关键词：厌氧氨氧化; SHARON-ANAMMOX; OLAND; CANON
Study on Progress and Application of Anaerobic Ammonium Oxidation
LIN Hua
Department of Resources and Environmental Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004 , China)
Abstract: The possible mechanism and the applied status of anaerobic ammonium (ANAMMOX) are simply reviewed and discussed in this paper, including the research and development on ANAMMOX, the recently feasible treatment progress, the characteristics of the new technology in field are compared with the traditional nitrification and denitrification technology and the new technologies promising for further and application are also indicated.
Key words: ANAMMOX; SHARON-ANAMMOX; OLAND; CANON
目前，随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，含氮化合物的排放量急剧增加，引起了严重的水体环境污染和水质量富营养化问题，许多湖泊水体已不能发挥其正常功能而影响了工农业和渔业生产[1,2]，如近期的太湖、巢湖由于氮污染而大面机爆发蓝藻导致湖泊水质严重下降。传统的脱氮广泛采用硝化和反硝化技术来处理，但用它来处理高氨氮、低C/N比的废水时，耗能大（硝化曝气）且需要外加有机碳源和投加碱中和硝化过程产生的酸，使投资和运行费用大大增加[3]。因此, 研究人员长期以来一直在积极探索和开发新型的生物脱氮工艺, 以便能快速、高效去除废水中的氨氮。其中厌氧氨氧化由于是自养的微生物过程、不需要外加碳源以及反硝化、污泥产率低等特点正成为国内外学者研究的热点问题[4]。
1 厌氧氨氧化反应机理
1977 年，Broda[5]根据热力学反应自由能计算，推测自然界中可能存在两种自养微生物将NH4+氧化成N2。1994年，Mulder等[6]发现荷兰Delft大学一个污水脱氮流化床反应器存在NH4+消失，且随NH4+和NO3-的消耗，有N2生成。随后的实验通过氮平衡和氧化还原平衡证实发生了以NH4+作电子供体、NO3-为电子受体的氧化还原反应
3NO3- + 5NH4+ —— N2 + 9H2O + 2H+
ΔG0 = —297 kJ ·mol–1
从而证实了Broda的推测。1997年, vande Graaf等[7]通过15N标记实验发现，厌氧氨氧化是以NO2-而不是NO3-为电子受体，ANAMMOX反应式应为
NO2- + NH4+ —— N2 + 2H2O
ΔG0 = —358 kJ ·mol-1
15N 标记实验还显示羟胺和联氨ANAMMOX反应的重要代谢中间产物，而且有少量的NO2-转化为NO3-。羟胺可能来自NO2-，联氨转化为N2的过程被假定为给NO2-还原成羟胺提供电子。由NO2- 生成NO3-可能是为了给厌氧氨化菌固定碳提供电子[7]。转化过程中，通过氮平衡计算出NH4+和NO2-的去除，并且产生部分NO3-的比率为NH4+∶NO2 -∶NO3- = 1∶1.32∶0.26[8]。同位素13 C研究表明，ANAMMOX菌利用相同的途径来固定碳，可能是卡尔文循环和乙酰辅酶A 途径[9]。
厌氧氨氧化可能的代谢途径如图1
Fig 1 Possible metabolic pathway for ANAMMOX
2 ANAMMOX菌特性
微传感器研究显示，自然界和人工生态系统的许多缺氧、好氧界面上，如土壤干湿界面[10]、海底缺氧环境[11,12]、海湾[13]都有ANAMMOX发生。而且，有关废水处理系统中大量氮素损失的报道也在不断增加，都说明ANAMMOX 菌大量存在[14]。
厌氧氨氧化反应的优势菌种是革兰氏阴性光损性球状菌，专性厌氧，与pH为7.4的20mmol/L的K2HPO4/KH2PO4缓冲剂和2.5%的戊二醛混合后，在电子显微镜下呈不规则形态，与浮霉状菌（Planctomycetals）序列的成员有3点共性：内部细胞区域化；细胞壁上存在漏斗状结构；膜上有不同寻常的脂质。16SRNA的分析说明，厌氧氨氧化反应的代表微生物最可能为Brocadia Anammoxidan并确认是Planctomycetals序列中自养菌的一个新成员[15]。由于厌氧氨氧化菌增长速度非常慢(倍增时间为11d) ,厌氧氨氧化菌的培养需要非常有效的生物质停留[16,17 ]。通过优化的Percoll密度梯度离心可以得到厌氧氨氧化菌的富集物[18,19]。目前已经发现5个属的厌氧氨氧化菌，最早发现的厌氧氨氧化菌被临时定名为Candidatus“Brocadia anammoxidans”[20,21]，后来发现了另外四个种：Candidatus“Kuenenia stuttgartiensis”[22]、Candidatus“Scalindua sorokiinii”[19,23]、Candidatus“Scalindua brodae”[24]、Candidatus“Scalindua wagneri”[24]。
。现已从厌氧氨氧化菌细胞质内分离出某种可能是厌氧氨氧化发生场所的细胞器，并定名为厌氧氨氧化体（anammoxosome）[2]。有观点认为，厌氧氨氧化体的功能是处置厌氧氨氧化的中间产物—联氨[25]。Jetten等认为厌氧氨氧化体是一个多功能的细胞器，可能与细胞分裂、DNA复制以及其他生理活动有关[26]。
目前为止，国际上厌氧氨氧化菌主要出自Delft大学微生物技术实验室。厌氧氨氧化菌的培养需在无光、无氧条件下进行。根据厌氧氨氧化过程的特点，实际工程中的接种来源主要有厌氧消化污泥和好氧硝化污泥。赵宗升等认为工程中的厌氧氨氧化过程以接种好氧硝化污泥更为有利[27]。
3 ANAMMOX研究现状及应用
基于ANAMMOX原理，目前已开发的工艺主要有3种：SHARON ( single reactor for high activity ammonia removal over nitrite )ANAMMOX工艺[28] 、OLAND（限氧自养硝化-反硝化，oxygen limited autotrophic nitrification and denitrification）工艺[29]、单相CANON工艺[30] (基于亚硝酸盐的xx自养脱氮， completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)。这几个新工艺的研究目前主要还处于实验室研究阶段[14]，少量应用到了实际中。
3.1 两相SHARON-ANAMMOX工艺
SHARON-ANAMMOX工艺是荷兰Delft大学2001年开发的一种新型的脱氮工艺。基本原理是在两个反应器内，先在一个反应器内有氧条件下，利用氨氧化xx将氨氧化生成NO2-； 然后在另一个反应器缺氧条件下，以NH4+为电子供体，将NO2-反硝化，即ANAMMOX 工艺[14]。SHARRON 和ANAMMOX连用，仅需将50%的氨转化为NO2-，不仅不需要投加NO2-，而且由于大多数厌氧出水中含有以重碳酸盐存在的碱度可以补偿硝化所造成的碱度消耗，因而无需投加碱度物质。荷兰Delft大学采用SHANRON- ANAMMOX工艺处理污泥消化液上清液的研究表明：在不控制SHANRON反应器pH值、进水总氮负荷为0.8 kg/(m3·d)的条件下，上清液中的氨被转化为NO2-产生的NO3-占总硝态氮的11%。所产生的氨和NO2-混合液适合于ANAMMOX工艺的脱氮处理, 氮的总去除率达到83%[4]。
世界上{dy}座生产性Sharon反应器已于1998年10月开始在荷兰DOKHAVEN 污水处理厂运行，世界上{dy}座Anammox反应塔也于2002年6月在该厂投入使用，主要用于处理污泥硝化液[31]。
3.2 OLAND工艺
OLAND工艺是1998年由比利时根特大学微生物生态实验室开发研制的，是部分硝化与厌氧氨氧化相耦联的生物脱氮反应系统。该工艺通过限氧调控(溶解氧0.1～0.3 mg·L -1 )实现了硝化阶段亚硝酸盐的稳定积累，并实现了生物脱氮在较低温度(22～30℃)下的稳定运行[14]。该工艺氧耗量小，比传统的硝化/反硝化工艺节省供氧62.5%，不需外加碳源，对总氮的去除效率相当高[50mg TN/(L·d)] [15]。
张丹等[32]采用两阶段OLAND处理高氨氮、低COD的废水，应用内浸式多聚醚砜中空膜，实现了污泥的xx截留，阻止了生物量的大量洗脱，并通过控制溶解氧在0.1～0.3 mg·L -1之间，实现了硝化阶段出水中氨氮与亚硝态氮浓度的比例达到最适值，从而为第二阶段的厌氧氨氧化提供理想的进水，进而获得较高的脱氮率。限氧自养硝化-反硝化生物脱氮系统的一体化生物膜RBC反应系统已经在比利时安特卫普污水处理厂进行中试，运行效果比较理想[31]。
3.3 CANON工艺
CANON工艺首先由于荷兰Delft大学提出。基本原理是在亚硝酸盐和氨氮同时存在的条件下，通过控制溶解氧,利用自养型的ANAMMOXxx将氨和亚硝酸盐同时去除，产物为氮气，另外还伴随产生少量硝酸盐，由于参与反应的微生物属于自养型微生物，因此CANON工艺不需要碳源。另外由于CANON工艺只需要硝化50%的氨氮，硝化步骤只需要控制到亚硝化阶段，因此可以节约碱度50%。CANON工艺在限氧条件下进行，因此可以节约供氧量，理论上可节约供氧62.5%。
深圳市下坪固体废弃物填埋场渗滤液处理厂通过SBR反应器实现CANON工艺，发现溶解氧控制在1mg/L左右，进水氨氮<800mg/L，氨氮负荷<
0.46 kg
4
结语
与其他脱氮工艺相比较，厌氧氨氧化实现了氨氮的短途径转化，具有不需要外加电子供体、大幅度减少供氧能耗及运行中产酸少，产碱量可降至为零，产泥少等优点，具有极大的优越性。但目前ANAMMOX工艺的研究大部分停留在实验室小试阶段，缺乏大规模的实际工程的实践检验。此外厌氧氨氧化对与生活污水的研究尚未深入，接种污泥来源与缩短反应器启动时间、工艺参数和运行的边界条件的控制问题有待进一步探讨和研究。
参考文献
[1] 国家环保局. 生物脱氮技术[M]北京. 中国环境科学出版社. 1992
[2] 张树德, 曹国凭. 厌氧氨氧化脱氮新技术及特点. 河北理工学院学报, 2006, 28(11): 130～134
[3] 赵志宏, 李小明, 廖德祥等. 厌氧氨氧化研究进展及应用. 净水技术, 2006, 25(5): 47～52
[4] 俞本立, 谢冰, 徐亚同. 厌氧氨氧化研究进展. 上海化工, 2006, 31(10): 1～3
[5] Broda E. Two kinds of lithotrophs missing in nature. Z Allg. Microbiol1. , 1977, 17, 491～493
[6] Mulder A, vande Graaf A A, Robertson L A, Kuenen J G. Anareobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor. FEMS Microbiol1. Ecol1., 1995, 16(3): 177～183
[7] vande Graaf A A, de Bruijn P, Robertson L A, Jetten M S M, Kuenen J G. Metabolic pathway of anaerobic ammonium oxidation on the basis of 15N studies in a fluidizeded reactor. Microbiol1., 1997, 143 (7): 2415～2421
[8] Strous M, Heijnen J J, Kuenen J G, Jetten M S M. The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing, microorganisms. Appl1 Microbiol. Biotechnol., 1998, 50(5): 589～596
[9] Schouten S, St rous M, Kuypers M M M, Rijpstra W I C, Baas M, Schubert C J , Jetten M S M, Damste J S S. Stable carbon isotopic Fractionations associated with inorganic carbon fixation by anaerobic ammonium-oxidizing bacteria. Appl1 Environ1 Microbiol., 2004, 70(6): 3785～3788
[10] Jetten MSM. New pathways for ammonia conversion in soil and aquatic systems1 Plant Soil, 2001, 230 (1) : 9～19
[11] Rysgaard S, Glud R N. Anaerobic N2 production in Arctic sea ice. Limn Ocean, 2004, 49(1): 86～94
[12] Kuypers MMM , Sliekers A O, Lavik G, Schmid M, Jorgensen B B, Kuenen J G, Damste J S S, Strous M , Jetten M S M. Anaerobic ammonium oxidation by anammox bacteria in the Black Sea. Nature, 2003, 422 (6932):608～611
[13] Dalsgaard T, Canfield D E, Petersen J, Thamdrup B, Acuna-Gonzalez J. N2 production by the anammox reaction in the anoxic water column of Golfo Dulce, Costa Rica. Nature, 2003, 422 (6932): 606～608
[14] 姚俊芹, 周少奇. 厌氧氨氧化生物脱氮研究进展. 化工学报, 2005, 56(10): 1826～1831
[15] 杨岚, 杨景亮, 李再兴等. 厌氧氨氧化技术研究进展. 河北化工, 2004, 3: 54～56
[16] Strous M, Heijnen JJ, Kuenen J G, et al. The sequencing batch reactor as a powerful tool to study very slowly growing micro-organisms [ J ] . Appl Microbiol Biotechnol., 1998,50: 589～596
[17] Strous M, Kuenen J G, Fuerst JA, et al. The anammox casea new experimental manifesto for microbiological eco-physiology[ J ]. Antonie van Leeuwenhoek, 2002, 81: 693～702
[18] Strous M, Fuerst J, Kramer E, et al. Missing lithotroph identified as new planctomycete [ J ]. Nature, 1999b, 400: 446～449
[19] 贾振杰, 杨清香, 刘如铟. 厌氧氨氧化菌的研究进展. 微生物学杂志, 2006, 26(11): 74～79
[20] Jetten MSM,
[21] Kuenen J G, Jetten MSM, Extraordinary anaerobic ammonium oxidising bacteria [ J ]. Am Soc Microbiol News, 2001 , 67: 456～463
[22] Schmid M, Twachtmann U, Klein M. , et al . Molecular evidence for genus level diversity of bacteria capable of catalyzing anaerobic ammonium oxidation [ J ]. Syst. Appl. Microbiol, 2000, 23: 93～106
[23] Kuypers MMM, Sliekers A O, Lavik G, et al. Anaerobic ammonium oxidation by anammox bacteria in the Black Sea [ J ]. Nature, 2003, 422: 608～611
[24] Schmid M, Walsh K, Webb R, Rijpstra W I C, vande Pas-Schoonen K, Verbruggen M J, Hill T, Moffett B, Fuerst J, Schouten S, Damste J S S, Harris J, Shaw P, Jetten M, Strous M. Candidatus“Scalindua brodae”, sp. Nov. ,Candidatus“Scalindua wagneri”, sp. Nov. , two new species of anaerobic ammonium oxidizing bacteria. Syst. A ppl. Microibiol1, 2003, 26 (4): 529～538
[25] Kuenen JG, Jetten MSM. Extraordinary anaerobic ammonium-oxidizing bacteria[ J ]. ASM New, 2001, 67(9): 456～463
[26] Jeetn SMM, Wagenr M, Fuerst J, et al. Microbiology and application of the anaerobic ammonium oxidation (anammox) process [ J ]. CurrentOpinion in Biotechnology, 2001, 12: 283～288
[27] 赵宗升, 赵云霞, 陈智均等. 厌氧氨氧化菌接种污泥的选择培养过程研究. 环境工程学报, 20071 (2): 39～42
[28] van Dongen U, Jetten M S M , van Loosdrecht M C M. The SHARON-Anammox process for treatment of ammonium rich wastewater. Water Sci. Tech. , 2001, 44(1): 153～160
[29] Zhang Dan (张丹), Xu Hui (徐慧), Li Xiangli (李相力), Zhang Ying (张颖). Oxyen limited autotrophic nitrification and denitrification-A novel technology for biological nitrogen removal. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报), 2003, 14 (12): 2333～2336
[30] Sliekers A O, Derwort N, Gomez J L C, Strous M, Kuenen J G, Jetten M S M. Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite in one single reacto . Wat. Res. , 2002, 36(10): 2475～2482
[31] 朱静平, 胡勇有. 厌氧氨氧化工艺技术研究进展. 水处理技术, 2006, 3(28):1～4
[32] 张丹, 徐慧, 刘耀平. OLAND生物脱氮系统运行及其硝化菌群的分子生物学检测[J]. 应用与环境生物学报, 2003, 9(5): 530～533
[33] 孟了, 陈永, 陈石. CANON工艺处理垃圾渗滤液中的高浓度氨氮. 给水排水, 2004, 30(8): 24～29
![开原[新浪新闻]皮革背景墙](https://pic17_1.qiyeku.com/qiyeku_pic/2017/6/28/mnkzs/news/news_pic/image/2017_08_14/20170814050335355.jpg)
