大量氮素进入到环境水体，是造成水体富营养化的主要诱因之-。传统的脱氮理论是基于硝化与反硝化2个阶段来共同实现的。硝化阶段需要有足够的氧气来完成氨态氮向硝态氮的转化，能耗较高”；而由于有机物在硝化阶段被好氧异养菌大量分解去除，通常导致反硝化阶段所需碳源不足，脱氮效率下降，这又势必会额外投入大量有机碳源进反硝化的进行，从而显著增加了脱氮成本。厌氧氨氧化(Anammox)是厌氧氨氧化菌(AnAOB)在缺氧或厌氧环境下，以HCO3(IC)为碳源，以NH4+-N为电子供体，以NO2--N为电子受体生成N2，从而完成脱氮过程。为保证Anammox反应的顺利进行，往往将Anammox工艺与短程硝化工艺组合为短程硝化-厌氧氨氧化(Sharon-Anammox)工艺。与传统脱氮工艺相比，该工艺仅需将部分NH4+-N氧化为NO2--N，节省了剩余NH4-N的进一步氧化需氧量以及NO2--N转化为NO5-N的深度氧化需氧量，从而可节约大量曝气电耗:其以IC为碳源，无需额外投加有机碳源，可以大幅度降低脱氮成本；此外，脱氮反应不涉及异养反硝化菌，可以显著降低污泥产量。然而，AnAOB较长的世代周期、较低的细胞产率、较弱的环境适应力导致Anammox工艺启动时间长，稳定运行难，严重阻碍了该工艺的规模化应用。为此，笔者对Anammox在反应机理、影响因素方面的研究进展进行了综述，对运行较为成功的工程案例进行了分析说明，并对未来研究重点进行了展望，以期为Anammox工艺的推广应用和稳定运行提供理论与案例支撑。
1、Anammox的反应机理
E.Broda于1977年根据热力学过程，通过热力学推算首先预测了Anammox的存在”，为后续该工艺的进一步发展打下了坚实的理论基础。随后，荷兰Delft工业大学A.Mulder等于1995年对Anammox反应进行了实验证实。紧接着，M.Strous等在间歇反应器中揭示了AnAOB的生理特性。此后，众多学者在此基础上进行了大量的研究。目前，认可度较高的Anammox反应模型有2种，-种是A.A.vandeGraaf等提出的基于羟胺(NH2OH)为中间体的反应模型，即NO2--N→NH2OH，NH2OH+NH4+-N→N2H4，N2H4→N2H2→N2，NO3--N→NO2--N；另-种是基于-氧化氮(NO)为中间体的Kueneniastuttgartiensis宏基因组学的修正模型"，即NO2--N→NO，NH4+-N+NO→N2H4，N2H→N2，参与该修正模型的酶主要有亚硝酸还原酶(NiR)、联氨水解酶(HH)、联氨氧化还原酶(HZO)、羟胺氧化还原酶(HAO)。
2、Anammox的影响因素
Anammox的启动及稳定运行受反应条件及环境因素的影响较大。反应条件主要为基质浓度、有机物等；环境因素主要为溶解氧、温度以及pH等。
2.1 反应条件
2.1.1 基质浓度
Anammox的基质主要包括NO2--N与NH4+-N，不同的NO2--N与NH4+-N浓度水平会对Anammox反应产生促进或抑制作用。Anammox反应方程式如下:
从式(1)可以看出，NO2--N与NH4+-N的适宜的物质的量比为1.32。当NO2--N与NH4-N浓度较低时，可以采取适当提高其浓度的方式促进Anammox反应；但当NO2--N与NH4+-N浓度过高，尤其是NO2--N浓度过高时，会对AnAOB产生显著的毒性作用，致使Anammox反应受阻(2)。M.Strous等研究发现，当亚硝酸盐质量浓度>100mg/L时，Anam-mox进程会被完全抑制。M.A.Dapena等也发现，当氨浓度>55mmol/L，亚硝酸盐浓度>25mmol/L时，将有50%左右的AnAOB活性被抑制。此外，IC也是Anammox的重要基质之-。过低的IC浓度会导致Anammox反应所需碳源不足，过高的IC浓度则会使原水pH升高，从而抑制AnAOB的正常代谢。DexiangLiao等将进水IC由1.0g/L提高至1.5g/L，发现AnAOB活性呈显著增强趋势；进一步提升IC至2.0g/L时，AnAOB的活性却受到了抑制。丁敏等也通过研究发现，当IC<0.8g/L时，Anammox反应会受到抑制；当IC由0.8g/L增至1.2g/L时，AnAOB活性呈上升趋势；进一步提升IC至2.0g/L时，AnAOB的活性又受到抑制。综上所述，Anammox稳定运行的最适IC质量浓度为1.0~2.0g/L。
2.1.2 有机物
当有机物浓度较低时，反硝化菌虽然活性较低，但仍然可以生存，且对优势菌种AnAOB影响较小，在AnAOB与反硝化菌的协同作用下，脱氮性能仍能保持较好水平。XiaoliHuang等研究发现，低浓度乙酸盐(≤120mg/L)和丙酸盐(≤200mg/L)不会对Anammox反应产生明显影响，脱氮性能仍然较高。WeiqiangZhu等通过研究发现，当进水COD介于200~400mg/L的低浓度水平时，AnAOB的活性会随着COD的升高而增强。当有机物浓度较高时，异养反硝化菌(HDB)的生长繁殖会受到触发，而HDB的繁殖速率要显著高于AnAOB，这就使得AnAOB在与HDB的竞争中处于劣势地位，HDB逐渐成长为优势菌种，Anammox反应受到抑制。WeiqiangZhu等在研究了低浓度有机物对Anam-mox影响的基础上，进一步将进水COD提升至720mg/L，发现系统中优势菌种逐渐由AnAOB向HDB转变。N.Chamchoi等也发现，有机物浓度是在Anammox与反硝化之间进行工艺选择的控制变量，随着有机物浓度的升高，反硝化作用会逐渐加强，AnAOB的活性会逐渐降低直至被完全抑制。朱泽沅等叫研究了碳氮比对Anammox的影响，发现当进水碳氮比<0.33时，Anammox反应占据主导地位；当碳氮比>1.33时，反硝化反应逐渐发挥优势；当碳氮比进一步增加至2.96时，Anammox反应受到明显抑制，反硝化反应占据主导优势。该研究结果也再次验证了前述论断。
2.2环境因素
2.2.1 溶解氧
AnAOB属于厌氧菌，溶解氧(DO)对Anammox的影响主要表现为低浓度DO能够促进AnAOB活性，高浓度DO则会抑制AnAOB活性。A.J.M.Carvajal等通过研究发现，将DO由1mg/L提升至3.8mg/L时，AnAOB活性下降了50%左右，再进一步将DO提升至8mg/L时，Anammox反应被严重抑制。I.Zekker等研究发现，当D0>2.5mg/L时，将严重抑制Anammox反应活性。另有研究发现，在DO为0.5%、1.0%、2.0%的空气饱和度下，AnAOB的活性处于被抑制状态，但将DO降至完全厌氧状态后，处于抑制状态的AnAOB又重新恢复活性。这说明高浓度DO对AnAOB的抑制是可逆的，随着DO浓度的逐渐降低，Anammox的脱氮效率将快速恢复。此外，有研究表明，采取“缺氧扰动+DO限制策略”有助于NO2--N的积累，从而对Anammox反应进程起到积极的推动作用。陈珺等研究发现，将DO在高于1.5mg/L与缺氧状态之间进行频繁转换，可以有效提高NO2--N积累率。张杰等通过在SBR中采取曝气4min+停曝2min的循环运行模式，再辅以DO限制策略，成功将NO2--N积累率稳定在95%以上，大大促进了Anammox反应。
2.2.2 温度
大量研究表明，AnAOB的适宜温度范围为25~40℃，而其活性的临界点为15~20℃28。M.Laureni等研究发现，当体系温度从29℃降至12.5℃时，AnAOB的活性会从465mgN/(L·d)降至46mgN/(L·d)，下降近90%，且AnAOB的世代周期也会从18d增至79d。JinLi等研究发现，当温度从25~30℃降至10℃时，Anammox的脱氮速率会从1670~1820mgN/(L·d)骤降至280mgN/(L·d)，但当温度恢复至18℃时，脱氮速率又会回升至1320mgN/(L·d)，说明低温对AnAOB活性的影响是可逆的。P.deCocker等则通过研究发现，当温度由30℃降至20℃时，AnAOB的活性下降了66.7%左右，但运行2个月后，活性会逐渐恢复至原来水平；随后进一步将温度降至15、12.5、10℃，AnAOB活性的恢复周期将进一步缩短，最终在低温下实现Anammox的稳定运行。同样地，BowenZhang等在Anammox反应器中处理低浓度合成废水时也发现，采用间歇性高强度投加和逐步降温的方法，在低至15℃下仍能实现系统稳定运行，且总氮去除速率高达0.71~0.98kg/(m3·d)。可以看出，“逐步降温”方式为Anammox的推广应用开辟了-条新的路径。
2.2.3 pH
pH对Anammox的影响，-方面是基于酸碱环境对微生物菌种生长活性的影响；另-方面是基于pH对NH4+-N与游离氨(FA)和NO2--N与游离亚硝酸(FNA)之间化学平衡的影响。当pH过低时，NO2--N向NH2OH的转化会受到抑制，从而影响AnAOB的能量代谢；当pH过高时，NH4+-N向NH2OH的转化会得到强化，使得NH2OH出现积累，从而对AnAOB的活性造成抑制作用。M.S.M.Jetten等的研究表明，当pH低于6.0或高于9.5时，都会使AnAOB活性降低。陈宗姮等利用人工模拟废水开展了pH对Anammox反应影响的研究，结果表明，当pH为7和7.5时，总氮去除率只有80%左右，当将pH调节为8时，总氮去除率升至99%以上，将pH继续升至8.5，总氮去除率急剧下降至80%以下。大量研究表明，适宜AnAOB生长的pH为6.5~8.8。
3、工程应用
全球首座Anammox示范工程于2002年在Dokhaven污水处理厂成功建成投运，截至2014年，世界范围内Anammox实体工程仍仅有100余座。可以看出，针对Anammox工艺，已有的研究报道普遍停留在实验室或中试规模研究阶段，而在实际工程方面的应用还相对较少。从已实现Anammox运行的工程来看，新加坡樟宜回用水处理厂和西安市第四污水处理厂Anammox的运行较为成功，这为该工艺的应用提供了很好的案例和示范作用。
新加坡樟宜回用水处理厂率先在主流工艺中实现了Anammox的稳定运行。该厂处理规模为8x105m/d，采用分段进水活性污泥工艺(SFAS)，系统水温常年维持在28~32℃。水力停留时间为5.8h，总泥龄为5d，其中缺氧泥龄与好氧泥龄比为1:1，污泥回流比为50%。通过分析发现，曝气池中平均氨氧化率为72.2%，平均亚硝酸盐累积率为76.0%，说明好氧区实现了稳定的亚硝化。通过对菌群的进一步分析发现，缺氧区存在大量的悬浮和游离AnAOB，这很好地解释了缺氧区中NH4+-N与NO2--N同步去除现象。通过能耗分析发现，该厂处理1m3污水的曝气能耗为0.12kW·h，与其他回用水处理厂相比，能耗下降了近1/3。
西安市第四污水处理厂一期工程设计处理能力为2.5x105m/d，采用倒置A/O工艺，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。该工程自2012年11月开始进行提标改造，改造后采用A/O+MBBR工艺。厌氧区水力停留时间为1h，与改造前-致，缺氧区水力停留时间为3.6h，较改造前延长了80%，并在缺氧区进行填料投加。经3年多数据跟踪分析发现，改造后的工程出水平均总氮约为5mg/L，其余指标均能达到地表IV类水标准。通过对填料、悬浮污泥以及厌氧区和缺氧区的微生物进行高通量分析发现，缺氧区AnAOB活性达到了0.052kg/(m3·d)，且K型AnAOB成长为了优势菌种。进一步通过同位素示踪法也证实了缺氧区存在显著的Anammox反应，且定量测定结果表明，Anammox过程所占脱氮比例高达30%左右。相较于新加坡樟宜回用水处理厂常年28~32℃的水温，西安市第四污水处理厂水温为10~20℃，该温度处于AnAOB适宜温度范围之外，但却成功实现了Anammox的启动且长期稳定运行，有效填补了Anammox常温生产性应用的空白，在全球范围内都具有积极的示范意义。
4、结语与展望
随着资源节约型与环境友好型社会的提出，传统高能耗、高成本、低效率的水处理技术已然无法满足当今社会的发展要求。为平衡资源节约与环境保护，对于新兴的低能耗、低成本、高效率的Anammox工艺的研究与应用受到广泛关注。但就目前的研究成果来看，仍存在诸多问题阻碍Anammox工艺的进一步发展与推广应用。
(1)关于Anammox的长期稳定运行，已有的研究大多是在相对稳定的恒温环境下实现的，如何在变温条件下确保AnAOB的快速适应且保持较高的脱氮性能，将是Anammox工艺由实验室向工业生产转变急需解决的问题。
(2)目前，对于Anammox影响因素的研究主要集中在单因素层面，而多因素共同作用对Anammox综合影响的研究对于该工艺的推广应用更具有现实的指导意义。
(3)AnAOB在实验室的世代周期长达11d左右，而在实际工程中由于受反应条件、环境因素等制约，世代周期更会大大延长。为此，探索进一步缩短AnAOB世代周期的方法，促使AnAOB快速增殖与稳定保留将是实现该技术推广的当务之急。
(4)Anammox工艺成功应用的前置条件是要实现稳定的短程硝化，为Anammox反应提供源源不断的基质。为此，影响短程硝化过程稳定实现的因素也将是下一步研究重点。（来源：重庆市三峡水务渝北排水有限责任公司，重庆大学化学化工学院，长江师范学院化学化工学院）