厭氧氨氧化與反硝化耦合的研究

許昭昭

（青島大學化學科學與工程學院〈環境科學與工程學院〉，山東 青島266071）

厭氧氨氧化反應(ANAMMOX)是缺氧的條件下，以亞硝氮(NO2--N)為電子受體，將氨(NH4+-N)氧化為氮氣(N2)的過程[1]。與傳統的硝化和反硝化反應相比，厭氧氨氧化反應具有需氧量低、不需要外加碳源、脫氮效率高的優點[2]。近年來，厭氧氨氧化已經成為國內外研究開發的熱點[3]。本試驗室也對厭氧氨氧化反應器啟動、穩定運行工況等方面進行了大量的研究工作。然而，上述研究大多未能考慮有機污染物的影響因素。在有機環境下，反應器系統中可能同時存在厭氧氨氧化與反硝化兩種主要的厭氧脫氮反應[4]。因此，如能在同一反應器系統中實現厭氧氨氧化與反硝化脫氮的協同作用，則對生物脫氮技術的開發具有重要的意義。

1 厭氧氨氧化與反硝化耦合原理

在有機環境下，可能同時存在氧氨氧化與反硝化兩種厭氧脫氮反應。周少奇[4-5]討論了有機環境下同一反應器中厭氧氨氧化與反硝化的協同作用，推導了厭氧氨氧化的電子計量學方程式，以及有機環境下以葡萄糖為有機碳源時反硝化脫氮的電子計量學方程式。有機環境下ANAMMOX過程的計量方程式：

式中：fs為電子供體用于細胞合成的分子量。

由式 （1）可知，以NH4+為電子供體、以NO2-為電子受體的ANAMMOX反應需要以CO2為碳源，會產生一定量的NO3-，由于反應需要消耗H+，所以會引起pH升高。

反硝化反應的計量學方程式：

可見，反硝化反應消耗COD和CO2，可為ANAMMOX提供無機碳源，實現協同作用。

2 厭氧氨氧化與反硝化耦合影響因素

2.1 水力負荷

呂絳等研究表明水力負荷會對ANAMMOX與反硝化協同脫氮反應器的運行性能造成較大影響[6]。隨著水力負荷的增加氨氮、亞硝氮和COD的平均去除率均出現明顯的下降，然而通過再次降低進水負荷，平均去除率大幅度回升。證明協同反應器對進水負荷的變化具有較強的抵抗能力。同時伴隨著水力負荷的增大，氨氮在各階段去除率的下降幅度明顯大于亞硝氮與 COD，表明反應器中 ANAMMOX菌對水力負荷變化的承受能力小于反硝化細菌。

2.2 pH

pH對廢水生物處理過程的影響主要表現在2個方面：（1）pH會影響細胞內的電解質平衡，影響微生物的活性（2）pH影響溶液中基質或抑制物的含量，影響微生物的活性[7]。田文婷等[8]研究表明，當pH控制在7.0～8.5時，厭氧氨氧化菌基本不受到影響。當pH在7.0～8.0時，反硝化菌受影響不大。可知，7.5為耦合反應的最佳pH。

2.3 溫度

溫度對厭氧氨氧化菌和反硝化菌產生重要影響，楊洋等[9]認為，厭氧氨氧化的最適溫度為30～35℃。反硝化菌的適宜溫度在20～35℃，不合適的溫度可能導致反硝化過程遺傳表達的改變，影響底物消耗速率以及反硝化菌的世代時間。因此，厭氧氨氧化與反硝化耦合反應溫度應控制在30～35℃ 之間，以發揮其最佳效果。

2.4 C/N

在反硝化系統中，不管從技術角度還是從經濟方面考慮，碳氮比都是一個非常重要的參數，有時依賴于外加碳源以實現完全反硝化，導致運行費用的增加，為此要選擇一個適當的C/N。

李軍等研究表明，隨著C/N的增加，反硝化反應將逐漸成為主要反應，厭氧氨氧化反應未受到抑制，當C/N為1：2時耦合脫氮效果最佳。

3 厭氧氨氧化與反硝化耦合研究展望

厭氧氨氧化與反硝化協同脫氮理論的發現，對生物脫氮新技術的開發具有重要意義。本文綜述了有關厭氧氨氧化與反硝化耦合反應機理及環境影響因素等的最新研究進展，雖然厭氧氨氧化與反硝化協同脫氮理論具有良好的脫氮處理效果，但仍有很多問題都需要進一步的研究：（1）研究厭氧氨氧化與反硝化協同脫氮反應在何種情況下進行，并且以哪種反應機制進行，運用化學計量學原理進行分析。（2）研究厭氧氨氧化菌和反硝化菌對底物的競爭以及反應產物對它們的抑制，確定其最佳生長條件。

［1］MulderA.,van de GraafA.A.,Robertson L.A.,et al.Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifyingfluidized bed reactor[J].FEMSMicrobio.l Eco.l,1995,16：177-184.

［2］孫洪偉,彭永臻,王淑瑩,等.厭氧氨氧化生物脫氮技術的演變、機理及研究進展[J].工業用水與廢水,2008,39(1)：7-11.

［3］StrousM.,Fuerst J.A.,KramerE.H.M.,et al.Missinglitotroph identified as new planctomycete[J].Nature,1999a,400：446-449.

［4］周少奇.厭氧氨氧化與反硝化協同作用化學計量學分析[J].華南理工大學學報：自然科學版,2006,34(5)：1-4.

［5］周少奇.氨氮厭氧氧化的微生物反應機理[J].華南理工大學學報：自然科學版,2000,28(11)：16-19.

［6］呂絳,周少奇.水力負荷與低溫對厭氧氨氧化與反硝化協同反應器的影響[J].化工進展,2010(10).

［7］楊洋,左劍惡,沈平,等.溫度、pH和有機物對厭氧氨氧化污泥活性的影響[J].環境科學,2006,27(4)：691-695.

［8］田文婷,李軍,等.碳氮比及pH對厭氧氨氧化與反硝化耦合的影響[J].水處理技術,2010,36(9)：45-48.

［9］楊洋,左劍惡,沈平,等.Influence of temperature,pH value and organic substance on activity of anammox sludge[J].環境科學,2006,27(4)：691-695.