金屬離子對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響研究綜述

劉 野

（吉林省松原石油化工股份有限公司，吉林松原138000）

厭氧氨氧化（Anammox）是指在厭氧或者缺氧條件下，Anammox菌利用NO2-為電子受體，將NH4+直接氧化成N2的過程,是目前為止最為經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的生物脫氮方式[1-2]。Anammox提供了一種新的思路，與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，可大大降低能源和化學(xué)藥劑的消耗，為今后污水處理降低成本、簡(jiǎn)化脫氮過程提供了可能，具有很好的發(fā)展空間。盡管厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用目前僅限于高濃度氨氮廢水的脫氮處理，但有關(guān)低溫厭氧氨氧化、反硝化耦合厭氧氨氧化的實(shí)驗(yàn)室研究表明，Anammox菌具有非常大的潛能，將會(huì)以幾種不同的方式應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)這些最新研究成果的工業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)一步的可行性研究很有必要。但是Anammox菌倍增時(shí)間長(zhǎng)，極難富集，且影響Anammox菌生長(zhǎng)因素眾多，其中金屬離子對(duì)Anammox菌的影響更是復(fù)雜多變。因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究了各金屬離子對(duì)Anammox菌群的影響，以便在實(shí)際應(yīng)用中強(qiáng)化有利方面，規(guī)避不利的影響，以提高Anammox工藝的脫氮效率。

1 Fe離子對(duì)厭氧氨氧化活性的影響

Fe離子作為細(xì)胞血紅素的合成元素，對(duì)Anammox菌起著至關(guān)重要的作用，因此研究Fe離子對(duì)Anammox工藝的影響顯得尤為重要[3]。

李祥等[4]通過接種厭氧氨氧化污泥研究了Fe2+和Fe3+濃度對(duì)Anammox菌活性的影響，得出當(dāng)進(jìn)水鐵離子濃度達(dá)5mg/L時(shí)，厭氧氨氧化污泥活性達(dá)最大，且不同價(jià)態(tài)鐵離子濃度對(duì)污泥的脫氮效能沒有明顯差異。而Fe2+比Fe3+更適合Anammox菌的生長(zhǎng)需求，有利于Anammox菌的富集。因此可以在反應(yīng)器內(nèi)少量鐵塊，防止Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+。

2 C a2+、Mg2+離子對(duì)厭氧氨氧化活性的影響

Ca2+和Mg2+等金屬陽離子可以壓縮雙電子層，促進(jìn)生物污泥的聚集，而且其與胞外多聚物的粘黏可以加速污泥顆粒化的形成[5]。此外，Ca2+和Mg2+還是常見的酶激活劑，可能會(huì)通過刺激酶活性來提高微生物代謝活性。Li等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，添加Mg2+的Anammox系統(tǒng)在運(yùn)行4d后可觀察到污泥顆粒，而沒有添加Mg2+的Anammox系統(tǒng)需要在運(yùn)行17d后才可觀察到污泥顆粒;添加Mg2+可以影響污泥顆粒的緊湊性，但不影響微生物形態(tài)；添加Mg2+使得污泥濃度明顯增加。多價(jià)金屬離子對(duì)污泥顆?；虯nammox強(qiáng)化的作用方式可能是：Ca2+和Mg2+可以被綁定到細(xì)菌表面帶負(fù)電的基團(tuán)上，而胞外聚合物在其中起著架橋作用同時(shí)促進(jìn)微生物聚集[7]。但是目前的研究中尚未明確添加的具體濃度范圍，需要進(jìn)一步研究。

3 錳離子對(duì)厭氧氨氧化活性的影響

高大文等[8]通過對(duì)Anammox菌的代謝途徑進(jìn)行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)其代謝途徑具有多樣性，且鐵、錳離子有可能成為潛在的電子供體/受體。Strous等人對(duì)厭氧氨氧化菌基因組的分析也證明了以上觀點(diǎn)[9]。理論上新的代謝途徑會(huì)在一定程度上緩解Anammox菌所面臨的競(jìng)爭(zhēng)壓力，使得厭氧氨氧化過程更具穩(wěn)定性，并將進(jìn)一步提高厭氧氨氧化反應(yīng)器的效能[10]。彭廈等[11]以批序式生物膜反應(yīng)器（SBR）考察了鐵、錳離子對(duì)厭氧氨氧化效能和細(xì)菌混培物生長(zhǎng)的影響，證明鐵、錳離子均能夠促進(jìn)反應(yīng)器對(duì)氮的去除。認(rèn)為當(dāng)進(jìn)水鐵離子濃度為0.08 mmol/L時(shí)，反應(yīng)器對(duì)氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率均穩(wěn)定在95%左右;當(dāng)進(jìn)水錳離子濃度為0.05 mmol/L時(shí)，反應(yīng)器對(duì)氨氮和亞硝酸鹽氮的去除率均可達(dá)95%以上。

4 C u2+、Zn2+濃度對(duì)厭氧氨氧化活性的影響

Cu2+、Zn2+等微量重金屬元素是微生物進(jìn)行生命活動(dòng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是酶的活化劑，可以促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)[12]。但是微生物對(duì)重金屬元素的需求量極少，超過一定量后便會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生毒性作用，使得脫氮效果下降甚至反應(yīng)器停止。而工業(yè)廢水中常常含有大量的重金屬元素，因此研究常見重金屬離子，如Cu2+、Zn2+等顯得尤為重要。

李祥等[13]批次實(shí)驗(yàn)證明，Cu2+和Zn2+離子對(duì)Anammox污泥脫氮效能的影響可分為刺激、穩(wěn)定和抑制三個(gè)階段。刺激階段，進(jìn)水Cu2+濃度0～1mg/L和Zn2+濃度為0～4 mg/L時(shí)，隨著進(jìn)水金屬離子濃度的增加，微生物活性收到刺激，氮去除速率迅速增加；穩(wěn)定階段，Cu2+濃度1～8 mg/L時(shí)，氮去除速率處于穩(wěn)定狀態(tài)。抑制階段，Cu2+濃度大于 8mg/L和 Zn2+大于 4mg/L時(shí)，隨著進(jìn)水金屬離子濃度的增加，氮去除速率逐步下降。Cu2+、Zn2+對(duì)Anammox污泥脫氮效能長(zhǎng)期影響表明，當(dāng)進(jìn)水Cu2+濃度達(dá)到4 mg/L和Zn2+濃度達(dá)到8 mg/L時(shí)，厭氧氨氧化污泥的活性將受到抑制。而在降低金屬離子濃度后，Anammox污泥的活性可以得到恢復(fù)。于此可知，在Anammox工藝中 Cu2+、Zn2+最佳濃度分別為1～8mg/L和 4mg/L。

5 結(jié)語與展望

金屬離子對(duì)Anammox污泥的影響主要是從對(duì)酶的激活、Anammox菌內(nèi)部細(xì)胞的合成、以及毒理學(xué)性質(zhì)上體現(xiàn)，本文討論了各種常見金屬離子濃度對(duì)Anammox污泥脫氮效能的影響。雖然目前研究證明部分金屬離子能對(duì)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)酶有激活作用，但是由于細(xì)菌種類繁多以及具體激活濃度無法確定，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中仍然有局限。實(shí)際廢水中所含各金屬離子濃度常有差異，特別是工業(yè)廢水，含有高濃度金屬離子，目前的研究皆證明少量的金屬離子對(duì)Anammox污泥去除含氮廢水有積極影響，而金屬離子濃度含量過高則會(huì)對(duì)Anammox菌產(chǎn)生毒性作用?；诖丝梢钥紤]厭氧氨氧化生物處理技術(shù)與化學(xué)工藝相結(jié)合，有效控制廢水中金屬離子濃度，使得處理工藝長(zhǎng)期處在高效運(yùn)行階段。另外，厭氧氨氧化作為新型生物脫氮工藝，并不意味著傳統(tǒng)脫氮工藝的終結(jié)，相反，在以后的研究中，應(yīng)該注重厭氧氨氧化與傳統(tǒng)工藝的結(jié)合使用，充分發(fā)揮各種工藝的優(yōu)點(diǎn)，如厭氧氨氧化工藝與A-A-O工藝結(jié)合，可以同步脫氮除磷。還有學(xué)者將Anammox工藝與微生物燃料電池（MFC）聯(lián)合使用[14]，以達(dá)到廢水高效處理和產(chǎn)能的效果。在以后的研究中，在注重金屬離子對(duì)Anammox工藝污泥形成的影響的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注其他因素對(duì)Anammox工藝的影響，如溫度、PH、物理場(chǎng)、有機(jī)物、化學(xué)物質(zhì)、菌種等。

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