厭氧氨氧化脫氮工藝研究進(jìn)展

劉佳祺，唐普恩

（1.中國(guó)石油烏魯木齊石化公司研究院，新疆 烏魯木齊 830019；2.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

氮元素作為衡量水污染的重要指標(biāo)，以各種形態(tài)存在于自然界中。隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的發(fā)展，生產(chǎn)、生活廢水的排放量增加，水體中氮污染日趨嚴(yán)重，超過其自凈范圍，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，甚至損害人體健康，因此對(duì)水體進(jìn)行脫氮處理尤為重要。

厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）作為低耗高效的新型生物脫氮工藝［1］，給目前國(guó)內(nèi)面臨的污水脫氮難、能耗大等問題提供了解決方法［2］，在污水處理領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用潛力。但是，由于厭氧氨氧化菌群的富集時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境條件較敏感，因而厭氧氨氧化工藝的脫氮效率又被諸多因素限制，如溫度、pH值、溶解氧等，水體中的硫化物、有毒金屬元素、醇類、酚類和抗生素也都會(huì)對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重制約了厭氧氨氧化工藝的大規(guī)模應(yīng)用。文中概述了厭氧氨氧化工藝的研究現(xiàn)狀，以期為厭氧氨氧化工藝的早日規(guī)?；瘧?yīng)用提供參考。

1 厭氧氨氧化氮代謝途徑

1977年，Broda等人依據(jù)熱力學(xué)理論推測(cè)自然界中存在1種微生物可以在厭氧條件下將NH4+-N還原為NO2--N，預(yù)測(cè)了Anammox反應(yīng)的存在。1998年，strous等人［3］在SBR反應(yīng)器中富集到了AAOB，可以使反應(yīng)器中NO2--N和NH4+-N以1種可再生的方式轉(zhuǎn)化，從而在反應(yīng)器中得到1種碳氮平衡，得到Anammox反應(yīng)式（1）。

Anammox的發(fā)現(xiàn)顛覆了對(duì)氮循環(huán)的認(rèn)知，完善了氮代謝過程。1997年，van de Graaf等［4］提出第1種氮代謝途徑，由于在厭氧氨氧化過程中NO2--N無法直接與NH4+-N反應(yīng)，NO2--N先還原生成羥胺（NH2OH）再與NH4+-N反應(yīng) 生 成N2。當(dāng) 反應(yīng)中存在過量NH2OH和NH4+-N時(shí)，觀 察 到 肼（N2H4）的瞬態(tài)積累，表明N2H4是厭氧氨氧化反應(yīng)最后1步的中間體，NH2OH先還原生成N2H4，隨后生成N2［5］。2001年，利用電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化體（Anammoxosome）是進(jìn)行Anammox能量代謝的細(xì)胞器，是生成N2H4的重要部位［6］，進(jìn)一步證明了中間體N2H4的存在。

隨著分析方法的提高，2006年，研究人員在Candidatus Kuenenia stuttgartiensis中 發(fā) 現(xiàn) 了2種 反硝化功能基因narGH和nirS，nirS能夠參與作用NO2--N→NO過程，與第1種假設(shè)的Anammox氮代謝途徑不兼容，基于此Strous等人提出了第2種氮代謝途徑，即NO代替NH2OH成為中間產(chǎn)物［7］。首先在亞硝酸鹽還原酶nir的作用下參與完成NO2--N→NO過程，緊接著在聯(lián)氨合成酶hzs的作用下與NH4+-N結(jié)合生成N2H4，隨后在肼脫氫酶基因hdh的作用下生成N2。

2016年，Oshiki等［8］利用同位素標(biāo)記法發(fā)現(xiàn)Candidatus Brocadia sinica不具有編碼亞硝酸鹽還原酶的功能基因（nirS和nirK），而是利用1種未定義的亞硝酸鹽還原酶還原NO2--N→NH2OH參與Anammox反應(yīng)合成N2H4，異于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis以NO為中間產(chǎn)物的厭氧氨氧化過程，表明厭氧氨氧化菌（anaerobic ammonium oxidation bacteria，AAOB）的代謝途徑具有多樣性。

近年來，研究人員集中于厭氧氨氧化反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)與氮代謝相關(guān)基因的研究。在常溫下啟動(dòng)不同類型的厭氧氨氧化反應(yīng)器（SBR、UASB、A/O）［9～11］，采用不同的接種污泥（厭氧污泥、顆粒污泥、絮狀污泥）［12～14］，在常溫下成功富集了AAOB，利用宏基因組測(cè)序技術(shù)和PCR定量探究反應(yīng)器中氮代謝途徑，其中共有6種氮代謝途徑多種生物脫氮功能基因，見圖1。

圖1 厭氧氨氧化反應(yīng)中氮代謝途徑

包括硝酸鹽還原酶基因（narGHI和napAB），亞硝酸鹽還原酶基因（nirK、nirS和nrfHA），NO還原酶基因（norBC和norZ）和N2O還原酶基因（nosZ），以及Anammox功能基因聯(lián)氨合酶基因（hzs-ABC）和肼脫氫酶基因（hdh）均被檢測(cè)到［15］。除了hzsABC和hdh是AAOB所特有的酶，其它幾種酶在好氧氨氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌中都有發(fā)現(xiàn)。表明AAOB參與的Anammox反應(yīng)氮循環(huán)過程需要多種微生物共同參與完成，具有氮代謝多樣性，從而提高AAOB適應(yīng)不同極端環(huán)境的生存能力。

2 厭氧氨氧化工藝類型

2.1 部分硝化耦合厭氧氨氧化工藝

部分硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PN/A）是基于2種自養(yǎng)菌：氨氧化細(xì)菌（AOB）和AAOB的新型污水脫氮工藝，AOB將部分NH4+-N氧化為NO2--N，生成的NO2--N隨即被AAOB利用和剩余NH4+-N結(jié)合生成N2［16］。目前PN/A工藝多集中于不同溫度下（29～36℃）的側(cè)流污水（400～1 000 mg·N/L）如消化廢水、垃圾滲濾液和特定類型的工業(yè)廢水的研究［17］。

近些年P(guān)N/A工藝在實(shí)驗(yàn)室條件下和中試規(guī)模下取得了一定突破，但實(shí)際用于工業(yè)規(guī)模的污水處理裝置仍不多見［18］。侯朝陽等人［19］啟動(dòng)序批式反應(yīng)器（sequencing batch reactor，SBR）和上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（upflow sludge bed reactor，UASB）分別進(jìn)行PN和Anammox反應(yīng)，接種污水處理廠A2O缺氧池末端污泥并以人工配水為進(jìn)水，脫氮效率最高達(dá)到81.3%。

吳莉娜等［20］采用UASB+A/O反應(yīng)器+Anammox組合工藝處理實(shí)際垃圾滲濾液，結(jié)果表明NH4+-N和TN的去除率達(dá)到95%和91%，最終出水質(zhì)量濃度滿足《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16889-2008）的排放要求。

李金河等［21］在PN池和Anammox池中分別接種污水處理廠回流污泥和AAOB擴(kuò)培裝置污泥，實(shí)現(xiàn)厭氧消化污泥脫水液的穩(wěn)定脫氮處理，氮去除效率達(dá)到86%。

盡管學(xué)者們做了大量研究，但在主流條件下實(shí)現(xiàn)PN/A工藝仍有許多困難，其中抑制NOB的生長(zhǎng)和低溫低氨氮條件下AAOB的低生長(zhǎng)速率是限制該工藝發(fā)展的主要原因，全面了解主要微生物群落和各種工藝條件是今后研究的重點(diǎn)和方向。

2.2 部分反硝化耦合厭氧氨氧化工藝

部分反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PD/A）是基于PN/A工藝進(jìn)一步開發(fā)出的新型厭氧氨氧化工藝，通過反應(yīng)器內(nèi)不完全反硝化菌和AAOB的協(xié)同作用，完成NO3--N→NO2--N過程，隨即作為電子受體完成Anammox過程，該工藝能夠在克服PN/A工藝NO2--N供給不穩(wěn)定的同時(shí)進(jìn)一步提高脫氮效率，被認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力的Anammox耦合工藝［22］。PD/A工藝具有較高的脫氮效率，理論上可以實(shí)現(xiàn)100%的總氮去除，研究證明當(dāng)PD/A工藝同時(shí)處理含NH4+-N和NO3--N的廢水時(shí)，平均脫氮效率為93.6%，NO3--N轉(zhuǎn)化為NO2--N含量為95.8%［23］。此外，如此高的NO4+-N去除率被證明即使在低溫下也能持續(xù)存在［24］，而此前PN/A被報(bào)道在中溫條件下脫氮效果最好，脫氮效率隨溫度的降低逐漸下降，基于此PD/A工藝相較于PN/A工藝在主流污水脫氮工藝具有較好的應(yīng)用前景。

與PN/A工藝一致，PD/A工藝目前尚未推廣應(yīng)用于城市污水處理。盡管厭氧氨氧化的應(yīng)用逐漸增加，開發(fā)厭氧氨氧化耦合工藝已成必然發(fā)展趨勢(shì)，但PD/A工藝仍舊發(fā)展滯后，開展實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究將對(duì)工程應(yīng)用產(chǎn)生積極影響。劉寧等［25］采用膨脹污泥床反應(yīng)器（EGSB）經(jīng)過75 d實(shí)現(xiàn)PD/A工藝的快速啟動(dòng)，在反應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行階段TN去除率接近90%，PD/A對(duì)總氮去除貢獻(xiàn)率達(dá)到97.1%。

Cao等人［26］采用序批式反應(yīng)器（SBR）和上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）分別進(jìn)行反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)構(gòu)成PD/A系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行224 d，NH4+-N和COD的去除率保持在95%和80%左右，出水TN平均為39.2×10-6N/L，遠(yuǎn)低于目前國(guó)內(nèi)污水處理廠147×10-6N/L以下的排放標(biāo)準(zhǔn)。

Du等［27］采用上述相同反應(yīng)裝置同時(shí)處理高NO3--N廢水（1 000 mgN/L）和市政污水（COD：182.5 mg/L，NH4+-N：58.3 mg/L），共運(yùn)行215 d，NO3--N、NH4+-N去除率分別達(dá)到95.8%和92.8%。盡管COD較高，Anammox對(duì)TN去除率的貢獻(xiàn)率仍達(dá)到78.9%。因此，PD/A工藝可以在一定程度上克服COD對(duì)Anammox的抑制作用，將其應(yīng)用于污水處理廠高NO3--N濃度廢水的后續(xù)深度處理，有且僅有很少的NO和N2O的溫室氣體產(chǎn)出，是1種更為經(jīng)濟(jì)、高效的處理方案。

PD/A工藝為擴(kuò)展厭氧氨氧化技術(shù)的應(yīng)用提供了更大的希望，考慮到實(shí)際工程應(yīng)用，NO2--N持續(xù)穩(wěn)定供給在長(zhǎng)期運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)有機(jī)碳用量和缺氧反應(yīng)時(shí)間也被證明是PD/A工藝的有效控制策略，優(yōu)化工藝參數(shù)確保PD/A工藝的高效穩(wěn)定運(yùn)行將是今后的研究重點(diǎn)。另外，先前研究雖然已經(jīng)確定了反硝化菌和AAOB的群落，但功能微生物的代謝機(jī)理以及微生物共存體系中各微生物之間的協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系還尚未清晰揭露，因此，后續(xù)研究中進(jìn)一步揭示微生物協(xié)同脫氮反應(yīng)機(jī)理至關(guān)重要。

2.3 反硝化厭氧甲烷氧化耦合厭氧氨氧化工藝

反硝化厭氧甲烷氧化工藝（DAMO）是以甲烷為電子供體，從而實(shí)現(xiàn)NO2--N/NO3--N轉(zhuǎn)化為N2，同時(shí)去除CH4的過程，但該工藝無法實(shí)現(xiàn)NH4+-N的轉(zhuǎn)化，而厭氧氨氧化工藝恰好就能彌補(bǔ)此不足，因而提出反硝化厭氧甲烷氧化耦合厭氧氨氧化工藝的新思路。

研究表明，自然環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室條件的生物反應(yīng)器中均出現(xiàn)AAOB和DAMO菌共存的現(xiàn)象［28，29］，揭示了2種工藝耦合的可能性。Zhu等［30］在室溫條件下利用厭氧氨氧化顆粒污泥啟動(dòng)SBR反應(yīng)器，成功富集了DAMO微生物，證明DAMO菌可以消耗過剩的亞硝酸鹽，但不會(huì)與AAOB競(jìng)爭(zhēng)，此結(jié)論也為2種工藝的耦合提供了依據(jù)。

Shi等［31］以合成廢水為進(jìn)水成功啟動(dòng)膜生物膜反應(yīng)器（MBfR），發(fā)現(xiàn)DAMO細(xì)菌、DAMO古菌和AAOB為優(yōu)勢(shì)菌種，相對(duì)豐度均達(dá)20%～30%，穩(wěn)定運(yùn)行240 d后總氮去除速率達(dá)2.45 N（/L·d-1）。

劉春爽等［32］采用反硝化厭氧甲烷絮狀污泥和厭氧氨氧化顆粒污泥為接種污泥，經(jīng)過160 d，成功培養(yǎng)出了2者的耦合顆粒污泥，DAMO細(xì)菌Candidatus Methylomirabilis、DAMO古菌Candidatus Methanoperedens以及AAOB屬Candidatus Brocadia 3者協(xié)同實(shí)現(xiàn)完全脫氮，總氮去除率高達(dá)92.5%。

Liu等［33］使用成熟的厭氧氨氧化顆粒污泥作為生物載體來包埋DAMO微生物，從而在180 d內(nèi)獲得了AAOB和DAMO微生物的復(fù)合顆粒污泥，顆粒污泥被用于側(cè)流污水處理的實(shí)際脫氮速率達(dá)到9.8 N/（m3·d-1）。

上述研究均表明DAMO和AAOB有著良好的協(xié)同作用達(dá)到高效脫氮。

理論上，結(jié)合使用反硝化厭氧甲烷氧化和厭氧氨氧化工藝將導(dǎo)致出水中的甲烷減少15%，該組合過程也被認(rèn)為是1種綠色環(huán)保和經(jīng)濟(jì)高效的脫氮工藝［34］，在污水處理廠中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。基于此，Wang等［35］提出了將該工藝納入污水處理廠的2項(xiàng)策略，見圖2。

圖2 DAMO-Anammox工藝納入未來污水處理廠運(yùn)營(yíng)的2項(xiàng)策略

將DAMO-Anammox工藝納入側(cè)流線以緩解主流線的脫氮壓力的同時(shí)能夠達(dá)到更高的脫氮效率。對(duì)于使用“活性污泥”的傳統(tǒng)污水處理廠將DAMO-Anammox工藝納入主流線，用作后處理單元，去除出水中殘留的NO3--N和NH4+-N。同時(shí)，為促進(jìn)污水處理廠的可持續(xù)運(yùn)行，將DAMOAnammox工藝應(yīng)用于污水處理廠的主流脫氮將發(fā)揮巨大潛力。但由于DAMO和AAOB所需的啟動(dòng)周期長(zhǎng)且前期脫氮率低［36］，阻礙了該工藝的實(shí)際應(yīng)用，后續(xù)應(yīng)當(dāng)深入了解DAMO的微生物行為，制定可以應(yīng)用于工程的策略。

3 厭氧氨氧化工藝的發(fā)展與應(yīng)用

世界上首座厭氧氨氧化中試裝置于2002年在荷蘭鹿特丹建成，裝置有效容積70 m3，采用PN/A2步工藝，歷時(shí)3.5 a成功啟動(dòng)，污水處理量達(dá)到了7 350 N/d［37］。2004年，奧地利strass污水處理廠將傳統(tǒng)的AB法與Anammox結(jié)合，全年達(dá)到85%以上的自養(yǎng)脫氮效率，實(shí)現(xiàn)能量自給自足［38］，該工藝的成功運(yùn)行推動(dòng)了以好養(yǎng)反氨化為核心的Anammox工藝向主流化方向邁進(jìn)［39］。2006年，亞洲首個(gè)全尺寸厭氧氨氧化裝置在日本建成，有效容積50 m3，污水處理量達(dá)2 156 N/d［40］。2011年，新加坡樟宜污水處理廠率先實(shí)現(xiàn)主流厭氧氨氧化工藝穩(wěn)定運(yùn)行，水溫在28～32℃，設(shè)計(jì)處理量為80×104m3/d，出水水質(zhì)良好，對(duì)TN的去除率達(dá)到62%［41］。

近年來，國(guó)內(nèi)Anammox工藝也逐漸從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到工程應(yīng)用［42］。2009年，Anammox首次在1個(gè)全面的垃圾滲濾液處理設(shè)施中被報(bào)道，污水處理量達(dá)到304 m3/d，NH4+-N的去除率達(dá)到80%，該工程結(jié)合了部分硝化—厭氧氨氧化—反硝化并能夠?qū)崿F(xiàn)微生物共存，是處理高氨氮廢水的1個(gè)進(jìn)步［43］。同年內(nèi)蒙古通遼梅花工業(yè)園區(qū)污水處理廠和山東濱州安琪酵母公司分別將Anammox應(yīng)用于味精生產(chǎn)廢水和酵母廢水處理領(lǐng)域［44］，在節(jié)能降耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高氨氮去除率。

2012年，西安市第4污水處理廠將Anammox應(yīng)用于主流的污水脫氮工藝，是繼奧地利Strass污水處理廠和新加坡樟宜污水處理廠后第3個(gè)實(shí)現(xiàn)主流Anammox工藝的污水處理廠［45］，推動(dòng)了PD/A工藝的工業(yè)化應(yīng)用，印證了PD/A工藝在主流城市污水的深度脫氮處理領(lǐng)域具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2013年，國(guó)內(nèi)首座自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的厭氧氨氧化脫氮工程在北京市高碑店污水處理廠建成，用于處理污泥消化液，設(shè)計(jì)處理量500 m3/d，項(xiàng)目經(jīng)90 d快速啟動(dòng)，啟動(dòng)成功后TN去除率與去除負(fù)荷分別達(dá)到85%～95%與7.84 kgN/d。

2015年，湖北十堰垃圾滲濾液處理工程將Anammox和MBR/RO膜過濾工藝相結(jié)合，突破了低C/N下Anammox的工程應(yīng)用瓶頸，出水中TN的含量控制在40 mg/L，去除率超過80%，出水水質(zhì)符合《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16889-2008），該工藝推進(jìn)了國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)垃圾滲濾液處理技術(shù)的高效、節(jié)能、降耗［46］。

2021年，河北省養(yǎng)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液處理工程經(jīng)過180 d的穩(wěn)定運(yùn)行，Anammox的脫氮貢獻(xiàn)由最初的39%提高至78%，NH4+-N和TN的去除率分別達(dá)到91.95%和83.48%，該工藝的穩(wěn)定運(yùn)行為實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐［47］。

4 結(jié)束語

厭氧氨氧化工藝對(duì)傳統(tǒng)污水處理廠面臨的高能耗、低效率、高投入等現(xiàn)狀具有明顯優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前針對(duì)厭氧氨氧化工藝的動(dòng)力學(xué)研究和功能微生物的脫氮機(jī)理尚不成熟，優(yōu)化工藝條件提高功能微生物的穩(wěn)定性，強(qiáng)化功能微生物的脫氮效率以完善脫氮機(jī)理是未來研究重點(diǎn)。

厭氧氨氧化工藝耦合其它工藝在一定程度上能夠彌補(bǔ)單一厭氧氨氧化工藝的不足，但尚不能滿足規(guī)?；瘧?yīng)用條件。未來在實(shí)現(xiàn)高脫氮效率和低能耗的基礎(chǔ)上，縮短厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)周期并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)控制NO2--N的含量以保證AAOB在系統(tǒng)中較快富集，以維持其在系統(tǒng)中的較高的脫氮貢獻(xiàn)將是推進(jìn)厭氧氨氧化工藝工程應(yīng)用的研究方向，在反應(yīng)器中的變化趨勢(shì)以及微生物的協(xié)同去除機(jī)理還值得深入研究。