厭氧氨氧化強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展

汪濤，張沙，劉鵬霄，王志強(qiáng)

厭氧氨氧化強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展

汪濤1，張沙1，劉鵬霄2，王志強(qiáng)1

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300401；2.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076）

厭氧氨氧化（Anammox）是一種環(huán)境友好的新型生物脫氮技術(shù)。但是，Anammox菌世代時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境敏感度高，導(dǎo)致Anammox工藝啟動(dòng)周期過(guò)長(zhǎng)，致使其工業(yè)化進(jìn)程滯緩。一些強(qiáng)化技術(shù)可加快Anammox啟動(dòng)進(jìn)程并提高其運(yùn)行效能，促進(jìn)Anammox研究在廣度和深度上的發(fā)展。介紹了外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波以及添加Fe元素、氧化石墨烯等Anammox工藝強(qiáng)化技術(shù)，從強(qiáng)化效果和可能的機(jī)理等方面對(duì)已取得的成果進(jìn)行論述，并指出該強(qiáng)化技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用前景和研究方向。

厭氧氨氧化；工藝強(qiáng)化；生物脫氮；環(huán)境友好

厭氧氨氧化（Anammox）是指在嚴(yán)格厭氧前提下，以氨為電子供體、以亞硝酸鹽為電子受體，最終產(chǎn)生氮?dú)獾纳锓磻?yīng)〔1〕。這是一種綠色、經(jīng)濟(jì)、高效的新型生物脫氮技術(shù)，在處理高氨氮廢水方面表現(xiàn)不凡。Anammox反應(yīng)通過(guò)一種特殊功能菌——Anammox菌實(shí)現(xiàn)。然而，Anammox菌生長(zhǎng)極其緩慢（通常情況下，細(xì)胞增殖速率僅有0.0027 h-1，細(xì)胞倍增周期約為11 d）〔2〕、環(huán)境敏感度高〔3〕，致使Anammox菌的富集難度較大、Anammox工藝啟動(dòng)緩慢，制約了Anammox工藝大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。為解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷探索Anammox強(qiáng)化技術(shù)，從提高Anammox功能菌活性、優(yōu)化工藝條件等方面來(lái)強(qiáng)化Anammox工藝效能，以實(shí)現(xiàn)該工藝的快速啟動(dòng)和高效運(yùn)行，進(jìn)而推動(dòng)其工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

1　外加電場(chǎng)強(qiáng)化Anammox

1.1強(qiáng)化效果

劉思彤等〔4〕構(gòu)建了電極-生物膜Anammox反應(yīng)器，然后探討了不同工作電極電壓對(duì)Anammox菌活性的影響。試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外加電極電壓為-0.05 VSCE時(shí)，Anammox菌活性最佳，達(dá)27.45 mmolNH4+-N/（gVSS·d），其活性比無(wú)電極電壓對(duì)照組增加20%。在電極電壓為-0.05 VSCE的條件下，Anammox生物膜反應(yīng)器經(jīng)18 d成功啟動(dòng)，NH4+-N去除負(fù)荷可達(dá)120 gN/（m3·d），啟動(dòng)時(shí)間較無(wú)電極電壓對(duì)照組Anammox反應(yīng)器縮短20%。Jingxin Zhang等〔5〕發(fā)現(xiàn)，鐵-石墨電極的加入有利于增強(qiáng)Anammox菌脫氮能力，進(jìn)而加速Anammox反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程。研究表明，當(dāng)兩級(jí)電壓在小于0.6 V的范圍內(nèi)，Anammox菌脫氮能力隨電壓增加而增強(qiáng)；當(dāng)電壓大于0.8 V時(shí)，Anammox過(guò)程幾乎被完全抑制。在兩級(jí)電壓維持在0.6V的條件下，Anammox反應(yīng)器經(jīng)95 d成功啟動(dòng)，其啟動(dòng)時(shí)間與對(duì)照組相比縮短近24%。經(jīng)125 d運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)組總氮去除速率達(dá)最大值1 209.6 mg/（L·d），是對(duì)照組反應(yīng)器的1.24倍。

1.2強(qiáng)化機(jī)理

電場(chǎng)可對(duì)微生物的生理機(jī)能產(chǎn)生影響，而且一定強(qiáng)度的電場(chǎng)可以通過(guò)促進(jìn)離子遷移或電子傳遞來(lái)強(qiáng)化生化反應(yīng)，這一結(jié)論已被研究證實(shí)〔6-7〕。對(duì)于電極-生物反應(yīng)器，電子遷移發(fā)生在工作電極和細(xì)菌之間，且該過(guò)程可直接發(fā)生在電極表面，也可由溶解性電子穿梭體或水的電解間接引發(fā)。在外加電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，電子在工作電極與周圍細(xì)菌之間傳遞，并在一定程度上參與細(xì)菌生化反應(yīng)的電子傳遞過(guò)程，從而促進(jìn)或改善其新陳代謝過(guò)程〔7-8〕。同樣，外加電場(chǎng)也可以加快Anammox反應(yīng)電子傳遞從而提高Anammox菌活性。受自身反應(yīng)機(jī)理限制，Anammox反應(yīng)會(huì)生成一定量的NO3--N，影響總氮去除效果。而這部分NO3--N可以通過(guò)電極的介入得以去除。在電極-生物膜Anammox反應(yīng)器中，陰極產(chǎn)生的氫氣為反硝化細(xì)菌提供電子供體，通過(guò)陰極表面氫自養(yǎng)反硝化過(guò)程將Anammox反應(yīng)副產(chǎn)物NO3--N還原為N2，從而強(qiáng)化Anammox工藝總氮去除性能〔4〕。

2　外加磁場(chǎng)強(qiáng)化Anammox工藝

2.1強(qiáng)化效果

Sitong Liu等〔9〕考察了穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)Anammox菌自養(yǎng)脫氮性能的影響。批式試驗(yàn)表明，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為16.8～95 mT時(shí)，Anammox菌活性顯著高于對(duì)照組；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為75mT時(shí)，該菌活性最大，為對(duì)照組的1.5倍。隨后，Anammox反應(yīng)器在磁場(chǎng)強(qiáng)度為60mT的條件下連續(xù)運(yùn)行。與對(duì)照組相比，該反應(yīng)器NH4+-N去除負(fù)荷最高提高了30%，Anammox工藝啟動(dòng)時(shí)間縮短了25%。汪濤〔10〕以聚乙烯醇-海藻酸鈉（PVA-SA）為包埋劑將磁粉和Anammox污泥協(xié)同包埋，制備了磁性包埋Anammox小球。結(jié)果表明，在Anammox污泥和包埋劑PVA-SA均為20m L的情況下，當(dāng)磁粉添加量為0.5～1.5 g時(shí)，試驗(yàn)組小球的Anammox活性較之對(duì)照組有所增加；且其磁粉添加量為0.5 g時(shí)，小球活性提高最大。其NH4+-N和NO2--N的去除速率分別為61.69mg/（L·d）和75.02 mg/（L·d），分別提高了56.05%和50.03%。

2.2強(qiáng)化機(jī)理

磁場(chǎng)會(huì)對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和新陳代謝過(guò)程產(chǎn)生影響，即磁場(chǎng)的生物效應(yīng)。低強(qiáng)度磁場(chǎng)通過(guò)改變帶電離子的受力狀態(tài)、生物的分子結(jié)構(gòu)而改善生物膜的通透性和生物酶的活性，進(jìn)而加快微生物的新陳代謝和生化反應(yīng)速度〔11-13〕。Anammox具有一種特征細(xì)胞器——厭氧氨氧化體（Anammoxosome）。Anammoxosome具有雙層膜結(jié)構(gòu)和Anammox反應(yīng)關(guān)鍵性酶，是Anammox反應(yīng)的主要場(chǎng)所。一定范圍的低強(qiáng)度磁場(chǎng)不但改善了Anammox菌細(xì)胞壁的通透性，而且改善了Anammoxosome膜的通透性及其中關(guān)鍵酶的活性。低強(qiáng)度磁場(chǎng)的這些作用因促進(jìn)Anammox菌新陳代謝而強(qiáng)化Anammox啟動(dòng)和運(yùn)行效能。又有研究表明〔9，14〕，磁場(chǎng)影響菌群結(jié)構(gòu)，但不會(huì)改變遺傳物質(zhì)。在一定范圍低強(qiáng)度磁場(chǎng)的長(zhǎng)期作用下，Anammox混培物中雜菌多樣性減少，而Anammox菌種多樣性未受影響〔9〕。這表明，混培物中Anammox菌比雜菌有更好的磁耐受性。Anammox菌的這一特點(diǎn)，使得低強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)化Anammox菌活性的同時(shí)又保證了Anammox菌種的相對(duì)穩(wěn)定。

3　低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化Anammox工藝

3.1強(qiáng)化效果

Xiumei Duan等〔15〕對(duì)Anammox混培物施加低強(qiáng)度超聲波（LIU），探討適溫（32℃）狀態(tài)下LIU對(duì)Anammox菌群活性和脫氮能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲頻率為25 kHz、強(qiáng)度為0.3W/cm2、輻照時(shí)間為4min時(shí)，總氮去除速率增加約25.5%，這一強(qiáng)化效果可持續(xù)6 d。EPS分析表明，在LIU輻照后的第一天，Anammox菌群中碳水化合物、蛋白質(zhì)和總胞外聚合物的增幅最大，分別為28.8%，30.5%、29.7%。并且通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）觀察到超聲輻照后Anammox菌細(xì)胞壁變薄和多種胞外物質(zhì)存在。Jinjin Yu等〔16〕考察低溫（14.8℃）條件下LIU對(duì)Anammox性能的影響，試驗(yàn)以上流式厭氧污泥膨脹床（UASB）作為Anammox反應(yīng)器，在UASB-Anammox反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行LIU間歇輻照。結(jié)果表明，當(dāng)超聲頻率為27 kHz、強(qiáng)度為0.7W/cm2、輻照時(shí)間為0.19min時(shí)，其總氮去除速率5.49kg/（m3·d）遠(yuǎn)高于對(duì)照組UASB總氮去除率1.53 kg/（m3·d）。研究還發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)組反應(yīng)器中多糖、蛋白質(zhì)、2，3，5-氯化三苯基四唑-脫氫酶（TTC-脫氫酶）和揮發(fā)性懸浮固體（VSS）濃度均高于對(duì)照組。

3.2強(qiáng)化機(jī)理

超聲波作用于微生物會(huì)對(duì)生物組織結(jié)構(gòu)造成影響，這種影響被稱之為超聲波的生物效應(yīng)，與超聲頻率、強(qiáng)度、輻照時(shí)間及生物自身的生理生化特性等有關(guān)。超聲強(qiáng)度、頻率過(guò)高或連續(xù)輻照時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)嚴(yán)重破壞Anammox細(xì)胞結(jié)構(gòu)，造成細(xì)胞不可逆損傷，致使Anammox菌活性下降，甚至對(duì)該菌產(chǎn)生致死效應(yīng)。既然如此，適宜參數(shù)范圍的低強(qiáng)度低頻率超聲間歇輻照更有利于Anammox菌活性的提高和Anammox過(guò)程的強(qiáng)化。一方面，這種超聲狀態(tài)可產(chǎn)生溫和的穩(wěn)態(tài)空化效應(yīng)，造成暫時(shí)可逆的細(xì)胞損傷，增強(qiáng)Anammox細(xì)胞壁和Anammoxosome膜的通透性、加速電子傳遞和膜內(nèi)外物質(zhì)交換〔17〕。另一方面，低強(qiáng)低頻超聲處理可增加生物酶和EPS含量，從而提高Anammox細(xì)胞增殖速率〔16，18〕。例如，有研究發(fā)現(xiàn)〔15-16〕，低強(qiáng)低頻超聲強(qiáng)化Anammox菌群過(guò)程會(huì)伴隨TTC-脫氫酶和EPS的增加而增加，而EPS形成是Anammox菌在超聲輻照條件下自我保護(hù)策略，通過(guò)這一過(guò)程Anammox活性和耐受性均得到提高，Anammox工藝總體運(yùn)行效能也隨之強(qiáng)化。

4　添加鐵元素強(qiáng)化Anammox工藝

4.1強(qiáng)化效果

Fan Gao等〔19〕研究了兩種形態(tài)的Fe元素——零價(jià)鐵（Fe0）和Fe3O4對(duì)Anammox活性及Anammox菌顆?；^(guò)程的影響。此項(xiàng)研究在兩組平行的厭氧連續(xù)攪拌反應(yīng)器（CSTR）中接種Anammox污泥，分別加入等量鐵元素的Fe0和Fe3O4作為顆?；瘍?nèi)核，經(jīng)一段時(shí)間富集培養(yǎng)成功獲得Fe-Anammox顆粒和Fe3O4-Anammox顆粒。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Anammox顆粒和Fe3O4-Anammox顆粒分別在運(yùn)行12 d和14 d之后出現(xiàn)，而空白對(duì)照組顆粒經(jīng)20 d運(yùn)行才出現(xiàn)；Fe-Anammox顆粒和Fe3O4-Anammox顆粒的最大比Anammox活性分別達(dá)0.240 kgN/（kgVSS·d）和0.239 kgN/（kgVSS·d），高于空白對(duì)照組的0.200 kgN/（kgVSS·d）。這表明，F(xiàn)e0和Fe3O4的加入有助于Anammox菌快速顆?；?，同時(shí)也提高了Anammox菌脫氮性能。Zhen Bi等〔20〕考察進(jìn)水中不同濃度的Fe2+對(duì)Anammox啟動(dòng)過(guò)程的影響。該試驗(yàn)以3個(gè)相同的上流式復(fù)合反應(yīng)器（R1、R2、R3）接種同一厭氧活性污泥啟動(dòng)Anammox工藝，R1、R2、R3運(yùn)行過(guò)程進(jìn)水中分別添加0.03、0.06、0.09mmol/LFe2+。R2和 R3的Anammox工藝啟動(dòng)所需時(shí)間分別為58 d和50 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于控制組R1的70 d。此研究表明，適當(dāng)提高的Fe2+濃度（0.06～0.09mmol/L）有利于Anammox工藝的快速啟動(dòng)。

4.2強(qiáng)化機(jī)理

Fe是Anammox菌生長(zhǎng)所需的重要微量元素之一，多數(shù)代謝反應(yīng)都會(huì)有含F(xiàn)e蛋白參與。與Anammox細(xì)胞的其他部分相比，Anammoxosome富含F(xiàn)e元素，且這些Fe參與到Anammox生化反應(yīng)的電子傳遞過(guò)程〔21〕。因而，適當(dāng)濃度的Fe2+可促進(jìn)Anammox菌生長(zhǎng)繁殖。然而，高濃度的Fe2+會(huì)與生化過(guò)程產(chǎn)生的H2O2作用誘發(fā)Fenton反應(yīng)，產(chǎn)生游離的羥基自由基（·OH），對(duì)Anammox菌具有強(qiáng)烈的抑制作用，甚至導(dǎo)致該菌死亡〔22〕。一定量的Fe0在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)被氧化產(chǎn)生適宜濃度的Fe2+并消耗DO，有利于維持Anammox菌生長(zhǎng)所必要的厭氧條件，而Fe3O4則會(huì)通過(guò)離子化反應(yīng)產(chǎn)生Fe2+和Fe3+〔19，23〕。Fe2+和Fe3+能夠?yàn)锳nammox菌生長(zhǎng)提供最佳的氧化還原電位（ORP），且具有較好的絮凝性能，這些高價(jià)正電荷鐵離子可將表面帶負(fù)電荷的Anammox游離細(xì)胞聚集在其周圍，加速Anammox菌聚集和造粒，促進(jìn)Anammox菌膠團(tuán)的形成，提高Anammox整體功能菌群的環(huán)境耐受性。

5　添加氧化石墨烯強(qiáng)化Anammox工藝

5.1強(qiáng)化效果

GangWang等〔24〕考察氧化石墨烯（GO）對(duì)Anammox菌長(zhǎng)期儲(chǔ)存之后再激活過(guò)程的影響。在該試驗(yàn)中，將兩組Anammox菌儲(chǔ)存在4℃，其中一組為試驗(yàn)組，添加0.1 g/LGO；而另一組為對(duì)照組，不添加GO；儲(chǔ)存兩個(gè)月之后，這兩組Anammoxx菌分別接種至平行運(yùn)行的反應(yīng)器中進(jìn)行再激活。試驗(yàn)組反應(yīng)器經(jīng)過(guò)21 d運(yùn)行，總氮去除速率達(dá)到1 200 mg/（L·d）；而對(duì)照組反應(yīng)器需耗時(shí)29 d才能達(dá)到這一氮去除速率。在Anammox菌種儲(chǔ)存之后的活化過(guò)程中，試驗(yàn)組Anammox顆粒粒徑從對(duì)照組的189μm增至230μm，且試驗(yàn)組最大比Anammox活性從對(duì)照組的0.42gN/（gVSS·d）提高至0.44gN/（gVSS·d）。這些結(jié)果說(shuō)明，在Anammox菌存儲(chǔ)過(guò)程中，一定量GO的添加可促進(jìn)再激活過(guò)程菌種的活性恢復(fù)，縮短激活時(shí)間，提高Anammox顆粒粒徑，強(qiáng)化Anammox活性。添加GO的Anammox菌存儲(chǔ)策略，有助于提高以儲(chǔ)存菌種為接種物的Anammox工藝啟動(dòng)和運(yùn)行效能。

5.2強(qiáng)化機(jī)理

GO具有較大的比表面積、良好的膠體特性、豐富的表面含氧官能團(tuán)（如羧基、羥基、烷氧基等）及較低的生物毒性，在微生物學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注〔25〕。GO具有高度的生物相容性，可有效加速細(xì)菌擴(kuò)散，增加細(xì)菌與基質(zhì)的接觸面積和機(jī)率，因而提高Anammox菌活性、促進(jìn)Anammox菌生長(zhǎng)增殖，從而強(qiáng)化Anammox工藝過(guò)程〔24，26〕。

6　結(jié)語(yǔ)

Anammox是一種有良好應(yīng)用前景和巨大潛力的新型污水脫氮技術(shù)，而Anammox強(qiáng)化技術(shù)已成為Anammoxx研究的一個(gè)重要組成部分。Anammox工藝強(qiáng)化在于為Anammox菌提供最佳的生長(zhǎng)代謝條件，改善細(xì)胞膜通透性和酶活性，促進(jìn)Anammox菌新陳代謝，提高其在培養(yǎng)污泥菌群中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，從而提高Anammox啟動(dòng)和運(yùn)行效能。雖然Anammox強(qiáng)化技術(shù)已取得一定的研究成果，但仍有一些問(wèn)題有待研究。

（1）Anammox強(qiáng)化技術(shù)的機(jī)理有待闡明。多數(shù)研究主要關(guān)注強(qiáng)化效果，而對(duì)于強(qiáng)化機(jī)理，只是初步的探討，缺少細(xì)致、具體、全面的研究，如超聲、磁場(chǎng)對(duì)Anammox菌關(guān)鍵酶及生理生化特性的影響機(jī)理尚不明確。

（2）Anammox多因素強(qiáng)化技術(shù)有待研究。Anammox強(qiáng)化方法包括外加磁場(chǎng)、電場(chǎng)、超聲波等，也包括添加Fe元素或GO。然而，之前的研究多考察一種因素強(qiáng)化作用，而對(duì)于多因素協(xié)同強(qiáng)化作用的研究極少。

（3）Anammox強(qiáng)化裝置采用實(shí)際高氮廢水的效果有待考察。目前，Anammox強(qiáng)化裝置的進(jìn)水采用人工配水。然而，實(shí)際高氨氮廢水與人工配水存在諸多差異。為了推進(jìn)Anammox工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程，需要考察這些裝置在處理實(shí)際高氨氮廢水時(shí)的表現(xiàn)。

（4）Anammox強(qiáng)化技術(shù)的工程放大有待進(jìn)一步研究。Anammox強(qiáng)化技術(shù)的研究絕大多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室小試階段，該技術(shù)工程放大過(guò)程需要注意的問(wèn)題仍不明確，同時(shí)，這些強(qiáng)化技術(shù)在小試、中試和實(shí)際工程應(yīng)用中的效果有待進(jìn)一步考證。

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Progress in the research on the Anamm ox enhancem ent technique

Wang Tao1，Zhang Sha1，Liu Pengxiao2，Wang Zhiqiang1
（1.Schoolof Energy and EnvironmentalEngineering，HebeiUniversity of Technology，Tianjin 300401，China；2.Beijing Aerospace Institute forMetrology and Measurement Technology，Beijing100076，China）

Anaerobic ammonia oxidation（Anammox）is a noveland environmental-friendly denitrification technology.However，in view of the high environmentsensitivity and longgeneration time of Anammox bacteria，the startingup period of Anammox is too long.As a result，its industrialization process is slowed down.Several enhancement techniques can speed up the starting-up processof Anammox，improve itsoperating efficiency，and promote the developmentofAnammox research in both breadth and depth.The Anammox enhancement techniques，includingapplying electric field，magnetic field and ultrasound aswell asadding iron element，the graphene oxide，etc.are introduced. The obtained achievements in the aspects of enhancementefficiency and possiblemechanisms are reviewed.Moreover，theapplication prospectsand research directionsof theseenhancement techniques in the futurearepointed out.

Anammox；processenhancement；biologicaldenitrification；environmental friendliness

X703

A

1005-829X（2016）09-0007-05

汪濤（1982—），博士，講師。E-mail：wangtao82@hebut. edu.cn。

2016-06-03（修改稿）

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31400432）；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E2014202225）