大量氮素進(jìn)入到環(huán)境水體，是造成水體富營(yíng)養化的主要誘因之-。傳統的脫氮理論是基于硝化與反硝化2個(gè)階段來(lái)共同實(shí)現的。硝化階段需要有足夠的氧氣來(lái)完成氨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉化，能耗較高”；而由于有機物在硝化階段被好氧異養菌大量分解去除，通常導致反硝化階段所需碳源不足，脫氮效率下降，這又勢必會(huì )額外投入大量有機碳源進(jìn)反硝化的進(jìn)行，從而顯著(zhù)增加了脫氮成本。厭氧氨氧化(Anammox)是厭氧氨氧化菌(AnAOB)在缺氧或厭氧環(huán)境下，以HCO3(IC)為碳源，以NH4+-N為電子供體，以NO2--N為電子受體生成N2，從而完成脫氮過(guò)程。為保證Anammox反應的順利進(jìn)行，往往將Anammox工藝與短程硝化工藝組合為短程硝化-厭氧氨氧化(Sharon-Anammox)工藝。與傳統脫氮工藝相比，該工藝僅需將部分NH4+-N氧化為NO2--N，節省了剩余NH4-N的進(jìn)一步氧化需氧量以及NO2--N轉化為NO5-N的深度氧化需氧量，從而可節約大量曝氣電耗:其以IC為碳源，無(wú)需額外投加有機碳源，可以大幅度降低脫氮成本；此外，脫氮反應不涉及異養反硝化菌，可以顯著(zhù)降低污泥產(chǎn)量。然而，AnAOB較長(cháng)的世代周期、較低的細胞產(chǎn)率、較弱的環(huán)境適應力導致Anammox工藝啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)，穩定運行難，嚴重阻礙了該工藝的規?；瘧?。為此，筆者對Anammox在反應機理、影響因素方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，對運行較為成功的工程案例進(jìn)行了分析說(shuō)明，并對未來(lái)研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望，以期為Anammox工藝的推廣應用和穩定運行提供理論與案例支撐。

1、Anammox的反應機理

E.Broda于1977年根據熱力學(xué)過(guò)程，通過(guò)熱力學(xué)推算首先預測了Anammox的存在”，為后續該工藝的進(jìn)一步發(fā)展打下了堅實(shí)的理論基礎。隨后，荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)A.Mulder等于1995年對Anammox反應進(jìn)行了實(shí)驗證實(shí)。緊接著(zhù)，M.Strous等在間歇反應器中揭示了AnAOB的生理特性。此后，眾多學(xué)者在此基礎上進(jìn)行了大量的研究。目前，認可度較高的Anammox反應模型有2種，-種是A.A.vandeGraaf等提出的基于羥胺(NH2OH)為中間體的反應模型，即NO2--N→NH2OH，NH2OH+NH4+-N→N2H4，N2H4→N2H2→N2，NO3--N→NO2--N；另-種是基于-氧化氮(NO)為中間體的Kueneniastuttgartiensis宏基因組學(xué)的修正模型"，即NO2--N→NO，NH4+-N+NO→N2H4，N2H→N2，參與該修正模型的酶主要有亞硝酸還原酶(NiR)、聯(lián)氨水解酶(HH)、聯(lián)氨氧化還原酶(HZO)、羥胺氧化還原酶(HAO)。

2、Anammox的影響因素

Anammox的啟動(dòng)及穩定運行受反應條件及環(huán)境因素的影響較大。反應條件主要為基質(zhì)濃度、有機物等；環(huán)境因素主要為溶解氧、溫度以及pH等。

2.1 反應條件

2.1.1 基質(zhì)濃度

Anammox的基質(zhì)主要包括NO2--N與NH4+-N，不同的NO2--N與NH4+-N濃度水平會(huì )對Anammox反應產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用。Anammox反應方程式如下:

從式(1)可以看出，NO2--N與NH4+-N的適宜的物質(zhì)的量比為1.32。當NO2--N與NH4-N濃度較低時(shí)，可以采取適當提高其濃度的方式促進(jìn)Anammox反應；但當NO2--N與NH4+-N濃度過(guò)高，尤其是NO2--N濃度過(guò)高時(shí)，會(huì )對AnAOB產(chǎn)生顯著(zhù)的毒性作用，致使Anammox反應受阻(2)。M.Strous等研究發(fā)現，當亞硝酸鹽質(zhì)量濃度>100mg/L時(shí)，Anam-mox進(jìn)程會(huì )被完全抑制。M.A.Dapena等也發(fā)現，當氨濃度>55mmol/L，亞硝酸鹽濃度>25mmol/L時(shí)，將有50%左右的AnAOB活性被抑制。此外，IC也是Anammox的重要基質(zhì)之-。過(guò)低的IC濃度會(huì )導致Anammox反應所需碳源不足，過(guò)高的IC濃度則會(huì )使原水pH升高，從而抑制AnAOB的正常代謝。DexiangLiao等將進(jìn)水IC由1.0g/L提高至1.5g/L，發(fā)現AnAOB活性呈顯著(zhù)增強趨勢；進(jìn)一步提升IC至2.0g/L時(shí)，AnAOB的活性卻受到了抑制。丁敏等也通過(guò)研究發(fā)現，當IC<0.8g/L時(shí)，Anammox反應會(huì )受到抑制；當IC由0.8g/L增至1.2g/L時(shí)，AnAOB活性呈上升趨勢；進(jìn)一步提升IC至2.0g/L時(shí)，AnAOB的活性又受到抑制。綜上所述，Anammox穩定運行的最適IC質(zhì)量濃度為1.0~2.0g/L。

2.1.2 有機物

當有機物濃度較低時(shí)，反硝化菌雖然活性較低，但仍然可以生存，且對優(yōu)勢菌種AnAOB影響較小，在AnAOB與反硝化菌的協(xié)同作用下，脫氮性能仍能保持較好水平。XiaoliHuang等研究發(fā)現，低濃度乙酸鹽(≤120mg/L)和丙酸鹽(≤200mg/L)不會(huì )對Anammox反應產(chǎn)生明顯影響，脫氮性能仍然較高。WeiqiangZhu等通過(guò)研究發(fā)現，當進(jìn)水COD介于200~400mg/L的低濃度水平時(shí)，AnAOB的活性會(huì )隨著(zhù)COD的升高而增強。當有機物濃度較高時(shí)，異養反硝化菌(HDB)的生長(cháng)繁殖會(huì )受到觸發(fā)，而HDB的繁殖速率要顯著(zhù)高于AnAOB，這就使得AnAOB在與HDB的競爭中處于劣勢地位，HDB逐漸成長(cháng)為優(yōu)勢菌種，Anammox反應受到抑制。WeiqiangZhu等在研究了低濃度有機物對Anam-mox影響的基礎上，進(jìn)一步將進(jìn)水COD提升至720mg/L，發(fā)現系統中優(yōu)勢菌種逐漸由AnAOB向HDB轉變。N.Chamchoi等也發(fā)現，有機物濃度是在Anammox與反硝化之間進(jìn)行工藝選擇的控制變量，隨著(zhù)有機物濃度的升高，反硝化作用會(huì )逐漸加強，AnAOB的活性會(huì )逐漸降低直至被完全抑制。朱澤沅等叫研究了碳氮比對Anammox的影響，發(fā)現當進(jìn)水碳氮比<0.33時(shí)，Anammox反應占據主導地位；當碳氮比>1.33時(shí)，反硝化反應逐漸發(fā)揮優(yōu)勢；當碳氮比進(jìn)一步增加至2.96時(shí)，Anammox反應受到明顯抑制，反硝化反應占據主導優(yōu)勢。該研究結果也再次驗證了前述論斷。

2.2環(huán)境因素

2.2.1 溶解氧

AnAOB屬于厭氧菌，溶解氧(DO)對Anammox的影響主要表現為低濃度DO能夠促進(jìn)AnAOB活性，高濃度DO則會(huì )抑制AnAOB活性。A.J.M.Carvajal等通過(guò)研究發(fā)現，將DO由1mg/L提升至3.8mg/L時(shí)，AnAOB活性下降了50%左右，再進(jìn)一步將DO提升至8mg/L時(shí)，Anammox反應被嚴重抑制。I.Zekker等研究發(fā)現，當D0>2.5mg/L時(shí)，將嚴重抑制Anammox反應活性。另有研究發(fā)現，在DO為0.5%、1.0%、2.0%的空氣飽和度下，AnAOB的活性處于被抑制狀態(tài)，但將DO降至完全厭氧狀態(tài)后，處于抑制狀態(tài)的AnAOB又重新恢復活性。這說(shuō)明高濃度DO對AnAOB的抑制是可逆的，隨著(zhù)DO濃度的逐漸降低，Anammox的脫氮效率將快速恢復。此外，有研究表明，采取“缺氧擾動(dòng)+DO限制策略”有助于NO2--N的積累，從而對Anammox反應進(jìn)程起到積極的推動(dòng)作用。陳?B等研究發(fā)現，將DO在高于1.5mg/L與缺氧狀態(tài)之間進(jìn)行頻繁轉換，可以有效提高NO2--N積累率。張杰等通過(guò)在SBR中采取曝氣4min+停曝2min的循環(huán)運行模式，再輔以DO限制策略，成功將NO2--N積累率穩定在95%以上，大大促進(jìn)了Anammox反應。

2.2.2 溫度

大量研究表明，AnAOB的適宜溫度范圍為25~40℃，而其活性的臨界點(diǎn)為15~20℃28。M.Laureni等研究發(fā)現，當體系溫度從29℃降至12.5℃時(shí)，AnAOB的活性會(huì )從465mgN/(L?d)降至46mgN/(L?d)，下降近90%，且AnAOB的世代周期也會(huì )從18d增至79d。JinLi等研究發(fā)現，當溫度從25~30℃降至10℃時(shí)，Anammox的脫氮速率會(huì )從1670~1820mgN/(L?d)驟降至280mgN/(L?d)，但當溫度恢復至18℃時(shí)，脫氮速率又會(huì )回升至1320mgN/(L?d)，說(shuō)明低溫對AnAOB活性的影響是可逆的。P.deCocker等則通過(guò)研究發(fā)現，當溫度由30℃降至20℃時(shí)，AnAOB的活性下降了66.7%左右，但運行2個(gè)月后，活性會(huì )逐漸恢復至原來(lái)水平；隨后進(jìn)一步將溫度降至15、12.5、10℃，AnAOB活性的恢復周期將進(jìn)一步縮短，最終在低溫下實(shí)現Anammox的穩定運行。同樣地，BowenZhang等在Anammox反應器中處理低濃度合成廢水時(shí)也發(fā)現，采用間歇性高強度投加和逐步降溫的方法，在低至15℃下仍能實(shí)現系統穩定運行，且總氮去除速率高達0.71~0.98kg/(m3?d)?？梢钥闯?，“逐步降溫”方式為Anammox的推廣應用開(kāi)辟了-條新的路徑。

2.2.3 pH

pH對Anammox的影響，-方面是基于酸堿環(huán)境對微生物菌種生長(cháng)活性的影響；另-方面是基于pH對NH4+-N與游離氨(FA)和NO2--N與游離亞硝酸(FNA)之間化學(xué)平衡的影響。當pH過(guò)低時(shí)，NO2--N向NH2OH的轉化會(huì )受到抑制，從而影響AnAOB的能量代謝；當pH過(guò)高時(shí)，NH4+-N向NH2OH的轉化會(huì )得到強化，使得NH2OH出現積累，從而對AnAOB的活性造成抑制作用。M.S.M.Jetten等的研究表明，當pH低于6.0或高于9.5時(shí)，都會(huì )使AnAOB活性降低。陳宗??等利用人工模擬廢水開(kāi)展了pH對Anammox反應影響的研究，結果表明，當pH為7和7.5時(shí)，總氮去除率只有80%左右，當將pH調節為8時(shí)，總氮去除率升至99%以上，將pH繼續升至8.5，總氮去除率急劇下降至80%以下。大量研究表明，適宜AnAOB生長(cháng)的pH為6.5~8.8。

3、工程應用

全球首座Anammox示范工程于2002年在Dokhaven污水處理廠(chǎng)成功建成投運，截至2014年，世界范圍內Anammox實(shí)體工程仍?xún)H有100余座?？梢钥闯?，針對Anammox工藝，已有的研究報道普遍停留在實(shí)驗室或中試規模研究階段，而在實(shí)際工程方面的應用還相對較少。從已實(shí)現Anammox運行的工程來(lái)看，新加坡樟宜回用水處理廠(chǎng)和西安市第四污水處理廠(chǎng)Anammox的運行較為成功，這為該工藝的應用提供了很好的案例和示范作用。

新加坡樟宜回用水處理廠(chǎng)率先在主流工藝中實(shí)現了Anammox的穩定運行。該廠(chǎng)處理規模為8x105m/d，采用分段進(jìn)水活性污泥工藝(SFAS)，系統水溫常年維持在28~32℃。水力停留時(shí)間為5.8h，總泥齡為5d，其中缺氧泥齡與好氧泥齡比為1:1，污泥回流比為50%。通過(guò)分析發(fā)現，曝氣池中平均氨氧化率為72.2%，平均亞硝酸鹽累積率為76.0%，說(shuō)明好氧區實(shí)現了穩定的亞硝化。通過(guò)對菌群的進(jìn)一步分析發(fā)現，缺氧區存在大量的懸浮和游離AnAOB，這很好地解釋了缺氧區中NH4+-N與NO2--N同步去除現象。通過(guò)能耗分析發(fā)現，該廠(chǎng)處理1m3污水的曝氣能耗為0.12kW?h，與其他回用水處理廠(chǎng)相比，能耗下降了近1/3。

西安市第四污水處理廠(chǎng)一期工程設計處理能力為2.5x105m/d，采用倒置A/O工藝，出水水質(zhì)執行《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB18918-2002)一級B標準。該工程自2012年11月開(kāi)始進(jìn)行提標改造，改造后采用A/O+MBBR工藝。厭氧區水力停留時(shí)間為1h，與改造前-致，缺氧區水力停留時(shí)間為3.6h，較改造前延長(cháng)了80%，并在缺氧區進(jìn)行填料投加。經(jīng)3年多數據跟蹤分析發(fā)現，改造后的工程出水平均總氮約為5mg/L，其余指標均能達到地表IV類(lèi)水標準。通過(guò)對填料、懸浮污泥以及厭氧區和缺氧區的微生物進(jìn)行高通量分析發(fā)現，缺氧區AnAOB活性達到了0.052kg/(m3?d)，且K型AnAOB成長(cháng)為了優(yōu)勢菌種。進(jìn)一步通過(guò)同位素示蹤法也證實(shí)了缺氧區存在顯著(zhù)的Anammox反應，且定量測定結果表明，Anammox過(guò)程所占脫氮比例高達30%左右。相較于新加坡樟宜回用水處理廠(chǎng)常年28~32℃的水溫，西安市第四污水處理廠(chǎng)水溫為10~20℃，該溫度處于AnAOB適宜溫度范圍之外，但卻成功實(shí)現了Anammox的啟動(dòng)且長(cháng)期穩定運行，有效填補了Anammox常溫生產(chǎn)性應用的空白，在全球范圍內都具有積極的示范意義。

4、結語(yǔ)與展望

隨著(zhù)資源節約型與環(huán)境友好型社會(huì )的提出，傳統高能耗、高成本、低效率的水處理技術(shù)已然無(wú)法滿(mǎn)足當今社會(huì )的發(fā)展要求。為平衡資源節約與環(huán)境保護，對于新興的低能耗、低成本、高效率的Anammox工藝的研究與應用受到廣泛關(guān)注。但就目前的研究成果來(lái)看，仍存在諸多問(wèn)題阻礙Anammox工藝的進(jìn)一步發(fā)展與推廣應用。

(1)關(guān)于Anammox的長(cháng)期穩定運行，已有的研究大多是在相對穩定的恒溫環(huán)境下實(shí)現的，如何在變溫條件下確保AnAOB的快速適應且保持較高的脫氮性能，將是Anammox工藝由實(shí)驗室向工業(yè)生產(chǎn)轉變急需解決的問(wèn)題。

(2)目前，對于Anammox影響因素的研究主要集中在單因素層面，而多因素共同作用對Anammox綜合影響的研究對于該工藝的推廣應用更具有現實(shí)的指導意義。

(3)AnAOB在實(shí)驗室的世代周期長(cháng)達11d左右，而在實(shí)際工程中由于受反應條件、環(huán)境因素等制約，世代周期更會(huì )大大延長(cháng)。為此，探索進(jìn)一步縮短AnAOB世代周期的方法，促使AnAOB快速增殖與穩定保留將是實(shí)現該技術(shù)推廣的當務(wù)之急。

(4)Anammox工藝成功應用的前置條件是要實(shí)現穩定的短程硝化，為Anammox反應提供源源不斷的基質(zhì)。為此，影響短程硝化過(guò)程穩定實(shí)現的因素也將是下一步研究重點(diǎn)。（來(lái)源：重慶市三峽水務(wù)渝北排水有限責任公司，重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長(cháng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院）