盐度对新型生物脱氮技术影响的研究进展

宋慧赟，王莹，陈虎，吕永康，

（1 太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室，山西太原030024；2 太原理工大学环境科学与工程学院环保产业创新研究院，山西太原030024）

高盐废水是指含盐质量分数不少于1%[1]（含盐量以氯化钠的量表示），且含有机物质和不少于3.5%的溶解性固体（TDS）的废水[2]，广泛来源于海鲜工业、腌制芥末块茎工业、皮革工业等工业产生的废水。高盐废水中含氮物质的大量排放会引起水体富营养化，破坏生态环境，影响人类的生产生活和生态平衡[3]。生物脱氮技术是目前应用最广泛的含氮物质去除方法。传统的生物脱氮技术必须通过好氧硝化和厌氧反硝化两个独立过程来实现，所以普遍存在占地面积大、运行成本及动力消耗偏高、工艺流程长、系统抗冲击能力差等缺点[4]。近年来人们对生物脱氮过程的微生物学原理的理解逐渐加深，大量突破传统理论的新理论及新技术应运而 生[5-8]， 如 同 步 硝 化 反 硝 化 （simultaneous nitrification-denitrification, SND）、短程（部分）硝化反硝化（shortcut nitrification-denitrification）、厌氧 氨 氧 化 （anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX） 以及部分硝化-厌氧氨氧化技术（partial nitritation-anammox process, PN-AMX）等。而盐度作为高盐废水的第一影响要素，会显著影响生物脱氮系统中微生物的生长及生理代谢功能，进而影响该系统的脱氮效果[9-11]。因此本文综述了盐度对两种新型生物脱氮技术的影响，分别为基于硝化-反硝化生化过程的新型生物脱氮技术（主要有同步硝化反硝化技术和短程硝化反硝化技术）、基于厌氧氨氧化反应的新型生物脱氮技术（主要有厌氧氨氧化技术和部分硝化-厌氧氨氧化技术），简述了盐度对微生物的抑制作用及微生物对盐度的耐受性，以期为新型脱氮工艺处理实际高盐含氮废水的应用提供指导。

1 盐度对基于硝化-反硝化技术处理高盐含氮废水的影响

基于硝化-反硝化原理的新型生物脱氮技术降解高盐含氮废水的研究较多，比较有代表性的有同步硝化反硝化技术和短程硝化反硝化技术等。

1.1 盐度对SND处理高盐含氮废水的影响

有学者从高盐环境中分离出一些嗜盐菌和对普通微生进行驯化运用到高盐含氮废水的处理中，以加强同步硝化反硝化技术的脱氮效果。Jin 等[20]从海洋海绵中分理出一株耐盐异养硝化好氧反硝化菌Pseudomonassp. ADN-42，NaCl 浓度从10g/L 增加至50g/L 时对氨氮去除率无明显影响。从海洋中分离出的异氧硝化好氧反硝化嗜盐芽孢杆菌N31在盐度为2%～4%时氨氮去除率均达到70%～80%之间[21]。Duan等[22]从海洋沉积物中分离出一株嗜盐异氧硝化好氧反硝化菌株Vibrio diabolicussp.SF16，在盐度为3.0%时，培养48h后，氨氮从119.77mg/L降至10.96mg/L，去除率可达90.86%。好氧颗粒污泥在盐度梯度为5g/L 逐步提升到25g/L 的环境驯化60 天后，接种到反应器中采用同步硝化反硝化技术处理鱼罐头废水，盐度为50g/L 时，总氮去除率接近98%[23]。Shi等[24]将海洋嗜盐菌加入到反应器中采用同步硝化反硝化进行含氮物质去除，与不加嗜盐菌的对照组去除效果比较，发现加嗜盐菌的反应器中总氮的去除率总体提高7%～9%。当盐度为5%～7%时，添加嗜盐菌的反应器中总氮去除率达到60%以上。结果表明利用同步硝化反硝化技术处理高盐含氮废水时添加嗜盐菌和经过驯化的微生物可以在盐度大于2%的环境中脱氮且达到一定的脱氮效果。

以上研究结果表明，盐度会通过影响系统中微生物的活性，进而影响微生物的脱氮方式，即盐度升高到2%以上时，会抑制NOB活性，脱氮路径发生改变，系统中部分硝化反硝化逐步取代完全硝化反硝化成为主要的脱氮方式[14,25]。同时含盐废水中系统脱氮路径并不唯一，存在自养/异养硝化、缺氧/好氧反硝化等多种脱氮路径。尽管脱氮方式发生改变，但系统的脱氮性能几乎不受影响。一些嗜盐菌和在盐度条件下驯化的菌可耐受更高的盐度，为高盐废水脱氮提供了可行性。

1.2 盐度对短程硝化反硝化技术处理高盐含氮废水的影响

综上所述，在盐度耐受范围内，盐度对部分硝化反硝化系统脱氮性能影响较小甚至促进脱氮；当系统中盐度超过一定耐盐阈值时，会显著抑制AOB的生长及代谢活性，导致系统启动时间延长、氨氧化过程受阻、亚硝酸盐氮的产量减小等诸多问题。这主要是由于不同微生物对盐度的耐受程度不同，盐度增加时促使系统微生物群落结构发生改变，最终导致脱氮效果发生变化。

2 盐度对基于厌氧氨氧化反应技术处理高盐含氮废水的影响

基于厌氧氨氧化反应的新型生物脱氮技术主要有厌氧氨氧化技术（anammox,AMX）和部分硝化-厌氧氨氧化技术（partial nitritation-anammox process,PN-AMX）。

2.1 盐度对厌氧氨氧化技术处理高盐含氮废水的影响

总体来看，不同厌氧氨氧化菌对盐度的耐受程度不同，在系统所能承受的盐度范围内，盐度对系统的脱氮性能具有一定的促进作用，这主要是由于此时盐度（3～15g/L NaCl）促进了厌氧氨氧化颗粒污泥的形成[41]并增加了细菌在反应器中的滞留率[42]。而当系统盐度超过一定值时（约为30g/L NaCl时），高盐度产生高渗透压会使微生物处于休眠状态或死亡，严重抑制细菌生长。但可以通过添加相容性物质甜菜碱[35,43]调节细胞内外的渗透压，缓解高盐度对系统微生物活性的抑制，以减轻高盐对系统运行的影响。

2.2 盐度对部分硝化-厌氧氨氧化技术处理高盐含氮废水的影响

以上研究结果表明在部分硝化-厌氧氨氧化工艺中，盐度在5g/L 之内时，系统几乎不受影响，甚至促进系统脱氮，适量的盐度有利于调节微生物体内的渗透压，使细胞内渗透压与环境渗透压相近，进而为微生物生长提供良好的环境。脱氮处理中起关键作用的微生物随着盐度增加，物种丰度发生变化，微生物群落结构发生改变。系统中盐度的添加方式也会影响系统的脱氮效果，采用逐步加盐的方式可使系统适应更高的盐度。在不超过系统耐受盐度范围时，盐度对系统的抑制作用具有可逆性，但超过一定范围时盐度对系统的抑制不可逆。

OLAND 是限氧亚硝化与厌氧氨氧化相耦合的生物脱氮工艺，在亚硝态氮向硝态氮的转化中通过控制溶解氧含量，使反应因缺少足够的氧气作电子受体而受到阻碍，从而使氨氧化反应主要产生亚硝态氮；随后厌氧氨氧化菌在厌氧条件下以亚硝态氮作电子受体将氨氮氧化成氮气。与传统的生物脱氮相比，能耗低，反应时间短，污泥产量少，不需投加碳源，脱氮效率高，在较低温度下仍可正常运行，在技术研究和开发上具有良好的潜力和经济价值[52]。Windey 等[53]在OLAND 生物膜反应器有效地实现高盐浓度废水的自养脱氮，与不添加盐时期相比，在盐含量为30g/L 时，氮去除能力降低31%，硝化活性降低43%，厌氧氨氧化活性降低96%。目前采用OLAND工艺处理高盐含氮废水的研究甚少，可能是盐度的存在致使限氧系统内部环境更加恶劣，阻碍亚硝酸盐的生产，导致OLAND 工艺处理高盐含氮废水的处理效果不佳。

综合以上6种新型生物脱氮技术处理高盐含氮废水结果来看，盐度在3%以内时，不管采用哪种脱氮技术均可达到一定的脱氮效果，盐度继续升高，脱氮效果降低，系统甚至崩溃。采用同种脱氮技术脱氮时，不同系统中添加相同盐度时，脱氮效果出现差异。表1总结了6种新型生物脱氮技术降解高盐含氮废水的处理效果。

3 盐度的抑制机理和耐受机理

盐度的存在对脱氮微生物的生长带来一定的抑制作用。溶液的浓度与渗透压成正比，溶液中无机盐浓度越高，渗透压就越高[54]。在高盐度环境（例如2%NaCl）中，微生物细胞可能会发生溶质而无法适应，微生物细胞内的水分子可能会渗透到外部环境中，甚至死亡同时抑制微生物的生长[55]。在纯水或低盐条件下（例如0.01%NaCl），溶液中的水分子可能会渗入微生物中，致使细胞溶胀甚至破裂。一般而言，盐浓度增加导致微生物活性下降，污染物质的去除能力降低。Wang 等[56]发现当NaCl质量分数达到2%时，比氧吸收率（SOUR）降低了35%。盐度从0 增加到1%时，SOUR 降低了约40%[57]，当NaCl 质量分数大于3%时，对微生物活性的抑制作用增强[58]。从分子水平分析主要是因为盐度抑制脱氮相关基因的表达来引起脱氮关键酶的活性降低，最终导致系统微生物脱氮性能降低。Fu等[59]研究发现相比较于盐度为0时的对照组，盐度为1.8%时将氨氮转化为羟胺的氨单加氧酶基因（amoA）和将亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐氮的亚硝酸盐氧化酶基因（nxrA）丰度均显著降低，实验组中氨氮的去除性能低于对照组。Wang 等[60]研究发现与未添加盐度的对照组相比，中等盐度（1%和2%）时amoA基因丰度升高，而盐度为3%时，amoA基因丰度降低，氨氮浓度一直较高。随盐度（0、15ng/L、25ng/L、35ng/L）增加，亚硝酸盐还原酶基因（nirK、nirS）丰度降低，硝酸盐去除率比无盐度降低54%～69%[61]。盐度从0 升高到25%时，一氧化二氮还原酶基因（nosZ）比例从34.5%降至6.4%，反硝化能力降低[62]。

脱氮微生物具有一定的自我调节能力，能够耐受一定范围的盐浓度。如果环境中的盐浓度逐渐增加，脱氮微生物将适应并减少盐度带来的影响。可能是当环境中的盐度增加时，微生物细胞可以通过自身调节机制合成相容性溶质（如糖、氨基酸、四氢嘧啶等）平衡细胞内外的渗透压，体内积累一些小分子作为保护来抵抗不利环境，而这些小分子包括K+、糖类、醇类、氨基酸及其衍生物等[63]。随着盐度增加，微生物种群中耐盐的优势菌种出现并增多，脱氮微生物的呼吸作用增强，活性增大[64-65]。同时有研究结果表明，盐度小于12g/L 时，可以提高厌氧氨氧化的活性[38]。当接种到高盐环境后，微生物可能会产生新的酶系统调节新陈代谢来适应高盐环境[66]，以进一步抵抗高盐环境。盐度对一些脱氮基因丰度的影响较小，脱氮微生物对高盐废水呈现了一定的耐受性。盐度为1%、3%、5%时，反硝化基因（nirK）和亚硝酸盐氧化酶基因（qNor）的丰度略高，硝酸盐氮的去除率高达84.4%～97.4%[67]。Wang 等[60]发现盐度为0、10ng/L、20ng/L和30ng/L 时，对反硝化基因（nirK、nirS和nosZ）的影响较小，实验过程中N2O的排放量随盐度增加变化较小。Fu 等[59]发现盐度为1.8%时，对亚硝酸盐还原酶基因（nirS）的丰度影响不明显，含氮物质去除效率达到90%以上。盐度从30g/L 增加到70g/L时，amoA基因丰度均增加，氨氮去除率均达到99%以上[68]。

4 结语与展望

本文综述了盐度对新型生物脱氮技术的影响，发现不同工艺对盐度的耐受程度不同。在盐度耐受范围内，新型工艺脱氮性能影响较小，甚至会促进新型工艺脱氮，而超过一定范围后会显著抑制新型工艺的脱氮性能，在一定程度上可通过改变盐度添加方式加强新型工艺对盐度的耐受程度。总体来看，采用新型生物脱氮工艺去除高盐废水中的含氮物质时，多数系统在盐度不超过30g/L 时系统可以进行脱氮，对于盐度大于2%的含氮废水时可利用嗜盐菌和经过一定盐度驯化的微生物进行处理。新型工艺在含盐废水中的脱氮性能虽与其操作方式有着密切关系，但其本质则是新型工艺中多种微生物

的相互作用以及自身活性受到盐度影响。微生物作为废水生物脱氮工作的主体，加强盐度对新型脱氮工艺中微生物群落结构及代谢模式的影响分析，揭示微生物响应盐度变化机制是改进和提高自身工艺处理性能的根本，已成为当前研究工作的重点所在。同时加强生物强化功能的耐盐脱氮微生物的筛选及应用是提高含盐废水脱氮性能的一条有效途径，并具有广泛的应用前景。此外，加强微生物耐盐机理及其响应外界信号的调控机制的探究对于提高耐盐微生物的应用性具有重要意义，必会成为今后的研究热点。

表1 6种新型生物脱氮工艺降解高盐废水的处理效果