厌氧氨氧化——水处理界燃起的新星，厌氧氨氧化

长期以来，人们普遍认为反硝化是去除自然环境中无机氮的唯一生物途径，20世纪90年代发现的厌氧氨氧化反应打破了这一传统观念，为全球氮素循环增添了新的内容。

厌氧氨氧化过程在自然环境中是广泛存在的，自上世纪末荷兰学者首次发现了厌氧氨氧化过程，加拿大学者又证实了自然环境中厌氧氨氧化的存在，而后人类陆续的在海洋、湖泊、湿地等生态系统中发现了厌氧氨氧化过程。这对于氮的生物地球化学循环过程是一个极为重要的补充，也改变了人类以往对生物脱氮的认识。近十几年来，厌氧氨氧化过程也逐步成为研究的热点。

厌氧氨氧化是什么?

厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation)是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化细菌以CO2为碳源以NO2-为电子受体，NH4+为电子供体，将NO2--N、NH4+-N转化为N2的过程。厌氧氨氧化也被认为是将NO2--N和NH4+-N永久性脱离生态系统的有效途径。Anammox 的反应式如下：

图1 厌氧氨氧化过程的预测模型及厌氧氨氧化菌形态

厌氧氨氧化影响因素

1. O2对厌氧氨氧化的影响

O2是影响厌氧氨氧化反应的一个重要因子。根据细菌与氧气的关系，可将其分为好氧细菌、厌氧细菌和兼性厌氧细菌;厌氧氨氧化菌属于典型的厌氧细菌。Jetten等在序批式反应器SBR中验证氧气对厌氧氨氧化的影响，反应器中厌氧与好氧交替运行，厌氧与好氧阶段分别持续2h，试验时间为20d。试验发现在2.1%、1.5%、1.0% 和0% 四种不同的空气饱和度下，只有当反应器中处于完全厌氧状态时(反应器中不停充人氢气以去除氧气)，氨氮和亚硝酸氮才被去除。这证明厌氧氨氧化菌对O2非常敏感，反应只能在严格厌氧的条件下运行。如果O2的浓度超过2 μM，就会抑制厌氧氨氧化反应。

2. pH值对厌氧氨氧化的影响

pH值的控制对厌氧氨氧化反应的进行很重要，厌氧氨氧化菌对pH值的改变特别敏感。当pH值低于6.4时，厌氧氨氧化作用将不会发生，因为pH决定着NH3和NH4+的平衡。当pH值太低，自由氨浓度变得很低，而影响厌氧氨氧化菌的生长。当pH值过高时也不利于厌氧氨氧化菌生长，因为pH值过高，厌氧氨氧化菌的活性会下降，而太多的自由氨对厌氧氨氧化菌是有毒的。Jetten等研究表明，厌氧氨氧化菌适宜在pH值6.7~8.3之间生长。Strous在实验室试验发现当pH值在6~9之间时，特别是pH= 8.0左右时，NH4+、NO2-和NO3-都有最大转化率。

长期以来，人们普遍认为反硝化是去除自然环境中无机氮的唯一生物途径，20世纪90年代发现的厌氧氨氧化反应打破了这一传统观念，为全球氮素循环增添了新的内容。

厌氧氨氧化过程在自然环境中是广泛存在的，自上世纪末荷兰学者首次发现了厌氧氨氧化过程，加拿大学者又证实了自然环境中厌氧氨氧化的存在，而后人类陆续的在海洋、湖泊、湿地等生态系统中发现了厌氧氨氧化过程。这对于氮的生物地球化学循环过程是一个极为重要的补充，也改变了人类以往对生物脱氮的认识。近十几年来，厌氧氨氧化过程也逐步成为研究的热点。

厌氧氨氧化是什么?

厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation)是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化细菌以CO2为碳源以NO2-为电子受体，NH4+为电子供体，将NO2--N、NH4+-N转化为N2的过程。厌氧氨氧化也被认为是将NO2--N和NH4+-N永久性脱离生态系统的有效途径。Anammox 的反应式如下：

图1 厌氧氨氧化过程的预测模型及厌氧氨氧化菌形态

厌氧氨氧化影响因素

1. O2对厌氧氨氧化的影响

O2是影响厌氧氨氧化反应的一个重要因子。根据细菌与氧气的关系，可将其分为好氧细菌、厌氧细菌和兼性厌氧细菌;厌氧氨氧化菌属于典型的厌氧细菌。Jetten等在序批式反应器SBR中验证氧气对厌氧氨氧化的影响，反应器中厌氧与好氧交替运行，厌氧与好氧阶段分别持续2h，试验时间为20d。试验发现在2.1%、1.5%、1.0% 和0% 四种不同的空气饱和度下，只有当反应器中处于完全厌氧状态时(反应器中不停充人氢气以去除氧气)，氨氮和亚硝酸氮才被去除。这证明厌氧氨氧化菌对O2非常敏感，反应只能在严格厌氧的条件下运行。如果O2的浓度超过2 μM，就会抑制厌氧氨氧化反应。

2. pH值对厌氧氨氧化的影响

pH值的控制对厌氧氨氧化反应的进行很重要，厌氧氨氧化菌对pH值的改变特别敏感。当pH值低于6.4时，厌氧氨氧化作用将不会发生，因为pH决定着NH3和NH4+的平衡。当pH值太低，自由氨浓度变得很低，而影响厌氧氨氧化菌的生长。当pH值过高时也不利于厌氧氨氧化菌生长，因为pH值过高，厌氧氨氧化菌的活性会下降，而太多的自由氨对厌氧氨氧化菌是有毒的。Jetten等研究表明，厌氧氨氧化菌适宜在pH值6.7~8.3之间生长。Strous在实验室试验发现当pH值在6~9之间时，特别是pH= 8.0左右时，NH4+、NO2-和NO3-都有最大转化率。

3. 温度对厌氧氨氧化的影响

温度是影响厌氧氨氧化菌的重要因素之一。从微生物的角度看，细菌都有最适反应温度，过高或过低都会影响细菌的活性，从而影响厌氧氨氧化率。从反应活化能的角度来看，一般活化能越小，化学反应速率越高。厌氧氨氧化反应的活化能为7 0 KJ˙mol-1，与亚硝酸菌的反应活化能基本相当[3]。厌氧氨氧化反应属于容易进行的化学反应;但同时属于较难进行的生物反应，它对温度变化比较敏感。Jetten等论述厌氧氨氧化适宜温度为20~43℃，低于15℃时，厌氧氨氧化速率较低;在15~37.5℃，厌氧氨氧化速率不断升高;当T= 37.5℃时，氨氮和亚硝酸氮都达到最大转化速率;当T>37.5℃时，厌氧氨氧化速率开始慢慢下降;当温度超过40℃，厌氧氨氧化活性剧降。

4. 泥龄控制对厌氧氨氧化的影响

由于厌氧氨氧化菌生长缓慢，细胞产率低，污泥产量少，所以维持长泥龄对厌氧氨氧化工艺较重要。Strous等人在序批式反应器SBR中培养厌氧氨氧化菌发现，在细菌的对数生长阶段，细胞(以蛋白计)的平均氨转换速率为20±6 nmol(mg˙min)-1，最大氨转换速率为45±6 nmol(mg˙min)-1。根据最大活性和细胞产率，推算最大生长速率为0.0027±0.005 h-1(倍增时间是11天)，因此厌氧氨氧化的泥龄比较长，水力停留时间在一定条件下也应该较长。

5. 不同生态系统中的厌氧氨氧化

虽然一直以来均有厌氧氨氧化(Anammox)的报道，但是直到2002年，Thamdrup 和 Dalsgaard等人利用同位素示踪技术首次证实了Anammox在海洋沉积物中的存在也就是自然环境中的存在。Anammox过程并不仅局限于海洋和咸水环境，也广泛存在于河流湖泊等淡水系统中。湖泊、河流等的沉积物中，氨氮、硝氮和亚硝氮的共存为厌氧氨氧化提供了有利的环境。徐徽等在太湖梅梁湾柱样的脱氮过程研究中，发现反硝化过程贡献率要强于厌氧氨氧化过程。Trimmer等人研究了英国Thames河口沉积物中厌氧氨氧化过程，发现该过程对氮气产生量的贡献在1~8%之间，且与有机质含量存在显著的正相关性。Catarina Teixeira[7]等人研究了葡萄牙三条河流(Cávado River、Ave River和Douro River)河口沉积物中厌氧氨氧化过程，发现NO3-的存在会刺激反硝化作用，而NO2-的增加更有利于厌氧氨氧化过程;另一方面，当底泥中盐度较低时，NH4+的增加会抑制Anammox过程。 Lidong Shen等人对南京水稻田中的厌氧氨氧化研究发现，Anammox过程对农田土壤的N损失贡献率在2.1~18.8%，每年总氮损失的贡献在6.1~32.9gN˙m-1。Lijun Hou等人对中国沿海湿地的厌氧氨氧化的研究表明，中国沿海湿地厌氧氨氧化细菌种类丰富，包括Candidatus Scalindua，Kuenenia，Brocadia，and Jettenia，并且温度是影响厌氧氨氧化细菌组成、活度及生物多样性的重要因素;厌氧氨氧化占所研究地区氮去除的3.8~10.7%的贡献率。

6. Anammox细菌在污水处理工艺中的应用

传统的污水处理工艺采用硝化-反硝化作用，由于利用的微生物和运行条件的不同，硝化和反硝化两个过程在时间和空间上是分开的，或者是在不同条件的反应器内进行。虽然这些传统工艺在废水生物脱氮领域目前还起着主导作用，但这些工艺本身也存在较多问题，如：工艺流程较长，占地面积大，基建投资高;由于硝化菌群增殖速度慢而难以维持较高的生物浓度;为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，系统必须同时进行污泥和硝化液回流;其抗冲击负荷能力较弱，高浓度NH4+和NO2-废水会抑制硝化菌生长;另外，硝化过程中产生的酸度需要投加碱中和。这些措施既增加了运行的复杂性和运行成本，又可能造成二次污染等。Anammox 细菌的氨氧化过程一方面大大缩短了氨氮氧化还原到氮气的过程，从而减少了生物脱氮的物质、能量耗费，另一方面为生物脱氮技术的进步提供了新的发展平台。

在实验室规模上，ANAMMOX工艺在不同的反应器中都取得良好的运行效果，包括混合床、流化床、SBR反应器、上流式反应器等。当前，ANAMMOX反应器的主要挑战在于anammox 细菌的生长缓慢造成的启动时间过长，通常需要100~150d。因此如何快速启动ANAMMOX反应器是未来研究一个十分重要的问题。

图2 传统污水处理和新型污水处理的对比

总结

随着社会科技的发展，大量的元素被输入河流、湖泊等地区以及陆地生态系统，引起自燃环境中N的大量增加，水体富营养化现象(赤潮)尤为严重，进而造成水生环境出现周期性或永久性的低氧、缺氧现象，导致湖泊、湿地等的功能逐渐退化、生态系统结构破坏。关于氮的循环及影响机理的研究已成为社会关注的热点话题，深刻认识无机氮在生态系统中的循环对于水体富营养化过程的演变及防治措施具有重要的意义。近年来，对anammox细菌的研究是当前研究领域中的一个热点。从第一次发现anammox细菌的存在到现在也只有二、三十年的历史，而厌氧氨氧化菌真正在污水脱氮、节能减排等实际应用中发挥作用的时间则更短。当前对anammox细菌生物特性、实际应用等方面的研究还有待继续深入。