汪濤，張沙，劉鵬霄，王志強

厭氧氨氧化強化技術的研究進展

汪濤1，張沙1，劉鵬霄2，王志強1

（1.河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院，天津300401；2.北京航天計量測試技術研究所，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。但是，Anammox菌世代時間長、環(huán)境敏感度高，導致Anammox工藝啟動周期過長，致使其工業(yè)化進程滯緩。一些強化技術可加快Anammox啟動進程并提高其運行效能，促進Anammox研究在廣度和深度上的發(fā)展。介紹了外加電場、磁場、超聲波以及添加Fe元素、氧化石墨烯等Anammox工藝強化技術，從強化效果和可能的機理等方面對已取得的成果進行論述，并指出該強化技術未來的應用前景和研究方向。

厭氧氨氧化；工藝強化；生物脫氮；環(huán)境友好

厭氧氨氧化（Anammox）是指在嚴格厭氧前提下，以氨為電子供體、以亞硝酸鹽為電子受體，最終產(chǎn)生氮氣的生物反應〔1〕。這是一種綠色、經(jīng)濟、高效的新型生物脫氮技術，在處理高氨氮廢水方面表現(xiàn)不凡。Anammox反應通過一種特殊功能菌——Anammox菌實現(xiàn)。然而，Anammox菌生長極其緩慢（通常情況下，細胞增殖速率僅有0.0027 h-1，細胞倍增周期約為11 d）〔2〕、環(huán)境敏感度高〔3〕，致使Anammox菌的富集難度較大、Anammox工藝啟動緩慢，制約了Anammox工藝大規(guī)模工業(yè)化應用。為解決這些問題，國內(nèi)外學者不斷探索Anammox強化技術，從提高Anammox功能菌活性、優(yōu)化工藝條件等方面來強化Anammox工藝效能，以實現(xiàn)該工藝的快速啟動和高效運行，進而推動其工業(yè)化應用進程。

1　外加電場強化Anammox

1.1強化效果

劉思彤等〔4〕構建了電極-生物膜Anammox反應器，然后探討了不同工作電極電壓對Anammox菌活性的影響。試驗研究結果發(fā)現(xiàn)，當外加電極電壓為-0.05 VSCE時，Anammox菌活性最佳，達27.45 mmolNH4+-N/（gVSS·d），其活性比無電極電壓對照組增加20%。在電極電壓為-0.05 VSCE的條件下，Anammox生物膜反應器經(jīng)18 d成功啟動，NH4+-N去除負荷可達120 gN/（m3·d），啟動時間較無電極電壓對照組Anammox反應器縮短20%。Jingxin Zhang等〔5〕發(fā)現(xiàn)，鐵-石墨電極的加入有利于增強Anammox菌脫氮能力，進而加速Anammox反應器啟動過程。研究表明，當兩級電壓在小于0.6 V的范圍內(nèi)，Anammox菌脫氮能力隨電壓增加而增強；當電壓大于0.8 V時，Anammox過程幾乎被完全抑制。在兩級電壓維持在0.6V的條件下，Anammox反應器經(jīng)95 d成功啟動，其啟動時間與對照組相比縮短近24%。經(jīng)125 d運行，實驗組總氮去除速率達最大值1 209.6 mg/（L·d），是對照組反應器的1.24倍。

1.2強化機理

電場可對微生物的生理機能產(chǎn)生影響，而且一定強度的電場可以通過促進離子遷移或電子傳遞來強化生化反應，這一結論已被研究證實〔6-7〕。對于電極-生物反應器，電子遷移發(fā)生在工作電極和細菌之間，且該過程可直接發(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)。在外加電場的驅(qū)動下，電子在工作電極與周圍細菌之間傳遞，并在一定程度上參與細菌生化反應的電子傳遞過程，從而促進或改善其新陳代謝過程〔7-8〕。同樣，外加電場也可以加快Anammox反應電子傳遞從而提高Anammox菌活性。受自身反應機理限制，Anammox反應會生成一定量的NO3--N，影響總氮去除效果。而這部分NO3--N可以通過電極的介入得以去除。在電極-生物膜Anammox反應器中，陰極產(chǎn)生的氫氣為反硝化細菌提供電子供體，通過陰極表面氫自養(yǎng)反硝化過程將Anammox反應副產(chǎn)物NO3--N還原為N2，從而強化Anammox工藝總氮去除性能〔4〕。

2　外加磁場強化Anammox工藝

2.1強化效果

Sitong Liu等〔9〕考察了穩(wěn)恒磁場對Anammox菌自養(yǎng)脫氮性能的影響。批式試驗表明，當磁場強度為16.8～95 mT時，Anammox菌活性顯著高于對照組；當磁場強度為75mT時，該菌活性最大，為對照組的1.5倍。隨后，Anammox反應器在磁場強度為60mT的條件下連續(xù)運行。與對照組相比，該反應器NH4+-N去除負荷最高提高了30%，Anammox工藝啟動時間縮短了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。結果表明，在Anammox污泥和包埋劑PVA-SA均為20m L的情況下，當磁粉添加量為0.5～1.5 g時，試驗組小球的Anammox活性較之對照組有所增加；且其磁粉添加量為0.5 g時，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強化機理

磁場會對細胞結構和新陳代謝過程產(chǎn)生影響，即磁場的生物效應。低強度磁場通過改變帶電離子的受力狀態(tài)、生物的分子結構而改善生物膜的通透性和生物酶的活性，進而加快微生物的新陳代謝和生化反應速度〔11-13〕。Anammox具有一種特征細胞器——厭氧氨氧化體（Anammoxosome）。Anammoxosome具有雙層膜結構和Anammox反應關鍵性酶，是Anammox反應的主要場所。一定范圍的低強度磁場不但改善了Anammox菌細胞壁的通透性，而且改善了Anammoxosome膜的通透性及其中關鍵酶的活性。低強度磁場的這些作用因促進Anammox菌新陳代謝而強化Anammox啟動和運行效能。又有研究表明〔9，14〕，磁場影響菌群結構，但不會改變遺傳物質(zhì)。在一定范圍低強度磁場的長期作用下，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，使得低強度磁場強化Anammox菌活性的同時又保證了Anammox菌種的相對穩(wěn)定。

3　低強度超聲波強化Anammox工藝

3.1強化效果

Xiumei Duan等〔15〕對Anammox混培物施加低強度超聲波（LIU），探討適溫（32℃）狀態(tài)下LIU對Anammox菌群活性和脫氮能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當超聲頻率為25 kHz、強度為0.3W/cm2、輻照時間為4min時，總氮去除速率增加約25.5%，這一強化效果可持續(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%。并且通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察到超聲輻照后Anammox菌細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Anammox性能的影響，試驗以上流式厭氧污泥膨脹床（UASB）作為Anammox反應器，在UASB-Anammox反應器連續(xù)運行過程中對其進行LIU間歇輻照。結果表明，當超聲頻率為27 kHz、強度為0.7W/cm2、輻照時間為0.19min時，其總氮去除速率5.49kg/（m3·d）遠高于對照組UASB總氮去除率1.53 kg/（m3·d）。研究還發(fā)現(xiàn)，試驗組反應器中多糖、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）濃度均高于對照組。

3.2強化機理

超聲波作用于微生物會對生物組織結構造成影響，這種影響被稱之為超聲波的生物效應，與超聲頻率、強度、輻照時間及生物自身的生理生化特性等有關。超聲強度、頻率過高或連續(xù)輻照時間過長都會嚴重破壞Anammox細胞結構，造成細胞不可逆損傷，致使Anammox菌活性下降，甚至對該菌產(chǎn)生致死效應。既然如此，適宜參數(shù)范圍的低強度低頻率超聲間歇輻照更有利于Anammox菌活性的提高和Anammox過程的強化。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，造成暫時可逆的細胞損傷，增強Anammox細胞壁和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，低強低頻超聲處理可增加生物酶和EPS含量，從而提高Anammox細胞增殖速率〔16，18〕。例如，有研究發(fā)現(xiàn)〔15-16〕，低強低頻超聲強化Anammox菌群過程會伴隨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策略，通過這一過程Anammox活性和耐受性均得到提高，Anammox工藝總體運行效能也隨之強化。

4　添加鐵元素強化Anammox工藝

4.1強化效果

Fan Gao等〔19〕研究了兩種形態(tài)的Fe元素——零價鐵（Fe0）和Fe3O4對Anammox活性及Anammox菌顆?；^程的影響。此項研究在兩組平行的厭氧連續(xù)攪拌反應器（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顆粒分別在運行12 d和14 d之后出現(xiàn)，而空白對照組顆粒經(jīng)20 d運行才出現(xiàn)；Fe-Anammox顆粒和Fe3O4-Anammox顆粒的最大比Anammox活性分別達0.240 kgN/（kgVSS·d）和0.239 kgN/（kgVSS·d），高于空白對照組的0.200 kgN/（kgVSS·d）。這表明，F(xiàn)e0和Fe3O4的加入有助于Anammox菌快速顆?；瑫r也提高了Anammox菌脫氮性能。Zhen Bi等〔20〕考察進水中不同濃度的Fe2+對Anammox啟動過程的影響。該試驗以3個相同的上流式復合反應器（R1、R2、R3）接種同一厭氧活性污泥啟動Anammox工藝，R1、R2、R3運行過程進水中分別添加0.03、0.06、0.09mmol/LFe2+。R2和 R3的Anammox工藝啟動所需時間分別為58 d和50 d，遠遠低于控制組R1的70 d。此研究表明，適當提高的Fe2+濃度（0.06～0.09mmol/L）有利于Anammox工藝的快速啟動。

4.2強化機理

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

5　添加氧化石墨烯強化Anammox工藝

5.1強化效果

GangWang等〔24〕考察氧化石墨烯（GO）對Anammox菌長期儲存之后再激活過程的影響。在該試驗中，將兩組Anammox菌儲存在4℃，其中一組為試驗組，添加0.1 g/LGO；而另一組為對照組，不添加GO；儲存兩個月之后，這兩組Anammoxx菌分別接種至平行運行的反應器中進行再激活。試驗組反應器經(jīng)過21 d運行，總氮去除速率達到1 200 mg/（L·d）；而對照組反應器需耗時29 d才能達到這一氮去除速率。在Anammox菌種儲存之后的活化過程中，試驗組Anammox顆粒粒徑從對照組的189μm增至230μm，且試驗組最大比Anammox活性從對照組的0.42gN/（gVSS·d）提高至0.44gN/（gVSS·d）。這些結果說明，在Anammox菌存儲過程中，一定量GO的添加可促進再激活過程菌種的活性恢復，縮短激活時間，提高Anammox顆粒粒徑，強化Anammox活性。添加GO的Anammox菌存儲策略，有助于提高以儲存菌種為接種物的Anammox工藝啟動和運行效能。

5.2強化機理

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（如羧基、羥基、烷氧基等）及較低的生物毒性，在微生物學領域受到廣泛關注〔25〕。GO具有高度的生物相容性，可有效加速細菌擴散，增加細菌與基質(zhì)的接觸面積和機率，因而提高Anammox菌活性、促進Anammox菌生長增殖，從而強化Anammox工藝過程〔24，26〕。

6　結語

Anammox是一種有良好應用前景和巨大潛力的新型污水脫氮技術，而Anammox強化技術已成為Anammoxx研究的一個重要組成部分。Anammox工藝強化在于為Anammox菌提供最佳的生長代謝條件，改善細胞膜通透性和酶活性，促進Anammox菌新陳代謝，提高其在培養(yǎng)污泥菌群中的競爭優(yōu)勢，從而提高Anammox啟動和運行效能。雖然Anammox強化技術已取得一定的研究成果，但仍有一些問題有待研究。

（1）Anammox強化技術的機理有待闡明。多數(shù)研究主要關注強化效果，而對于強化機理，只是初步的探討，缺少細致、具體、全面的研究，如超聲、磁場對Anammox菌關鍵酶及生理生化特性的影響機理尚不明確。

（2）Anammox多因素強化技術有待研究。Anammox強化方法包括外加磁場、電場、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化作用，而對于多因素協(xié)同強化作用的研究極少。

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

（4）Anammox強化技術的工程放大有待進一步研究。Anammox強化技術的研究絕大多數(shù)還處于實驗室小試階段，該技術工程放大過程需要注意的問題仍不明確，同時，這些強化技術在小試、中試和實際工程應用中的效果有待進一步考證。

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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）

國家自然科學基金項目（31400432）；河北省自然科學基金項目（E2014202225）