厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX)是指在厭氧或缺氧條件下，微生物直接以亞硝酸鹽為電子受體，將氨和亞硝酸鹽轉變為N2的生物氧化過程，即在此過程中，NH4+-N的氧化無需分子態氧，而NO2--N的還原無需有機物參與。相比傳統的硝化反硝化脫氮工藝，厭氧氨氧化具有需氧量小、運行費用省以及無需外加有機碳源等優點〔1, 2, 3〕。厭氧氨氧化菌作為化能自養型細菌，其以CO2或HCO3-為碳源，并從NH4+-N和NO2--N的生物反應中獲得能量，因此，厭氧氨氧化菌生長和維持活性需要充足的無機碳源〔4〕。另外，由于厭氧氨氧化反應過程消耗H+，導致系統pH升高，而HCO3-可調節系統pH，維持其穩定運行〔5〕。總之，HCO3-(無機碳源)是ANAMMOX反應中較為重要的影響因素。故本實驗利用厭氧發酵罐反應器，以序批式運行方式，研究了不同HCO3-濃度對厭氧氨氧化反應的影響。
1 材料和方法
1.1 實驗裝置和運行條件
實驗裝置選用實驗室臺式旗艦型小型厭氧發酵罐反應器，如圖 1所示。該反應器由瑞士制造，INFORS品牌，型號Labfors 5 Bacteria，總容積為3.6 L，有效容積為2.6 L。攪拌速率設置為150 r/min，在線監測pH和ORP。控制裝置運行溫度為33 ℃，遮光放置，避免光線對微生物的負面影響。
圖 1 反應裝置
1.2 反應器接種污泥
厭氧發酵罐反應器接種污泥取自實驗室運行狀態良好的亞硝酸鹽型厭氧氨氧化紅色顆粒狀污泥，MLSS為0.423 g/L，MLVSS為0.201 g/L，MLVSS/MLSS為0.475。
1.3 實驗模擬廢水組成
人工配制實驗模擬廢水 ，反應基質主要為NH4Cl和NaNO2，其質量濃度分別為90、120 mg/L。溶液中的HCO3-由NaHCO3和KHCO3提供，投加濃度如表 1所示。利用強酸和強堿調節反應器內原水pH至7.5±0.1。
模擬廢水中其他營養成分為KH2PO4 27 mg/L、MgCl2·6H2O 200 mg/L、CaCl2·2H2O 68 mg/L、微量元素Ⅰ1 mL/L、微量元素Ⅱ1.25 mL/L。微量元素Ⅰ組成：EDTA 5 g/L，硫酸亞鐵5 g/L。微量元素Ⅱ組成：EDTA 5 000 mg/L，CoCl2·6H2O 240 mg/L，ZnSO4·7H2O 430 mg/L，MnCl2·4H2O 990 mg/L，CuSO4·5H2O 250 mg/L，NaMoO4·2H2O 220 mg/L，NiCl2·6H2O 190 mg/L，NaSeO2·10H2O 210 mg/L，H3BO4 14 mg/L。原水配制后采用高純N2吹脫30 min，以去除水中的溶解氧。
1.4 實驗測定項目和方法
NH4+-N的測定采用納氏試劑分光光度法;NO2--N、NO3--N、SO42-的測定采用離子色譜法; HCO3-的測定采用德國耶拿TOC Multi N/C 3100總碳-總氮分析儀;MLSS和MLVSS的測定采用重量法。
2 結果與討論
2.1 HCO3-濃度對厭氧氨氧化反應時間的影響
不同進水HCO3-濃度條件下 ，NH4+-N和NO2--N反應完所需時間如圖 2所示。
圖 2 HCO3-濃度對厭氧氨氧化反應時間的影響
由圖 2可知，隨著進水HCO3-濃度的增大，NH4+-N和NO2--N反應完所需的時間減少，當HCO3-質量濃度達到1.2 g/L時，NH4+-N和NO2--N反應完所需要的時間最短，為6 h;進一步提高HCO3-濃度，反應時間反而延長。說明并不是HCO3-濃度越高，對氨氮的降解能力就越強。
2.2 HCO3-濃度對厭氧氨氧化反應速率的影響
在反應時間為6 h的條件下，考察了NH4+-N、NO2--N和總無機氮降解速率隨進水HCO3-濃度的變化，結果如圖 3所示。
圖 3 HCO3-濃度對厭氧氨氧化反應速率的影響
由圖 3可知，當進水HCO3-質量濃度為0.2 g/L時，NH4+-N和NO2--N的降解速率分別為6.43 、8.32 mg/(L·h)，總無機氮去除速率為14.44 mg/(L·h);當HCO3-質量濃度提高到1.2 g/L時，NH4+-N和NO2--N的降解速率分別達到13.86、17.36 mg/(L·h)，總無機氮去除速率為28.8 mg/(L·h)，此時厭氧氨氧化細菌活性最高;進一步提高HCO3-濃度，總無機氮去除速率反而下降，厭氧氨氧化細菌活性受到抑制。
實驗結果表明，當進水HCO3-質量濃度<1.2 g/L時，其濃度的提高有利于提高ANAMMOX菌的活性和ANAMMOX反應器的脫氮性能〔6, 7, 8, 9〕。由于氮最終以N2的釋放而去除，氮負荷高且去除率高勢必會產生大量的N2，N2從厭氧氨氧化菌表面的釋放會對厭氧氨氧化菌利用CO2或HCO3-造成阻力〔10〕，而原水中高濃度的無機碳則恰好彌補了厭氧氨氧化菌對CO2或HCO3-的需求。由此可知，HCO3-在該體系中起著重要的補充碳源的作用。當碳源不足，原水HCO3-濃度較低時，厭氧氨氧化細菌的活性會受到抑制，反應時間會延長。但過高的HCO3-濃度同樣會抑制厭氧氨氧化細菌的活性，不但沒有提高反應速率而且還增大了運行費用。
2.3 HCO3-濃度對厭氧氨氧化過程pH的影響
進水HCO3-濃度對厭氧氨氧化過程pH的影響如圖 4所示。
圖 4 HCO3-濃度對厭氧氨氧化過程pH的影響
厭氧氨氧化過程中H+不斷被消耗，致使系統pH不斷升高。研究結果表明，厭氧氨氧化菌的最適pH為6.7~8.3，而氮負荷高且去除率高時會造成系統內部pH高于厭氧氨氧化菌的最適pH范圍，導致厭氧氨氧化菌的活性大幅降低。由圖 3可知，當進水HCO3-質量濃度<0.8 g/L時，即使原水pH調控至7.5±0.1左右，反應到中期以后反應器內的pH仍升至8.5以上，且之后上升幅度更大，不適于厭氧氨氧化菌的生長;當進水HCO3-質量濃度>0.8 g/L時，整個反應過程中反應器內的pH基本可以穩定在ANAMMOX反應所需要的最佳pH范圍，且整個反應過程中pH變化幅度相對較小，可為厭氧氨氧化菌的生長提供良好的pH環境，有利于ANAMMOX反應的順利進行。實驗結果表明，原水中高濃度的無機碳可作為pH的緩沖劑。綜合考慮，最佳進水HCO3-質量濃度為1.2 g/L。
2.4 厭氧氨氧化過程中HCO3-濃度的變化
在不同進水HCO3-濃度條件下，考察了厭氧氨氧化過程中HCO3-濃度的變化，結果如圖 5所示。
圖 5 厭氧氨氧化過程中HCO3-濃度的變化
由圖 5可知，厭氧氨氧化過程中HCO3-濃度基本未發生變化，反應中無機碳濃度變化很小，僅有極少量的HCO3-作為無機碳源用于細胞合成。具體參見http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。
3 結論
實驗結果表明，無機碳源(HCO3-)濃度對厭氧氨氧化反應活性有一定影響，實驗條件下適宜的原水HCO3-質量濃度為1.2 g/L。當HCO3-質量濃度>1.2 g/L時，厭氧氨氧化細菌活性會受到抑制。
HCO3-對厭氧氨氧化反應體系的影響主要體現在2個方面：(1)HCO3-可為厭氧氨氧化細菌的生長提供充足的無機碳源;(2)HCO3-是兩性物質，在產酸或者產堿的反應體系中可維持反應的酸堿平衡，起著緩沖pH的作用，維持反應器運行的穩定性。
