蘇德欣，吳莉娜，蘇柏懿，賈春芳

(1.北京建筑大學(xué) 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044)

1 高氨氮廢水的來源及其水質(zhì)特征

表1列舉了一些常見的高氨氮廢水的來源及水質(zhì)特征?？梢钥闯?，高氨氮廢水的來源主要包括垃圾滲濾液、污泥消化液、養(yǎng)殖廢水、食品加工廢水和工業(yè)廢水(制藥、化工、印染和冶金等)。例如垃圾滲濾液中的氨氮濃度可達(dá)到500～3 000 mg/L，而且隨著填埋時(shí)間的增加，氨氮的濃度也增加[5]。除了含有大量氨氮，高氨氮廢水中還含有多種污染物，其中典型的污染物有抗生素、芳香族化合物、鹽度和重金屬等。例如，生豬養(yǎng)殖廢水和制藥廢水中的抗生素濃度分別達(dá)到了6.5,0.3 mg/L[6-7]，焦化、石化和印染廢水中均含有芳香族化合物[8-10]，垃圾滲濾液、養(yǎng)殖廢水和冶金廢水含有重金屬[5-6,11]，榨菜廢水含有很高的鹽度[12]。

表1 高氨氮廢水的水質(zhì)特征

高氨氮廢水含有多種典型污染物，這些污染物具有生物毒性作用。因此，有必要研究各種典型污染物對(duì)Anammox的影響，包括其單一或協(xié)同的影響、抑制的濃度限值等。

2 典型污染物對(duì)Anammox的影響

2.1 抗生素

AnAOB對(duì)抗生素的適應(yīng)性和抗性表現(xiàn)為耐受基因、抗性基因(ARG)和EPS的增加。Zhang等[18]發(fā)現(xiàn)Anammox可耐受50 mg/L的鏈霉素(STM)，CandidatusKuenenia進(jìn)行選擇性培養(yǎng)；受3 mg/L 的螺旋霉素(SPM)抑制明顯，CandidatusKuenenia豐度降低；共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析表明，Anammox對(duì)STM的耐受是由于多個(gè)耐受基因(aadA，aadB和aph3ib)協(xié)同作用的結(jié)果。Shi等[19]發(fā)現(xiàn)2 mg/L OTC使Anammox的脫氮性能在3周內(nèi)幾乎喪失，Anammox活性和血紅素C含量也分別降低81.3%和50.1%；在此OTC濃度下，協(xié)助細(xì)胞將抗生素從體內(nèi)排出的外排泵基因(tetA、tetB和tetC)被檢測到，tetA 的豐度增加了1.43倍，tetB和tetC均增加了1倍。Fu等[20]發(fā)現(xiàn)0.1 mg/L ERY、5.0 mg/L SMX和0.1 mg/L TC聯(lián)合使系統(tǒng)的NRE在12 d后由97.2%降至60.7%，將進(jìn)水氮負(fù)荷降低50%恢復(fù)NRE后，即便ERY、SMX和TC提升至1.0，15.0和1.0 mg/L后，系統(tǒng)仍運(yùn)行平穩(wěn)；此時(shí)，抗性基因和EPS均增加，其中ereA,sul1,tetC和tetG四種基因的豐度以及EPS分別為初始值的1.7，4.3，2.0，8.3和2.5倍。

2.2 芳香族化合物

以苯及其衍生物為代表的芳香族化合物廣泛地存在于焦化、石化和印染等行業(yè)的廢水中，20～250 mg/L 苯酚就能在短期抑制Anammox[21]，所以芳香族化合物是制約Anammox的瓶頸之一。

不同種類的芳香族化合物單獨(dú)和聯(lián)合抑制作用有很大差異。Peng等[29]發(fā)現(xiàn)苯、甲苯、苯酚、苯甲酸酯的抑制作用依次減小，苯分別與甲苯、苯酚、苯甲酸酯雙組分組合時(shí)是抑制相加，苯、甲苯和苯酚三組分組合時(shí)是抑制部分相加，四組分是抑制協(xié)同。

2.3 鹽度

鹽度來源于食品加工廢水(海產(chǎn)品加工、榨菜加工)、垃圾滲濾液等，低鹽度促進(jìn)Anammox，高鹽度抑制Anammox。4 g/L鹽度時(shí)，總氮去除負(fù)荷達(dá)到0.340 kg/m3/d，是無鹽度的2倍以上[30]；5～10 g/L鹽度時(shí)，AnAOB的活性隨著鹽度的增加而下降[31]；鹽度由10 g/L增至15 g/L的初始階段，系統(tǒng)穩(wěn)定性極差，出水的氮濃度高度波動(dòng)且不斷惡化[32]；當(dāng)鹽度超過15 g/L時(shí)，AnAOB失活[31]。高鹽度下，生物質(zhì)細(xì)胞三磷酸腺苷的減少導(dǎo)致AnAOB失活[33]，此時(shí)異養(yǎng)細(xì)菌占據(jù)主導(dǎo)地位[34]。在高鹽度下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)Anammox過程起關(guān)鍵作用。齊泮晴等[35]認(rèn)為Anammox受到鹽度抑制后，經(jīng)過敏感期、過渡穩(wěn)定期和恢復(fù)期仍可達(dá)到穩(wěn)定。Jeong等[34]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過264 d鹽度逐漸增加至25.0 g/L后，系統(tǒng)的總氮去除率(TNRR)仍可達(dá)到85%。

此外，也有研究表明，鹽度對(duì)“部分硝化-Anammox”工藝的運(yùn)行有影響。1.35%的鹽度對(duì)工藝的刺激最大，此時(shí)TNRR為1.1 kg/m3/d ；鹽度升高到2.4%時(shí)，TNRR下降到60%，氨氧化細(xì)菌(AOB)和AnAOB的活性均受到抑制；然而，脫氮性能在鹽度降至0.11%時(shí)又迅速恢復(fù)[36]。另外還有鹽度和重金屬聯(lián)合影響的研究。Wu等[37]發(fā)現(xiàn)Anammox可適應(yīng)低于0.2 mg/L Ni(II)和20 g/L NaCl，運(yùn)行大約70 d后，NRE達(dá)到77.1%。

在不同鹽度下，功能微生物的群落結(jié)構(gòu)和豐度發(fā)生了相應(yīng)的變化。CandidatusKuenenia 比CandidatusBrocadia 更適合高鹽廢水[36]，當(dāng)鹽度在0.5%～2.0%的變化過程中，CandidatusKuenenia的相對(duì)豐度從3.96% 增加到 83.41%[38]。Guo等[39]發(fā)現(xiàn)鹽度<2.5%時(shí)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脫氮，主要功能微生物來自Nitrosomonas屬和Kuenenia屬。而Jeong等[34]認(rèn)為在0～27.5 g/L NaCl的范圍內(nèi)，CandidatusJettenia sp.是耐鹽AnAOB的優(yōu)勢種，在10～27.5 g/L NaCl的范圍內(nèi)，CandidatusJettenia sp.的相對(duì)豐度大于CandidatusKuenenia的相對(duì)豐度。王晗等[40]發(fā)現(xiàn)在鹽度由15 g/L提高至30 g/L時(shí)，AnAOB的豐度也由20.90%提高至35.87%。

鹽度對(duì)Anammox的影響還表現(xiàn)在污泥上。一是污泥的表面特征。Zhang等[41]發(fā)現(xiàn)在15，30 g/L NaCl 鹽度下，Anammox顆粒的粒徑從(2.85±0.20)mm分別減小到(2.17±0.13)mm和(1.75±0.17)mm，污泥聚集指數(shù)從(21.3±1.5)%分別減少到(14.6±0.8)%和(7.1±0.9)%。二是EPS的含量、組分和表面基團(tuán)。張倩等[42]發(fā)現(xiàn)當(dāng)鹽度從0升至15 g/L時(shí)，為了降低不利影響，EPS由 8 mg/g VSS遞增至13.35 mg/gVSS，超過80%是緊密型EPS，蛋白質(zhì)的部分是由芳香族蛋白類物質(zhì)與色氨酸蛋白類物質(zhì)組成。Xing等[43]發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)器受到13,18 g/L鹽度沖擊時(shí)，EPS的量分別從58.9，57.2 mg/g VSS降至37.1，49.1 mg/g VSS。Zhang等[41]發(fā)現(xiàn)在15，30 g/L NaCl 鹽度下，胞外蛋白與胞外多糖的比從8.8分別降至6.2和4.2，且鹽度的增加會(huì)改變表面基團(tuán)降低污泥疏水性。

2.4 重金屬

重金屬是一類嚴(yán)重的污染物，廣泛地存在于垃圾滲濾液、冶金廢水和養(yǎng)殖廢水中。常見的重金屬包括銅、鉻、鎘、鎳、鉛等，對(duì)生物有毒性作用，降低微生物的活性，抑制微生物的生長[44]。

不同重金屬的抑制作用不同。Río等[45]發(fā)現(xiàn)，Cu2+、Cr2+、Pb2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+和Mn2+對(duì)AnAOB的半抑制濃度(IC50)分別為19.3，26.9，45.6，59.1，69.2，174.6和175.8 mg/L。重金屬的影響程度與其濃度、暴露時(shí)間和形態(tài)有關(guān)。Wu等[46]發(fā)現(xiàn)Ni2+對(duì)Anammox的IC50是14.6 mg/L，但經(jīng)過150 d的馴化，暴露在10 mg/L的Ni2+下，系統(tǒng)的脫氮效率仍高達(dá)(93±0.03)%。Jiang等[44]發(fā)現(xiàn)Cr6+對(duì)Anammox的IC50是296.5 mg/L，當(dāng)暴露在低于60 mg/L的Cr6+中，松散和緊密結(jié)合的EPS吸收了93.9%的Cr6+。孫琪等[47]發(fā)現(xiàn)1 mg/L Ni2+短期內(nèi)促進(jìn)Anammox，與未投加Ni2+相比，活性提高11.14%；而100 mg/L高濃度Ni2+抑制Anammox。Aktan等[48]發(fā)現(xiàn)可溶型、細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞結(jié)合型、表面結(jié)合型和自由離子型的鎳對(duì)Anammox的IC50分別是5.99，0.250，0.930，0.680，1.36 mg/L 。

重金屬對(duì)AnAOB的影響表現(xiàn)在群落組成、表面特征及EPS等。Wu等[46]發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ni2+從0增加到10 mg/L時(shí)，Anammox污泥的沉降速度、比Anammox活性和EPS含量均下降，CandidatusKuenenia的相對(duì)豐度下降21.44%。Aktan等[48]發(fā)現(xiàn)受Zn2+和Ni2+的脅迫后，CandidatusKuenenia占整個(gè)浮游菌群的近90%，而CandidatusBrocadia的檢出率僅3%。

2.5 其他

3 Anammox技術(shù)處理實(shí)際的高氨氮廢水

4 展望

Anammox用于處理高氨氮廢水將大大降低處理成本，而一個(gè)關(guān)鍵的問題就在于典型污染物的影響。雖然已有大量的抗生素、芳香族化合物、鹽度、重金屬等影響Anammox的研究，但仍需要完善。首先是各種典型污染物對(duì)Anammox的單一和協(xié)同的影響；其次是實(shí)際廢水對(duì)Anammox的影響研究，尤其是水質(zhì)水量波動(dòng)大的廢水；第三是典型污染物對(duì)Anammox與其他技術(shù)組合工藝的影響研究，比如“短程硝化-Anammox”工藝。這些研究的完善將極大地推進(jìn)Anammox在高氨氮廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。