甘雨林

摘 要：本文概述了厌氧氨氧化的反应机理以及温度、基质浓度、溶解氧、有机物等因素对厌氧氨氧化过程的影响，并且以鹿特丹DOKHAVEN水厂和西安市第四污水处理厂为例，分析了厌氧氨氧化的实际应用。

关键词：厌氧氨氧化;污水处理;影响因素;脱氮

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）16-0114-03

Abstract： This paper summarized the reaction mechanism of ANAMMOX and the effects of temperature， substrate concentration， dissolved oxygen and organic matter on the process of anammox. Taking DOKHAVEN water plant in Rotterdam and Xi'an No. 4 sewage treatment plant as examples， this paper analyzed the practical application of anammox.

Keywords： anaerobic ammonium oxidation;sewage treatment;nitrogen removal

现如今，我国有机污染物得到有效遏制，但在部分水体中仍存在水体富营养化现象。造成该现象的一部分原因是经污水厂处理后的污水氨氮和总氮未达标。我国在城市污水处理方面，随着国家对出水水质要求的提高，利用传统的硝化反硝化技术处理污水已经很难满足国家的排放标准。传统的硝化反硝化技术存在以下问题：①总氮去除率低，脱氮效果差，处理后的水质难以达标;②运行能耗和处理成本高;③处理系统稳定性偏差;④剩余污泥产量大;⑤处理过程伴随着温室气体的大量排放。

为此，研究人员不断对污水脱氮工艺进行优化并开发新型污水脱氮工艺。厌氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，ANAMMOX）工艺[1]作为一种新型工艺，引起了研究人员的广泛关注。ANAMMOX工艺具有无须外加碳源、无须曝气、温室气体产量小、污泥产量少、脱氮效率高、成本低等优点。随着研究的不断深入，现在世界上已经有一小部分污水处理厂采用ANAMMOX工艺进行污水脱氮。ANAMMOX在污水处理方面具有巨大的潜力，但是，由于厌氧氨氧化菌（Anaerobic Ammonia Oxidation Bacteria，AnAOB）存在倍增时间较长、难以持留等问题，导致其不能规模化应用。本文围绕ANAMMOX工艺反应机理、影响因素、工艺发展、实际运用情况进行综述，并对制约该工艺应用的瓶颈进行分析，为后续厌氧氨氧化工艺的实际应用提供理论指导。

1 厌氧氨氧化的反应机理

目前，学者公认的ANAMMOX反应模型有两种。第一种是以NH2OH为中间体的反应模型，该模型由Graaf等通过同位素标记15N提出[2]。[NO-2]先被还原成[NH2OH]，然后AnAOB以[NH2OH]为电子受体将[NH+4]氧化为[N2H4]，最终[N2H4]经过两次氧化成为N2。基于15N标记的ANAMMOX代谢途径如图1所示。

第二种是以[NO]为中间体的反应模型。该模型由Kartal等[3]通过Kuenenia.stuttgartiensis基因组学提出。首先[，NO-2]在亚硝酸盐还原酶（Nitrite Reductase，NiR）作用下还原成[NO]，之后[NO]和[NH+4]在联氨水解酶（Hydrazine Hydrolase，HH）作用下生成[N2H4]，最后[N2H4]在羟胺氧化还原酶（Hydroxylamine Oxidoreductase，HAO）作用下生成N2。基于Kuenenia.stuttgartiensis基因组学的ANAMMOX代谢途径如图2所示。

2 厌氧氨氧化的影响因素

AnAOB是化能自养菌，其生长缓慢，倍增时间较长。经大量试验研究发现，影响AnAOB进行ANAMMOX反应的主要因素有温度、基质浓度、溶解氧、有机物等。

2.1 温度

AnAOB最适宜生长的温度为25～40 ℃，当温度降低到15 ℃以下时，ANAMMOX活性会显著降低。LAURENI等人通过研究发现，当温度从29 ℃降至12.5 ℃时，ANAMMOX的反应速率从465 mgN/（L·d）降至46 mgN/（L·d），而且AnAOB的倍增时间将从18 d增加至79 d[4]。LI等研究发现，当温度从25～35 ℃降至10～15 ℃时，氮的去除负荷从1.67～1.82 kgN/（m3·d）降至0.48 kgN/（m3·d），但当温度回升至18 ℃时，氮的去除负荷恢复到1.32 kgN/（m3·d） [5]。DOSTA等研究發现，当温度提升至45 ℃时，厌氧氨氧化反应受到严重的抑制作用，并且高温导致厌氧氨氧化菌的失活是不可逆转的[6]。

2.2 基质浓度

根据厌氧氨氧化反应可知，[NH+4]和[NO-2]必须同时存在时，才能进行厌氧氨氧化反应，并且改变[NH+4]和[NO-2]的浓度或者比值会对厌氧氨氧化反应产生影响。安芳娇等采用厌氧氨氧化反应器（ASBR）处理模拟生活污水，考察低基质比、降温方式及pH对系统脱氮性能的影响[7]。LI等通过研究发现，氨氮和亚硝酸盐浓度过高，会使厌氧氨氧化反应受限，尤其是亚硝酸盐浓度过高时，会对厌氧氨氧化菌产生明显的毒性作用[8]。钱俊伟等采用升流式厌氧流化床反应器，研究高浓度厌氧氨氧化工艺的脱氮效能。结果表明：总氮容积负荷为2.52 kgN/（m3·d）时，总氮去除负荷为1.29 kgN/（m3·d）;当总氮容积负荷提升至3.20 kgN/（m3·d）时，总氮去除负荷降至1.08 kgN/（m3·d），但是当采用150%的回流时，可有效缓解高浓度基质对厌氧氨氧化菌的活性抑制[9]。

2.3 溶解氧

众多学者经研究发现，AnAOB属于厌氧菌，ANAMMOX反应容器中溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）的存在会抑制AnAOB的活性。EGLI等通过研究发现，在1%氧饱和度下，AnAOB会产生可逆抑制，氧饱和度超过18%时，AnAOB会产生不可逆抑制[10]。张杰等通过研究发现，采用缺氧、好氧时间比为4 min∶2 min的曝气方式时，氨氧化细菌（AOB）在与亚硝酸盐氧化菌（NOB）竞争的过程中处于优势地位，[NO-2]积累率高达95%[11]。FUMIN等在研究如何快速启动短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺时，第一阶段（1～26 d）采用间歇曝气，并保持溶解氧（DO）浓度在0.3～0.8 mg/L。一周之后，反应器开始出现亚硝酸盐的积累，同时开始进行厌氧氨氧化反应，但此时亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性没有得到有效抑制[12]。

2.4 有机物

AnAOB作为一种以CO2为主要碳源的化能自养型微生物，足够的无机碳能促進其生长，增强AnAOB的活性。然而，过多有机碳往往会对AnAOB产生抑制作用。MOLINUEVO等通过研究发现，随着有机碳浓度的增加，反硝化菌在与厌氧氨氧化菌争夺反应基质中逐渐占优势，最终厌氧氨氧化菌被完全抑制[13]。严子春等通过研究发现，进水化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）浓度为30 mg/L和60 mg/L时，总氮去除率分别为89.18%和94.51%，但当进水化学需氧量（COD）浓度为90 mg/L时，总氮去除率下降至89.05%。这说明适宜的有机物浓度可使反硝化与厌氧氨氧化高效耦合，从而提升脱氮效率[14]。

3 厌氧氨氧化的实际应用

3.1 短程硝化耦合厌氧氨氧化（PNA）工艺的实际应用

世界上首座ANAMMOX实际工程在2002年被荷兰帕克公司应用于鹿特丹DOKHAVEN水厂[15]。DOKHAVEN水厂主要处理来自鹿特丹市中心、南部与西部部分地区的城市污水。DOKHAVEN水厂采用两段式SHARON（Single Reactor for High Ammonium Removal Over Nitrite，中温亚硝化）+ANAMMOX系统处理污泥消化液，其工艺为短程硝化耦合厌氧氨氧化（Partial Nitrification and ANAMMOX，PNA），进水氨氮浓度在1 200 mg/L左右，ANAMMOX反应器设计容积为70 m3，设计处理量为500 kgN/d，总氮去除负荷成功启动后能够达到10 kg/（m3·d），占地面积仅为同规模污水处理厂占地面积的1/4[16]。DOKHAVEN水厂在2002年的改造升级中不仅节省了土地资源，而且节约了能源。同时，该水厂的升级改造也证实了ANAMMOX工艺具有巨大潜力。国外采用主流短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺，运行较为成功的污水处理厂为新加坡樟宜回用水处理厂。该水厂目前是新加坡日处理城市污水量最大的回用水处理厂，日处理量高达8×105 t[17]。其工艺采用五点分段进水活性污泥工艺，水力停留时间为5.8 h，污泥龄为5 d。由于其地理位置和气候条件的影响，污水水温长时间保持在28～32 ℃，这也是樟宜回用水厂能实现短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PNA）稳定运行的先天优势。樟宜回用水厂与新加坡其他水厂相比，能耗降低达60%，产泥率降低达80%[18]。

3.2 短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PDA）工艺的实际应用

国内采用ANAMMOX工艺并且运行较为成功的污水处理厂为西安市第四污水处理厂。西安市第四污水处理厂是我国最早一批建设的A2/O（Anaerobic-Anoxic-Oxic，厌氧-缺氧-好氧）工艺超大型城市污水处理厂[19]，其设计处理能力为5×105 m3/d。LI等人通过15N稳定性同位素示踪测试与异位活性检测证明，短程反硝化耦合厌氧氨氧化是该水厂自养脱氮的主要贡献途径，通过宏基因组测序和qPCR（Real-time Quantitative PCR，实时荧光定量PCR技术）检测证明了在厌氧生物膜中有ANAMMOX菌的富集[20]。西安市第四污水处理厂水温为10～20 ℃，该温度低于AnAOB的适宜温度，但却成功实现了短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺（Partial Denitrification and ANAMMOX，PDA）的启动与稳定运行[21]。西安第四污水处理厂是世界上为数不多能够稳定运行短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺（PDA）的污水处理厂。该污水厂的成功运行证实了ANAMMOX工艺能够在低温条件下运行，不仅推动低温条件下ANAMMOX工艺的研究，并且在全球范围内都具有积极的示范意义。

4 结语

虽然ANAMMOX工艺具有无须曝气、无须外加碳源、产泥量少、高效率等优势，但仍然存在许多问题阻碍着ANAMMOX的发展与应用。其中，最主要的问题为：①AnAOB倍增时间长，难以富集;②ANAMMOX系统的脱氮性能偏低，出水中含有较高的硝酸盐;③ANAMMOX工艺无法在低温下稳定运行。在今后的研究中，学者应针对这些问题进行研究，以不断优化ANAMMOX工艺。

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