硫酸盐型厌氧氨氧化的反应机理及启动过程影响因素综述

崔 丽，王 慧，黄开拓，梁吉艳，王 新

（沈阳工业大学 理学院，辽宁 沈阳 110870）

硫酸盐型厌氧氨氧化的反应机理及启动过程影响因素综述

崔 丽，王 慧，黄开拓，梁吉艳，王 新

（沈阳工业大学 理学院，辽宁 沈阳 110870）

硫酸盐型厌氧氨氧化（S-ANAMMOX）可将废水中的氮硫元素同时去除，避免了氨氮、硫酸盐分别处理时过程不稳定、去除效率低等不足，且不产生二次污染。但该反应的启动耗时长以及机理不明确影响了其应用。本文在探讨S-ANAMMOX反应机理的基础上，对反应器、污泥源、填料、碳源及运行条件等启动过程影响因素进行了阐述，并对今后的研究做出了展望。指出：应在量化反应产物的基础上深入对反应机理和功能微生物特性的研究；分析反应器、污泥源等启动因素的差异性；促进S-ANAMMOX在实际废水处理中的应用。

硫酸盐型厌氧氨氧化；反应机理；启动过程；影响因素；化学计量学；微生物学

传统生物法处理含高浓度氮硫废水（如加工废水、制革废水、味精废水、发酵废水等）是采用分步进行的方式，存在过程不稳定、处理效率低等不足。硫酸盐型厌氧氨氧化（S-ANAMMOX）是近十几年发展起来的一种新型氮硫反应过程，2001年由Fdz-Polanco等［1］提出，指硫酸盐作为电子受体将氨氮转化为氮气的过程。这一现象的发现对同步脱除氨氮和硫酸盐具有重要意义，既消除了硫酸盐和氨氮对生物法废水处理的不良影响，又可不消耗外加有机碳源和能源，同时具有污泥产量小的优点，减轻了后续处理的负担。

但是，目前研究者们普遍认为S-ANAMMOX菌生长速率缓慢，对环境条件敏感，富集时间长，启动时间最长可达300多天，并且在反应机理方面存在较大争议，因而严重影响了该技术的研究应用与推广。因此，如何通过调控使S-ANAMMOX反应快速启动以及对反应机理的探究，是该技术基础研究的必要条件与实际应用推广的基础。近十几年来，多位研究者对S-ANAMMOX反应进行了实验探究，以期为S-ANAMMOX的快速启动及调控提供参考。

本文在探讨S-ANAMMOX反应机理的基础上，对反应器、污泥源、填料、碳源及运行条件等启动过程影响因素进行了阐述，并对今后的研究做出了展望。

1 S-ANAMMOX的反应机理

研究发现，S-ANAMMOX既可在有机碳源条件下进行，也可在无机碳源条件下进行。这为实际废水处理中实现同步脱氮除硫提供了多种实施条件。但是，要透彻理解S-ANAMMOX反应过程，需从反应机理出发加以研究。由于S-ANAMMOX技术提出时间较短，目前主要以化学计量学理论和微生物学理论来解释反应机理。

1.1 化学计量学理论

化学计量学理论是对反应过程进行物料衡算和热量衡算的依据之一。该理论考察反应体系中的各种因素（反应底物类型、浓度、碱度等）的传递或变化，明确反应机制。

1.1.1 有机碳源

有机碳源条件下的S-ANAMMOX反应机理由Fdz-Polanco等［1］提出，其研究发现50%的总凯式氮转化为N2，60%左右的SO42-转化为硫单质，反应方程式为：

总反应方程式为：

从以上反应式可以看出，S-ANAMMOX为分步反应，首先和生成和S2-，然后S2-与部分反应生成N2和单质硫，最后再与剩余的NO2-反应生成N2。该过程氮硫损失比（摩尔比，下同）为2。然而Zhao等［2］认为最少有50%的NH4+-N转化为N2，88%的SO42-转化为单质硫，故氮硫损失比为0.81。Rikmann等［3］从实验中得出NH4+-N的转化量高于SO42-的转化量，比值远高于2。氮硫损失比决定了参与反应基质的量，揭示产物与反应物的关系。虽然研究者们得出不同的氮硫损失比，但是研究过程中都发现了S2-、HS-和单质硫的产生，故较倾向于Fdz-Polanco等提出的反应方程式。此外，Mahmood［4］认为不适合的进水氮硫比（摩尔比，下同）会使S2-发生硫的自养反硝化而重新生成SO42-并出现在产物中，当将进水氮硫比调节为0.75时，反应产物出现了单质硫和SO42-，同时在产物中检测到了少量的中间产物肼和羟胺，反应方程式如下：

在厌氧条件下，有机碳源会给硫酸盐还原菌（SRB）提供底物而促使硫酸盐发生还原反应，将还原为HS-或S2-［5］，这个过程也会影响S-ANAMMOX反应。SRB不仅生长速率快，还含有不受氧毒害的酶系，保证了SRB较强的生存能力［6］。因此，在一定的碳源条件下S-ANAMMOX菌能与SRB共生，但SRB反应能力更强。赵庆良等［7］研究表明，低COD、高及偏碱性条件有利于S-ANAMMOX反应的发生。张蕾等［8］也认为高COD有利于脱硫，却抑制了S-ANAMMOX反应。

1.1.2 无机碳源

在无机碳源条件下，Liu等［9］在启动过程中并未检测到S2-的产生，他们认为虽然也发生了氮硫同步脱除的现象，但是与有机碳源条件下存在不同的反应机理。通过推算物料守恒，提出了以下反应方程式：

综上可见，S-ANAMMOX反应机理并不明确，各研究团队对反应的基质、产物及pH变化持有不同见解。由于反应启动时间较长，研究较少，因此，如何控制条件使反应较为快速启动是目前需首要解决的问题。

1.2 微生物学理论

微生物学理论是在分子、细胞或群体水平上研究各类微小生物的形态结构、生长繁殖、生理代谢等生命活动的基本规律。

S-ANAMMOX菌可以在无机碳源条件下存活，说明S-ANAMMOX菌属于自养菌。菌种增殖速率慢，世代时间长，生长pH范围偏碱性，最佳生长温度为35 ℃左右，溶解氧低于0.5 mg/L，属于厌氧菌。研究认为，低氧化还原电位（ORP）有利于该菌种的生长［14，17］。目前，已经明确的S-ANAMMOX菌种较少，Rikmann等［3］采用PCRDGGE（变性梯度凝胶电泳）分别对MBBR（移动床生物膜反应器）内的生物膜和UASB（上流式厌氧污泥床）内的污泥进行观察分析，发现反应器内微生物分别属于Planctomycetales和Verrucomicrobia门。Liu等［9］通过PCR-DGGE和16SrDNA技术分析生物转盘反应器中的微生物种群，认为存在一种Anammoxoglobus sulfate的优势种群。张蕾等［8］通过扫描电镜对反应器中的污泥进行观察，发现污泥主要以链杆菌和球菌为主，其大小分别为（1～1.2）μm×0.8 μm和0.9 μm，透射电镜表明细菌细胞中含有大量的内含物。刘正川等［18］采用PCR-DGGE分析从传统厌氧氨氧化转变到硫酸盐型厌氧氨氧化过程中的微生物变化，发现污泥中细菌从以球菌为主转变成以短杆菌为主，长约2～3 μm，菌群中细菌由Candidatus brocadia为优势种转变为Bacillus benzoevorans为优势种，说明完成这两种厌氧氨氧化的优势菌不同，两种厌氧氨氧化并非同一种菌参与完成的。蔡靖等［19］研究发现，Bacillus能够在无分子态氧存在的条件下，以硫酸盐为电子受体氧化氨，具有硫酸盐型厌氧氨氧化能力，说明硫酸盐型厌氧氨氧化现象很可能是由Bacillus繁殖引起的。

S-ANAMMOX菌的分布较为广泛，已有从厌氧污泥、河底泥、反硝化污泥和传统厌氧氨氧化污泥中筛选驯化成功的先例。通常认为，S-ANAMMOX菌可以在有机碳源下生存，但是否能够利用有机物及有机物的存在能否抑制S-ANAMMOX菌的活性尚不得而知。但研究认为，低浓度有机物才能保证S-ANAMMOX反应的进行。

2 S-ANAMMOX的启动过程影响因素

由于S-ANAMMOX反应不易启动，过程耗时较长，严重影响了相关研究的进行。本节总结了反应器、接种污泥、填料及碳源对S-ANAMMOX反应启动过程的影响，以期对反应的快速启动及深入了解提供参考。

2.1 反应器

反应器的构造形式、保有的污泥量、微生物生长附着情况及耐冲击能力等因素直接影响到S-ANAMMOX的启动过程。目前，UASB、序批式活性污泥反应器（SBR）、厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）、膜生物反应器（MBR）等均成功应用于S-ANAMMOX的启动。

UASB反应器作为第二代厌氧反应器的代表之一，实现了污泥停留时间与水力停留时间的分离，极大提高了反应器内的污泥浓度；反应产生的气体、污泥和出水在三相分离器的作用下得到有效分离［21］。这些优点使得S-ANAMMOX菌不易流失，在反应器内具有一定的种群数量，故很多S-ANAMMOX研究采用UASB反应器。Yang等［22］采用UASB反应器，以Na2SO4代替NaNO2，经过60 d成功启动S-ANAMMOX，氨氮和硫酸盐的平均去除率分别达40%和30%。Rikmann等［3］同时采用MBBR和UASB启动S-ANAMMOX反应，分别在50 d和100 d左右启动该反应，TN去除能力达0.03 kg/（m3·d）和0.04 kg/（m3·d）；可见UASB反应器在缩短启动时间上不具优势，但其特殊的水力特征，提高了污泥浓度，延长了污泥停留时间，使得去除效果较好。

SBR反应器运行效果稳定，理想推流过程使生化反应推动力大，效率高；污水在静止状态下沉淀，泥水分离情况较好，有效阻止污泥流失。Sabumon［20］采用SBR反应器在有机碳源条件下启动S-ANAMMOX，氨氮去除率达40%。

此外，MBR、EGSB、厌氧流化床（AFB）等启动S-ANAMMOX反应时各有优点。各反应器启动特点及运行效果见表1。由表1可见，UASB、SBR、MBR等反应器启动S-ANAMMOX反应后，-N去除率最高可达80%，最低为17.56%；去除率最高达65%，最低为4.16%。在接种污泥均为Anammox污泥时，SBR反应器的-N和去除情况最好，MBR反应器启动耗时最短，可能与生物膜上的菌种富集较快有关。但是，尚未见反应器抗基质浓度和水力负荷冲击能力的相关报道。

综上可见，不同反应器在启动S-ANAMMOX反应时有不同的特点，选择适合的反应器有利于对S-ANAMMOX反应进行深入研究。

表1 各反应器启动特点及运行效果

2.2 污泥源

研究发现，采用处理相同或相近成分污水的污泥作为接种污泥进行启动较为快速［23］。此外，采用不同来源的混合污泥可以增加厌氧菌群种类，提高筛选出适合S-ANAMMOX菌种的概率，保证反应顺利启动。

从国内外已有的研究中推测，S-ANAMMOX菌可广泛存在于多种环境中。目前，厌氧消化污泥及Anammox颗粒污泥均有成功启动S-ANAMMOX的先例。厌氧污泥是由多种微生物形成的微生态［24］，内含丰富的微生物种群。赵庆良等［7］采用取自富含硫酸盐废水的连续搅拌厌氧反应器的污泥，经30 d就发现-N和有同步去除的情况，运行230 d后，二者的最高去除率分别达58.74%和43.35%。张蕾［17］采用厌氧消化污泥，经20 d左右驯化，出现-N和同步去除现象，最高去除浓度分别为71.67 mg/L和56.82 mg/L；在驯化过程中，污泥的颜色由初始的黑色逐渐转变为黄色，但启动时的微生物变化及出水情况并未详细描述。参考Anammox污泥驯化过程存在阶段性的特点［25-27］，S-ANAMMOX在启动开始时也应存在菌体水解期，在这个时期内出水浑浊，部分不适合环境条件的微生物死亡并悬浮于水中，出水NH+-N和4浓度可能高于进水。采用VSS与SS的比值可判断是否有适应环境的微生物生长［28］，但目前未有实验研究证实此过程。

采用Anammox颗粒污泥也可成功启动S-ANAMMOX反应，与采用厌氧消化污泥相比，耗时较长。虽也能获得-N和的同步去除效果，但去除率不高。这可能是由于Anammox污泥是经过筛选的特殊菌种，只保留了少量能够以为电子受体的微生物种群。富集过程中，逐渐以驯化耐受种群，导致去除率较低。赖杨岚等［15］接种Anammox污泥耗时212 d启动S-ANAMMOX反应，-N和的去除效果均不理想。

此外，好氧硝化污泥、河底泥等也常作为接种污泥富集培养某特定类型的微生物。好氧硝化污泥为好氧污泥，且其中含有一定量的有机物，转化为厌氧条件需要较长时间，但普遍认为此种污泥可耐高负荷。河底泥作为一种微生物丰富的载体，理论上也是S-ANAMMOX反应启动的优良接种污泥。

2.3 填料

研究发现，在反应器内添加填料可在很大程度上减少目标微生物的流失，不仅能提高污泥的停留时间，加快微生物富集速率，缩短反应启动时间，还可以起到截留、过滤的作用，使得出水澄清，保证了反应器的稳定［29］。在同样采用UASB反应器及Anammox污泥作为接种污泥的条件下，赖杨岚等［15］投加活性炭作为填料富集S-ANAMMOX菌，经60 d观察到-N和同步去除的现象，相比秦永丽等［30］未添加任何填料，启动时间缩短50多天。活性炭作为硬性填料，具有很好的吸附性能，微生物能够吸附在颗粒表面及内部孔道，提高了微生物种群数量。有报道称，活性炭还能够缩短有害物质对微生物的毒性抑制作用时间，毒性抑制作用沿孔道深度方向浓度逐渐降低，有利于反应过程的稳定性。

此外，海绵和无纺布也是S-ANAMMOX启动的优选填料。海绵具有极强的截留能力，投放方式简单，有较强的抗冲击能力。但据相关报道，聚氨酯泡棉材料表面光滑，粗糙程度小，微生物在其上附着不紧密，容易脱落。分析认为，聚氨酯泡棉为多孔结构，只有当载体孔径为菌体尺寸的1～5倍时，载体内才能积累最大的生物量［26］。因此，在选用海绵时应考虑菌体或形成的菌胶团的尺寸是否利于附着。此外，孔径的大小会影响基质在反应器内的路径，从而影响处理效率。

无纺布也是比表面积较大的填料，有研究表明，普通填料的生物膜厚度为2 mm，无纺布形成的生物膜厚度是普通填料的60倍左右。因此，无纺布内溶解氧的传质阻力大，易使无纺布内层形成厌氧条件而利于微生物的生长和富集。在S-ANAMMOX启动过程中，采用无纺布作为填料也取得了较好的效果。

除上述填料外，BMTM生物膜载体、玻璃珠、聚乙烯材质填料、竹炭、火山岩等也广泛应用于微生物挂膜。在填料种类的选取上，不仅要考虑经济性，还应考虑材质、性能等是否易于启动S-ANAMMOX反应，屏蔽有害物质的影响，以达到较好的去除效果。

2.4 碳源

碳源不同会影响微生物的代谢途径，从而直接影响反应器的启动及后续运行情况。研究发现，S-ANAMMOX反应既可在有机碳源条件下启动，也可在无机碳源条件下启动。S-ANAMMOX现象最初于有机碳源条件下发现的［31-32］。董凌霄等［33］投加乙酸盐为碳源，150 d后实现了碳氮硫同时脱除，去除率分别达80%、22%和50%，证实了有机碳源条件下该反应的可行性。

Liu等［9］以硫酸盐代替亚硝酸盐的方法在无机碳源条件下经过60 d培养也发现了S-ANAMMOX现象，DGGE分析表明，反应器内存在一种Anammoxoglobus sulfate菌种。Yang等［22］通过非生物测试进一步证明S-ANAMMOX是一个可以完全自养的厌氧生物过程。作为S-ANAMMOX常用的无机碳源，提高其进水浓度可增强S-ANAMMOX的反应效果。但研究表明，浓度超过1 000 mg/L时会对反应产生抑制［3］。张丽等［14］也得出相似的结论，与进水氮硫比和负荷相比，进水浓度对与相对转化率的影响更为明显，当质量浓度从1 202.6 mg/L降至762.5 mg/L时，出水和浓度均有所降低，且氮硫转化比（摩尔比）从9.6～9.8降至4.2～4.8，表明较高的进水浓度有利于氮的去除。

目前关于S-ANAMMOX的研究多集中于无机碳源的情况，可能与启动时间较短有关。因为在有机碳源条件下，碳源（葡萄糖等）给SRB提供了适合的生长条件，与S-ANAMMOX菌相互竞争，导致启动耗时较长。

2.5 pH及进水基质

作为生物过程重要的环境条件，pH对S-ANAMMOX的影响主要表现为两方面：在菌体自溶阶段，体系pH需维持在S-ANAMMOX菌最适生长范围，过高或过低均会影响菌种的生长和繁殖；pH的变化会间接作用于厌氧氨氧化细菌的有效基质，进而影响微生物活性［34］。

目前普遍认为S-ANAMMOX反应适宜在偏碱性的环境下发生，马文娟等［34］认为提高反应体系的pH可使S-ANAMMOX菌处于优势地位，继而缩短反应器的启动时间，但pH＞8.5时会影响S-ANAMMOX菌的活性。

董凌霄等［33］认为，进水氮硫比发生变化时，S-ANAMMOX现象会逐渐减弱甚至消失，且添加作为抑制剂消除还原反应时发现，受到抑制的S-ANAMMOX难以恢复。张丽等［14］发现，不同的进水氮硫比对的转化率影响不大，但低的氮硫比可使转化为的比例增大。赖杨岚等［15］的实验表明，投加会促进与的反应，即进行传统厌氧氨氧化，对S-ANAMMOX产生抑制。由此可见，采用传统厌氧氨氧化污泥启动的S-ANAMMOX反应易受到的影响。他还认为，虽然投加Fe3+会促进的去除，但会使反应器的ORP升高，导致S-ANAMMOX受到抑制，可见S-ANAMMOX反应宜在低ORP条件下进行。此外，Rikmann等［3］的研究表明，添加厌氧氨氧化中间产物肼和羟胺对S-ANAMMOX过程有促进作用。

3 结语和展望

S-ANAMMOX可将废水中的氮硫元素同时去除，避免了氨氮、硫酸盐分别处理时过程不稳定、去除效率低等不足，且可在脱硫的同时回收单质硫，实现资源回收，同时不产生二次污染。S-ANAMMOX作为一体化脱氮除硫的反应过程，拥有十分广阔的应用前景，但该反应的启动耗时长、机理不明确影响了其应用。因此，今后应加强以下几方面的研究。

a）在量化反应产物的基础上，深入对反应机理和功能微生物生理生化特性的研究，构建高效可控的反应体系。

b）分析反应器、污泥源等启动因素的差异性，缩短启动时间，优化反应进程。

c）促进S-ANAMMOX在实际废水处理中的应用，推动技术的产业化。

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（编辑 魏京华）

Mechanism of sulfate-dependent anaerobic ammonium oxidation and influencing factors for its start-up process：A review

Cui Li，Wang Hui，Huang Kaituo，Liang Jiyan，Wang Xin
（School of Science，Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870，China）

Ammonium and sulfur could be simultaneously removed from the wastewater by sulfate-dependent anaerobic ammonium oxidation（S-ANAMMOX）process，which avoided the disadvantages in respective treatment of ammonium and sulfate，such as unstable processing，low efficiency and secondary pollution. But the long start-up process and undefi ned reaction mechanism affected the application of S-ANAMMOX. Based on the discussing of S-ANAMMOX reaction mechanism，factors affecting the start-up process were reviewed，such as reactor，sludge source，filler，carbon source and operating conditions. Prospects of further research were also put forward. It was pointed out that：The reaction mechanism and functional microbial characteristics should be further studied on the basis of quantitative reaction products；The differences between the start-up factors（such as reactor and sludge source）should be analyzed；The application of S-ANAMMOX process in practical wastewater treatment should be promoted.

sulfate-dependent anaerobic ammonium oxidation；reaction mechanism；start-up process；infl uencing factor；stoichiometry；microbiology

X703.1

A

1006-1878（2017）02-0159-07

10.3969/j.issn.1006-1878.2017.02.006

2016 - 09 - 09；

2017 - 02 - 03。

崔丽（1978—），女，辽宁省沈阳市人，博士后，副教授，电话 13889845776，电邮 sutcuili@163.com。联系人：王慧，电话 13514259875，电邮 Wang-Hui-@outlook.com。

第七届格平绿色行动——辽宁环境科研教育“123工程”项目（CEPF2014-123-2-6）。