鑒于當(dāng)前污水處理廠的發(fā)展趨勢(shì)，類似于能量盈余(energypositive)和能量中和(energyneutral)污水處理技術(shù)的開發(fā)愈發(fā)得到水處理領(lǐng)域研究人員的青睞。相對(duì)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(xiàng)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(yīng)用推動(dòng)了污水處理廠由高能耗的末端處理向零能耗或產(chǎn)能單元的功能轉(zhuǎn)變。厭氧氨氧化菌以亞硝酸為電子受體氧化氨而生成氮?dú)?，從而達(dá)到對(duì)水中氮素污染去除的目的。與傳統(tǒng)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(jié)省能耗；無(wú)需pH調(diào)控，節(jié)省堿性物質(zhì)的投加；自養(yǎng)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(duì)厭氧氨氧化過程的反應(yīng)機(jī)理、菌種的生長(zhǎng)特性及種類分布進(jìn)行了詳細(xì)介紹，總結(jié)了厭氧氨氧化技術(shù)在不同廢水脫氮領(lǐng)域的研究及應(yīng)用情況，指出了當(dāng)前限制其大規(guī)模工業(yè)推廣的瓶頸及在應(yīng)用過程中遇到的問題，并給出了相應(yīng)建議。

　　一、厭氧氨氧化技術(shù)

　　1.1厭氧氨氧化反應(yīng)的提出及其機(jī)理

　　1977年，BRODA依據(jù)化學(xué)熱力學(xué)過程預(yù)言了厭氧氨氧化反應(yīng)存在，但直到1995年MULDER等才在流化床生物脫氮反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了該反應(yīng)。1999年，STROUS等揭示了厭氧氨氧化菌的分子結(jié)構(gòu)和生理學(xué)特性。2002年，SINNINGHEDAMSTé等分析揭示了厭氧氨氧化菌細(xì)胞膜具有獨(dú)特的梯形磷脂類化合物，并可作為厭氧氨氧化菌生物標(biāo)記。研究至今，依據(jù)厭氧氨氧化反應(yīng)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(yīng)模型，分別是以羥胺(NH2OH)和NO為中間介質(zhì)的反應(yīng)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(yīng)模型中，NO2--N首先被還原為NH2OH，然后NH2OH與NH4+-N結(jié)合生成N2H4，最后N2H4被氧化生成N2，完成自養(yǎng)脫氮全過程。在以NO為介質(zhì)的反應(yīng)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，完成脫氮全過程。

　　1.2厭氧氨氧化菌的特性

　　厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)緩慢，生長(zhǎng)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(jī)物濃度等均會(huì)對(duì)其活性產(chǎn)生影響。在實(shí)驗(yàn)室條件下，厭氧氨氧化菌的倍增時(shí)間為11d，而在工程化應(yīng)用中其倍增時(shí)間會(huì)長(zhǎng)達(dá)28d，甚至一個(gè)月以上。另外，厭氧氨氧化菌只有在高細(xì)胞濃度時(shí)才能表現(xiàn)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(yīng)是一種厭氧自養(yǎng)反應(yīng)，整個(gè)過程中二氧化碳為微生物生長(zhǎng)所需碳源，不需要額外添加有機(jī)碳源；同時(shí)，該反應(yīng)不需要曝氣，污泥產(chǎn)量低，極大地降低了基建費(fèi)用與運(yùn)行成本。鑒于厭氧氨氧化反應(yīng)的各項(xiàng)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(yǎng)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

　　厭氧氨氧化菌是一種化能自養(yǎng)型細(xì)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(jù)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，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，詳見表1。厭氧氨氧化菌細(xì)胞內(nèi)含有大量的細(xì)胞色素c，細(xì)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(xiàn)紅棕色。

　　二、厭氧氨氧化技術(shù)在廢水脫氮領(lǐng)域的應(yīng)用

　　世界上第一座工業(yè)規(guī)模的厭氧氨氧化反應(yīng)器于2002年在荷蘭鹿特丹市建成，開創(chuàng)了厭氧氨氧化技術(shù)在廢水脫氮領(lǐng)域應(yīng)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。厭氧氨氧化技術(shù)在含氮廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)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(shè)計(jì)方式，啟動(dòng)歷時(shí)3.5a，脫氮負(fù)荷可達(dá)7.1kg/(m3?d)，該裝置的成功運(yùn)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。呂?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(yīng)器中成功啟動(dòng)厭氧氨氧化過程，利用短程硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)污泥消化液的有效處理，最終總氮去除負(fù)荷為1.03kg/(m3?d)，總氮去除率達(dá)到70%。薛源等利用前置厭氧氨氧化-亞硝化反應(yīng)器對(duì)污泥消化液和城市污水的混合液進(jìn)行處理，總氮去除負(fù)荷達(dá)0.40kg/(m3?d)。黃方玉等研究了自養(yǎng)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(yàn)結(jié)果表明，在30℃條件下反應(yīng)器脫氮性能最佳，總氮脫除負(fù)荷可達(dá)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(yīng)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(fù)荷為0.27kg/(m3?d)。王剛在移動(dòng)床生物膜反應(yīng)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)了厭氧氨氧化過程，污泥消化液處理量可達(dá)400m3/d，出水總氮質(zhì)量濃度低于300mg/L，總氮去除率達(dá)70%。

　　綜上可知，厭氧氨氧化技術(shù)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)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(duì)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(fù)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(tǒng)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(dá)96%、95%和87%，系統(tǒng)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(dāng)進(jìn)水總氮負(fù)荷為0.9kg/(m3?d)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)垃圾滲濾液的總氮去除率達(dá)88%。梁俊宇利用短程硝化―厭氧氨氧化聯(lián)合工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)垃圾滲濾液總氮的有效處理，系統(tǒng)的總氮去除負(fù)荷可達(dá)3.8kg/(m3?d)，厭氧氨氧化反應(yīng)器中菌種Candidatuskuenenia的豐度可達(dá)49.66%。黃奕亮研究了垃圾滲濾液處理過程中重金屬對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)重金屬離子達(dá)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，且重金屬種類越多，活性抑制越強(qiáng)烈，恢復(fù)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(tǒng)，成功解決了垃圾滲濾液中有機(jī)碳對(duì)于后續(xù)脫氮過程的影響問題，在進(jìn)水氨氮和COD均高達(dá)1100mg/L的情況下，系統(tǒng)仍可穩(wěn)定運(yùn)行，總氮去除負(fù)荷達(dá)1.37kg/(m3?d)。彭永臻等研究了回流比對(duì)短程硝化―厭氧氨氧化組合工藝處理垃圾滲濾液的影響，當(dāng)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(xiàn)較好的短程硝化效果，厭氧氨氧化系統(tǒng)的總氮去除負(fù)荷達(dá)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(yǎng)反硝化組合工藝對(duì)垃圾滲濾液的處理效果，厭氧氨氧化過程出水總氮去除率可達(dá)93.1%，出水總氮質(zhì)量濃度為176.3mg/L，利用硫自養(yǎng)反應(yīng)器處理后可實(shí)現(xiàn)出水總氮質(zhì)量濃度低于15mg/L，兩級(jí)自養(yǎng)脫氮工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)垃圾滲濾液總氮的有效處理。WANG等利用SNAD工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yīng)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(xù)應(yīng)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(yīng)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(duì)穩(wěn)定，傳統(tǒng)的A/O工藝已經(jīng)可以對(duì)其實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)處理。但隨著近幾年國(guó)家對(duì)污水處理節(jié)能降耗的大力倡導(dǎo)，傳統(tǒng)的A/O工藝無(wú)法滿足要求。當(dāng)前傳統(tǒng)污水處理廠的運(yùn)行成本主要集中在脫氮單元的曝氣能耗、有機(jī)碳源投加和堿度藥劑投加。為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的，急需開發(fā)低成本生物脫氮技術(shù)。考慮到厭氧氨氧化技術(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(yīng)用研究受到關(guān)注。

　　李田等利用厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)對(duì)城市生活污水進(jìn)行脫碳預(yù)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(yīng)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(duì)城市生活污水處理后，實(shí)現(xiàn)了出水總氮質(zhì)量濃度低于10.0mg/L的處理目標(biāo)，厭氧氨氧化系統(tǒng)的總氮去除負(fù)荷為0.36kg/(m3?d)。曹懷禮利用強(qiáng)化一級(jí)處理耦合部分亞硝化―厭氧氨氧化工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市污水中碳、氮、磷的有效去除，通過化學(xué)生物一級(jí)強(qiáng)化處理后COD、氨氮、總磷的平均去除率分別達(dá)到53%、40%和85%，由于前端投加硫酸亞鐵藥劑，F(xiàn)e2+促進(jìn)了后續(xù)部分亞硝化―厭氧氨氧化過程的脫氮能力，最終出水總氮去除率達(dá)90%以上。楊嵐等通過向城市污水廠后置反硝化SBR系統(tǒng)中投加生物填料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)厭氧氨氧化菌的富集，厭氧氨氧化菌對(duì)污水總氮的脫除有著不可忽視的作用。張?jiān)姺f等在ABR中實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化與反硝化過程協(xié)同對(duì)生活污水的有效處理，結(jié)果表明，當(dāng)碳氮比為1.0時(shí)，出水總氮去除率最高，達(dá)到93%，此條件下厭氧氨氧化菌與反硝化菌實(shí)現(xiàn)了協(xié)同高效脫氮。

　　綜合以上研究結(jié)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(yīng)用前景，控制好進(jìn)入?yún)捬醢毖趸到y(tǒng)的有機(jī)碳源量和形成穩(wěn)定的亞硝化過程是厭氧氨氧化技術(shù)在低氨氮廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用外，也被應(yīng)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(duì)酚氨廢水的處理效能及其調(diào)控手段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：厭氧氨氧化菌對(duì)苯酚毒性的耐受程度要高于好氧氨氧化細(xì)菌(AOB)和亞硝酸氮氧化細(xì)菌(NOB);當(dāng)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(zhǎng)，總氮去除效果最好;Candidatuskuenenia和Candidatusbrocadia是酚氨廢水脫氮處理過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(xiàn)了對(duì)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)了亞硝化過程，亞硝氮產(chǎn)量為0.67kg/(m3?d)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在短程硝化過程的堿度補(bǔ)充方面碳酸鈉比碳酸氫鈉效果好，且費(fèi)用低，厭氧氨氧化過程出水總氮去除率穩(wěn)定在70%以上。林皓利用SBR―UASB組合的工藝形式實(shí)現(xiàn)了對(duì)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U(xiǎn)ASB反應(yīng)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(wěn)定在85%左右，總氮去除負(fù)荷為0.41~0.60kg/(m3?d)。張賀凱等在厭氧序批式反應(yīng)器(ASBR)中啟動(dòng)了厭氧氨氧化過程，對(duì)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(dá)95%和85%。何占飛等在ASBR中以好氧硝化污泥為種泥、以經(jīng)稀釋的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水為進(jìn)水成功啟動(dòng)了厭氧氨氧化過程，歷時(shí)125d，反應(yīng)器出水總氮去除率達(dá)90%以上。DAVEREY等在SBR中利用SAND工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)光電廢水的脫氮處理，SBR的運(yùn)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(yùn)行8個(gè)月后COD去除負(fù)荷為0.028kg/(m3?d)，氨氮去除負(fù)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(yù)計(jì)未來(lái)厭氧氨氧化技術(shù)在廢水生物脫氮領(lǐng)域?qū)⑷〈鷤鹘y(tǒng)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(guó)的應(yīng)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，且處理過程能耗低、運(yùn)行成本低，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。即使是高碳氮比的廢水，通過與其他工藝的組合依然可以實(shí)現(xiàn)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(guī)模反應(yīng)器在穩(wěn)定運(yùn)行，但厭氧氨氧化的工業(yè)化進(jìn)程十分緩慢，尤其在我國(guó)，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(xì)胞增殖慢，倍增時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)環(huán)境條件敏感，這導(dǎo)致厭氧氨氧化菌的富集培養(yǎng)較為困難。目前，國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室小試規(guī)模的厭氧氨氧化菌富集培養(yǎng)研究已經(jīng)較為成熟，通過選擇合適的富集培養(yǎng)裝置及方法、優(yōu)化操作條件并采取強(qiáng)化措施等，可獲得高活性和高密度的厭氧氨氧化菌培養(yǎng)物。但是，對(duì)于工業(yè)裝置中厭氧氨氧化菌的馴化培養(yǎng)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(jí)裝置厭氧氨氧化菌的富集培養(yǎng)將成為該技術(shù)接下來(lái)的重點(diǎn)研究問題。對(duì)于厭氧氨氧化種泥缺乏問題，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(zhǎng)。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　厭氧氨氧化技術(shù)在脫氮領(lǐng)域的應(yīng)用并不是獨(dú)立的，而是與其他工藝組合應(yīng)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，短程硝化過程的穩(wěn)定控制也是廢水生物脫氮領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。對(duì)于高碳氮比的廢水，前端的除碳預(yù)處理工藝的研究與開發(fā)也十分重要，該階段的處理效果關(guān)系到后續(xù)厭氧氨氧化脫氮工藝能否成功運(yùn)行。目前，厭氧氨氧化技術(shù)已被應(yīng)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(tǒng)的高能耗脫氮技術(shù)，成為可使污水處理廠從高能耗轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芎纳踔亮隳芎牡暮诵募夹g(shù)，也是實(shí)現(xiàn)污水資源化處置的重要保障。（來(lái)源：中國(guó)石化 大連石油化工研究院；大連理工大學(xué) 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）