厭氧氨氧化工藝特性及影響因素綜述

摘要：厭氧氨氧化因無需曝氣、無需外加碳源、剩余污泥量少等節(jié)能降耗優(yōu)勢，與我國提出的碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)吻合。研究通過系統(tǒng)地介紹厭氧氨氧化工藝及厭氧氨氧化菌，綜述溫度、底物濃度、鹽度、PH、新型影響因素對厭氧氨氧化的影響，展望厭氧氨氧化工藝在脫氮領(lǐng)域中值得研究的方向及優(yōu)化策略，對推進(jìn)厭氧氨氧化工藝的大范圍應(yīng)用起到了積極的作用。

關(guān)鍵詞：厭氧氨氧化；厭氧氨氧化菌；影響因素；新型影響因素

引言

相比于傳統(tǒng)脫氮工藝，厭氧氨氧化（Anammox）作為一種新型脫氮工藝具有無需曝氣、無需外加碳源、剩余污泥量少等優(yōu)勢，目前已在城市污水的處理中取得了較好的應(yīng)用前景。本文在介紹Anammox機(jī)理、耦合工藝、菌種的基礎(chǔ)上，分析了Anammox的影響因素，以期為Anammox工藝及耦合工藝應(yīng)用于脫氮領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

1 厭氧氨氧化及耦合工藝

1995年，MULDER A等[1]在密封的厭氧反硝化流化床中推測出Anammox現(xiàn)象的存在；1998年，STROUS M等[2]通過物料平衡計(jì)算確定了Anammox反應(yīng)的理論化學(xué)計(jì)量關(guān)系，反應(yīng)過程中NH3-N消耗量、NO2--N消耗量及NO3--N生成量之間的比例為1：1.32：0.26。反應(yīng)方程式如下所示。

NH3+1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→

1.02N2+0.26NO3- + 0.066CH2O0.5N0.15 +2.03H2O

基于Anammox工藝所研發(fā)的新型脫氮工藝有短 程 硝 化―厭 氧 氨 氧 化（PN/A）工藝、短程反硝化―厭氧氨氧化（PD/A）工藝為生物脫氮領(lǐng)域帶來了新的技術(shù)革新。NO2-作為底物對Anammox工藝非常關(guān)鍵，然而城市污水進(jìn)水往往匱乏NO2-，PN/A 工藝和PD/A工藝為獲取NO2-提供可靠保障。PN/A工藝是氨氧化菌（AOB） 先將廢水的NH3轉(zhuǎn) 化 為NO2-，為Anammox反應(yīng)的發(fā)生提供前提。PD/A工藝可將常規(guī)反硝化中的最終產(chǎn)物抑制為NO2-，控制其進(jìn)一步還原成氮?dú)?，以保證 Anammox 電子受體的穩(wěn)定供給。

2厭氧氨氧化菌的特征

厭氧氨氧化菌（AnAOB）屬于分枝很深的浮霉?fàn)罹钚碌难芯勘砻鰽nAOB有6類菌屬，分別是Caudidatus Brocadia、Caudidatus Scaliudua、Caudidatus Auammoxoglobus、Caudidatus Jettenia、Canditatus Anammoximicrobium、Caudidatus Kueuenia。AnAOB屬于化能自養(yǎng)菌，生長緩慢、世代周期長，對各種環(huán)境高度敏感。Anammox反應(yīng)在AnAOB的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)厭氧氨氧化體體內(nèi)發(fā)生。

3厭氧氨氧化菌的富集

AnAOB分析及菌群結(jié)構(gòu)檢測主要基于近年來興起的實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析、熒光原位雜交分析、變性梯度凝膠電泳、高通量測序分析等分子生物學(xué)手段。AnAOB是提高Anammox工藝的脫氮效率、強(qiáng)化Anammox工藝的穩(wěn)定運(yùn)行、維持反應(yīng)體系高豐度的關(guān)鍵，因此附于載體上的生物膜和Anammox顆粒污泥是實(shí)現(xiàn)AnAOB富集的有效途徑。

楊慎華等[3]認(rèn)為填料作為生物膜的載體，選擇合適的填料及對填料進(jìn)行預(yù)處理非常重要。此外，將富含AnAOB的污泥固定在載體，可加速生物膜的形成及菌種富集，從而縮短Anammox工藝的啟動(dòng)時(shí)間。

Anammox污泥的外觀形態(tài)主要有絮凝態(tài)和顆粒狀，Anammox顆粒污泥是長期馴化、培養(yǎng)而來。穩(wěn)定運(yùn)行1年多的Anammox反應(yīng)器中的顆粒污泥呈磚紅色特征，顆粒污泥形狀不規(guī)則，呈不規(guī)則球狀和長條形，表面凹凸不平，有許多隆起和內(nèi)陷[4]。

4厭氧氨氧化反應(yīng)的影響因素

影響 Anammox反應(yīng)的因素有很多，傳統(tǒng)影響因素有溫度、底物濃度、鹽度、PH、碳源等，新型影響因素有改良反應(yīng)器、添加微量元素、添加新型材料等。

4.1溫度影響

溫度是影響Anammox反應(yīng)的重要因素之一，Anammox反應(yīng)過程的最佳溫度通常是30～35℃。有研究指出，40℃高溫會(huì)導(dǎo)致Anammox活性消失，低溫則會(huì)影響反應(yīng)中酶的活性。我國大多數(shù)地區(qū)冬季較寒冷，研究低溫對Anammox反應(yīng)的影響具有重要意義。

馬雨晴等[5]采用 UASB 反應(yīng)器研究PD/A工藝，隨著溫度從 25℃下降到 19℃逐步提高進(jìn)水氮濃度從20 mg/L到100 mg/L，在第III階段（第40～115d），進(jìn)水總氮為100mg/L

左右，總氮去除率最高可達(dá)到 89.9%，PD/A反應(yīng)能夠維持較高的脫氮效率。周瑋怡[4]采用 EGSB 反應(yīng)器研究Anammox工藝，當(dāng)反應(yīng)器溫度從33℃降低到19℃，反應(yīng)器氨氮去除率、亞硝氮去除率、總氮去除率都維持在80%以上，降溫對反應(yīng)器脫氮性能沒有表現(xiàn)出抑制作用。低溫環(huán)境下Anammox及耦合工藝都具備較好的脫氮性能，為Anammox成為主流脫氮工藝提供了支撐。

4.2底物濃度影響

Anammox反應(yīng)的底物是亞硝酸鹽氮和氨氮，高濃度底物對AnAOB有毒害作用，低濃度底物則影響AnAOB生物量的增長。STROUS M 等[6]認(rèn)為氨氮濃度在1000mg/L以下就不會(huì)抑制Anammox過程。對Anammox反應(yīng)的抑制亞硝酸鹽氮要比氨氮強(qiáng)，KIMURA Y等[7]研究表明，NO2--N濃度超過274 mg/L 時(shí)會(huì)對Anammox反應(yīng)產(chǎn)生抑制。

城市污水中的氨氮濃度通常小于100mg/L，而且?guī)缀醪缓瑏喯跛猁}，因此城市污水處理系統(tǒng)中的亞硝酸鹽氮和氨氮通常不會(huì)抑制AnAOB生長，相反低濃度的亞硝酸鹽氮還會(huì)影響AnAOB的富集。

底物濃度會(huì)對AnAOB菌屬之間的競爭產(chǎn)生影響。有報(bào)道表明，在底物濃度較高的情況下，Candidatus Brocadia菌占主導(dǎo)作用，而在底物濃度較低的情況下，Candidatus Kuenenia菌占主導(dǎo)作用[8]，因此可以根據(jù)城市污水進(jìn)水底物濃度針對性地馴化AnAOB菌屬。

4.3鹽度影響

在脫氮領(lǐng)域處理高鹽度廢水一直是研究的熱點(diǎn)，自然界中發(fā)現(xiàn)的AnAOB菌屬，僅Candidatus Scalindua菌存在于海洋環(huán)境中，而其它5類AnAOB屬在淡水環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)。目前，Anammox工藝處理含鹽含氮廢水主要有2種方法，一種是直接利用厭氧氨氧化嗜鹽菌，另一種是對淡水AnAOB屬進(jìn)行耐鹽馴化。

LIU C等[9]通過添加NaCl來創(chuàng)造鹽度梯度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鹽度為10g/L時(shí)，Anammox系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，證明了在鹽度環(huán)境下，Anammox工藝可以穩(wěn)定運(yùn)行。齊泮晴等[10]采用ASBR反應(yīng)器研究Anammox工藝處理含海水污水的脫氮特性，結(jié)果表明當(dāng)海水比例不高于40%時(shí)，反應(yīng)器的穩(wěn)定性和脫氮效能幾乎不受鹽度提升的影響；在海水比例繼續(xù)增大時(shí)，反應(yīng)器脫氮效能短期下降后經(jīng)過馴化可以得到改善。

為了深入了解高鹽度下Anammox工藝的脫氮性能，從微生物角度研究脫氮功能菌群是一個(gè)方向。周瑋怡[4]考察了不同鹽度梯度條件下穩(wěn)定運(yùn)行 Anammox 顆粒污泥的微生物群落變化，結(jié)果表明在鹽度從18g/L分別提升至23g/L和28g/L過程中，AnAOB仍維持在較高豐度，AnAOB菌種發(fā)生了遷移，由鹽度18g/L環(huán)境下的Caudidatus Brocadia菌和Candidatus Kuenenia菌共存轉(zhuǎn)變?yōu)?8g/L環(huán)境下Caudidatus Brocadia菌占據(jù)優(yōu)勢。

以上研究證實(shí)了AnAOB經(jīng)過馴化能夠適應(yīng)高鹽環(huán)境，但還有必要進(jìn)一步探討鹽度對Anammox反應(yīng)機(jī)制的影響。

4.4 PH影響

pH對Anammox的影響體現(xiàn)在2個(gè)方面，一方面是酸堿性直接影響微生物周圍環(huán)境，從而影響微生物的酶活性；另一方面是酸堿性通過影響底物濃度進(jìn)而影響厭AnAOB的活性。通常來說，Anammox反應(yīng)最適pH范圍為7.5～8.3[11]。EGLI K等[12]采用旋轉(zhuǎn)盤接觸器處理含氨滲濾液時(shí)發(fā)現(xiàn)，Anammox反應(yīng)的最適pH為6.5～9之間。在連續(xù)流Anammox系統(tǒng)中，即使出水pH在8.5～9.3之間，Anammox反應(yīng)仍穩(wěn)定運(yùn)行[13]。文獻(xiàn)報(bào)道的Anammox反應(yīng)的最適pH不盡相同，分析原因是不同的Anammox菌種最適的pH范圍有一定差別。此外，Anammox工藝的環(huán)境參數(shù)也不同。

4.5新型影響因素

為實(shí)現(xiàn)AnAOB的富集及優(yōu)化Anammox反應(yīng)效能，在傳統(tǒng)影響因素的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者開始研究新方法，如改良反應(yīng)器、添加微量元素、固定包埋化技術(shù)、添加新型材料、環(huán)境影響因素（電磁場、光照）等，以期將Anammox工藝更快地應(yīng)用于主流脫氮處理中。

在添加微量元素方面，彭玲等[14]通過對照試驗(yàn)考察了添加 MnO2對Anammox反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)添加MnO2對反應(yīng)器積氮負(fù)荷及容積氮去除速率具有促進(jìn)作用；高通量測序結(jié)果也表明，添加MnO2粉末的反應(yīng)器更易富集AnAOB。也有研究表明，添加Fe2+有利于加快AnAOB培養(yǎng)，提高AnAOB豐度。

在固定包埋化技術(shù)方面，研究思路是通過包埋固定化減少細(xì)菌的流失進(jìn)而提高反應(yīng)器中的生物量，學(xué)者們有采用聚乙烯醇―聚丙烯、聚乙烯醇―海藻酸鈉、聚乙烯醇―碳酸鈣、聚乙烯醇―聚丙烯等作為載體材料包埋AnAOB，提高了反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷能力。

在添加新型材料方面，黃碩等[15]通過對照試驗(yàn)考察了添加氧化石墨烯對Anammox反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)投加0.15 g/L的氧化石墨烯時(shí)，Anammox脫氮性能最好，總氮去除率試驗(yàn)組比空白組提高18.6%。

結(jié)語

在我國“雙碳”背景下，Anammox工藝作為一種綠色、節(jié)能的脫氮工藝，近年來備受關(guān)注，Anammox及耦合工藝為生物脫氮領(lǐng)域帶來了新的技術(shù)革新。Anammox工藝主要影響因素包括溫度、底物濃度、鹽度、PH、碳源等，這些因素可以通過影響厭AnAOB來影響Anammox工藝的脫氮性能。

針對 Anammox工藝脫氮的研究現(xiàn)狀，未來應(yīng)對Anammox、PN/A、PD/A工藝的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為其在脫氮廢水處理工程中的應(yīng)用提供支持，并運(yùn)用分子生物學(xué)方法對AnAOB豐度、菌群結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析，探究Anammox反應(yīng)機(jī)制并提供改進(jìn)方法；同時(shí)，在Anammox傳統(tǒng)影響因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究新手段（改良反應(yīng)器、添加微量元素、固定包埋化技術(shù)、添加新型材料、環(huán)境影響因素）來推進(jìn)Anammox工藝的應(yīng)用。

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作者簡介

周瑋怡（1991—），女，土家族，重慶人，工程師，碩士，研究方向?yàn)槲鬯摰幚怼?/p>

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-07