吴攀
重庆交通大学河海学院，重庆市，400074
摘要：随着我国经济快速发展，氮、磷含量超标导致的水质恶化现象日益严峻。传统的生物脱氮技术存在建设及运行费用高、占地面积大、出水水质不稳定、高浓度的氨氮及亚硝态氮会对硝化菌产生抑制等问题。而厌氧氨氧化技术在处理高含量氨氮污水时，具有节省运行费用、除氮效率高、需氧量低、污泥产量低、工艺流程短等优点。本文主要分析了厌氧氨氧化反应的机理，介绍厌氧氨氧化菌种类及厌氧氨氧化相关耦合工艺，以期为污水处理提供一定的参考。
关键词：厌氧氨氧化；脱氮技术；工艺；污水处理
城镇污水经污水厂处理后氨氮及总氮超标是我国部分河流及水域水体富营养化的主要原因之一。传统的生物脱氮技术主要通过硝化和反硝化去除污水中的氮素。硝化细菌在充足的氧气下将氨氮转化为硝态氮，同时消耗大量的有机物；因此反硝化阶段则需要补充额外的碳源来完成反硝化反应。所以，传统的生物脱氮技术在去除污水中氮素过程中，必须面对高的能耗及成本问题。
基于传统的生物脱氮技术，通过优化工艺参数已开发出多种新型工艺如：两段式A/O工艺、氧化沟工艺、序批式活性污泥法（SBR）等，但上述工艺在本质上仍然是硝化及反硝化反应的结合，运行成本高和高能耗问题并未得到解决。随着上世纪末，以厌氧氨氧化反应为基础的新型工艺在实验室取得成功，并在少数污水处理厂中推广开来，其一方面可有效去除有机污染物，也可有效解决去除污水中的氮、磷问题。为此，笔者针对厌氧氨氧化反应的机理、菌群的种类、相关的污水处理工艺等进行综述，以期为厌氧氨氧化的推广提供理论支撑。
1.厌氧氨氧化反应机理
Broda等于上世纪70年代通过热力学方程推导出可以用亚硝酸盐作为电子受体来氧化氨氮的反应，为厌氧氨氧化工艺(ANAMMOX工艺)的发展打下坚实的理论基础。随后，众多学者对厌氧氨氧化进行了大量的研究。目前厌氧氨氧化反应模型主要包括两种：一种是vande Graaf等在1997年提出的羟胺（NH2OH）中间体反应模型，即NO2-+[H]→NH2OH，NH4++NH2OH→N2H4，N2H4→N2H2→N2，NO3-→NO2-；另一种是Kuenenia等提出的一氧化氮（NO）中间体反应模型，即NO2-→NO，NO+NH4+→N2H4，N2H4→N2。
2.厌氧氨氧化菌的种类
厌氧氨氧化菌属于自养型的厌氧细菌，国内外现阶段发现的厌氧氨氧化菌属主要有6种，Kuenenia属、Brocadia属、Jettenia属、Scalindua属、Anammoxoglobus属、Anammoximicrobium属等。厌氧氨氧化菌通常以亚硝酸根作为电子受体，氨根离子为电子供体。在不同环境中生长的厌氧氨氧化菌也具有较大的差异性，例如不同来源的污泥、海水、湖水中菌属差异性较大。
3.厌氧氨氧化技术的污水处理工艺
在传统的生物脱氮工艺中，硝化与反硝化技术已经非常成熟，并且在污废水生物处理领域中得到广泛的应用，但该技术依旧存在很多问题，如：占地面积较大、工艺流程长、需要外加碳源、需氧量高、污泥产量高，高浓度的氨氮及亚硝态氮对硝化菌产生抑制作用。ANAMMOX工艺是现存已知最简单和最经济的污水脱氮工艺。随着社会的发展，针对不同的水质状况，部分研究者已通过优化控制条件，创新去除工艺等方法达到理想的城镇污水脱氮效果。
3.1 SHARON-ANAMMOX工艺
SHARON-ANAMMOX工艺即短程硝化-厌氧氨氧化工艺，是现阶段应用最为广泛的厌氧氨氧化工艺，该工艺主要包含两个阶段：一、SHARON段，大约50%的NH4+-N在该阶段被氧化为NO2--N。
二、ANAMMOX段，上阶段所生成的NO2--N同剩余NH4+-N进行ANAMMOX反应生成NO3--N和N2。在短程硝化-厌氧氨氧化工艺中，第一阶段中部分氨氮转化为亚硝态氮，后期无需外加亚硝态氮，极大提高运行效率，节省运行费用。在工程实践中，通常将亚硝化及厌氧氨氧化细菌置于不同容器及反应条件下进行反应，让两类细菌分别发挥作用，从而达到最佳的脱氮效果。
SHARON-ANAMMOX联合工艺具有处理负荷高，需氧量低，可有效降低有害气体生成量、节省运行费用，缩减污泥产量等优点。但该工艺也存在运行环境苛刻，微生物数量难以维持等缺点。
3.2 CANON工艺
CANON工艺即全自养脱氮工艺，在低溶解氧浓度条件下，亚硝化细菌将部分氨氮氧化为亚硝态氮，并营造氨氮氧化细菌所需的厌氧环境；在同一反应容器中，厌氧氨氧化菌则以生成的亚硝态氮为电子受体同剩余氨氮在厌氧环境下发生反应释放氮气。亚硝酸细菌和厌氧氨氧化细菌均为自养型细菌，该工艺是在无机条件下进行的，无需添加碳源及相关有机物，是处理低碳氮比污水中最普遍的一种方法。在反应器中，常采用控制溶解氧或亚硝酸盐的方式，用来避免硝酸菌对于CANON工艺稳定性的干扰。
CANON工艺具有污泥产生比率较低、工艺流程短、无需外加有机物、氧气需求较低等特点，在处理低碳氮比、高氨氮含量污废水时，具有较好的推广及应用前景。但该工艺也存在应用性能不稳定、需控制硝化菌生长、亚硝酸盐难于富集等问题。
3.3 DEAMOX工艺
DEAMOX工艺是一种将反硝化和厌氧氨氧化联合的脱氮工艺，在厌氧条件下，微生物将硫酸盐还原为硫化物；反硝化细菌以硫化物为电子供体，将NO3--N还原为NO2--N；然后厌氧氨氧化细菌以生成的NO2--N为电子受体，同水中的NH4+-N反应释放N2，从而达到脱氮的效果。通常厌氧氨氧化反应需要将50%的氨氮转化为亚硝态氮，本工艺通过利用废水中硫酸盐，不需要复杂的亚硝化过程而实现反硝化脱氮，是对厌氧氨氧化工艺的进一步完善。
DEAMOX工艺具有节约反硝化外加碳源、无需复杂的亚硝化过程、运行能耗低、管理方便等优点。但该工艺中也存在相应的缺点，如：污水中过低的硫酸盐浓度导致脱氮效果较差；而过高的硫酸盐浓度，则会对氨氧化菌产生一定的抑制作用；
3.4 OLAND工艺
OLAND工艺，即限氧自养硝化反硝化工艺，是缺氧亚硝化和厌氧氨氧化工艺的结合。该工艺分为两步，在缺氧条件下，厌氧氨氧化细菌将氨氮转化为亚硝态氮，而后在厌氧环境下，剩余的氨氮与亚硝态氮发生厌氧氨氧化反应生成氮气，完成污水的脱氮流程，该工艺是基于生物转盘反应器为基础而进行的。相比于本文提到的几种工艺，OLAND工艺可节省大量的能耗，同时在常温下也可达到较好的脱氮效果。
OLAND工艺具有节省运行能耗、氧气需求低、脱氮效率高、污泥产量低等优点。但该工艺目前在工程应用中并不常见，主要原因在于生物膜反应器上微生物生长缓慢，且难以维持稳定的亚硝化条件。
4.结论
厌氧氨氧化工艺可以有效解决传统硝化反硝化工艺的缺点，在水体净化以及环境污染治理方面具有重要的意义。未来可以从以下几个方面着手研究：Anammox细菌的提纯培养、Anammox细菌的代谢途径、发现新的Anammox细菌、同时，Anammox相关耦合工艺运行的条件较为苛刻，因此通过实验研究耦合工艺运行的边界条件，可以进一步提高工艺的有效性及稳定性。
参考文献：
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