李天皓，江雨婕，毛 蔚，趙文靜，沈耀良，2，劉文如，2

（1.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州 215009；2.江蘇省環(huán)境科學與工程重點實驗室，江蘇蘇州 215009）

厭氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation，Anammox）自20 世紀90 年代被發(fā)現(xiàn)以來，一直作為處理含氮廢水的新技術(shù)受到廣泛研究〔1〕。厭氧氨氧化是指在厭氧環(huán)境下，厭氧氨氧化菌以NO2-為電子受體，將NH4+直接氧化為N2的過程〔2〕。厭氧氨氧化工藝在運行過程中不需要投加有機碳源，且無需曝氣，是一種綠色經(jīng)濟的生物脫氮工藝。然而厭氧氨氧化菌生長速度緩慢，世代周期長，難以在短時間內(nèi)富集，使得厭氧氨氧化工藝在實際應用中存在啟動過程長等問題〔3〕。如何強化厭氧氨氧化細菌生長繁殖、縮短厭氧氨氧化工藝啟動時間以及提升厭氧氨氧化系統(tǒng)脫氮效能，是當前厭氧氨氧化技術(shù)研究的熱點。筆者介紹了國內(nèi)外關(guān)于厭氧氨氧化強化方法的研究進展，重點評述了無機碳、鐵（包括零價鐵和鐵離子）、物理場對厭氧氨氧化工藝的強化效果，旨在全面理解強化因素對厭氧氨氧化微生物脫氮過程的影響及內(nèi)在作用機制，為促進厭氧氨氧化工藝的實際應用提供參考。

1 無機碳

1.1 無機碳在厭氧氨氧化反應中的作用

厭氧氨氧化菌是化能無機自養(yǎng)型細菌，其能夠利用CO2和HCO3-作為碳源獲取生長所需要的能量，因此適量的無機碳是厭氧氨氧化菌生長的必需條件。無機碳（主要指HCO3-）對強化厭氧氨氧化反應脫氮有多種作用，首先為厭氧氨氧化菌提供無機碳源，其次維持體系酸堿平衡，使pH 保持在厭氧氨氧化菌的最適范圍內(nèi)，再次HCO3-也可參與化學反應，與NH4+結(jié)合生成NH4HCO3，并可為厭氧氨氧化菌代謝提供必要的H+〔4〕。另外，根據(jù)W. R. L. VAN DER STAR 等〔5〕的研究，無機碳在厭氧氨氧化過程中還會催化中間產(chǎn)物NH2OH 和N2H4的生成和分解，使N2H4被氧化為N2，同時NH2OH 被還原為NH4+，如式（1）所示。

1.2 無機碳對厭氧氨氧化脫氮性能的影響

適量的無機碳對厭氧氨氧化菌活性的提高和反應器氮去除負荷的快速提升均有積極作用。碳酸氫鈉可以為厭氧氨氧化菌的富集提供合適的無機碳濃度。Jiachun YANG 等〔6〕在反應器中投加碳酸氫鈉作為無機碳源，氮去除負荷在32 d 內(nèi)從5.2 kg/（m3·d）迅 速 增 加 到11.8 kg/（m3·d），提 升 了1.26 倍。Y.KIMURA 等〔7〕在以凝膠顆粒為載體的柱形SBR 反應器中投加不同濃度的HCO3-，當進水中無機碳質(zhì)量濃度從60 mg/L 降低至2 mg/L 時，脫氮效能受到明顯抑制，總氮去除率急劇下降到56%。朱彤等〔8〕研究發(fā)現(xiàn)當進水中不投加無機碳時，出水NH4+、NO2-濃度維持較高水平，恢復無機碳投加后，反應器脫氮性能逐漸恢復。此外也有研究表明，系統(tǒng)在較高的無機碳濃度下可以通過多種氮轉(zhuǎn)化途徑脫氮，如可進行反硝化（NO3-→NO2-→NO→N2）和 硝 酸 鹽 異 化 還 原 氨

2 鐵

鐵是影響厭氧氨氧化菌生長和活性的重要因素，不同形態(tài)和濃度的鐵對厭氧氨氧化反應有不同程度的影響。

2.1 零價鐵

零價鐵（Zero-valent iron，ZVI）作為一種還原劑，具有較高的比表面積和反應活性，能夠有效地去除水中無機和有機污染物。近年來零價鐵與厭氧菌的耦合工藝被廣泛應用于污水處理領(lǐng)域〔16〕。ZVI 的腐蝕可以消耗水中的溶解氧，降低氧化還原電位，為厭氧氨氧化菌提供適宜的生存環(huán)境；ZVI 釋放出的Fe2+通過中和作用和壓縮雙電層作用強化微生物的團聚，有利于污泥顆粒的形成〔17〕。化學作用和微生物作用會在ZVI 耦合厭氧氨氧化脫氮系統(tǒng)中同時發(fā)生，化學過程包括零價鐵的腐蝕和鈍化，微生物過程包括厭氧氨氧化菌主導的厭氧氨氧化（Anammox），鐵氨氧化菌主導的鐵氨氧化（Feammox）、鐵型反硝化（Nitrate-dependent Fe2+oxidation，NAFO）以及少量的內(nèi)源反硝化。ZVI 耦合厭氧氨氧化脫氮示意見圖1。

2.1.1 零價鐵對厭氧氨氧化脫氮性能的影響

ZVI 等固態(tài)的含鐵物質(zhì)能夠在水中釋放出鐵離子（Fe2+或Fe3+），對厭氧氨氧化反應脫氮性能的提升有促進作用。Fan GAO 等〔18〕發(fā)現(xiàn)向連續(xù)攪拌的反應器中投加ZVI 或Fe3O4后，氮去除速率得到明顯提升，且短期內(nèi)ZVI 對厭氧氨氧化脫氮作用的促進效果 優(yōu) 于Fe3O4。Yuan YAN 等〔19〕報 道 了 短 期 投 加nZVI（Nanoscale zero-valent iron）可以有效恢復受高溶解氧抑制的厭氧氨氧化菌活性，有助于厭氧氨氧化反應器的穩(wěn)定運行。然而也有研究表明，nZVI 在腐蝕過程中可能會誘導產(chǎn)生活性氧（Reactive oxygen species，ROS），破壞細胞膜，干擾細胞功能，導致細胞損傷甚至死亡，嚴重的話可能發(fā)生Fenton 反應〔20〕。如Jiajia XU 等〔21〕在穩(wěn)定運行的厭氧氨氧化反應器中投加100 mg/L 的nZVI，2 h 內(nèi)出水水質(zhì)迅速惡化，血紅素c 和胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）含量也隨之大幅波動。

厭氧氨氧化反應器的啟動時間較長，適量投加鐵可以縮短反應器的啟動時間。Beibei GUO 等〔22〕投加100 mg/L 的ZVI，厭氧氨氧化啟動時間從96 d 縮短 到87 d。Longfei REN 等〔23〕的 研 究 表 明，投 加mZVI（Microscale zero-valent iron）和nZVI可以使上流式厭氧污泥床反應器的啟動時間分別縮短到105 d和84 d?？s短厭氧氨氧化工藝的啟動時間可以促進其在實際生活中大規(guī)模應用。

2.1.2 零價鐵對微生物群落的影響

有研究認為，ZVI 可以通過強化生理活動和刺激活性來提高功能菌在微生物群落中的豐度，投加ZVI 有利于厭氧氨氧化菌的生長增殖〔24〕。如E.ERDIM 等〔25〕研 究nZVI 對 厭 氧 氨 氧 化 工 藝 的影 響，在運行310 d 的SBR 反應器中檢測出厭氧氨氧化菌群豐度占總菌群的91%～92%。Beibei GUO 等〔22〕研究發(fā)現(xiàn)ZVI 的投加可以抑制亞硝酸鹽氧化菌（Nitrite oxidizing bacteria，NOB）的生長，并有利于厭氧氨氧化菌和氨氧化菌（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）活性的提升，1 000 mg/L ZVI 實驗組的厭氧氨氧化菌數(shù)量增加了約54%。但是，也有研究證實，ZVI 投加后不僅對厭氧氨氧化菌有影響，對其他脫氮菌也具有促進作用，從而影響微生物群落的豐度，改變厭氧氨氧化菌在微生物群落中的占比。如Zhengzhe ZHANG 等〔26〕通過高通量測序分析發(fā)現(xiàn)，隨著進水中nZVI 濃度的增加，厭氧氨氧化生物量的群落豐度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，而Shannon 多樣性指數(shù)也表明反應器中微生物群落豐度先增加后降低。盡管nZVI 在一定程度上影響了微生物群落的構(gòu)成，但是厭氧氨氧化菌從未失去其在群落中的優(yōu)勢地位。

2.2 鐵離子

圖1 ZVI 耦合厭氧氨氧化脫氮示意Fig.1 Schematic diagram of nitrogen removal by Anammox process coupled with ZVI

鐵在水溶液通常以Fe2+、Fe3+的形式存在，適量的鐵離子可以加強微生物的團聚，形成污泥顆粒，有助于生長緩慢的厭氧氨氧化菌的增殖〔17〕。微生物還能夠利用不同價態(tài)的鐵離子進行脫氮，如利用Fe3+作為電子受體將NH4+氧化為NO2-，利用Fe2+作為電子供體將NO3-反硝化為NO2-〔27〕。同 時 鐵 作 為 微生物生長代謝的必需元素之一，直接參與血紅素c的生物合成和氮轉(zhuǎn)化過程〔27-28〕。然而Fe3+易在堿性環(huán)境下轉(zhuǎn)化為Fe（OH）3紅色絮狀固體，覆蓋在厭氧氨氧化污泥顆粒表面，抑制厭氧氨氧化菌的活性。所以探究鐵離子對厭氧氨氧化反應的影響，不僅要研究其對微生物脫氮的作用機理，還要從可能發(fā)生的生物代謝及化學反應進行分析。

厭氧氨氧化菌具有獨特的細胞器厭氧氨氧化體（Anammoxosome），其在很大程度上依賴存在于厭氧氨氧化體中的含鐵蛋白質(zhì)（尤其是細胞色素）來保存能量。L. VAN NIFTRIK 等〔29〕觀察發(fā)現(xiàn)在厭氧氨氧化體中存在含有鐵的致密蛋白顆粒，鐵元素濃度的增加可能會使厭氧氨氧化菌合成更多鐵硫蛋白。厭氧氨氧化菌的鮮紅色正反映了這種高含量的血紅素鐵的存在。厭氧氨氧化菌需要產(chǎn)生大量含血紅素c的酶來進行新陳代謝，這些酶參與電子傳遞，促進厭氧氨氧化菌新陳代謝〔30〕。此外少數(shù)研究還表明厭氧氨氧化菌可以利用細胞外的鐵離子作為呼吸底物〔31〕。因此鐵離子是影響厭氧氨氧化菌活性的一個重要因素，厭氧氨氧化反應耦合鐵離子系統(tǒng)可以表現(xiàn)出更高的反應活性和脫氮性能。

進水中適當投加Fe2+能夠促進厭氧氨氧化菌對氮的去除。張黎等〔32〕研究發(fā)現(xiàn)當Fe2+濃度為0.085 mmol/L時，反應器總氮去除率穩(wěn)定在90%以上。Liaoli HUANG等〔33〕得到相似的結(jié)果，并指出Fe2+不僅是厭氧氨氧化菌的必需元素，而且在厭氧氨氧化過程中可以作為的電子供體，實現(xiàn)多轉(zhuǎn)化途徑去除氮素。Sen QIAO等〔34〕將進水中的Fe2+濃度提高到0.09 mmol/L，與正常Fe2+濃度（0.03 mmol/L）條件下相比，總氮去除率提高了32.2%。Li FENG等〔35〕發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化菌在0.07 mmol/L Fe2+濃度下活性最大，氨氮和亞硝酸鹽去除速率分別達到0.85、0.90 kg/（m3·d），比厭氧氨氧化活性顯著提高至0.76 kg/（kg·d）。

李祥等〔36〕在進水中分別 投加5 mg/L 的Fe2+和Fe3+，實驗發(fā)現(xiàn)兩者短期內(nèi)對厭氧氨氧化菌脫氮效能的影響基本相同，并沒有因為價態(tài)差異發(fā)生顯著變化。經(jīng)過71 個周期培養(yǎng)后，處理含F(xiàn)e2+進水的反應器的脫氮效能是處理含F(xiàn)e3+進水反應器的1.28 倍，說明Fe2+可能更滿足厭氧氨氧化菌對鐵離子的需求。Haiyue WANG 等〔37〕發(fā)現(xiàn)在厭氧氨氧化工藝啟動過程中投加Fe3+可以顯著縮短啟動時間，同時投加進反應器的Fe3+可以富集厭氧氨氧化菌，促進其顆?；?。張蕾等〔38〕研究發(fā)現(xiàn)當Fe3+濃度為0.075 mmol/L 時，反應器氨氮去除率和亞硝氮去除率達到最大，分別為對照組（不投加Fe3+）的1.8 倍和1.6 倍。袁新明等〔39〕報道了當進水Fe3+質(zhì)量濃度在10～40 mg/L 時，出水氨氮和亞硝酸鹽濃度并沒有出現(xiàn)較大波動，表明高濃度的Fe3+并不會過高地抑制厭氧氨氧化菌的活性。低溫環(huán)境下厭氧氨氧化菌的活性受到抑制，此時投加高濃度的Fe3+可以在短期內(nèi)提高低溫下厭氧氨氧化工藝的脫氮效果〔40〕。

長期實驗過程中，累積的鐵離子可能富集在微生物細胞表面及內(nèi)部，對細胞產(chǎn)生毒害作用，損害細胞結(jié)構(gòu)，進而導致細胞失活死亡，影響系統(tǒng)脫氮性能。孟顯松等〔41〕在低溫條件下長期投加Fe2+，在實驗的前5 d 內(nèi)Fe2+刺激厭氧氨氧化菌的活性，總氮去除率保持在較高水平，隨后由于Fe2+的積累，高濃度的Fe2+對厭氧氨氧化反應產(chǎn)生抑制作用，NH4+和NO2-去除率分別降至50.7%和76.7%。Xiaojing ZHANG 等〔42〕研 究發(fā)現(xiàn)當 進 水中Fe2+質(zhì) 量濃度為10～50 mg/L 時，厭氧氨氧化菌的活性受到不同程度的抑制。其中，當Fe2+質(zhì)量濃度為10～30 mg/L時，反應器的脫氮性能在適應階段后會得到一定程度的恢復；而Fe2+質(zhì)量濃度超過50 mg/L，則對厭氧氨氧化過程具有不可逆的抑制作用，隨時間延長反應器的氮素去除效果也不能恢復至投加Fe2+之前的水平。

綜上，F(xiàn)e2+和Fe3+對厭氧氨氧化菌活性的影響基本相同，不會因為價態(tài)的變化而表現(xiàn)出顯著差異；投加適宜濃度的鐵離子可以有效刺激厭氧氨氧化菌活性并促進其生長，提高脫氮性能，然而厭氧氨氧化反應是產(chǎn)堿過程，在長期運行過程中，生成的氫氧化物沉淀可能會覆蓋厭氧氨氧化菌表面，阻礙厭氧氨氧化反應的進行。但是也有學者指出短時間內(nèi)產(chǎn)生的Fe（OH）3能夠保護污泥活性，避免高濃度的游離態(tài)金屬離子和羥基自由基對厭氧氨氧化菌細胞造成不利影響〔43〕。

3 物理場

3.1 電場對厭氧氨氧化脫氮性能的影響

施加一定強度的電場可以提高微生物的脫氮能力。直流電場可以通過改變細胞膜的通透性、提高離子遷移速度、增強酶的活性來提高微生物的活性。早在1992 年，R. B. MELLOR 等〔44〕就發(fā)現(xiàn)在硝酸鹽去除工藝中施加電場可以快速有效地將硝酸鹽還原為氮氣。Xin YIN 等〔45〕采用電場增強厭氧氨氧化菌的脫氮活性，相比對照組，施加電場160 d 后的系統(tǒng)厭氧氨氧化生物量提高37%，總氮去除率提高38.7%。Jingxin ZHANG 等〔46〕報道在一定范圍內(nèi)提高電極電壓（≤0.6 V）可以有效提高反應器的氮去除效果，而電壓超過0.8 V 則會降低厭氧氨氧化菌的活性。Xin YIN 等〔47〕發(fā)現(xiàn)長期施加電場可以提高酶的活性，加快厭氧氨氧化菌的生長速度，透射電鏡觀察表明，電場的施加導致厭氧氨氧化菌的細胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Zhao LIU 等〔48〕的研究成果與之類似，施加電場會刺激微生物部分硝化和厭氧氨氧化代謝，具體表現(xiàn)在微生物能夠更快地降解大分子物質(zhì)以提供額外的電子供體，進而提高脫氮效果。

除直流電場外，脈沖電場對厭氧氨氧化反應也有促進作用，Chi ZHANG 等〔49〕研究發(fā)現(xiàn)，施加脈沖電場可以顯著縮短厭氧氨氧化反應的啟動時間，提高厭氧氨氧化反應的脫氮效果。如圖2 所示，相較于直流電場，脈沖電場不僅影響細胞膜的通透性，而且還影響核膜和細胞器膜的通透性以及這些膜的厚度。脈沖電場通過改變這些膜的滲透性和厚度直接影響細胞。此外，脈沖電場可以解決低溫下厭氧氨氧化菌活性下降和顆粒穩(wěn)定性下降的問題〔50〕，且中頻（1 000 Hz）脈沖電場能刺激細胞產(chǎn)生EPS，有利于厭氧氨氧化顆粒污泥的穩(wěn)定性。

3.2 磁場對厭氧氨氧化脫氮性能的影響

圖2 脈沖電場對厭氧氨氧化菌的影響Fig.2 Effects of a pulsed electric field on the Anammox bacteria

一般來說，所有的生物體都有磁性，外加磁場及生物體內(nèi)的特殊磁場都會對生物體的組織和代謝產(chǎn)生影響，這種現(xiàn)象被稱為磁生物效應〔51〕。早在20 世紀60 年代，磁生物效應就引起了研究者的廣泛關(guān)注并被應用于廢水生物處理。Sitong LIU等〔52〕通過批次實驗證明了外加磁場對厭氧氨氧化菌活性有促進作用，磁感應強度在16.8～95.0 mT 可提高厭氧氨氧化菌的生物活性，磁感應強度為75.0 mT 時微生物活性提升最大，相比無外加磁場的對照組，厭氧氨氧化活性提升了50%。研究還表明，經(jīng)過長期的磁場作用，厭氧氨氧化菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，Planctomycetes 菌在厭氧氨氧化菌群中的比例相對提高。然而過強的磁場（＞218 mT）會對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生不可逆的抑制作用。因此磁場強度的選擇對磁場在厭氧氨氧化工藝中的應用至關(guān)重要。磁生物效應與微生物細胞代謝、酶活性、細胞通透性等有關(guān)，但涉及到的具體生理作用尚不明確，盡管如此，外加磁場仍不失為一種強化厭氧氨氧化工藝脫氮的潛在方法。

3.3 超聲波對厭氧氨氧化脫氮性能的影響

低頻（10～60 kHz）超聲波對微生物有多種影響。低強度超聲處理后，厭氧氨氧化菌的酶活性和細胞膜通透性明顯增強，厭氧氨氧化活性提高，進而脫氮性能被提高。Guangming ZHANG 等〔53〕研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)25 kHz、0.2 W/cm2的超聲輻射30 s 后，污泥活性提高了28%，生物質(zhì)生長速率和脫氮效率均有顯著提高。Xiumei DUAN 等〔54〕考察了低強度超聲對厭氧氨氧化微生物群落脫氮性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用25 kHz、0.3 W/cm2的超聲輻射4 min 后，反應器總氮去除率提高了25.5%，這一現(xiàn)象能夠維持6 d。Jinjin YU等〔55〕在室溫下將反應器暴露于0.7 W/cm2的超聲環(huán)境1.9 min 后，活性污泥脫氫酶活性顯著提高61%，證實超聲波在一定條件下可以提高污泥活性。這表明在室溫環(huán)境下可以通過低強度的超聲處理實現(xiàn)厭氧氨氧化反應器穩(wěn)定高效地運行。定量的超聲輻射可以刺激厭氧氨氧化菌分泌更多的EPS，有利于保護污泥活性免受不利環(huán)境的抑制〔56〕。此外，Zhengzhe ZHANG 等〔57〕還發(fā)現(xiàn)定期的超聲輻射有助于加速厭氧氨氧化污泥從過量的Cu2+抑制中快速恢復活性。然而高強度的超聲輻射會使蛋白質(zhì)改性從而抑制微生物的活性。

4 結(jié)語

強化厭氧氨氧化工藝的關(guān)鍵在于為厭氧氨氧化菌提供適宜的生長環(huán)境以促進其生長和富集。目前的研究極大地促進了人們對厭氧氨氧化工藝強化途徑的理解，但主流厭氧氨氧化工藝在實際應用中仍面臨著各種挑戰(zhàn)。為縮短工藝啟動時間和強化運行效能，建議對厭氧氨氧化工藝的強化途徑從以下方面開展進一步研究：

（1）強化途徑耦合研究。長期以來的研究都僅限于單因素的強化過程，未來可以開展多重因素耦合強化厭氧氨氧化脫氮的研究，驗證各因素之間是否具有協(xié)同作用。

（2）脫氮機制深入研究。強化厭氧氨氧化的過程機理還需進一步的研究，如目前與鐵相關(guān)的功能酶和功能基因的研究較少，可以借助分子生物學等技術(shù)手段進行分析，了解鐵元素強化厭氧氨氧化技術(shù)的內(nèi)在機理。

（3）工程實踐應用研究。強化厭氧氨氧化的研究目前仍處在實驗室探索階段，規(guī)模較小，周期較短，離實際應用還存在一段距離。因而有必要開展中試等研究為未來的大規(guī)模工業(yè)應用提供可靠的流程建議與數(shù)據(jù)積累。