脫氮工藝要求污泥齡大于10 d，而除磷工藝要求低于10 d。運行過程中還需根據(jù)實際條件控制污泥齡。

2.5 pH 和溶解氧

在實際運行時，硝化過程微生物的最佳pH 為7.5～8.2，而反硝化過程的最佳pH 則下降至6.5～7.5，因此需要合理控制pH 進行脫氮。由于生物脫氮過程需要在好氧環(huán)境和缺氧環(huán)境下交替進行，溶解氧在脫氮工藝過程中也是關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)溶解氧（＞2 mg/L）過高時，雖然能夠滿足硝化反應(yīng)，但是反硝化反應(yīng)受到抑制；同理，當(dāng)溶解氧（＜0.2 mg/L）過低時，硝化過程受到抑制。因此必須根據(jù)實際運行工藝合理布置曝氣位置，進而調(diào)整溶解氧分布。

此外，不同工藝條件以及反應(yīng)器構(gòu)型也是影響脫氮效率的重要因素，合理選擇運行參數(shù)以及工藝可以有效地避免污泥膨脹和生物泡沫等問題的發(fā)生，保證脫氮過程的正常運行。

3 低碳生物脫氮技術(shù)

為滿足現(xiàn)階段污水處理技術(shù)的發(fā)展要求，基于傳統(tǒng)生物脫氮工藝的功能微生物，調(diào)控不同功能微生物的組成和選擇性富集可以實現(xiàn)生物脫氮技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。近年來，隨著碳源種類的變化、碳源補充方式的改變、新工藝的問世，低碳污水脫氮技術(shù)取得了長足發(fā)展。

3.1 新型碳源補充

3.1.1 添加新型碳源

由于傳統(tǒng)外加碳源存在的缺陷，開發(fā)新型碳源是大勢所趨。固體碳源由于其碳釋放速率適宜、持續(xù)時間長、易于管理和可長期運行等優(yōu)點，逐漸被學(xué)者關(guān)注。常用的固體碳源可分為天然纖維素材料和合成的可生物降解聚合物〔43〕。天然纖維素材料包括纖維素、農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物（如玉米棒、秸稈、紙板纖維、樹皮和果仁等）〔40〕，這類碳源雖然成本低，但存在碳釋放速率不穩(wěn)定的缺點。目前應(yīng)用于污水脫氮工藝中的合成的可生物降解聚合物包括聚乳酸〔44〕、聚己內(nèi)酯〔45〕、聚丁二酸丁二醇酯〔46〕和聚羥基鏈烷酸酯〔47〕，這類碳源解決了碳釋放不可控的問題并可充當(dāng)反硝化微生物生長的載體，脫氮效果極好〔48〕，但是它們價格昂貴且性能受溫度影響強烈，應(yīng)用推廣受限。因此，外加碳源可以考慮將這2 類碳源混合構(gòu)成復(fù)合碳源，以增強廢水脫氮效果〔49〕。

新型液體碳源包括高濃度有機工業(yè)廢水〔50〕、污泥水解液〔51〕和餐廚廢棄物水解液〔52〕等。這類物質(zhì)的加入不僅具有良好的脫氮效果，而且為其自身的進一步處理提供了新的資源化路徑，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的兼顧。但因添加之前需要預(yù)處理、復(fù)雜的組成成分帶來的危害未知等因素，這類碳源的應(yīng)用依然受限。

3.1.2 調(diào)整工藝運行

污水處理廠進水中的大多數(shù)碳源會在好氧段被消耗，導(dǎo)致缺氧段的反硝化過程無法正常進行。除了投加新型碳源外，還可以通過調(diào)整工藝運行方式實現(xiàn)進水碳源的合理利用。目前，對進水的優(yōu)化方式有分段多點式進水和周期性改變進水〔53〕。分段多點式進水具有污泥濃度高和碳源利用率高等優(yōu)點，該方式可以劃分為空間順序上的分段進水即缺氧好氧分段進水工藝，以及時間順序上的分段進水即序批式活性污泥法工藝〔54〕。周期性改變進水方式是指將2 個相同的反應(yīng)器串聯(lián)，進水方向周期性地從一個反應(yīng)器轉(zhuǎn)換到另一個反應(yīng)器，以保證充分利用進水中的有機碳源〔55〕。

調(diào)整工藝運行雖然能夠在低碳源下最大程度地提高污水中氮的去除效率，但是針對我國部分C/N很低的污水，該優(yōu)化方式仍不能充分發(fā)揮作用。

3.1.3 挖掘內(nèi)碳源

污水中存在的內(nèi)碳源已經(jīng)被證明能夠有效地提高生物氮去除效率〔56〕。內(nèi)碳源主要包括污水中的可生物降解溶解性有機物，以及活性污泥中微生物死亡或破裂后自溶釋放出來的可被利用的物質(zhì)。污水處理廠產(chǎn)生的剩余活性污泥的處理和處置成本約占污水處理廠總成本的60%〔57〕，剩余活性污泥中含有的許多有機物質(zhì)可通過厭氧發(fā)酵過程有效釋放，不僅減少了污泥量，還可以為反硝化提供內(nèi)部碳源，提升脫氮效率，節(jié)省運營成本〔58〕。但是直接產(chǎn)生的污泥并不能直接利用，需要經(jīng)過前處理等步驟才可以利用（例如污泥破碎和污泥水解等），而這也會增加操作難度和運行成本。

某些進水中的懸浮物質(zhì)也可以被當(dāng)作碳源利用，但是初沉池等的設(shè)置使得后續(xù)脫氮階段該類型碳源降低。因此，對于懸浮物濃度較低且波動不大的污水廠可以取消初沉池，其他污水廠則可以通過設(shè)置超越管或減少初沉池的水力停留時間以降低進水碳源的損耗〔59〕。

3.2 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化是將硝化反應(yīng)控制在亞硝酸鹽階段，直接進行反硝化作用。其基本原理是NH4+先在有氧條件下通過AOB 生成亞硝酸鹽，之后在缺氧條件下將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮氣（圖2）。

圖2 短程硝化反硝化過程及對應(yīng)酶Fig.2 Short-cut nitrification and denitrification process and corresponding enzymes

短程硝化反硝化不僅具有更快的反硝化速率，而且可以減少硝化過程中約25%的曝氣消耗、后續(xù)反硝化40% 的碳源需求以及33%～55% 的污泥產(chǎn)量，因此更加適用于低碳污水的處理〔60〕。從微生物的角度來看，該技術(shù)的關(guān)鍵在于亞硝酸鹽的積累，在處理中必須消除NOB 的作用，利用AOB 和NOB 的代謝差異，形成利于AOB 優(yōu)勢生長的環(huán)境。然而，在正常條件下，亞硝酸鹽會被迅速氧化成硝酸鹽，因此必須采取措施控制亞硝酸鹽的氧化，且不能影響氨氧化過程。研究表明，較高的pH、高濃度游離氨與游離亞硝酸鹽、低溶解氧以及高溫等均能不同程度地抑制NOB 生長或使其與反應(yīng)體系分隔，在促進亞硝化途徑形成的同時抑制亞硝酸鹽的氧化〔61〕。此外，還可以考慮加入硝化抑制劑，如氯酸鹽和疊氮化鈉等。

因此，在該技術(shù)進行實際應(yīng)用時，必須嚴格控制運行過程中的參數(shù)，以維持適宜的環(huán)境（pH 維持在8左右，溶解氧＜0.5 mg/L 等）。例如，可以通過外加酸堿以及合理控制曝氣量、調(diào)節(jié)曝氣位點使pH 和溶解氧維持在適宜范圍。

3.3 同步硝化反硝化

同步硝化反硝化（SND）是指在溶解氧較低的條件下，在同一個反應(yīng)器中同時實現(xiàn)硝化與反硝化過程?；谏锬さ闹旅芙Y(jié)構(gòu)或者較大粒徑的顆粒污泥形成的梯級溶氧環(huán)境特征，硝化菌在高溶解氧區(qū)域活躍，反硝化菌在低溶解氧區(qū)域活躍，從而實現(xiàn)硝化細菌和反硝化細菌同時增殖〔62〕。

SND 突破了既定順序，能夠很大程度減小反應(yīng)器體積，縮短生物脫氮流程〔63〕。與短程硝化反硝化類似，SND 能夠?qū)⑾趸磻?yīng)控制在亞硝化階段，從而有效緩解對有機碳的需求〔64〕。SND 中硝化產(chǎn)生的H+可以中和反硝化產(chǎn)生的OH-，為微生物的生長提供適宜的環(huán)境，同時加快2 種反應(yīng)的正向進行速度〔65〕。

SND 的效果與多種因素有關(guān)，非生物因素主要包括溶解氧和pH，生物因素則主要是生物膜中脫氮功能菌群的相對豐度和分布〔66〕。SND 的產(chǎn)生主要得益于活性污泥中存在的溶解氧梯度，而溶解氧又會直接影響絮體中缺氧區(qū)和好氧區(qū)的分布，進而影響SND 的效率，因此，在應(yīng)用SND 脫氮時需要將供氧速率作為系統(tǒng)的主要控制參數(shù)，結(jié)合實際需求進行調(diào)整〔67〕。對于運行過程中pH 的控制，需要同時滿足硝化細菌和反硝化細菌的增殖需求/功能需求，即中性或弱堿性〔68〕。此外，在處理中還需要控制硝化與反硝化的反應(yīng)動力學(xué)平衡才能使SND 實現(xiàn)最大化的低碳脫氮〔63，69〕。

3.4 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化（Anammox）是一種能夠以NO2-作為電子受體將NH4+厭氧轉(zhuǎn)化為氮氣的新型自養(yǎng)生物脫氮工藝。由于具有節(jié)能和成本效益優(yōu)勢，厭氧氨氧化是雙碳背景下脫氮的最優(yōu)選擇（圖3）。

圖3 厭氧氨氧化過程及對應(yīng)酶Fig.3 Anammox process and corresponding enzymes

Anammox 脫氮涉及2 個步驟：第一步是約一半氨氮通過部分硝化（PN）轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽〔式（3）〕；第二步是在厭氧條件下厭氧氨氧化菌（AnAOB）利用第一步產(chǎn)生的亞硝酸鹽為電子受體，將89%左右的氨氮氧化為氮氣，其余氨氮氧化為硝酸鹽。當(dāng)以CO2或HCO3-為碳源時的反應(yīng)如式（4），該反應(yīng)被稱為部分硝化和厭氧氨氧化（PN & A）〔70〕。目前已發(fā)現(xiàn)的AnAOB 主要是Candidatus屬，其中占據(jù)優(yōu)勢的通常是Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia〔71-73〕。

基于自養(yǎng)生物脫氮的2 個反應(yīng)階段，根據(jù)PN 和Anammox 反應(yīng)的反應(yīng)器數(shù)目，Anammox 技術(shù)可以分為單級反應(yīng)系統(tǒng)和多級反應(yīng)系統(tǒng)〔74〕。在單級反應(yīng)系統(tǒng)中，PN 和Anammox 都在一個反應(yīng)器中進行，該系統(tǒng)需要嚴格控制水體中的溶解氧（＜0.5 mg/L）〔75〕，并且由于多種微生物種群（AOB 和AnAOB 等）共存，系統(tǒng)中NO2-含量難以控制，不利于AnAOB 的生長，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。但單級反應(yīng)系統(tǒng)具有反應(yīng)器體積小、建設(shè)成本低、體積負荷大等優(yōu)點，可有效避免亞硝酸鹽積累而引起的抑制作用〔76〕。多級反應(yīng)系統(tǒng)指PN 和Anammox 存在于2 個獨立的反應(yīng)器（例如SBR 和UASB 等）中，2 段反應(yīng)的控制因素相互獨立，具有獨立調(diào)節(jié)和控制能力；將2 個反應(yīng)階段分離，不僅可以優(yōu)化富集AOB 和AnAOB，而且PN 段的前置可以消除一些有毒的有機污染物，從而避免對后續(xù)Anammox 階段的影響。但多級反應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè)投資成本更高，而且PN 段形成的亞硝酸鹽容易積累，其毒性對微生物的生命活動產(chǎn)生抑制作用，從而導(dǎo)致菌群失衡，影響系統(tǒng)運行〔77〕。因此，2 段式系統(tǒng)需匹配PN 和Anammox 這2 個反應(yīng)階段的反應(yīng)速率以減少亞硝酸鹽積累，具體來說應(yīng)嚴格控制亞硝酸鹽濃度，使AOB 以適當(dāng)?shù)乃俣壬L。在實際運行中，防止亞硝酸鹽積累的策略是優(yōu)化運行方式以減少溶解氧供應(yīng)，即減少運行時間、降低鼓風(fēng)機頻率，也可以通過間歇曝氣進行控制，而這也使得系統(tǒng)設(shè)計更為復(fù)雜〔78〕。

與傳統(tǒng)脫氮技術(shù)相比，Anammox 被認為是一種更高效、節(jié)能的廢水處理技術(shù)。在節(jié)約硝化反應(yīng)曝氣能源（需氧量降低60%）的基礎(chǔ)上，還具有無需外加碳源（有機碳需求量降低了100%）、運行成本低等優(yōu)點〔79〕。此外，AnAOB 屬自養(yǎng)型微生物，生長緩慢，可大大減少工藝的污泥產(chǎn)量（減少了90%）〔80〕。盡管如此，厭氧氨氧化在污水處理廠的主流應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，AnAOB 的世代周期長（10～22 d）且對環(huán)境因素變化敏感（pH 需控制在6.7～8.3，溫度需控制在35～40 ℃等），復(fù)雜的進水環(huán)境存在大量抑制因子（如銨、亞硝酸鹽、有機物、重金屬等），導(dǎo)致該工藝啟動時間長及運行效能低，限制了其在實際廢水中的應(yīng)用〔81〕。如何強化相關(guān)功能微生物的生長繁殖、縮短工藝啟動時間以及提升系統(tǒng)脫氮效能，仍是當(dāng)前厭氧氨氧化技術(shù)研究的熱點。

3.5 微生物電化學(xué)脫氮技術(shù)

典型的微生物電化學(xué)系統(tǒng)（MES）由陽極、陰極和外電路組成，系統(tǒng)中電活性微生物消耗底物并產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子通過外部電路從陽極轉(zhuǎn)移到陰極，然后與轉(zhuǎn)移到陰極的質(zhì)子共同參與陰極表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。MES 去除污水中氮的原理主要包括生物陽極氨氧化與生物陰極還原硝態(tài)氮。

生物陽極氨氧化指以氨為電子供體在微生物或活潑金屬的作用下將自身氧化為N2的過程。然而，氨能否在陽極被直接轉(zhuǎn)化仍無定論，因為該過程的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)極低〔82〕。除此之外，氨氮還可以在陽極通過厭氧氨氧化途徑被直接轉(zhuǎn)化為氮氣，這是陽極氨氧化的主要途徑〔83〕。反硝化可以在MES的陰極室中進行，與傳統(tǒng)反硝化不同，MES 中的反硝化由能直接從陰極接受電子的反硝化細菌進行。通過調(diào)節(jié)陰極室內(nèi)溶解氧還可以實現(xiàn)硝化、異養(yǎng)反硝化、厭氧氨氧化以及異化硝酸鹽還原為銨等途徑〔84〕。MES 的脫氮性能主要取決于微生物群落以及電極與微生物的轉(zhuǎn)移效率。目前，可以通過修飾電極等方法提高電子轉(zhuǎn)移效率進而提高脫氮性能〔85〕。pH 和溶解氧等也會對微生物活性產(chǎn)生影響進而影響脫氮效率，MES 系統(tǒng)用于脫氮時pH 控制在堿性偏中性為宜。由于陽極可能會發(fā)生過酸或過堿現(xiàn)象，在系統(tǒng)中加入緩沖溶液或?qū)㈥庩枠O溶液循環(huán)是維持整個系統(tǒng)pH 穩(wěn)定的重要方式〔86〕。

除了在單個電極室內(nèi)脫氮，陽極室的氨還會在電場或者濃度梯度作用下遷移至陰極室，反應(yīng)過程中陰極室內(nèi)溶液pH 的升高為氨的去除創(chuàng)造了良好的環(huán)境。在外加電壓的條件下，系統(tǒng)產(chǎn)生的H2也可以對產(chǎn)生的NH3進行吹脫和回收。

MES 有效地將生物技術(shù)和電化學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，具有高效、低耗和穩(wěn)定的優(yōu)勢，在低碳污染治理領(lǐng)域的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯。MES 還可以將有機/無機廢棄物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同步實現(xiàn)廢物處理與能源回收，并且具有多途徑除氮的優(yōu)點。然而，由于電極材料以及膜材料帶來的問題仍未被徹底解決（例如成本高和內(nèi)阻大等），MES 目前仍處于實驗室規(guī)模的運行，很少被應(yīng)用于實際污水處理中。

新型脫氮技術(shù)與傳統(tǒng)脫氮技術(shù)的比較見表1。

表1 新型脫氮技術(shù)與傳統(tǒng)脫氮技術(shù)的比較Table 1 Comparison of novel and conventional denitrification technologies

4 結(jié)語及展望

針對我國污水處理廠低碳源進水影響傳統(tǒng)生物脫氮效率的問題，通過對傳統(tǒng)生物脫氮工藝的原理和涉及的微生物進行深入研究和分析，筆者從2 個方面對提高低碳污水脫氮效率的方法進行了討論，一是為傳統(tǒng)生物脫氮工藝補充碳源，通過尋找新型碳源以及充分利用進水中的碳源，實現(xiàn)高效脫氮；二是應(yīng)用新工藝，減少脫氮過程中需要的碳源。

盡管外部新型碳源的增加避免了傳統(tǒng)外加碳源產(chǎn)生的問題，但是長期投加仍然會增加運行成本和管理難度。調(diào)整工藝運行涉及現(xiàn)有污水處理廠的改造問題，建設(shè)成本增加。通過應(yīng)用新技術(shù)從根本上降低工藝所需的碳源是實現(xiàn)高效脫氮、降低碳足跡的有效途徑，但目前對脫氮新工藝的研究仍存在很多不足，從工藝到實際工程應(yīng)用仍有很長的路要走。

污水處理廠內(nèi)碳源的挖掘是碳中和背景下的最佳方法之一，內(nèi)碳源的利用不僅能夠提高脫氮效率，還可以降低污水處理廠的能耗及剩余污泥產(chǎn)量，CO2排放也會有大幅的削減。污水處理廠應(yīng)根據(jù)進水水質(zhì)特征和現(xiàn)有處理設(shè)施，選擇適宜的脫氮技術(shù)，耦合不同工藝實現(xiàn)優(yōu)勢互補。獲得高效的脫氮微生物也是至關(guān)重要的，除了從原有污水中篩選，還可以通過合成生物技術(shù)對現(xiàn)有微生物進行基因改造。通過工程手段調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)和污染物濃度以更大程度地適應(yīng)微生物生命活動也是提高低碳脫氮效果的途徑之一。在工藝革新與應(yīng)用中，實現(xiàn)資源回收與能量自給是污水處理廠發(fā)展的最終目標(biāo)，以符合碳中和要求，污水處理廠要力爭實現(xiàn)污水處理低碳、零碳甚至負碳運行。