厌氧氨氧化菌富集过程影响因素的研究现状

2022-05-25王特，田凯，李杰，2

石油化工应用 2022年4期

王特，田凯，李杰，2

（1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃省膜科学技术研究院，甘肃兰州 730030）

近些年来，城市化的逐步加快与社会机制发展速度加快，水体污染现象日益加重，其中主要污染之一为氮素污染，而氮素污染造成的一个主要问题就是水体富营养化，水污染问题亟待解决[1-3]。虽然最近几年全国水环境质量总体有一定改善，但水体污染的现状短期内仍不能完全改变，因此，继续加强控制水体氮素污染的形势依旧严峻。

自从《巴黎协定》签署之后，在2020 年，我国应诺于2030 年达到碳达峰，2060 年达到碳中和，因此各行各业均需要对各自领域碳排放进行一定的控制与调整。据研究报道，在世界范围内，污水处理行业的碳排放占社会总排放量的1%～3%[4]，而在我国，污水处理行业的碳排放占我国社会总排放量的1%～2%[5]。目前，由于污水处理厂尾水处理不够彻底，是水体氮污染的重要来源，成为地表水氮素污染的第二大污染源[6]，同时造成了更多的碳排放。现阶段，我国城镇污水处理厂在达标提标、污泥处置、能源消耗、水回收利用等方面，仅靠一个污水排放标准难以满足不同地区环境行政主管部门的需要，我国部分地区（如江苏省）还要求将出水总氮（TN）的限值从15 mg/L 降至10 mg/L，这对发展中国家的大多数污水处理厂来说是一个巨大的挑战，全国范围内越来越多的污水厂出水难以达到新标准的要求，并且出现了越来越多的后续问题[7-12]。

目前，世界范围内的绝大多数国家与地区广泛应用传统的生物脱氮技术，但是，随着污水处理排放标准的提高，许多工艺已经不再满足新的需求，目前，城镇污水处理厂运行工艺主要存在的问题有：能耗高，需要大量曝气；投药量大，调节pH；处理效率较低；能源回收率差；有机物含量低，最终导致出水硝酸盐氮含量过高；污泥产量高，污泥处理额外耗能，超过了污水处理60%的成本；脱氮负荷低，不满足高氨氮废水处理的要求[13-18]。总之，传统生物脱氮工艺正面临着以上诸多限制问题的影响[19]。

厌氧氨氧化（Anammox）于1995 年在反硝化流化床反应器中首次被发现[20]。与传统生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有占地面积小、节约100%碳源、节省60%供氧能耗、污泥产量低、减少温室气体N2O 排放、最终约减少90%的运行费用等显著低碳特性，是污水处理领域的颠覆性技术，已成为国内外污水生物脱氨领域的研究热点[21-26]。

然而，厌氧氨氧化工艺目前还存在诸多的限制，如厌氧氨氧化反应条件苛刻（基质浓度、pH、有机物、溶解氧无机碳源等都有要求）、AnAOB 菌种世代周期长、反应器启动时间较长、生成硝态氮降低总氮处理效率[27-32]。

因此，对于厌氧氨氧化菌如何能够实现快速富集，如何使厌氧氨氧化反应器稳定运行，成为国内外学者关注的热点方向。本文将对这一过程中的影响因素进行综述，并提出自己的建议，希望对后续研究提供一定的借鉴和帮助。

1 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化反应主要是一种泛指厌氧氨氧化菌通过在厌氧或者缺氧环境中产生氮气的化学反应过程，亚硝酸盐氮作为电子受体，氨氮作为电子供体，主要的化学反应式有：

2 厌氧氨氧化菌富集影响因素

2.1 温度

厌氧氨氧化工艺的最佳温度范围是30～37 ℃[24，33]。低温会显著抑制厌氧氨氧化工艺的脱氮效率[34]，当温度高于45 ℃时，厌氧氨氧化的活性不可逆地降低[35]。Wang 等[36]研究了连续温度变化对固定化厌氧氨氧化填料脱氮效果的影响，发现12.5 ℃以下，Anammox 活性受到严重抑制，在12.5～23 ℃范围内，温度对脱氮效果的影响大于水力停留时间，同时发现群落结构随着温度的变化而迁移。Lin 等[37]研究发现，当温度从35 ℃下降到15 ℃时，蛋白质含量的变化明显，证明厌氧氨氧化菌活性受到的抑制作用较为明显。李祥等[38]的研究发现，温度低于20 ℃后，反应器内的氮素去除受到抑制，低于15 ℃后，抑制更加明显，且出现了亚硝酸盐积累。周蒙蒙等[39]研究发现，23 ℃是UASB 反应器稳定运行的转折点，低于23 ℃后，脱氮效率下降，但是长期运行，有利于驯化厌氧氨氧化微生物适应低温环境的能力。在自然系统中，厌氧氨氧化细菌在-2～85 ℃范围内具有较强的耐温能力，这些结果为厌氧氨氧化工艺在驯化后处理不同温度的废水提供了可能性。然而，即使经过驯化，厌氧氨氧化脱氮能力在低温和高温下仍低于最适温度范围。因此，控制温度仍会是制约厌氧氨氧化工艺实际规模应用的众多影响因素之一。

2.2 pH

厌氧氨氧化细菌对pH 的变化十分敏感，所以在厌氧氨氧化工艺的建造过程中控制pH 在合理范围至关重要。Strous 等[28]提出，厌氧氨氧化细菌的生理pH值在6.6～8.4。Tomaszewski 等[22]研究结果显示，厌氧氨氧化菌在pH 为6.5～8.9 范围之内表现出最高的活性。Egli 等[40]的研究发现，最适pH 为7.6～8.2。Tang 等[41]研究发现，在高pH 值8.7～9.2 的条件下，Jaroszynski 等[42]研究发现，在低pH 值6.4 的条件下，均可以进行稳定的厌氧氨氧化反应。相比之下，Fux 等[43]研究发现，当pH 为9.3 时，厌氧氨氧化活性被完全抑制。李亚峰等[44]研究了pH 对厌氧氨氧化反应脱氮效率的影响，发现pH 为8 时，是厌氧氨氧化反应的最佳值，脱氮效率最高。唐政坤等[45]在pH 单因素实验中研究发现，pH 在7.6～8.2 范围内时，氮去除效率最高，厌氧氨氧化菌的活性也达到了最佳值。综上所述，当环境pH 在最佳pH 范围之外时，厌氧氨氧化菌的代谢活性会表现出不同程度的抑制作用。

2.3 溶解氧

DO 是厌氧氨氧化过程的关键操作参数[46]。有文献研究表明[30，40]，作为专性的厌氧菌，厌氧菌可以被低水平的溶解氧（0.25%～2%氧饱和度）可逆地抑制，但在高溶解氧水平（＞20%氧饱和度，约1.5 mg/L）时可能不可逆地抑制。Kalvelage 等[47]实验结果表明，20 μmol/L 的溶解氧浓度，是厌氧氨氧化菌能够适应的浓度上限，另外，也有其他的文献研究表明，厌氧氨氧化菌能够适应的溶解氧浓度最大值为1.5 mg/L。李祥等[48]对比了去除DO 与不去除状态下的厌氧氨氧化启动，发现不去除DO 的反应器，启动时间延长，启动成功后的处理效果均不如去除DO 的反应器。李亚峰等[49]研究发现，DO对厌氧氨氧化菌活性产生的负面作用是可恢复的，再进行DO 去除后，观察到厌氧氨氧化菌活性恢复到抑制之前的状态。因此，应该严格控制厌氧氨氧化反应系统中的DO 浓度，以达到避免出现溶解氧产生的抑制。

2.4 有机物

厌氧氨氧化工艺自身不需要外加有机碳源就能发生，但就工业废水和生活污水来说，其中含有大量的有机物，甚至污水厂尾水依旧含有一定程度的有机物。一般认为，有机物（有机碳）对厌氧氨氧化的菌有不利影响[50-52]。Zhu 等[53]以淀粉作为有机碳源，发现在COD 小于200 mg/L 时，有机碳源对厌氧氨氧化过程影响不大。当COD 浓度为240 mg/L 时，出水硝酸盐氮浓度降至29.5 mg/L，随着COD 的增加，氮浓度进一步降低，当COD＞480 mg/L 时，出水氨氮浓度增加，当COD 浓度为720 mg/L 时，达到峰值36 mg/L。马艳红等[54]以乙酸钠为有机碳源，探究不同COD 浓度对厌氧氨氧化启动的影响，发现有机物浓度较低时对厌氧氨氧化启动起到了良好的促进作用，高浓度则有一定抑制，但启动成功后，高浓度下脱氮效率更高。严子春等[55]探究有机碳源对厌氧氨氧化膜生物反应器脱氮效能影响，发现30 mg/L 和60 mg/L COD 浓度下脱氮效率相较于不投加时有明显提升，但继续提升至90 mg/L 时，效果则较低浓度时有小幅下降。因此，研究有机物对厌氧氨氧化工艺的影响作用，将有助于深入研究和应用厌氧氨氧化工艺来处理含氮有机废水。

2.5 底物浓度

厌氧氨氧化工艺的主要反应底物是氨氮和亚硝酸盐氮，但是，这两种底物在反应器中的浓度是需要控制的，如果在反应器中氨氮和亚硝酸盐氮浓度过高时，会对厌氧氨氧化菌的活性产生强烈的抑制作用，且浓度一旦超过反应阈值时，则会对厌氧氨氧化菌造成不可逆转的抑制危害。不同的进水负荷会降低工艺性能，甚至会降低优势细菌的变化[56]。高超龙等[57]考察了利用UASB 反应器作为厌氧氨氧化反应器，来处理高浓度的含氮废水时，氨氮和总氮去除率分别达到了99.33%和92.96%，而当采用低浓度含氮废水为进水时，总氮的去除效果下降为74.09%。李龙翔等[58]将进水负荷由150 mg/L 逐步提升至400 mg/L 时，发现脱氮性能依旧稳定，但使反应器内膜污染加剧。有研究报道，即使当氨氮浓度高达1 g/L 时，厌氧氨氧化反应过程也没有受到抑制[28]。然而，其他研究报告称，当氨氮浓度过高时，会对厌氧氨氧化反应过程产生严重抑制[28，59，60]。据报道，亚硝酸盐浓度过高的情况存在时，大多数的微生物受到了严重抑制[61]。厌氧氨氧化的底物之一是亚硝酸盐，但是由于亚硝酸盐自身所具有一定的生物毒性，亚硝酸盐浓度超过承受阈值时对厌氧氨氧化菌活性会产生危害，厌氧氨氧化反应也会受到明显的抑制作用。因此，在现实工艺和日常实验中需要严格控制氨氮和亚硝酸盐浓度，为厌氧氨氧化反应的稳定运行提供条件。

2.6 盐度

采用厌氧氨氧化工艺处理含盐废水，特别是高盐废水时，应考虑盐度作为潜在抑制因素的影响。Zhang等[62]研究厌氧氨氧化法处理含盐的低氨废水，发现低浓度盐度（1～5 g/L）条件下，厌氧氨氧化细菌的活性和脱氮效率均未受到较大影响，但显著提高了其生长。中等盐度（10～40 g/L）条件下，比厌氧氨氧化活性（SAA）从最初的13.15 mg N g-1SS h-1降低到8.11 mg N g-1SS h-1，但（Candidatus Kuenenia）丰度从30.1% 增加到52.3%。高盐度（50～60 g/L）对活性和丰度都有严重的抑制作用，SAA 降至0，丰度降至11.9%。Jeong 等[63]研究发现，当盐度从0 增加到5 g/L 时，氮去除率急剧降至2.3%，但是Zhang 等[64]发现AnAOB 随着盐度的增加而富集。Zhou 等[65]研究发现，30 g/L 的盐度胁迫下，抑制了反应器的脱氮效率。Lin 等[66]研究发现，9.1 g/L的盐度作用下，厌氧氨氧化活性降低了50%。总之，厌氧氨氧化法处理低盐度低氨污水可直接采用厌氧氨氧化法，处理中高盐度污水需预先提出活性增强或适应性改进，以防止高盐度对厌氧氨氧化菌产生不可逆的抑制。

3 厌氧氨氧化反应器类型

随着厌氧氨氧化工艺的逐步发展，诞生出一系列厌氧氨氧化反应器，目前主要应用于实验室的小型实验和中型实验的反应器类型主要有：UASB（上流式厌氧污泥床）、EGSB（膨胀颗粒污泥床）、SBR、UBF（上流式污泥床-过滤器）、ABF（曝气生物滤池）、血清瓶、圆柱形反应器等。其中，因UASB 反应器具有污泥保持量高、反应器容积负荷高、水力停留时间短依旧可以稳定运行等优点，成为了最常见的反应器，受到大多数研究者的应用。