厌氧氨氧化（ANAMMOX）是1990年由荷兰Delft工业大学研发的一种新型生物脱氮技术，可简便快捷地转换氨氮，为生物脱氮提供了新的研究思路^〔1-2〕。与过去的工艺相比，新的技术在供氧能耗及中和试剂等方面节省很多，且无需外部投加有机碳源，具有脱氮效率高、污泥产量低等优点。特别是在处理垃圾渗滤液^〔3〕、污泥消化上清液^〔4〕、味精废水^〔5〕、养殖废水^〔6〕这些高氨氮、低碳氮比的废水具有相当大的优势，已成为我国乃至世界上的研究热点。2002年6月全球首个ANAMMOX工艺的污水处理厂在荷兰Dokhaven投入使用，总氮去除速率最高可达9.75 kg/（m³·d）^〔7〕，传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺〔0.23~0.5 kg/（m³·d）〕^〔8〕无法与之相提并论。

随着国内外学者对ANAMMOX研究的逐渐深入，其影响因素也成为探讨的中心问题。研究者针对诸多可能的影响因素进行讨论及试验，但尚无定论^〔9-12〕。特别是在溶解氧控制方式及有机物影响方面^〔13-15〕，运行参数的确定能够加快厌氧氨氧化技术工程化应用的进程。笔者采用人工配制模拟废水，通过连续培养试验探讨了HRT和溶解氧对该反应脱氮效果的影响，同时考察有机物对厌氧氨氧化菌（ANAOB）活性的影响，旨在确定ANAMMOX反应的最佳运行参数，为该工艺的放大试验研究提供参考数据和基础依据。

分别以NaHCO₃、KH₂PO₄、NH₄Cl和NaNO₂为碳源、磷源及氮源，通过人工配制为试验提供稳定的水域环境。控制进水pH为7.5~8.0，NH₄⁺-N质量浓度为60~100 mg/L，保证NH₄⁺-N、NO₂^--N质量比在1:1.32左右。同时投加MgSO₄·7HO₂、CaCl₂·2HO₂，并加入1 mL/L微量元素营养液A和B。2种营养液成分分别为A EDTA 5.000 g/L，FeSO₄ 5.000 g/L；B EDTA 15.000 g/L，MnCl₂·4H₂O 0.990 g/L，ZnSO₄·7H₂O 0.430 g/L，CoCl₂·6H₂O 0.240 g/L，CuSO₄·5H₂O 0.250 g/L，Na₂MoO₄·2H₂O 0.220 g/L，NiCl₂·6H₂O 0.190 g/L，H₃BO₄ 0.014 g/L。试验所需接种污泥取自沈阳市北部地区污水处理厂的厌氧消化污泥。

采用连续培养试验装置及复合式UASB反应器，如图 1所示。

装置总体构造由双层圆柱形有机玻璃柱制成，反应区设在装置下半部分，整体高度80 cm，内部半径为8 cm，可容纳4 L反应液。反应区域外部设有水浴，包裹整个反应区，用恒温循环系统保持反应器内部温度常年在（35±1）℃，确保试验正常进行。在反应器底部约25 cm处添加组合式的纤维填料，确保污泥具有更好的生存环境。试验装置上半部分设置为沉淀区，整体高度为45 cm，内部直径设置为15 cm，总容积6.5 L，并在内部设置三相分离器。在反应器外壁均置5个取样口。为避免光线对反应器内厌氧氨氧化菌的干扰，反应区用黑色塑料布包裹。

所选反应器运行2个月，NH₄⁺-N和NO₂^--N平均去除率均可达90%以上，TN平均容积负荷为0.464 kg/（m³·d），TN平均去除率保持在50%以上，驯化成熟的厌氧氨氧化污泥呈砖红色，为形状不规则的细小颗粒，结构密实，有较高活性。

采用100 mL厌氧瓶作为分批培养装置。通过排水法在操作前用氩气充满厌氧瓶，从反应器中去除0.5 L污泥，将其投加于容量为2 L的烧杯中，静置30 min，撇去上层清液，再向烧杯中投加1 L试验配水，将曝气头置于烧杯底部，加盖后以氩气脱氧15 min，随后在不断以氩气脱氧兼搅拌的条件下用注射器抽吸80 mL不同基质条件的泥水混合液于厌氧瓶中，用注射器抽出瓶中多余气体，以保证瓶内与瓶外的大气压相等，最后将厌氧瓶用黑布包好放入转速为150 r/min、（35±1）℃的恒温震荡培养箱中。

各指标按照《水和废水监测分析方法》（第4版）中规定的方法进行检测分析。NO₃^--N采用紫外分光光度法测定；NO₂^--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定；NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法测定；COD_Cr采用快速密闭催化消解法测定；TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定；pH采用便携式pH仪测定。

衡量ANAMMOX脱氮性能的一个重要指标是TN容积负荷。可通过逐渐缩短HRT来提高TN容积负荷，从而保证反应器高效且稳定运行^〔16〕。进水水箱内通入氩气脱氧，逐步降低HRT分别至24、18、12、9、6 h。定期检测反应器中进出水的NH₄⁺-N、NO₂^--N以及出水NO₃^--N质量浓度，考察NH₄⁺-N、NO₂^--N和TN去除率及TN容积负荷的变化情况，试验结果如图 2、图 3所示。

如图 2所示，随着HRT的缩短，ANAMMOX反应的脱氮性能减弱。当HRT从24 h缩至18 h时，NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率变化不明显。当HRT从12 h缩至9 h时，NH₄⁺-N和NO₂^--N去除效果明显变差，8 d内NH₄⁺-N和NO₂^--N平均去除率分别降低12.21%、15.96%。HRT为6 h时，NH₄⁺-N和NO₂^--N的平均去除率分别仅为53.79%、62.15%。

从图 3可知，随着HRT的缩短，TN负荷的提升，其去除率降低。HRT由24 h降到6 h时，TN容积负荷已从0.232 kg/（m³·d）增至0.9 kg/（m³·d），提升效果十分显著。HRT对TN去除率的影响与HRT取值范围有关。当HRT控制在24~12 h内，HRT减少对TN去除率的影响很小，一直保持在80%以上。HRT＜12 h时，TN去除效果明显变差：HRT为9 h时，TN平均去除率降低14.04%；HRT为6 h时，TN平均去除率只有50%左右。

一方面，ANAOB生长十分缓慢（比增殖速率仅为0.03 h^-1，即世代时间长达11 d）^〔17〕，HRT过短会导致反应器内的菌种流失严重，ANAOB的繁殖速度远远难以弥补，致使微生物量不足，对NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除有所影响；与此同时，TN容积负荷过高势必会影响ANAOB的活跃程度，造成脱氮效果不佳。另一方面，HRT过长，系统内NH₄⁺-N和NO₂^--N的质量浓度过低，不能为厌氧氨氧化菌提供足够的反应基质，给菌种的驯化培养带来负面影响甚至发生污泥解体现象，细胞蛋白质分解生成NH₄⁺-N，导致出水水质严重恶化。

综上所述，在适宜的HRT范围内，应尽可能减少HRT来提高反应器的TN容积负荷。为获得理想的去除效果，笔者认为复合式UASB厌氧氨氧化反应器最适宜的HRT为12 h。

ANAOB属于专性厌氧菌，当进水含有一定量的DO时，菌种的活跃度受到一定影响。但在实际工程中对废水进行脱氧处理会增加运行成本，有悖于我国提倡的可持续污水处理的理念。为此，在低DO状态下对ANAMMOX工艺脱氮性能进行研究。控制溶解氧在0.7~1.0 mg/L，HRT为12 h。每2 d检测一次进、出水NH₄⁺-N、NO₂^--N及出水NO₃^--N质量浓度，探究DO对ANAMMOX脱氮性能的影响，结果如图 4所示。

从图 4可见，进水不脱氧时，水中的DO会使ANAMMOX的反应活性显著下降，随着时间延长，NO₂^--N去除率先降低后小幅上升随后逐渐平稳，NH₄⁺-N去除率在降低后呈现上升趋势，之后保持不变。NO₂^--N去除量与NH₄⁺-N去除量的比值在5~21 d内波动较大，第23天后逐渐稳定，平均为0.849。然而，NO₃^--N生成量与NH₄⁺-N去除量的比值在11 d内运行较为稳定，平均约为0.221，略微低于0.26。

由于反应器内DO含量较高，导致AOB快速繁殖，将一些NH₄⁺-N变成NO₂^--N，出水中的NH₄⁺-N降低，去除率升高。因此，NO₂^--N去除量与NH₄⁺-N去除量的比值明显小于1.32。张驰等^〔18〕研究了溶解氧对完全自养脱氮系统的影响，认为DO增加会引起好氧氨氧化菌的大量繁殖，导致ANAOB受到影响，从而使NO₂^--N过剩。结果表明，控制反应器内部DO在0.6~0.8 mg/L内对TN的去除效果较好。本试验不进行脱氧处理，反应器内部DO达到0.7~1.0 mg/L时，AOB对ANAOB的影响已不可忽略。

自第29天对反应器进行脱氧处理，控制DO为（0.2±0.1）mg/L，研究DO对ANAMMOX反应造成的影响是否可逆，试验结果如图 5所示。

由图 5可以看出，进水恢复通氩气脱氧后，经过2周左右的适应期厌氧氨氧化菌活性开始趋于稳定，并恢复到脱氧前水平。29~41 d内，NH₄⁺-N和NO₂^--N平均去除率分别提高了9.81%、4.38%；NO₂^--N去除量与NH₄⁺-N去除量的比值波动较大，且始终低于1.32；NO₃^--N生成量与NH₄⁺-N去除量比值略＜0.26。49~59 d内，NH₄⁺-N和NO₂^--N平均去除率分别为53.97%、54.56%，NO₂^--N去除量与NH₄⁺-N去除量比值在1.32附近波动，NO₃^--N生成量与NH₄⁺-N去除量比值维持在0.26左右。

试验结果表明DO对ANAMMOX反应造成的影响是可逆的。说明ANAOB对DO有较强的耐受能力，一定质量浓度的DO不会造成破坏性的伤害，只是影响其活跃度。

在进水不脱氧的条件下，ANAMMOX反应的脱氮能力下降，但仍可平稳进行。因此，可以考虑在不脱氧条件下运行ANAMMOX反应器，同时适当降低进水NO₂^--N与NH₄⁺-N质量浓度比值，满足反硝化与ANAMMOX协同脱氮以降低运行成本。

由于ANAOB是化能自养菌，其唯一碳源来自碳酸盐或CO₂，因此，系统内若存在有机物，异养微生物将利用该有机物快速繁殖，在数量上远多于ANAOB。实际废水中常存在一定量的有机物，因此考虑有机物对ANAOB的影响有一定现实意义。

以葡萄糖作为有机碳源，调节进水COD依次为50、100、150、180、200 mg/L。分批培养试验进行7 d，每天检测进、出水的NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N和COD并换水，取7 d检测平均值，试验结果如图 6、图 7所示。

由图 6可见，COD由50 mg/L提升到150 mg/L时，有机物对ANAMMOX的影响并不大，NH₄⁺-N平均去除率降低6.82%，NO₂^--N平均去除率升高4.86%；当COD超过150 mg/L时，NH₄⁺-N和NO₂^--N的去除率快速下降；COD为200 mg/L时，NH₄⁺-N和NO₂^--N的平均去除率分别仅为52.11%、76.82%。

由图 7可以看出，不同COD下，NO₂^--N实际去除效果优于理论值，说明有机物存在时反应器内发生反硝化反应，部分NO₂^--N被还原。随着COD升高，NO₂^--N理论去除量与实际去除量的差值也越大，说明反硝化反应的活性逐渐提高。

当COD在50~150 mg/L范围内，有机物对ANAOB的抑制并不显著，自养ANAMMOX起到重要作用，异养反硝化干扰较小。NH₄⁺-N去除率虽有下降但仍能维持在75%以上，NO₂^--N去除率可至90%以上，COD去除率也能维持在较高水平，最低也能达到74%。刘金苓等^〔19〕认为，低质量浓度的葡萄糖利于ANAMMOX反应的进行，能够提高ANAMMOX的反应速率。

当COD超过150 mg/L时，ANAOB在高有机负荷下对NO₂^--N的竞争力较弱，随着COD不断增加，反硝化细菌对基质的竞争优势扩大。COD去除量增加和NO₃^--N生成量的减少表明反硝化细菌大量繁殖，成为系统内的优势种属。同时，反硝化过程因消耗H⁺使得pH变大，不在ANAOB生长的最适pH范围内，其活性受到严重抑制，ANAMMOX反应器的脱氮性能大幅下降，COD去除率也不是很高。因此，可合理控制进水NH₄⁺-N与NO₂^--N比值，充分发挥ANAMMOX和反硝化的协同作用，获得最佳脱氮效果。

（1）HRT对ANAMMOX反应的脱氮效果有重要影响。HRT不足使得含氮物质残留，而HRT过长，厌氧氨氧化菌得不到充足的基质而长期处于“饥饿”状态，可能发生污泥解体现象。控制HRT在12 h可提高TN容积负荷，有利于ANAMMOX反应稳定高效地进行，同时获得较高的TN去除效果。

（2）DO对ANAMMOX反应的抑制作用具有可逆性。进水脱氧后，经过一段时间ANAMMOX反应器的脱氮性能可以重新恢复。在进水不脱氧的条件下，尽管ANAMMOX反应的活性受到克制，但仍可稳定运行。此时可以考虑适当降低进水NO₂^--N与NH₄⁺-N的比值，实现好氧氨氧化与ANAMMOX协同脱氮。

（3）有机物是影响ANAMMOX反应脱氮性能的一个主要因素。当COD＜150 mg/L，ANAMMOX反应能够稳定进行，获得比较理想的脱氮效果；当COD高于150 mg/L，有机物对ANAOB的活性产生显著抑制作用，NH₄⁺-N和NO₂^--N去除率大幅下降。在适量有机物存在的情况下，系统内存在反硝化现象，表现出一定的反硝化特性。