鑒于當前污水處理廠(chǎng)的發(fā)展趨勢，類(lèi)似于能量盈余(energypositive)和能量中和(energyneutral)污水處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)愈發(fā)得到水處理領(lǐng)域研究人員的青睞。相對于基于物理化學(xué)方法的污水處理技術(shù)，生物法具有更加環(huán)境友好、簡(jiǎn)單廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。在廢水生物脫氮領(lǐng)域，厭氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation，ANAMMOX)技術(shù)就是一項低能耗、高去除率的新型能量中和污水處理技術(shù)。厭氧氨氧化技術(shù)的提出與應用推動(dòng)了污水處理廠(chǎng)由高能耗的末端處理向零能耗或產(chǎn)能單元的功能轉變。厭氧氨氧化菌以亞硝酸為電子受體氧化氨而生成氮氣，從而達到對水中氮素污染去除的目的。與傳統的硝化-反硝化脫氮技術(shù)相比，厭氧氨氧化技術(shù)具有無(wú)需供氧，節省能耗；無(wú)需pH調控，節省堿性物質(zhì)的投加；自養脫氮，無(wú)碳源需求；污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)。厭氧氨氧化技術(shù)因其高效率、低能耗的特點(diǎn)，在廢水生物脫氮領(lǐng)域備受推崇。
本文對厭氧氨氧化過(guò)程的反應機理、菌種的生長(cháng)特性及種類(lèi)分布進(jìn)行了詳細介紹，總結了厭氧氨氧化技術(shù)在不同廢水脫氮領(lǐng)域的研究及應用情況，指出了當前限制其大規模工業(yè)推廣的瓶頸及在應用過(guò)程中遇到的問(wèn)題，并給出了相應建議。
一、厭氧氨氧化技術(shù)
1.1厭氧氨氧化反應的提出及其機理
1977年，BRODA依據化學(xué)熱力學(xué)過(guò)程預言了厭氧氨氧化反應存在，但直到1995年MULDER等才在流化床生物脫氮反應器中發(fā)現了該反應。1999年，STROUS等揭示了厭氧氨氧化菌的分子結構和生理學(xué)特性。2002年，SINNINGHEDAMSTé等分析揭示了厭氧氨氧化菌細胞膜具有獨特的梯形磷脂類(lèi)化合物，并可作為厭氧氨氧化菌生物標記。研究至今，依據厭氧氨氧化反應中間介質(zhì)的不同，主要提出了兩種厭氧氨氧化代謝途徑的反應模型，分別是以羥胺(NH2OH)和NO為中間介質(zhì)的反應模型。在整個(gè)代謝途徑中，參與的酶主要有亞硝酸鹽還原酶、羥胺氧化還原酶、聯(lián)氨水解酶、聯(lián)氨氧化酶等。在以NH2OH為介質(zhì)的反應模型中，NO2--N首先被還原為NH2OH，然后NH2OH與NH4+-N結合生成N2H4，最后N2H4被氧化生成N2，完成自養脫氮全過(guò)程。在以NO為介質(zhì)的反應模型中，亞硝氮首先被還原為NO，NO作為NH4+-N的電子受體生成N2H4，最后N2H4進(jìn)一步被氧化生成N2，完成脫氮全過(guò)程。
1.2厭氧氨氧化菌的特性
厭氧氨氧化菌生長(cháng)緩慢，生長(cháng)條件苛刻，極易受到外界環(huán)境條件的影響，溫度、pH、基質(zhì)濃度、DO、有機物濃度等均會(huì )對其活性產(chǎn)生影響。在實(shí)驗室條件下，厭氧氨氧化菌的倍增時(shí)間為11d，而在工程化應用中其倍增時(shí)間會(huì )長(cháng)達28d，甚至一個(gè)月以上。另外，厭氧氨氧化菌只有在高細胞濃度時(shí)才能表現出脫氮活性，故迄今為止仍未獲得厭氧氨氧化菌的純系菌株。厭氧氨氧化反應是一種厭氧自養反應，整個(gè)過(guò)程中二氧化碳為微生物生長(cháng)所需碳源，不需要額外添加有機碳源；同時(shí)，該反應不需要曝氣，污泥產(chǎn)量低，極大地降低了基建費用與運行成本。鑒于厭氧氨氧化反應的各項優(yōu)點(diǎn)，近些年以厭氧氨氧化技術(shù)為核心的生物脫氮工藝得到迅猛發(fā)展，如SHARON(短程硝化反硝化，shortcutnitrification-denitrification)-ANAMMOX工藝、CANON(亞硝酸鹽完全自養脫氮，completelyautotrophicnitrogenremovalovernitrite)工藝和SNAD(同步顆粒硝化、厭氧氨氧化和反硝化，simultaneousparticialnitrification，anammoxanddenitrification)工藝等。
1.3厭氧氨氧化菌的種類(lèi)
厭氧氨氧化菌是一種化能自養型細菌，屬于革蘭氏陰性菌。海洋、湖泊和河流中50%以上的氮素循環(huán)是由厭氧氨氧化菌完成。根據16SrRNA同源性可將厭氧氨氧化菌歸入浮霉菌綱(Planctomycetia)。以16SrRNA序列差異15%為標準，浮霉菌綱可分為浮霉菌目(Planctomycetales)和厭氧氨氧化菌目(Brocadiaceae)。以16SrRNA序列差異5%為標準，厭氧氨氧化菌目前共分為6個(gè)屬，分別為Anammoxoglobus，Anammoximicrobium，Brocadia，Jettenia，Kuenenia和Scalindua，詳見(jiàn)表1。厭氧氨氧化菌細胞內含有大量的細胞色素c，細胞色素c有利于酶的合成及電子傳遞，其含量也可表征厭氧氨氧化菌的活性，因此一般活性較高的厭氧氨氧化菌呈現紅棕色。
二、厭氧氨氧化技術(shù)在廢水脫氮領(lǐng)域的應用
世界上第一座工業(yè)規模的厭氧氨氧化反應器于2002年在荷蘭鹿特丹市建成，開(kāi)創(chuàng )了厭氧氨氧化技術(shù)在廢水脫氮領(lǐng)域應用的先河。到2014為止，全世界相繼建立了100多座厭氧氨氧化污水處理廠(chǎng)。厭氧氨氧化技術(shù)在含氮廢水處理領(lǐng)域的應用前景廣闊，尤其在處理氨氮濃度高且碳源明顯不足的工業(yè)廢水方面極具潛力。
2.1污泥消化液處理
世界上第一座厭氧氨氧化工業(yè)裝置以污泥消化液為進(jìn)水，裝置有效容積70m3，采用升流式厭氧污泥床(UASB)的設計方式，啟動(dòng)歷時(shí)3.5a，脫氮負荷可達7.1kg/(m3•d)，該裝置的成功運行為厭氧氨氧化技術(shù)在廢水生物脫氮領(lǐng)域的推廣與應用奠定了基礎。呂鑑等以好氧顆粒污泥、厭氧顆粒污泥、氧化溝活性污泥和短程硝化活性污泥組成的混合污泥為種泥在UASB反應器中成功啟動(dòng)厭氧氨氧化過(guò)程，利用短程硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝實(shí)現了對污泥消化液的有效處理，最終總氮去除負荷為1.03kg/(m3•d)，總氮去除率達到70%。薛源等利用前置厭氧氨氧化-亞硝化反應器對污泥消化液和城市污水的混合液進(jìn)行處理，總氮去除負荷達0.40kg/(m3•d)。黃方玉等研究了自養型同步脫氮工藝在不同溫度下處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的性能差異，實(shí)驗結果表明，在30℃條件下反應器脫氮性能最佳，總氮脫除負荷可達2.29kg/(m3•d)。查正太等利用厭氧氨氧化協(xié)同反硝化工藝，在污泥消化液碳氮比為1.5、pH=8.0的條件下獲得了最佳脫氮效果。楊延棟等通過(guò)短程硝化污泥接種和厭氧氨氧化生物膜填料啟動(dòng)了短程硝化-厭氧氨氧化反應器，最終出水COD、氨氮和總氮的去除率分別為66.8%、99.0%和94.4%，總氮去除負荷為0.27kg/(m3•d)。王剛在移動(dòng)床生物膜反應器(MBBR)中利用硝化污泥和少量厭氧氨氧化污泥作為種泥，成功啟動(dòng)了厭氧氨氧化過(guò)程，污泥消化液處理量可達400m3/d，出水總氮質(zhì)量濃度低于300mg/L，總氮去除率達70%。
綜上可知，厭氧氨氧化技術(shù)是當前實(shí)現污泥消化液高效、低耗脫氮的主要技術(shù)手段。在多種工藝形式下，厭氧氨氧化技術(shù)對污泥消化液均能取得較好的脫氮效果。
2.2垃圾滲濾液
垃圾滲濾液高COD、高氨氮、成分復雜的特點(diǎn)使其成為難處理的廢水之一，其生化處理單元一般包括除COD和脫氮兩個(gè)部分。由于其氨氮含量高，傳統的硝化-反硝化工藝處理成本高昂，因此近些年厭氧氨氧化技術(shù)成為垃圾滲濾液脫氮處理的首選。
李蕓等在UASB生物膜中啟動(dòng)了厭氧氨氧化過(guò)程，處理晚期垃圾滲濾液，氨氮、亞硝氮和硝氮的平均去除率分別可達96%、95%和87%，系統中厭氧氨氧化顆粒污泥的厭氧氨氧化活性良好。徐曉晨等在MBBR中啟動(dòng)了SNAD工藝，控制溫度為33~35℃、DO為0.03~0.10mg/L、pH為7.5~8.0、HRT為12h，當進(jìn)水總氮負荷為0.9kg/(m3•d)時(shí)，系統對垃圾滲濾液的總氮去除率達88%。梁俊宇利用短程硝化—厭氧氨氧化聯(lián)合工藝實(shí)現了對垃圾滲濾液總氮的有效處理，系統的總氮去除負荷可達3.8kg/(m3•d)，厭氧氨氧化反應器中菌種Candidatuskuenenia的豐度可達49.66%。黃奕亮研究了垃圾滲濾液處理過(guò)程中重金屬對厭氧氨氧化菌的抑制作用，實(shí)驗結果表明，當重金屬離子達到一定濃度后，厭氧氨氧化菌的活性降低，并有部分菌體失活，且重金屬種類(lèi)越多，活性抑制越強烈，恢復難度也越大。王凡等在短程硝化—厭氧氨氧化組合工藝前添加了反硝化系統，成功解決了垃圾滲濾液中有機碳對于后續脫氮過(guò)程的影響問(wèn)題，在進(jìn)水氨氮和COD均高達1100mg/L的情況下，系統仍可穩定運行，總氮去除負荷達1.37kg/(m3•d)。彭永臻等研究了回流比對短程硝化—厭氧氨氧化組合工藝處理垃圾滲濾液的影響，當回流比為300%時(shí)，利用游離氨(FA)與游離亞硝酸(FNA)的聯(lián)合抑制作用可以實(shí)現較好的短程硝化效果，厭氧氨氧化系統的總氮去除負荷達1.04kg/(m3•d)。彭荷衢等探究了短程硝化反硝化—厭氧氨氧化—硫自養反硝化組合工藝對垃圾滲濾液的處理效果，厭氧氨氧化過(guò)程出水總氮去除率可達93.1%，出水總氮質(zhì)量濃度為176.3mg/L，利用硫自養反應器處理后可實(shí)現出水總氮質(zhì)量濃度低于15mg/L，兩級自養脫氮工藝實(shí)現了對垃圾滲濾液總氮的有效處理。WANG等利用SNAD工藝實(shí)現了對垃圾滲濾液的有效處理，每天的處理量約為304m3，污泥停留時(shí)間在12~18d，進(jìn)水COD和NH4+-N的質(zhì)量濃度分別為554mg/L和634mg/L，出水COD和NH4+-N的去除率分別為28%和80%。
通過(guò)以上研究可以看出，厭氧氨氧化技術(shù)在垃圾滲濾液脫氮領(lǐng)域的應用研究已較為成熟，其主要工藝為短程硝化與厭氧氨氧化耦合的形式，后續應大力推進(jìn)厭氧氨氧化技術(shù)在垃圾滲濾液脫氮領(lǐng)域的工業(yè)化應用。
2.3城市生活污水
城市生活污水與工業(yè)污水相比，其污染物濃度低且水質(zhì)水量相對穩定，傳統的A/O工藝已經(jīng)可以對其實(shí)現達標處理。但隨著(zhù)近幾年國家對污水處理節能降耗的大力倡導，傳統的A/O工藝無(wú)法滿(mǎn)足要求。當前傳統污水處理廠(chǎng)的運行成本主要集中在脫氮單元的曝氣能耗、有機碳源投加和堿度藥劑投加。為了達到節能降耗的目的，急需開(kāi)發(fā)低成本生物脫氮技術(shù)?？紤]到厭氧氨氧化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，厭氧氨氧化技術(shù)在城市生活污水處理領(lǐng)域的應用研究受到關(guān)注。
李田等利用厭氧折流板反應器(ABR)對城市生活污水進(jìn)行脫碳預處理，然后進(jìn)入亞硝化耦合厭氧氨氧化裝置進(jìn)行脫氮，最終ABR—短程硝化—厭氧氨氧化一體化裝置的出水總氮去除率在86%~92%，出水COD在20~40mg/L，該工藝的關(guān)鍵點(diǎn)在于為厭氧氨氧化反應器提供合適的進(jìn)水。同樣地，吳鵬等利用ABR—短程硝化—厭氧氨氧化工藝對城市生活污水處理后，實(shí)現了出水總氮質(zhì)量濃度低于10.0mg/L的處理目標，厭氧氨氧化系統的總氮去除負荷為0.36kg/(m3•d)。曹懷禮利用強化一級處理耦合部分亞硝化—厭氧氨氧化工藝實(shí)現了對城市污水中碳、氮、磷的有效去除，通過(guò)化學(xué)生物一級強化處理后COD、氨氮、總磷的平均去除率分別達到53%、40%和85%，由于前端投加硫酸亞鐵藥劑，Fe2+促進(jìn)了后續部分亞硝化—厭氧氨氧化過(guò)程的脫氮能力，最終出水總氮去除率達90%以上。楊嵐等通過(guò)向城市污水廠(chǎng)后置反硝化SBR系統中投加生物填料，實(shí)現了對厭氧氨氧化菌的富集，厭氧氨氧化菌對污水總氮的脫除有著(zhù)不可忽視的作用。張詩(shī)穎等在A(yíng)BR中實(shí)現了厭氧氨氧化與反硝化過(guò)程協(xié)同對生活污水的有效處理，結果表明，當碳氮比為1.0時(shí)，出水總氮去除率最高，達到93%，此條件下厭氧氨氧化菌與反硝化菌實(shí)現了協(xié)同高效脫氮。
綜合以上研究結果可以看出，厭氧氨氧化技術(shù)在低氨氮廢水處理領(lǐng)域具有較廣闊的應用前景，控制好進(jìn)入厭氧氨氧化系統的有機碳源量和形成穩定的亞硝化過(guò)程是厭氧氨氧化技術(shù)在低氨氮廢水處理領(lǐng)域的應用關(guān)鍵。
2.4其他廢水
厭氧氨氧化技術(shù)除了在以上3種廢水的處理中具有廣泛的應用外，也被應用于其他廢水處理領(lǐng)域。
任雪松研究了部分亞硝化—厭氧氨氧化工藝對酚氨廢水的處理效能及其調控手段，實(shí)驗結果表明：厭氧氨氧化菌對苯酚毒性的耐受程度要高于好氧氨氧化細菌(AOB)和亞硝酸氮氧化細菌(NOB);當進(jìn)水酚氮質(zhì)量比高于1.5時(shí)短程硝化菌的活性受到明顯抑制，而進(jìn)水酚氮質(zhì)量比控制在0.5左右時(shí)利于短程硝化菌的生長(cháng)，總氮去除效果最好;Candidatuskuenenia和Candidatusbrocadia是酚氨廢水脫氮處理過(guò)程中的主要厭氧氨氧化菌種。馮興會(huì )等利用短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝實(shí)現了對氧化鐵紅廢水的有效處理，在沸石曝氣生物濾池中成功啟動(dòng)了亞硝化過(guò)程，亞硝氮產(chǎn)量為0.67kg/(m3•d)。實(shí)驗結果表明，在短程硝化過(guò)程的堿度補充方面碳酸鈉比碳酸氫鈉效果好，且費用低，厭氧氨氧化過(guò)程出水總氮去除率穩定在70%以上。林皓利用SBR—UASB組合的工藝形式實(shí)現了對合成革廢水的脫氮處理，經(jīng)厭氧濾池脫碳的合成革廢水進(jìn)入SBR進(jìn)行短程硝化后出水進(jìn)入UASB反應器進(jìn)行厭氧氨氧化脫氮，最終出水氨氮質(zhì)量濃度約15mg/L?？偟獫舛燃s55mg/L，出水COD小于40mg/L，總氮去除率穩定在85%左右，總氮去除負荷為0.41~0.60kg/(m3•d)。張賀凱等在厭氧序批式反應器(ASBR)中啟動(dòng)了厭氧氨氧化過(guò)程，對經(jīng)芬頓工藝處理后的腈綸廢水進(jìn)行深度處理，出水氨氮和COD的去除率分別達95%和85%。何占飛等在A(yíng)SBR中以好氧硝化污泥為種泥、以經(jīng)稀釋的養豬場(chǎng)廢水為進(jìn)水成功啟動(dòng)了厭氧氨氧化過(guò)程，歷時(shí)125d，反應器出水總氮去除率達90%以上。DAVEREY等在SBR中利用SAND工藝實(shí)現了對光電廢水的脫氮處理，SBR的運行分為6個(gè)階段，進(jìn)水COD和氨氮質(zhì)量濃度分別為100mg/L和567mg/L，運行8個(gè)月后COD去除負荷為0.028kg/(m3•d)，氨氮去除負荷為0.197kg/(m3•d)。
綜上可以看出，厭氧氨氧化技術(shù)已被用于各種含氮廢水的處理中，且取得了很好的脫氮效果。預計未來(lái)厭氧氨氧化技術(shù)在廢水生物脫氮領(lǐng)域將取代傳統硝化-反硝化脫氮工藝，成為主流工藝。
三、厭氧氨氧化技術(shù)在我國的應用瓶頸
厭氧氨氧化工藝很好地解決了含氮廢水的脫氮難題，且處理過(guò)程能耗低、運行成本低，達到了節能降耗的目的。即使是高碳氮比的廢水，通過(guò)與其他工藝的組合依然可以實(shí)現高效率、低成本脫氮。目前，世界上雖然已有厭氧氨氧化工業(yè)規模反應器在穩定運行，但厭氧氨氧化的工業(yè)化進(jìn)程十分緩慢，尤其在我國，種泥缺乏成為限制厭氧氨氧化技術(shù)大范圍推廣的主要瓶頸。厭氧氨氧化菌細胞增殖慢，倍增時(shí)間長(cháng)，且對環(huán)境條件敏感，這導致厭氧氨氧化菌的富集培養較為困難。目前，國內實(shí)驗室小試規模的厭氧氨氧化菌富集培養研究已經(jīng)較為成熟，通過(guò)選擇合適的富集培養裝置及方法、優(yōu)化操作條件并采取強化措施等，可獲得高活性和高密度的厭氧氨氧化菌培養物。但是，對于工業(yè)裝置中厭氧氨氧化菌的馴化培養一直未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。因此，厭氧氨氧化菌的快速增殖和工業(yè)級裝置厭氧氨氧化菌的富集培養將成為該技術(shù)接下來(lái)的重點(diǎn)研究問(wèn)題。對于厭氧氨氧化種泥缺乏問(wèn)題，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)解決：1)研究能夠有效富集厭氧氨氧化菌的裝置和工藝條件;2)研究厭氧氨氧化菌的代謝途徑及其代謝酶的性質(zhì)，以期找到促進(jìn)菌種快速增殖的方法;3)研究合適的生物促進(jìn)劑，促進(jìn)厭氧氨氧化菌的快速生長(cháng)。
四、結語(yǔ)
厭氧氨氧化技術(shù)在脫氮領(lǐng)域的應用并不是獨立的，而是與其他工藝組合應用，尤其是短程硝化技術(shù)，該技術(shù)是厭氧氨氧化脫氮的有力保障。因此，短程硝化過(guò)程的穩定控制也是廢水生物脫氮領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。對于高碳氮比的廢水，前端的除碳預處理工藝的研究與開(kāi)發(fā)也十分重要，該階段的處理效果關(guān)系到后續厭氧氨氧化脫氮工藝能否成功運行。目前，厭氧氨氧化技術(shù)已被應用于多種廢水的脫氮，且處理效果很好。厭氧氨氧化技術(shù)的提出顛覆了傳統的高能耗脫氮技術(shù)，成為可使污水處理廠(chǎng)從高能耗轉變?yōu)榈湍芎纳踔亮隳芎牡暮诵募夹g(shù)，也是實(shí)現污水資源化處置的重要保障。（ >
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