高盐废水生物脱氮技术研究进展

1. 引言

高盐废水主要来源于石油、海产加工、食品腌制及皮革加工等行业 [1]，其盐度通常超过 3%NaCl ，部分反渗透浓水盐度甚至高达 25% 以上；此类废水若直接排放，其中的碳、氮污染物会引发水体富营养化、盐渍化及海洋生物渗透压失衡，严重威胁生态安全。传统物化法虽能脱盐脱氮，但存在高能耗和浓盐水二次污染问题[2]。生物法因成本低、可持续性强成为研究焦点，但高盐环境（ >3%NaCl ）会破坏硝化菌细胞膜、抑制氨单加氧酶活性，导致硝化效率下降 50% 以上，同时厌氧氨氧化菌耐盐性差、启动慢，而硫酸盐还原菌虽可调节 pH 促脱氮，却伴随 H₂S 腐蚀及毒性风险。因此，开发耐盐菌群、优化工艺参数及创新反应器设计是突破高盐脱氮技术瓶颈的核心方向

2. 高盐环境生物脱氮的功能菌群与代谢机制

2.1 功能菌群的多样性及代谢途径

2.1.1 异养硝化 - 好氧反硝化菌

异养硝化菌通过异养途径将氨氮转化为硝酸盐或亚硝酸盐，同时利用有机物作为碳源和电子供体 [3]。由于异养硝化菌可以利用的底物较多 ， 且不同种类的异养硝化菌能够利用的底物种类不同， 生成的代谢中间产物也多种多样 ， 因此异养硝化的代谢机理目前还并不十分明确。Wehrfritz 于 1993 年提出的 HN-AD 耦合模型，该模型已被广泛接受。首先， NH4+ 被氨单氧酶氧化为羟胺，然后在羟胺氧化还原酶的作用下，羟胺转化为亚硝酸盐。随后，亚硝酸盐在亚硝酸盐还原酶的催化下转化为硝酸盐。

2.1.2 自养硝化菌

自养硝化菌依赖无机碳源完成氨氧化，但对盐度高度敏感。例如，Nitrosomonas europaea 的氨单加氧酶在盐度超过 2% 时活性下降 60% 以上，主要因钠离子竞争性抑制酶的活性位点。其代谢途径中，氨氮氧化生成亚硝酸盐的过程需消耗大量ATP，而高盐度导致的质子梯度破坏进一步降低能量转化效率。部分自养硝化菌通过合成钠离子 / 质子逆向转运蛋白维持胞内离子平衡，但其脱氮效率仍受限于盐度胁迫下的酶稳定性。

2.1.3 厌氧氨氧化菌

厌氧氨氧化菌在厌氧条件下，通过利用氨氮、亚硝氮作为电子供体和电子受体，将二者同时转换为氮气而从反应体系中去除，此类菌对盐度耐受性极低，盐度超过 2% 时其关键酶活性完全丧失[4]。其代谢依赖严格厌氧环境与稳定的 pH ，而高盐度导致的质子动力势下降会抑制电子传递链功能。宏基因组研究表明，盐度胁迫下 AnAOB 的基因表达谱发生显著变化，如细胞膜渗透调节相关基因上调，但肼合成通路基因表达量下降 80% 。

2.1.4 硫酸盐还原协同脱氮菌

硫酸盐还原菌通过还原硫酸盐生成硫化氢，间接促进反硝化效率。例如，Desulfovibrio desulfuricans 在厌氧条件下将硫酸盐还原为 H₂S ，该过程虽可降低碳源需求，但 H₂S 的积累会腐蚀设备并毒害功能菌。部分 SRB 通过分泌生物膜基质包裹 H₂S ，减少其对微生物的毒性，但其脱氮效率受限于硫氧化还原电位的动态平衡。

2.2 盐度胁迫下的分子适应机制

2.2.1 渗透压调节与相容性溶质合成

盐度升高导致胞内水分外流，耐盐菌通过积累相容性溶质维持渗透平衡。例如：甘氨酸甜菜碱：Halomonas elongata 在盐度胁迫下，其gbsA 基因编码的甜菜碱 / 甘氨酸疏水蛋白表达量上调，使胞内甘氨酸甜菜碱浓度达到 3M，有效平衡胞内外的渗透压差。四氢嘧啶：Bacilluslicheniformis 通过 ectABC 基因簇合成四氢嘧啶，其浓度在 5%NaCl 下增加至细胞干重的 15% ，同时降低胞内离子强度，保护酶与 DNA 免受盐析效应。相容性离子：极端嗜盐菌通过积累钾离子替代钠离子，维持胞内离子稳态。其 kdp 操纵子编码的高亲和力 K⁺ 转运蛋白在盐度51% 时被激活，使胞内 K⁺ 浓度达到 4M_⨀ 。

2.2.2 酶的结构适应性

高盐度通过改变酶的构象与底物结合能力抑制其活性，但耐盐菌的酶通过进化形成独特的结构特征：疏水核心强化：Paracoccusdenitrificans 的氨单加氧酶在盐度 3% 时，其 a- 螺旋比例从 30% 增至45% ，疏水残基占比达 60% ，减少盐离子对活性位点的干扰。带电残基优化：Pseudomonas putida 的羟胺氧化还原酶在盐胁迫下，表面带负电荷的谷氨酸残基比例增加，通过静电屏蔽效应降低钠离子的非特异性结合。动态柔性区域：Kuenenia stuttgartiensis 的肼合酶在盐度胁迫下，其 β-桶状结构域的柔性肽链延长，允许底物结合口袋动态调整，维持催化活性。

3. 高盐脱氮工艺类型与技术特征

当前主流的高盐脱氮工艺包括异养硝化- 好氧反硝化、厌氧氨氧化（Anammox）及硫酸盐还原协同脱氮等。异养硝化 - 好氧反硝化工艺以有机物为电子供体，在好氧条件下完成硝化与反硝化，具有同步脱碳与脱氮的优势。Anammox 工艺无需外加碳源且污泥产量低，但需严格控制溶解氧与 pH_ℓ 。中东某海水淡化厂采用膜曝气生物膜反应器处理高盐反渗透浓水，盐度为 12% 时 TN 去除负荷达 0.8kgN/（m³⋅d） 。硫酸盐还原协同脱氮工艺通过SRB 的代谢调节环境pH，间接促进反硝化效率，但需防范H₂S 腐蚀问题。

4. 结论

高盐废水生物脱氮技术的核心在于耐盐菌群的适应性调控与工艺创新。现有研究表明，通过菌群定向富集、基因工程改造及反应器结构优化，可在盐度 10% 以下实现高效脱氮，但盐度波动抑制、极端环境菌群稳定性等问题仍需突破。未来研究需聚焦三大方向：一是利用多组学技术构建耐盐菌的代谢网络模型，阐明盐度与功能基因表达的动态关联；二是发展电化学 - 生物耦合工艺与人工智能调控系统，提升能量回收效率与工艺稳定性；三是推进耐盐菌剂工业化生产与工程应用，降低处理成本。通过跨学科交叉融合，高盐脱氮技术有望在“ 双碳 ” 目标下实现从实验室到产业化的跨越，为全球水资源可持续利用提供重要支撑。

参考文献

[1]. 汪炎孔韡 ， 高盐废水处理技术研究与应用进展 [J]. 给水排水 ，2025. 61（07）： p. 157-163.

[2]. 任东宁 ， 面向高盐废水减量化与资源化的电渗析技术研究 .2022.

[3]. 杨裕然， 李辉妙， 李振轮， 汪恩旭， 好氧氨氧化过程中的关键酶及 N2O 排放研究进展 [J]. 微生物学报 ， 2023. 63（09）： p. 3321-3334.

[4]. 曲兆鹏 ， 基于海洋厌氧氨氧化菌的微生物电解池处理高盐废水同步脱氮产氢 . 2024.

基 金 项 目： 重 庆 科 技 大 学 硕 士 研 究 生 创 新 计 划 项 目（YKJCX2420620）