浙江大学 | 李华华，李逸航，成少安，等：厌氧氨氧化-生物电化学耦合废水处理系统的研究进展
浙江大学 | 李华华，李逸航，成少安，等：厌氧氨氧化-生物电化学耦合废水处理系统的研究进展
huagongjinzhan
中国化工学会会刊，EI、SCOPUS等收录，中国科技期刊卓越行动计划入选期刊，百种中国杰出学术期刊，2020版《中文核心期刊概目要览》化工类第1名
文章信息
厌氧氨氧化-生物电化学耦合废水处理系统的研究进展
李华华，李逸航，金北辰，李隆昕，成少安
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027
引用本文
李华华, 李逸航, 金北辰, 等. 厌氧氨氧化-生物电化学耦合废水处理系统的研究进展[J]. 化工进展, 2023, 42(5): 2678-2690.
DOI： 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1369
摘要：
厌氧氨氧化-生物电化学耦合废水处理系统（Anammox-BES）是一种极具发展潜力的污水脱氮技术，兼有无机氮污染物和有机污染物的去除与能量回收的优势，近年来已成为研究的热点。本文总结了现有Anammox-BES的主要类型和反应机理；综述了影响Anammox-BES的主要因素，包括电极材料、电极电位、温度、pH、溶解氧、有机物和接种物等；总结了Anammox-BES的研究现状，并在脱氮性能以及能量消耗等方面与传统Anammox工艺进行了比较。大量研究结果显示，绝大部分Anammox-BES的脱氮过程为厌氧氨氧化、硝化、反硝化以及微生物产电等多种过程的耦合，系统整体脱氮效率高。然而，由于影响Anammox-BES系统性能的因素众多，并且能量回收率低，在实际废水处理方面尚未得到广泛应用。因此，在今后的研究中，需要继续开发增强厌氧氨氧化菌产电能力的技术手段，以实现废水脱氮的同时回收蕴藏于铵盐中的化学能；对于现有Anammox-BES，仍需开发具有高导电性、生物相容性以及比表面积的阳极材料，并进一步优化操作条件，以提高系统脱氮、产电性能以及稳定性。
氮素循环是生物圈内重要的物质循环之一，密切关系着全球生态系统的稳定。随着全球经济快速发展，工、农业中大量含氮化学品的使用导致废水中无机氮含量显著增加，而水体中无机氮含量过高往往导致水体富营养化，造成水体中溶解氧含量降低，导致水生动植物的死亡，严重破坏生态环境。因此，高效脱除废水中的无机氮具有重要意义。常用的废水脱氮技术主要包括物理化学脱氮技术和生物脱氮技术，其中生物脱氮技术主要包括以硝化和反硝化为基础的传统生物脱氮技术和以短程硝化、短程反硝化以及厌氧氨氧化等为基础的新型生物脱氮技术。厌氧氨氧化（Anammox）是在20世纪90年代由Mulder等最先发现并开发的一种新型生物脱氮技术，该技术利用厌氧氨氧化菌在厌氧条件下将
和
同时转化为N
2
。由于Anammox工艺在去除NH的同时必须消耗
，并且会产生副产物
，因此为提高脱氮效率，Anammox工艺在实际应用时往往需要与短程硝化或短程反硝化等工艺相结合。相比于物理化学脱氮技术和传统生物脱氮技术，Anammox工艺能够减少约45%的曝气能耗和节省75%的有机碳源，不易造成二次污染，具有污泥产量小、能源消耗低、脱氮效率高等优点，有非常好的发展潜力。
然而，由于厌氧氨氧化菌生长率极低，反应器启动缓慢，往往大多数厌氧氨氧化反应器至少需要一个月才能启动成功，并且厌氧氨氧化菌对环境因素要求极为严苛，易受光照、pH、溶解氧、盐度以及有机物等多种因素的影响，因此在实际运行过程系统性能波动较大。传统Anammox过程对
的依赖性极高，在无
存在的废水中不能独立完成
的去除，因此如何稳定供应
仍具有极大的挑战性，这些因素都严重限制了Anammox在工程上的广泛应用。迄今为止，已发现厌氧氨氧化菌共有6属23种，但均未获得纯培养，其中
Ca
.
Brocadia
、
Ca
.
Scalindua
和
K
.
stuttgartiensis
三种厌氧氨氧化菌已被证明具有胞外电子传递能力，能够进行电极依赖性Anammox过程。电极依赖性Anammox过程不需要
的参与，也不会有副产物
的产生，在厌氧条件下即可将
氧化为N
2
同时向电极传递电子，这一特性为将Anammox过程应用到生物电化学系统提供了新的思路。近些年发展的生物电化学系统（BES）是一种利用生物催化剂来催化电极表面上的氧化还原反应以实现化学能和电能相互转化的清洁、高效、环保的废水处理工艺。厌氧氨氧化与生物电化学废水处理技术的耦合已经被证明具有一定的优势，该耦合技术通过将传统厌氧氨氧化、阳极氨氧化、硝化、反硝化以及有机物的生物电化学氧化等多种过程结合在一起，不仅可以同时去除废水中的
、
和
，在反应器的进水中无
的情况下也能氧化
以及产电。鉴于此，本文总结分析了目前厌氧氨氧化-生物电化学耦合废水处理系统（Anammox-BES）的研究进展，综述了影响Anammox-BES性能的主要因素以及Anammox-BES的应用现状，最后探讨了Anammox-BES的应用前景以及今后的研究方向，以期为后续的探索提供有价值的信息。
1
Anammox-BES的类型和原理
Anammox-BES的类型可以概括为两类：厌氧氨氧化微生物燃料电池（Anammox-MFC）和厌氧氨氧化微生物电解池（Anammox-MEC），其主要区别在于Anammox-MEC需要通过外部电源施加电压来维持系统的稳定运行，而Anammox-MFC中的反应无需外部条件即可自发进行。
1.1
厌氧氨氧化微生物燃料电池
微生物燃料电池（MFC）利用生物阳极上的氧化电活性微生物氧化有机物并产生电子和质子，电子通过外部电路转移到阴极并与质子一起还原氧气或是其他替代电子受体，将蕴藏于有机物或无机物中的化学能转化为电能。MFC技术原料来源广泛、能量转化率高、成本低以及清洁环保等，在可持续能源生产方面具有较大潜力。Anammox-MFC是两种低能耗污水处理技术的结合，即Anammox和MFC，该技术理论上可以实现较高的有机物和无机氮脱除效率，同时将有机物中蕴藏的化学能转化为电能，实现资源的回收。
根据厌氧氨氧化反应进行的场所，可以将现有Anammox-MFC分为双室阳极Anammox-MFC和双室阴极Anammox-MFC两种类型。在双室阳极Anammox-MFC中，自养的厌氧氨氧化菌与异养的产电菌、反硝化菌等共存于一室，大量有机物的存在会对厌氧氨氧化菌的生长产生负面影响，影响系统整体脱氮性能，但在双室阳极Anammox-MFC中利用铁氰化钾等作为阴极电解液，系统的能量输出将会大幅提高；在双室阴极Anammox-MFC中，异养的产电细菌和自养的脱氮功能细菌分别存在于阳极和阴极，从而有效避免其相互影响。
1.1.1
双室阳极Anammox-MFC
在双室阳极Anammox-MFC系统中，产电菌和硝化菌、反硝化菌以及厌氧氨氧化菌等主要功能菌在生物阳极上共存，同步去除废水中的有机物和无机氮污染物，并且实现电能的输出。双室阳极Anammox-MFC的基本原理如图1(a)所示。①阳极室：首先，阳极生物膜中的产电菌氧化有机污染物并向阳极释放电子，反应如式(1)所示；同时，阳极生物膜以及底部污泥中的异养反硝化菌以有机物为电子供体，将
和
转化为N
2
，反应如式(2)、式(3)所示；除此之外，阳极生物膜以及底部污泥中的厌氧氨氧化菌通过厌氧氨氧化反应，同步除去
和
，反应如式(4)所示。②阴极室：在生物阳极产生的电子通过外电路传递到阴极，阴极表面的电子受体[如O
2
、K
3
Fe(CN)
6
等]接受电子并发生还原反应，如式(5)、式(6)所示。上述在双室阳极Anammox-MFC中发生的具体反应如下。
（1）阳极室
有机物的氧化
异养反硝化
厌氧氨氧化
（2）阴极室
因此，在双室阳极Anammox-MFC系统中，多种脱氮功能细菌与产电菌的协同作用能够同时去除无机氮和有机污染物，并实现电能的输出。Kong等构建了双室阳极Anammox-MFC系统，在阳极室接种厌氧氨氧化污泥并利用添加了有机物的合成废水进行培养，最终该系统脱除了99%的无机氮，总氮去除速率和最大功率密度分别为0.1kg/(m 3 ·d)和1.41W/m 3 。该研究认为，有机物的添加提高了异养反硝化菌和产电菌的活性，最终在Anammox的基础上提高了系统的库仑效率和脱氮效率。Hassan等采用双室MFC处理垃圾填埋场渗滤液，最终获得26.2mW/m 2 的最大功率密度和0.055kg/(m 3 ·d)的总氮去除速率。在该Anammox-MFC系统的阳极生物膜中，厌氧氨氧化菌的相对丰度为2%，而反硝化菌和产电菌的相对丰度分别达到5%和15%，这表明在该系统中厌氧氨氧化菌对无机氮的脱除过程贡献率低于反硝化菌。
图1 Anammox-MFC结构示意图
1.1.2
双室阴极Anammox-MFC
在双室阴极Anammox-MFC系统中，产电菌在生物阳极发挥作用，而包括厌氧氨氧化菌在内的脱氮功能细菌主要存在于生物阴极，此时无机氮的脱除和有机物的氧化过程分别发生在两个腔室内，这可以避免高浓度有机物对厌氧氨氧化菌生长代谢的影响。双室阴极Anammox-MFC的基本原理如图1(b)所示。①阳极室：生物阳极上的产电菌氧化有机物并向阳极释放电子，如式(1)所示。②阴极室：在阳极产生的电子通过外电路转移到生物阴极，而后阴极生物膜中的自养反硝化菌接受电子并还原
和
，如式(7)、式(8)所示；自养反硝化的产物
又可以作为厌氧氨氧化的反应底物，阴极生物膜以及底部污泥中的厌氧氨氧化菌同步脱除
和
，如式(4)所示；与此同时，若阴极室中存在氧气，则阴极生物膜以及底部污泥中的硝化细菌则会进行好氧硝化，如式(9)、式(10)所示，通过控制溶解氧浓度可以实现短程硝化[式(9)]，在实现为厌氧氨氧化过程提供底物的同时还可以为其提供局部缺氧的环境。自养反硝化与好氧硝化的具体反应如下。
自养反硝化
好氧硝化
将Anammox与反硝化过程结合，是目前针对双室阴极Anammox-MFC系统的主要研究方向。传统Anammox在将
和
转化为N
2
的同时，还将产生副产物
，而将Anammox与反硝化过程结合将有效去除副产物，提高总氮去除效率。Li等利用双室H型反应器构建Anammox-MFC系统，分别在阳极室和阴极室接种厌氧消化池污泥和厌氧氨氧化污泥，同时在阳极液中添加1000mg/L的COD，阴极液中则不添加任何有机物。该系统在运行过程中的最大电流密度为165mA/m
2
，
、
的消耗量以及
的生成量之比为1∶1.37∶0.03，与该实验中的非电化学体系的计量比1∶1.13∶0.11相比，明显Anammox-MFC系统中
和
的去除率更高，这主要得益于生物阴极富集了部分反硝化细菌。除此之外，基于双室阴极Anammox-MFC衍生出来的厌氧氨氧化脱盐池（Anammox-MDC）既可以实现淡化盐水，也能脱除废水中的无机氮、有机物并产生电能。Kokabian等首次证明了使用含有厌氧氨氧化菌的接种源接种MDC的生物阴极用以处理废水和产生能源的可行性，该系统最终实现了0.092W/m
3
的功率密度和90%的
去除率。Ghimire等构建Anammox-MDC系统，在阴极室接种厌氧氨氧化污泥并保持溶解氧浓度为0.8mg/L，最终该系统获得1.007W/m
3
的最大输出功率密度、53.9%±4.1%的TDS（溶解性固体总量）去除率、72.1%±1.6%的COD（化学需氧量）去除率以及74.7%的总氮去除率。
1.2
厌氧氨氧化微生物电解池（Anammox-MEC）
MEC最早于2005年由Liu等开发，将废水中的可溶性有机物转化为可储存的H 2 或CH 4 等能源，是一种新型的污染物脱除和资源回收技术。在MEC中往往通过外加电压来弥补阳极与阴极间电位差的不足，以引发并加速非自发反应的进行。事实上，在MEC系统中同样可以集多种功能细菌于一体，通过不同菌种间相互配合，共同除去废水中的无机氮污染物。研究表明，一定的电极电势能够促进厌氧氨氧化菌分泌更多的胞外聚合物并提高关键酶的活性，有利于提高厌氧氨氧化性能。
根据厌氧氨氧化反应进行的场所，可以将现有Anammox-MEC分为单室Anammox-MEC、双室阳极Anammox-MEC和双室阴极Anammox-MEC三种类型。单室Anammox-MEC的阴、阳极之间无需质子交换膜，因此降低了反应器的成本，占地面积小，结构简单，但由于单室Anammox-MEC的阴、阳极位于一个腔室，反应环境的改变会使其相互影响，进而影响整个系统的脱氮效率，因此在运行时需要对其进行严格的控制。而双室Anammox-MEC可以灵活地在不同腔室控制不同条件以实现深度脱氮，避免了功能性细菌之间的恶性竞争以及有机污染物对自养型脱氮菌的影响，降低了体系崩溃的可能性，尤其是在双室阴极Anammox-MEC中，不仅能够在阳极室对含有机污染物的废水进行前处理，同时能够通过控制一定的阴极电位使其富集大量的自养反硝化菌，自养反硝化菌与厌氧氨氧化菌协同脱氮，显著提高系统的总氮去除效率，同时减少污泥产量。
1.2.1
单室Anammox-MEC
单室Anammox-MEC系统的阴、阳极之间无任何隔膜，外加电压能够促进脱氮功能菌在生物电极上的富集，其中生物阳极主要富集产电菌、硝化菌和厌氧氨氧化菌等，生物阴极主要富集反硝化菌。单室Anammox-MEC的基本原理如图2(a)所示。①阳极：生物阳极的硝化菌氧化
为
并释放电子到阳极，即阳极氨氧化反应如式(11)所示，产生的
又可以作为底物参与厌氧氨氧化反应；若废水中存在有机物，那么此时在生物阳极富集道的产电菌将氧化有机物并产电，如式(1)所示。②阴极：自阳极产生的电子通过外电路传递到阴极并被阴极生物膜中的自养反硝化菌利用以还原
和
，反应如式(7)、式(8)所示，此时调控短程反硝化[式(7)]的发生将为厌氧氨氧化反应提供
；与此同时，存在于污泥以及生物电极中的厌氧氨氧化菌同时除去
、
，反应如式(4)所示。
研究表明，将Anammox与MEC技术相结合，可以有效提高厌氧氨氧化菌的脱氮性能。例如，Yin等在单室上流式柱形Anammox-MEC反应器的工作电极上施加0.08V（
vs
. SCE）电压，系统中总氮去除速率提高了25.3%，达0.911kg/(m
3
·d)。在Anammox-MEC系统内富集反硝化菌，同样有助于实现深度脱氮。Qiao等研究发现，在无外加有机碳源以及外加1.5V电压的情况下，同时接种了厌氧氨氧化污泥和自养反硝化污泥的系统去除了99.1%的无机氮。Zhu等通过在单室Anammox-MEC系统的生物阳极上施加-0.5V（
vs
. Ag/AgCl）的电极电势，利用阳极生物膜中的硝化细菌将
定向氧化成
，弥补了进水中
不足的问题，最终将系统的脱氮效率提高了29.2%。有研究结果显示，以阳极为电子受体的
氧化过程可能与
Comamonas
、
Paracocus
、
Nitrosomonas
europaea
等微生物有关。
1.2.2
双室阳极Anammox-MEC
当将厌氧氨氧化污泥接种到双室Anammox-MEC的阳极室中时，在外加电压并且不含有机碳源的条件下，生物阳极上主要富集厌氧氨氧化菌、硝化菌和自养反硝化菌等，不同脱氮功能细菌通过协同作用共同除去阳极室内的
、
和
。双室阳极Anammox-MEC的基本原理如图2(b)所示。①阳极室：若废水中存在有机物，则会发生有机物的氧化反应，如式(1)所示；生物阳极的氨氧化菌氧化
为
并释放电子到阳极，反应如式(11)所示，为厌氧氨氧化过程提供电子受体
；存在于污泥以及生物电极中的厌氧氨氧化菌同时除去
、
，反应如式(4)所示。②阴极室：自阳极产生的电子经外电路传递到阴极以还原电子受体，如氧还原反应，如式(5)所示，或铁氰化钾还原反应，如式(6)所示。Li等利用MFC驱动双室阳极Anammox-MEC系统，结果显示，外加电压显著提高厌氧氨氧化菌的活性，接种10天内Anammox-MEC去除了85%的
，相比单独厌氧氨氧化反应器提高23%。
1.2.3
双室阴极Anammox-MEC
在双室阴极Anammox-MEC系统中，一般将厌氧氨氧化污泥和反硝化污泥同时接种到阴极室中，此时通过施加适宜的外加电压，阴极生物膜上将富集自养反硝化菌和厌氧氨氧化菌等脱氮功能菌，通过多种脱氮功能菌协同作用以显著提高废水脱氮效率，而此时阳极则是发生电化学氧化或者生物电化学氧化有机物并产生电子的主要场所。双室阴极Anammox-MEC的基本原理如图2(c)所示。①阳极室：此时主要由生物阳极上的产电菌氧化有机物并向电极传递电子，反应如式(1)所示，若是采用非生物阳极，则发生电化学反应，如亚铁氰化钾的氧化等。②阴极室：阳极产生的电子通过外电路传递到阴极并被阴极生物膜中的自养反硝化菌利用以还原
和
，反应如式(7)、式(8)所示，通过控制短程反硝化的发生可以积累更多的
，进一步作为厌氧氨氧化的底物；存在于污泥以及生物电极中的厌氧氨氧化菌同时除去
和
，反应如式(4)所示；若此时在阴极室向溶液中提供微量的溶解氧，则会发生短程硝化反应将转化
为
，如式(9)所示。
图2 Anammox-MEC结构示意图
Yang等构建了一种在阴极进行膜曝气的Anammox-MEC系统，两电极间施加0.8V电压并将经阳极处理过的废液流入阴极，最终获得94.8%的脱氮效率和98.2%的COD去除效率。Qiao等通过在生物阴极施加-0.678V（ vs . SCE）的电极电势提高系统整体的脱氮效率，最终阴极生物膜中自养反硝化菌和厌氧氨氧化菌的相对丰度分别为6.24%和5.91%。值得注意的是，该系统中保留了大量未附着在电极上的絮状或颗粒状污泥，其生物量远高于附着在生物电极上的量，这表明在该系统中起主要脱氮作用的可能仍是颗粒状厌氧氨氧化污泥。
相比于Anammox-MEC，Anammox-MFC能耗更低，不仅能够同时去除有机物污染物和无机氮，还可以实现电能的输出，但目前仍存在功率密度低的问题。Anammox-MEC通过施加额外的电势差，加快了系统电子传递速率，从而促进阴、阳极室各自生物电化学反应的进行，因此能够提高有机污染物以及无机氮的去除速率，但是相比于Anammox-MFC，其反应器构型更为复杂，细菌活性容易受到外加电压的影响，对运行条件要求较高。同时，绝大多数Anammox-BES 的生物电极上富集的生物质较少，对于反应器底部厌氧氨氧化污泥的依赖性较强，因此加强系统内生物质的截留与保存对于系统的稳定运行至关重要。
2
影响Anammox-BES系统性能的因素
2.1
电极材料
电极是Anammox-BES的重要组成部分，合适的电极材料对于细菌附着电极生长、电子转移和电化学效率等至关重要。理想的电极材料需要同时具备较高的机械强度、导电性、耐腐蚀性、比表面积、生物相容性以及低成本和环保等特性。目前，在Anammox-BES的研究中应用最多的是碳刷、碳纸、碳毡、碳布、碳棒和石墨片等碳基材料，这些碳基材料具有较高的机械强度、比表面积以及生物相容性。然而，碳基材料由于其脆性、体积大和电阻率高而难以应用于大规模工艺。Ter Heijne等比较了四种不同无孔材料作为生物阳极的适用性，结果表明，生物阳极的性能以粗糙石墨>铂涂层钛>扁平石墨>无涂层钛的顺序下降。相比于碳基材料，金属材料具有更高的导电性和机械强度，因此被广泛应用于BES中。微生物在金属表面的附着力低于碳基材料，为提高其生物相容性，通常采用表面涂层、化学处理、热处理和电化学处理等手段改变金属材料电极表面的形貌与化学性质。
2.2
电极电位
在Anammox-BES中，Anammox过程相对于电极是独立的，即电极电位的变化不会直接改变厌氧氨氧化反应的途径，而是通过影响厌氧氨氧化菌胞外聚合物的分泌与关键酶的活性来影响系统脱氮性能。例如，Yin等在Anammox-BES的工作电极设置不同电极电位进行试验，结果发现，在0.08V（
vs
. SCE）条件下，厌氧氨氧化污泥的脱氮性能最佳，并且在长期应用最佳电极电位后显著提高了厌氧氨氧化菌的关键酶活性，改变胞外聚合物的组成使其更有利富集在电极表面。电极电位的变化会影响阳极氨氧化反应和阴极自养反硝化反应的进行。氨氧化细菌通过氨单加氧酶和羟胺氧化还原酶的连续酶促作用将NH
3
氧化为
，而后亚硝酸盐氧化细菌可以将
转化为
，总的转化过程为NH
3
→NH
2
OH→
→
，对应标准氧化还原电位分别为+0.73V（
vs
. SHE）、+0.67V（
vs
. SHE）和+0.433 V（
vs
. SHE）；
还原为N
2
的过程为
→
→NO→ N
2
O→N
2
，反应对应的标准氧化还原电位分别为+0.433V（
vs
.SHE）、+0.350V（v
s
.SHE）、+1.175V（
vs
.SHE）和+1.355V（
vs
.SHE）。基于不同反应进行的氧化还原电位的差异，可以通过调节电极电位来诱导阳极氨氧化或阴极反硝化等生物电化学反应的部分发生并积累
，为Anammox过程提供底物的同时去除其副产物，从而提高系统整体脱氮效率。例如，Qiao等在Anammox-BES生物阴极施加-0.678V（
vs
.SCE）的电势，最终阴极生物膜中自养反硝化菌的相对丰度为6.24%，其最高
还原量达23.24%。Zhu等在Anammox-BES生物阳极的电位为-0.5V（
vs
.Ag/AgCl），成功将
氧化为
，最终系统的脱氮效率提高了29.2%。
2.3
温度
温度是影响Anammox-BES中厌氧氨氧化菌、硝化菌、反硝化菌和产电菌等主要功能菌生长代谢的关键因素之一，进而影响系统内群落结构、改变核心菌群的相对丰度。不同菌种对温度的适应范围略有差异，例如，厌氧氨氧化菌最佳的生长温度为30~40℃，硝化菌为15~30℃，反硝化菌为20~30℃，而产电菌为20~39℃。有研究表明，当环境温度从30℃降低至15℃时，Anammox-BES系统的总氮去除负荷由0.441kg/(m 3 ·d)降至0.325kg/(m 3 ·d)，并且阳极生物膜上厌氧氨氧化菌 Candidatus Brocadia 和 Candidatus Jettenia 的相对丰度也分别从6.38%和0.72%降低至1.42%和0.17%。然而，维持高于环境的温度将增加废水处理的成本，尤其是在冬季。因此，后续探索需要解决如何采用环境温度运行Anammox-BES并且避免损害反应器性能的问题。
2.4
pH
pH通过影响系统内脱氮功能菌和产电菌的关键酶的稳定与活性来影响系统整体的脱氮产电性能。产电菌、厌氧氨氧化菌、硝化菌和反硝化菌的最适宜pH分别为6.6~7.5、6.7~8.3、8.0~8.4以及6.5~8.0。张吉强探究了不同pH对双室阳极Anammox-BES的影响，结果显示，当阳极进水pH由5增加到8时，系统脱氮速率从(0.19±0.09)kg/(m 3 ·d)升至最高(1.21±0.06)kg/(m 3 ·d)，输出电压从(16.8±4.53)mV升至最高(153.2±3.21)mV；而当pH升高至10时，系统脱氮速率和输出电压分别降低至(0.23±0.05)kg/(m 3 ·d)和(67.8±6.94)mV。pH对Anamoox-BES的脱氮产电性能的影响是非常显著的，控制适宜的pH对于提高厌氧氨氧化菌活性和调控系统微生物种群结构以及整体脱氮产电性能具有重要意义。
2.5
溶解氧
不同微生物对溶解氧的需求有显著差异。厌氧氨氧化菌是微耐氧细菌，有研究表明，1%的饱和氧即抑制其活性；反硝化菌是兼性厌氧菌，然而溶解氧浓度过高同样会对其产生抑制作用；大多数产电菌是兼性厌氧微生物，能适应较大范围的溶解氧浓度变化；而硝化菌多为好氧菌，当溶解氧浓度低于2mg/L时，硝化过程将受到抑制。部分Anammox-BES利用短程硝化过程为厌氧氨氧化菌提供NO，此时应严格控制溶解氧浓度以保证多种微生物协同作用。Guo等通过调节阴极进液中溶解氧浓度为(0.8±0.1)mg/L、(2.4±0.3)mg/L、(4.2±0.3)mg/L和(8.1±0.)mg/L来探究溶解氧对双室阴极Anammox-BES的影响。结果显示，在溶解氧浓度为(4.2±0.3)mg/L时，系统获得最高脱氮效率82.6%±0.9%。总之，控制适宜的溶解氧浓度对于Anammox-BES性能稳定与提高具有重要意义。
2.6
有机物
有机物不利于Anammox-BES中厌氧氨氧化菌的生长。当环境中存在高浓度的有机物时，异养反硝化菌将会大量繁殖，其生长速率远高于自养的厌氧氨氧化菌，这将使厌氧氨氧化菌在生态竞争方面处于劣势；同时，大量繁殖的异养反硝化菌将与厌氧氨氧化菌竞争电子受体
，形成基质竞争抑制，进一步影响系统的厌氧氨氧化性能。Kokabian等研究认为，Anammox-BES更适用于低C/N比的废水，因为其可以限制异养菌的生长。闫荣等研究发现，在Anammox-BES系统中添加适当浓度的乙酸钠，可以通过提高污泥中发酵菌、反硝化细菌和产电菌等的相对丰度而促进系统的产电，但是过度水解酸化明显抑制厌氧氨氧化菌的活性。祖波等研究发现，低浓度的葡萄糖（100~200mg/L）显著增强Anammox-MFC系统的脱氮产电性能，而当葡萄糖浓度逐渐升高时，系统的脱氮产电性能反而逐渐下降。
2.7
接种物
接种物对Anammox-BES的启动时间以及性能都有明显的影响。Ding等在双室MFC的阴极室分别接种了三种典型的污泥，包括反硝化污泥、脱硝污泥和厌氧氨氧化污泥，对比分析了三个反应器生物阴极的脱氮效率与产电能力。结果表明，三种污泥接种的生物阴极的脱氮速率和输出功率有明显差异，分别为101.79mg/(L·d)、47.31mg/(L·d)、100.04mg/(L·d)以及24.01mW/m 2 、14.11mW/m 2 、45.93mW/m 2 。
2.8
其他因素
除去以上所提到的，还有很多其他因素在Anammox-BES系统内发挥着重要作用，包括光照、金属离子、基质浓度、盐度、磷酸盐、有毒污染物、污泥回流比、水力停留时间、反应器构型以及系统外接电阻等，这些因素既是影响厌氧氨氧化菌生长代谢的关键因素，也是Anammox-BES在实际应用时需要克服的难题。
3
Anammox-BES的研究现状与性能分析
3.1
Anammox-BES的研究现状
目前，对于Anammox-BES的研究仍然处于实验室阶段，通常采用组分较为简单的合成废水进行研究，而实际废水由于成分复杂，含有许多有毒物质，这将严重影响厌氧氨氧化菌与其他功能菌的生长代谢，因此在实验室研究阶段一般不予采用。表1总结了近年来厌氧氨氧化生物电化学系统在不同废水、不同反应器构型等条件下的应用现状。刘钊等利用1.2L的UASB反应器构建了单室Anammox-MEC系统，探究外加电势对系统处理垃圾焚烧渗滤液短程硝化出水的影响。结果表明，相比于开路系统，在外加电势为0.06V（ vs .SCE）时，系统内总氮去除率由43.2%提升至71.3%。该研究认为外加电势刺激了微生物产生更多的EPS，并且提高了其PN/PS的比值，这将有利于厌氧氨氧化菌在电极表面的生长和富集并增强微生物的活性。Lee等构建了双室Anammox-MFC用于处理高铵含量的垃圾渗滤液，并在阴极引入0.6mg/L的溶解氧，该系统在运行过程中实现12mW/m 3 的最大功率密度和94%的总氮去除率。然而，目前对Anammox-BES进行实际废水处理的研究不够深入，要将其投入实际应用，必须要进行更多的试验以深入了解并克服实际污水所含复杂组分对Anammox-BES的不利影响。
表1 Anammox-BES的研究与应用
3.2
性能分析
Anammox工艺由于不能单独去除某一种无机氮，因此在工程应用方面通常需要与短程硝化/反硝化等工艺相结合，例如部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A）工艺、部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）工艺和反硝化厌氧甲烷氧化/厌氧氨氧化（DAMO/A）工艺等。目前，绝大多数传统Anammox工艺的脱氮速率在1~4kg/(m
3
·d)的范围内。Wang等采用一体式PN/A工艺处理
-N浓度为448.8mg/L的养猪场废水，在水力停留时间为2h的连续运行模式下获得了3.9kgN/(m
3
·d)的总氮去除速率，但缩短水力停留时间的代价是降低脱氮效率，该工艺脱氮效率仅为73%，相应厌氧氨氧化菌的活性最高为(0.27±0.05)gN/(gVSS·d)。现有Anammox-BES的脱氮速率最高达到1.38kg/(m
3
·d)，根据挥发性悬浮固体浓度（4.92g/L）将整体脱氮速率换算成污泥的比活性则为0.28gN/(gVSS·d)，与大部分传统Anammmox工艺相近。表2列举了部分工程性Anammox工艺和实验室规模Anammox-BES的脱氮速率。总的来说，Anammox-BES的比活性与传统Anammox工艺相差不显著，而传统Anammox工艺提高了投加的生物质浓度并缩短了水力停留时间，因此整体脱氮速率大幅提升。
表2 部分传统Anammox工艺与Anammox-BES的脱氮速率
Anammox-BES、PN/A以及PD/A等工艺往往不适合直接处理高有机质含量废水，为排除高浓度有机物对厌氧氨氧化菌的影响，需要采用厌氧消化技术对其进行预处理并回收能量。在废水处理领域，厌氧消化产甲烷是目前发展比较成熟的一类能量回收工艺，其通过多种微生物的共同作用将复杂的大分子有机物转化为甲烷和二氧化碳等，其中甲烷作为燃料可以进一步被用于发电和加热。厌氧消化技术无需额外供氧，并且能够产生高热值的甲烷气体，具有工艺能耗低、污泥产量小等优势，然而一般情况下其出水水质不能达到排放标准，对低浓度有机废水处理效果不佳，并且不具备脱氮、除磷的作用，因此在废水脱氮过程中常作为预处理工艺。例如，奥地利Strass污水厂主体采用DEMON工艺对主流AB工艺的B段进行了升级改造，实现了A段通过厌氧消化去除废水中的有机物并回收污水中的化学能，沼气产量达5800m
3
/d，B段通过硝化、反硝化以及厌氧氨氧化过程去除剩余的有机物以及大部分无机氮污染物，其总氮年去除率高达80%，并且该厂还实现了完全能源自给和产能盈余，但是主流Anammox工艺在实际应用中仍然面临着工艺启动慢、有机物浓度高、低温与低氮条件难运行等问题。Anammox-BES适用于处理低有机质含量废水，因此在处理高有机质含量废水时，同样需要预先进行厌氧消化处理，将大部分有机物转化为甲烷等可回收能源。不同的是，在处理低有机质含量废水时，相比于生物脱氮技术，Anammox-BES能够在实现高效废水脱氮的同时将部分有机物中的化学能转化为电能，且不再过分依赖异养反硝化菌与充足的溶解氧环境，无需额外投加大量有机物并曝气，因此在节能方面有着潜在优势。据报道，部分双室阳极Anammox-MFC在处理合成废水的同时获得1.41W/m
3
的功率密度，并且其利用电活性自养反硝化菌来脱除
、
，无需额外投加有机碳源，降低了废水处理的能耗。然而，现有Anammox-BES在产电方面存在功率密度低的问题，并且Anammox-BES在处理成分复杂的实际废水时，易受有毒物质的影响，存在稳定性差以及脱氮性能低等问题。
在建设成本方面，Anammox-BES由于需要采用质子交换膜以及电极等关键部件，因此建设成本往往要高于目前传统的废水处理工艺；但是在长期运行过程中，由于Anammox-BES具有能量回收的作用，并且减少了有机物的投加以及曝气，不仅节省了运行过程中的能耗，甚至能够产生正的经济效益。以实验室中常见的双室Anammox-MFC为例，腔室采用高硼硅材质，阴、阳极室体积均为0.15L，以质子交换膜分隔两个腔室，并采用石墨片作为电极，此时一个反应器的构建成本约为369元，其中腔体的成本占89.4%，质子交换膜占8.1%，电极占1%，其余部分占1.5%。常见的成本计算方法是以1m 3 废水处理能力为基准，换算后得到的运行成本为123万元。若工程中以PVC板替代高硼硅玻璃作为反应器腔体，则可以使反应器建设成本降低85%。在运行过程中，以该双室Anammox-MFC的功率密度为1W/m 3 进行计算，则运行24h后可产生0.024kWh/m 3 的能量，换算得到经济效益为0.015CNY/m3，未来经济效益随着能量回收效率的提升会进一步提高。
4
结语与展望
Anammox-BES是一种新型的废水脱氮技术，不仅能去除无机氮和有机污染物，还可以进行资源回收。相比于传统生物脱氮过程，Anammox-BES的主要优势在于：①其脱氮过程更多地依靠自养型脱氮功能菌，减少有机碳源的投加量和曝气量，污泥产量少，节约能耗；②其能够同步脱除有机污染物和无机氮污染物，甚至在Anammox-MFC形式下还能够产电；③由于减少了对有机碳源的需求，更适用于处理传统生物脱氮技术难以处理的低C/N比废水，包括城镇生活污水、焦化废水、养殖废水以及垃圾渗滤液等。然而，现有的Anammox-BES仍存在以下几方面的问题：①Anammox-BES仍处于实验室研究阶段，其中厌氧氨氧化菌与不同菌种间的种间作用机理缺乏深入研究，难以针对性地提高Anammox-BES的性能；同时，由于系统中同时存在多种异养和自养功能细菌，厌氧氨氧化菌在生物电极的相对丰度（0.4%~6.0%）往往处于低水平，对系统整体脱氮的贡献率低；②Anammox-BES在废水中
短缺的情况下，仍然需要额外曝气以实现短程硝化反应来保证厌氧氨氧化菌的正常脱氮功能，这使该系统相对于传统生物脱氮工艺的优势不再显著；③虽然现有的Anammox-BES在处理合成废水时表现出良好的性能，但对游离厌氧氨氧化污泥的依赖性强，生物电极上附着的生物质极少，并且在处理成分复杂的实际废水时，仍然存在稳定性差、脱氮速率低等问题。因此，为扩大Anammox-BES在废水脱氮领域的实际应用，仍需针对以下几方面进行研究。
（1）开展更多关于Anammox-BES脱氮机理的研究，分析不同菌种之间的相互作用，确定不同因素对其造成的影响，以实现有针对性地提高系统的脱氮性能。
（2）基于已有的“电极依赖性Anammox过程不需要
的参与”这一理论基础，继续探索将厌氧氨氧化菌的胞外电子传递能力应用到BES中的方法，二者若能有效结合，则既能解决高
废水中
短缺的问题，又可以对铵盐中的能量进行回收。
（3）针对现有Anammox-BES，仍需开发具有高导电性、生物相容性以及比表面积的阳极材料以获得高活性的生物电极，增强微生物附着效果与电子传递效率；并根据实际废水的组成进一步优化操作条件，以提高生物膜的稳定性和整体脱氮性能，并进一步降低运行成本。
作者简介 ● ●
第一作者：李华华 ，硕士研究生，研究方向为厌氧氨氧化。
通信作者：成少安 ，教授，博士生导师，研究方向为微生物电化学能源新体系，废水能源化和资源化利用，生物、光、电化学能源转化与废水处理系统。
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