Disinfection of water in aboveground swimming pools using PEM electrolyzing ozone generators

自20世纪90年代厌氧氨氧化 (anammox) 机制被发现以来，国内外学界和工程界围绕anammox开展了诸多研究并推进其工程应用。相比传统生物脱氮工艺，anammox的低碳节能优势明显，已促使研究者将其应用于各类含氮污废水的处理。面对不同的需求，国内外研究者将anammox与其他氮循环、碳循环、磷循环、硫循环、铁循环等过程进行组合，产生了诸多Anammox⁺工艺，从而实现以anammox为中心的多过程协同污染物治理和资源能源回收。为更好地总结梳理该领域的最新成果，《环境工程学报》编辑部邀请国内学界的陈荣教授、张亮教授和工程界的曹效鑫正高级工程师组织了“Anammox⁺生物脱氮工艺与应用”专题。本文梳理和总结了Anammox⁺脱氮工艺的类型和组合工艺进展，并对Anammox⁺工艺在工程应用中存在的问题和挑战进行了讨论，作为该专题的代序言。

1.   基于不同元素循环的Anammox⁺脱氮工艺原理及开发现状

1) N-N耦合Anammox⁺工艺。Anammox能在厌氧条件下将氨氮和亚硝氮同步转化生成氮气^[1]，但实际废水中通常存在亚硝氮来源不足的问题。为实现anammox的持续高效稳定运行，将其与短程硝化过程进行耦合，形成了短程硝化-厌氧氨氧化 (partial nitrification/anammox，PN/A) 组合工艺^[2]。通过工艺调整或关键参数调控将短程硝化产生的亚硝氮与进水氨氮混合后进入anammox单元，或通过碱度与进水氨氮的摩尔比实现半短程硝化^[3]，均能满足anammox对氨氮和亚硝氮的化学计量比需求。该工艺通常采用两段式进行调控实现，为节省占地面积，通过反应器构型优化集成或通过投加填料等方式，已衍生出多种类型的一段式PN/A工艺^[4]。PN/A工艺已在一些废水处理中开展了工程化应用^[5]，但仍存在亚硝酸盐氧化菌 (nitrite-oxidizing bacteria，NOB) 难以长期稳定抑制致使短程硝化中亚硝氮积累率不高的问题。采取泥龄淘洗、游离氨和游离亚硝酸交替抑制或曝气膜供氧等调控措施^[6-8]，能较好地实现PN/A工艺中氨氧化菌 (ammonium-oxidizing bacteria，AOB) 和anammox菌的有效富集增殖。

随着硝酸盐异化还原为铵 (dissimilatory nitrate reduction to ammonium，DNRA) 和完全氨氧化 (Comammox) ^[9]等新型氮循环过程相继被发现，将自然界氮循环过程中与anammox脱氮过程进行组合 (图1) ，目前仍是Anammox⁺组合工艺开发和应用的热点。

图 1  典型Anammox⁺脱氮工艺及其关键代谢转化途径示意图

Figure 1.  Schematic of the typical anammox-based nitrogen removal processes including various key metabolic transformation pathways

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2) N-C耦合Anammox⁺工艺。氮循环通常与生物圈其他元素循环过程存在交叉耦联现象。含氮废水组分复杂，通常除氮外仍有碳、磷、硫、铁、锰等元素。面对复杂含氮废水处理工程实际需求，将anammox与其他元素循环过程组合是师法自然进行水污染治理的有效途径。由于anammox理论最大脱氮率 (89%) 不能满足深度脱氮需求，故将anammox与反硝化 (以有机碳源为电子供体) 进行组合，形成了anammox和短程反硝化 (partial denitrification，PD) 组合工艺 (PD/A) ^[10]。该工艺能将anammox产生的硝氮通过短程反硝化菌将其转化生成亚硝氮再供给anammox菌，理论上能够实现100%脱氮，具有一定工程应用潜力。此外，基于PN、anammox和PD的组合也衍生了同步部分硝化-厌氧氨氧化-反硝化 (simultaneous partial nitritation, anammox and denitrification，SNAD) 等工艺^[11]。

此外，在有机碳源捕获和厌氧产甲烷过程中，厌氧消化液通常含有高浓度氨氮，但同时沼液中通常含有溶解性甲烷。反硝化厌氧甲烷氧化 (denitrifying anaerobic methane oxidation，DAMO) 能够通过DMAO古菌将硝氮转化为亚硝氮，也能通过DAMO细菌将亚硝氮转化为氮气。将anammox与DAMO耦合能实现深度生物脱氮的同时降低温室气体排放，进而形成了另一种Anammox⁺氮-碳循环新工艺^[12]。该工艺工程应用的瓶颈在于anammox菌和DAMO菌两类增殖缓慢功能菌的高效富集。利用膜生物反应器提高功能微生物的停留时间有利于两类菌群的富集增殖。

3) N-P耦合Anammox⁺工艺。面向实际工程废水同步脱氮除磷需求，将生物除磷 (如聚磷菌，phosphorus accumulating organisms，PAO) 或化学沉淀除磷与anammox进行组合，产生了多种组合工艺，如同步硝化-内源反硝化除磷 (simultaneous nitrification-endogenous denitrification and phosphorus removal，SNEDPR) 工艺 ^[13]、 羟基磷灰石 (hydroxyapatite，HAP) 工艺^[14]和部分反硝化-厌氧氨氧化-生物除磷-发酵和部分硝化 (partial denitrification, anammox-biological phosphorus removal, fermentation and partial nitrification，PDA-PFPN) 工艺^[15]等。相关工艺能实现废水低碳脱氮的同时回收磷资源，对于全球磷资源循环回用意义重大。其中，HAP-anammox组合工艺中形成的羟基磷灰石 (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) 结晶沉淀可作为anammox颗粒污泥的内核，能避免高负荷下anammox颗粒污泥因中空上浮大量流失的问题，因而可增强颗粒污泥沉降性能^[16]。

4) N-S耦合Anammox⁺工艺。硫元素在自然界中的存在形态多，在废水中多以硫酸根或硫化物的形式存在。脱氮硫杆菌能将硝氮或亚硝氮和硫化物同步转化生成氮气和单质硫，将其与anammox进行组合，能实现深度脱氮的同时实现硫资源回收。将anammox与硫基反硝化 (sulfur-based denitrification，SD) 组合形成SDA工艺，还可以同时缓解水中有毒组分 (如S²⁻或SCN⁻) 对anammox菌的抑制作用^[17]。其中，硫基反硝化过程可将anammox产生的硝氮转化为亚硝氮，然后供给anammox实现深度脱氮，同时将还原态硫 (S⁰、S²⁻或S₂O₃²⁻等) 转化成硫酸根^[18-19]。SDA工艺能显著节省电子供体消耗，从而简化水处理工艺流程。然而，由于硫的形态较多 (如S²⁻、S⁰、S₂O₃²⁻、S₄O₆²⁻、SO₃²⁻和SO₄²⁻等) ，硫氧化菌 (sulfur oxidizing bacteria，SOB) 代谢途径多样，未来仍需对SDA工艺的动力学、微生物学和模型评估及更大规模的实际工程应用开展系统深入的研究。

5) N-Fe耦合Anammox⁺工艺。铁氨氧化 (Feammox) 是2006年SAWAYAMA发现的铁还原菌催化氨氧化耦合铁还原的生物反应^[20]，可在室温条件下以Fe(III)为电子受体，无需曝气和有机碳即可将氨氮转化生成氮气、亚硝氮或硝态氮。该工艺在单一系统中能同步实现Feammox、anammox和反硝化多途径耦合脱氮^[21]，但工艺长期稳定性和运行参数仍需优化探究。此外，Feammox仍存在转化效率低的问题，亟需寻找有效的提升方法以便于其工程应用。类似Feammox过程，研究者发现在自然界中也存在锰氨氧化反应 (Mnammox) ^[22]，将其与anammox进行组合有望提供一种新的脱氮途径，但目前有关anammox耦合Mnammox的组合工艺研究鲜见报道。

6) 多过程耦合Anammox⁺工艺。在N-N循环、N-C循环、N-P循环、N-S循环和N-Fe循环的基础上，为应对更复杂的水质和环境条件，3种或更多元素循环衍生了更多以anammox为脱氮核心的多过程耦合Anammox⁺工艺 (图1) ，如C-N-S同步脱除工艺，C-N-P同步脱除工艺等组合工艺。鉴于多元素循环涉及多菌群的协同代谢，因此，探明组合工艺中核心菌群间的平衡并实现精准调控，是多过程耦合Anammox⁺工艺实现工程化应用的重要前提。此外，实现长期稳定运行亦为工业化推广应用的重要前提。

2.   Anammox⁺组合工艺的研究现状

1) Anammox⁺膜技术组合工艺。Anammox实际工程应用中，除了存在亚硝氮来源不足和产生硝氮影响深度脱氮效率外，anammox菌倍增时间长也是其工业化应用亟待解决的关键问题^[23]。因此，将其与膜技术结合能够有效增加菌群截留，如将anammox与厌氧膜生物反应器 (anaerobic membrane bioreactor，AnMBR) ^[24]或厌氧动态膜反应器 (anaerobic dynamic membrane bioreactor，AnDMBR) 结合^[25]，可缩短系统启动时间，增加系统运行稳定性。此外，鉴于曝气膜技术的进步，将曝气膜生物反应器 (membrane aerated biofilm reactor，MABR) 与PN/A或PN/PD/A组合^[7]，能在最小的空间内形成良好的好氧-缺氧-厌氧的生态位，用更小的能耗实现高效稳定脱氮，因而逐渐成为国内外学者和工程界关注的热点。

2) Anammox⁺生态组合工艺。Anammox与人工湿地组合^[26]可形成兼具生物脱氮、植物固氮和生态景观多重功效的Anammox⁺生态类组合工艺。将人工湿地-anammox-微生物燃料电池进行组合，可低成本实现有机物和氮素同步脱除^[27]。此外，仿照自然生境构建藻类和anammox的菌藻共生系统^[28]，在实现污染物去除的同时，还可收获藻类生物质并用于以藻类为底物的资源能源回收。

3.   结语

Anammox脱氮途径在自然生境中广泛存在，通过其与多元素循环过程的耦合，衍生了以anammox为核心的诸多Anammox⁺工艺。国内外学界和工程界仍需重点关注以下3点内容：一是提高anammox菌群丰度，明确anammox菌与其他共生菌群的营养代谢关系，明晰anammox混培菌共存下的脱氮机理；二是面向低碳深度脱氮需求，按需将Anammox⁺工艺进行多过程组合升级，探明关键功能菌群的协同代谢途径，提出组合工艺的增效调控方法，最大限度减少温室气体排放；三是针对不同类型含氮废水，开展多场景Anammox⁺工艺的应用和集成优化，开展长期运行效能评估，以推动Anammox⁺工艺更大的规模工程化应用。