胡雪松，王宇佳，張金銘，謝元杜

磁場強(qiáng)化厭氧氨氧化及其運(yùn)行特性研究

胡雪松，王宇佳，張金銘，謝元杜

（ 沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168）

施加磁場可以有效提高厭氧污水處理效率，為了探究磁作用對生物脫氮性能的影響，將Fe3O4納米粒子作為磁源與水性聚氨酯（WPU）和熱塑性樹脂（FRTP）混合得到復(fù)合材料，對磁性復(fù)合材料進(jìn)行表征及磁性能研究，采用接種儲(chǔ)存4個(gè)月厭氧氨氧化污泥進(jìn)行啟動(dòng)及運(yùn)行，通過對照組AR1和內(nèi)加磁性復(fù)合材料AR2長達(dá)89天運(yùn)行狀況對比分析磁場強(qiáng)化作用的差異。結(jié)果表明，WPU/10% Fe3O4在3.53 mT時(shí)脫氮效果最佳，AR2反應(yīng)器NRR達(dá)到14.80 kg-N/(m3·d)，較AR1提高40.8%，Candidatus Kuenenia作為主要厭氧氨氧化菌在AR1和AR2相對豐度達(dá)到8.65%和10.70%。

厭氧氨氧化；磁強(qiáng)化；生物脫氮；磁性復(fù)合材料；微生物群落組成

磁場強(qiáng)化微生物技術(shù)是近年來發(fā)展的新興技術(shù)，微生物磁效應(yīng)在生物廢水處理的研究中充當(dāng)重要角色[1]。對反應(yīng)裝置施加磁場，在磁場環(huán)境下微生物會(huì)發(fā)生改變。在磁場強(qiáng)度較低時(shí)，微生物細(xì)胞膜產(chǎn)生變化，提高質(zhì)量轉(zhuǎn)移的效率，微生物的代謝能力進(jìn)而增強(qiáng)；在磁場強(qiáng)度比較高時(shí)，新陳代謝會(huì)因離子和蛋白質(zhì)相連接的鍵斷開而中斷，磁場作用下，酶活變化也間接對微生物的代謝能力產(chǎn)生影響。不同磁場強(qiáng)度對微生物的影響不同，不同的微生物受到磁場影響的敏感度也存在差異[2]。

為探究磁作用對微生物脫氮性能的影響，本實(shí)驗(yàn)選擇Fe3O4納米粒子作為磁源，并選取水性聚氨酯（WPU）和熱塑性樹脂（FRTP）分別與磁源進(jìn)行混合，制備成磁性復(fù)合材料，向反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行投加。內(nèi)加磁場方式便于磁性復(fù)合材料在反應(yīng)器中均勻分布形成均勻磁場，同時(shí)磁性復(fù)合材料的制備有利于Anammox微生物和磁性復(fù)合材料的分離、儲(chǔ)存。采用對照試驗(yàn)，對磁場強(qiáng)化厭氧氨氧化工藝進(jìn)行探索研究，篩選合適的磁性顆粒，分析磁作用對微生物脫氮的影響，以期為磁強(qiáng)化厭氧氨氧化工藝應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

本實(shí)驗(yàn)Anammox反應(yīng)裝置采用安裝攪拌裝置的CSTR反應(yīng)器，實(shí)際反應(yīng)容積約為2.0 L，內(nèi)徑120 mm，有效反應(yīng)區(qū)高徑比約為1.5∶1。運(yùn)行過程中采用連續(xù)流進(jìn)水方式，水流自反應(yīng)器底部逐漸上升經(jīng)過三相分離器實(shí)現(xiàn)污泥、水和產(chǎn)氣的分離，同時(shí)設(shè)置集氮?dú)獯匝a(bǔ)充進(jìn)水箱中氣壓保持平衡。反應(yīng)器設(shè)有水浴夾層，恒溫水浴鍋連接進(jìn)行循環(huán)進(jìn)出水，溫度穩(wěn)定在(35±1) ℃。保證反應(yīng)器運(yùn)行階段避免光照，采用黑布將其包裹，出水管尾部采用尼龍過濾袋進(jìn)行溢出污泥收集，手動(dòng)將污泥回流至反應(yīng)裝置中，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 厭氧氨氧化裝置示意圖

1.2 接種污泥和試驗(yàn)用水

接種污泥取自儲(chǔ)存4 ℃冰箱中冷藏4個(gè)月的成熟厭氧氨氧化污泥，表觀為黑色絮狀及部分顆粒污泥，有臭味。儲(chǔ)存之前污泥氮容積負(fù)荷（NLR）和氮容積去除負(fù)荷（NRR）分別為8.05 kg-N/(m3·d)和7.57 kg-N/(m3·d)，呈紅色顆粒狀，MLSS為6.81 g/L。接種前，使用濃度為0.125 g/L的KH2PO4溶液對儲(chǔ)存污泥進(jìn)行沖洗，過篩研磨后再用蒸餾水進(jìn)行清洗，最后按比例將泥水混合物轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器。

采用人工配制模擬廢水進(jìn)行厭氧氨氧化及強(qiáng)化工藝研究，具體模擬廢水組成見表1。運(yùn)行前在水箱中進(jìn)行高純氮?dú)馄貧獬?，使水中溶解氧達(dá)到0.5 mg/L以下，并且配合使用20%的稀H2SO4溶液調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值至7.0～7.5，完成后開啟進(jìn)水。

表1 人工模擬廢水組成

1.3 磁性復(fù)合材料的制備

將Fe3O4納米粒子按照一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入水性聚氨酯（WPU）中混合均勻，制成無氣泡、邊長為1 cm的立方體，烘箱105 ℃、5 h后得到WPU/2% Fe3O4和WPU/10% Fe3O4。取一定質(zhì)量熱塑性樹脂加熱軟化，加入一定質(zhì)量Fe3O4混合均勻，快速倒入1 cm×1 cm×1 cm模具中，壓實(shí)，冷卻后得到FRTP/10% Fe3O4。

1.4 檢測項(xiàng)目及分析方法

1.4.1 常規(guī)水質(zhì)

采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法對水樣進(jìn)行檢測[3]：納氏試劑分光光度法測定氨態(tài)氮，N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定亞硝態(tài)氮，紫外分光光度法測定硝態(tài)氮，干燥減重法測定MLSS，DO采用溶解氧儀。

1.4.2 性能測試

熱穩(wěn)定性（TGA/DSC3+）：室溫—600 ℃，升溫速度10°C/min，氣氛為N2；振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（lakeshore7407）；靜態(tài)力學(xué)分析（Instron 3367）：拉伸速度100 mm/min；紅外光譜（FT-IR Frontier）：測量范圍525～4 000 cm-1，掃描32次，分辨率參數(shù)4 cm-1。

1.4.3 微生物群落檢測

在NovaSeq測序平臺(tái)上使用PE250雙端測序策略進(jìn)行了微生物群落組份分析，以在illumina NovaSeq測序平臺(tái)上根據(jù)放大區(qū)域和雙端測序的特點(diǎn)建立小片段文庫。實(shí)驗(yàn)流程如下：

圖2 檢測流程

2 結(jié)果與分析

2.1 磁性復(fù)合材料表征及性能分析

2.1.1 熱穩(wěn)定性（TG-DSC）分析

圖3為復(fù)合材料的熱重分析圖。

圖3 三種復(fù)合材料的TG-DSC圖

（a）和（b）在261～412 ℃處于失重階段，硬段鏈在260～340 ℃先分解，軟段鏈在340～410 ℃再分解[6]。失重率分別39.9%和36.6%，說明Fe3O4重量百分比相對較大情況下對熱失重存在耐受作用， 聚氨酯在與Fe3O4混合制備及加熱烘干階段會(huì)使其表面帶有氨基，對Fe3O4在體系中的分散性進(jìn)行改善，此過程提高氨基和鐵離子的交聯(lián)度，相對純水性聚氨酯提高熱穩(wěn)定性。（c）在275～395 ℃為失重階段，失重率為63.4%，F(xiàn)RTP大分子鏈為線型結(jié)構(gòu)，這種特性使其受熱后會(huì)易發(fā)生熔化。

根據(jù)差示掃描量熱法（DSC）分析，曲線出現(xiàn)波峰時(shí)，材料發(fā)生吸熱分解反應(yīng)，（a）和（b）在255 ℃和317 ℃出現(xiàn)波峰，證明熱穩(wěn)定性好，（c）在55 ℃出現(xiàn)吸熱分解峰，再次印證其受熱軟化、冷卻硬化的特點(diǎn)，三種復(fù)合材料分別在322 ℃、410 ℃和362 ℃出現(xiàn)熔點(diǎn)（Tm）峰值。通過DSC曲線中可以發(fā)現(xiàn)（a）和（b）呈半結(jié)晶態(tài)，（c）呈現(xiàn)結(jié)晶態(tài)。說明水性聚氨酯復(fù)合材料隨著Fe3O4納米粒子添加量的增加熱損失越減弱；在質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，熱穩(wěn)定性能WPU優(yōu)于FRTP。

2.1.2 振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）分析

圖4為復(fù)合材料的磁滯回線圖。三種復(fù)合材料呈現(xiàn)超順磁性，矯頑力和剩磁基本為零，基于純Fe3O4納米粒子特性，證明復(fù)合材料能夠發(fā)揮磁性能。

圖4 三種復(fù)合材料的VSM圖

（a）和（b）的磁飽和度分別為6.9 emu/g和23.7 emu/g，說明添加不同含量的Fe3O4納米粒子對復(fù)合材料的磁飽和強(qiáng)度存在明顯差異，飽和磁化強(qiáng)度與Fe3O4納米粒子添加量成正比，與宋蒙蒙[7]在添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)mCS/ Fe3O4時(shí)發(fā)現(xiàn)添加量與磁飽和強(qiáng)度成正比的結(jié)果相似。（c）復(fù)合材料的磁飽和度為12.2 emu/g，在相同F(xiàn)e3O4納米粒子添加量的情況下磁飽和強(qiáng)度明顯小于（b），說明FRTP在冷卻定型后對Fe3O4封閉性較大，相較WPU抑制了磁強(qiáng)度。

2.1.3 機(jī)械強(qiáng)度分析

表2表示三種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂伸長率數(shù)值。Fe3O4納米粒子混合WPU和FRTP后，改變了材料的力學(xué)性能，（b）相較于（a）拉伸強(qiáng)度由18.1 MPa降到15.3 MPa，但斷裂伸長率和楊氏模量均發(fā)生降低，（c）拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別為23.4 MPa和203.4 MPa，優(yōu)于WPU/ Fe3O4材料。主鏈化學(xué)鍵力是影響分子材料的關(guān)鍵，同時(shí)聚合物強(qiáng)度也受分子鏈間作用力決定；FRTP交聯(lián)密度程度高，能夠在外力作用下產(chǎn)生較大形變，由于與Fe3O4為物理混合，致使斷裂伸長率降低。根據(jù)陳蘇莉[8]和宋蒙蒙[7]制備復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)分析，混合Fe3O4后拉伸強(qiáng)度會(huì)高于純聚氨酯，同時(shí)存在復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)隨著磁粉添加量增加而提高，達(dá)到某一添加量后，拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)降低。因?yàn)镕e3O4作為剛性粒子，所以磁粉添加導(dǎo)致斷裂伸長率以及復(fù)合材料柔韌性降低。

表2 復(fù)合材料的機(jī)械性能測試

2.1.4 密度分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《化工產(chǎn)品密度、相對密度測定通則》（GB 4472—84），采用電子分析天平稱量三種樣品平均質(zhì)量，通過放置量筒內(nèi)觀察液體體積的變化，反復(fù)測量5次取平均值。

表3 復(fù)合材料的密度

根據(jù)表3測量結(jié)果可知，三種復(fù)合材料密度均大于水溶液密度，在液體中靜置后發(fā)生沉降情況，WPU/ Fe3O4復(fù)合材料沉降速率明顯大于FRTP/ Fe3O4，在模擬反應(yīng)器運(yùn)行過程中攪拌裝置無法使其懸浮于液體中；兩種WPU/Fe3O4因在制備時(shí)烘干過程中，材料內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，由于表面密封性良好，形成大小不一的孔洞，故密度較小更接近于水。

2.1.5 紅外光譜（FTIR）分析

三種樣品中均在582 cm-1出現(xiàn)Fe3O4的Fe-O的特征伸縮振動(dòng)峰，證明Fe3O4納米粒子制備純度較高，并且在復(fù)合材料中可以完全發(fā)揮作用，不會(huì)被水性聚氨酯和熱塑性樹脂材料掩蔽。

2.2 復(fù)合材料的磁性能研究

2.2.1 復(fù)合材料充磁時(shí)間的研究

Fe3O4納米粒子自身具有微磁性，需要對磁性復(fù)合材料進(jìn)行充磁來提升磁感應(yīng)強(qiáng)度。采用充磁機(jī)對不同復(fù)合材料進(jìn)行充磁，探究不同充磁時(shí)間對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響。具體操作如下：取三種復(fù)合材料各一個(gè)樣品，以1 min為間隔控制充磁時(shí)間在1～10 min范圍內(nèi)逐漸增加，采用高斯計(jì)多次多方位測量取平均值確定其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，結(jié)果如圖5所示。

圖5 充磁時(shí)間對三種復(fù)合材料磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

圖6 三種復(fù)合材料投加量對磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

三種復(fù)合材料隨著充磁時(shí)間推移磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加，達(dá)到磁飽和后，磁感應(yīng)強(qiáng)度不再增加在飽和強(qiáng)度維持穩(wěn)定，在充磁條件相同情況下，三種磁性復(fù)合材料均在6 min左右達(dá)到磁飽和，（b）磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，從未充磁時(shí)復(fù)合材料自身微磁性0.07 mT到1.72 mT；（a）和（c）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，分別從0.05 mT提升到0.43 mT和0.07mT提升到1.25 mT。

2.2.2 復(fù)合材料投加量的研究

對三種復(fù)合材料充磁6 min，在10～100 g范圍內(nèi)以10 g為梯度分別稱取磁性復(fù)合材料，采用相同測量方法進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度測量，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著投加量增加先提高后趨于穩(wěn)定。如圖6所示，（a）～（c）磁感應(yīng)強(qiáng)度分別在80 g達(dá)到0.89 mT、60 g達(dá)到3.53 mT和40 g達(dá)到2.76 mT，（b）的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化程度最大。這是由于磁性復(fù)合材料各表面之間不同N-S極會(huì)有相互作用，異性磁極相對時(shí)，會(huì)提升其磁感應(yīng)強(qiáng)度；同性磁極相對時(shí)無明顯變化。磁性材料投加量越多，磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生累加使其相互作用越強(qiáng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)隨之升高。但是由于磁性復(fù)合材料之間的相互作用是有限的，當(dāng)相互作用達(dá)到峰值時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度就趨于最大值穩(wěn)定不變。

2.2.3 復(fù)合材料磁衰退的研究

在磁性復(fù)合材料磁性能探究時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用過程中材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間推移而衰退，結(jié)果如圖7所示，三種磁性復(fù)合材料在運(yùn)行的前期均可維持穩(wěn)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度，在使用7 d左右發(fā)生磁性衰退現(xiàn)象，（a）在磁飽和強(qiáng)度較低基礎(chǔ)下衰退情況比較嚴(yán)重，其磁感應(yīng)強(qiáng)度衰退到充磁前的微磁狀態(tài)；（b）和（c）的磁衰退發(fā)生時(shí)間較（a）晚（10天左右），衰退程度也比較緩慢。再次充磁后可以達(dá)到磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值，故在應(yīng)用過程中需要對磁性復(fù)合材料反復(fù)充磁或者更換以保證反應(yīng)器中磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖7 三種復(fù)合材料磁衰退情況

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)磁性復(fù)合材料在干燥空氣中和液體中磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，B液體＜B空氣，毛志[9]等研究磁粒在液相中顆粒運(yùn)動(dòng)劇烈程度減弱，濕顆粒形成鏈對顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生明顯阻礙。Tang[10]認(rèn)為液體橋力對致密區(qū)顆粒的流動(dòng)行為有很大的影響，顆粒的水動(dòng)力學(xué)特性不同。

2.3 磁作用下反應(yīng)器運(yùn)行過程的脫氮性能分析

2.3.1 磁場分布規(guī)律及最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度的探究

對不同添加量磁性復(fù)合材料對氮素去除情況行考察，根據(jù)復(fù)合材料投加量的研究，投加量確定為20 g、40 g和60 g，產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.56 mT、3.26 mT和3.53 mT，以投加量0 g為對照組。圖8為不同磁感應(yīng)強(qiáng)度條件下氨氮和亞硝氮去除率。

7 h之前各組試驗(yàn)中去除效果無明顯差異，微生物置于磁場環(huán)境下需要一段適應(yīng)時(shí)間，在其作用效果出現(xiàn)后各組試驗(yàn)氮素去除率出現(xiàn)差別。不同磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)化作用下強(qiáng)度增加氨氮和亞硝氮去除率呈現(xiàn)差異，磁感應(yīng)強(qiáng)度3.53 mT在7 h之后作去除效果逐漸超過其他組份，氨氮和亞硝氮去除率分別達(dá)到88%和92%。

圖8 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下出水氨氮和亞硝氮去除率變化情況

2.3.2 反應(yīng)器脫氮性能分析

對照組未添加磁場AR1反應(yīng)器和內(nèi)加磁性復(fù)合材料AR2反應(yīng)器均運(yùn)行89天，根據(jù)試驗(yàn)過程中氮素濃度變化分為兩個(gè)階段：啟動(dòng)階段分別在1～25 d和1～20 d，氮素負(fù)荷提高階段分別在26～89 d和21～89 d。運(yùn)行過程氮化合物濃度變化情況如圖9所示。

圖9 AR1和AR2進(jìn)出水氮素濃度及底物的去除率隨時(shí)間的變化

圖10 AR1和AR2總氮濃度及去除率隨時(shí)間變化情況

在啟動(dòng)階段，按照人工模擬廢水組成配制進(jìn)水，進(jìn)水氨氮和亞硝氮濃度分別設(shè)置為50 mg/L和60 mg/L。啟動(dòng)初期兩個(gè)反應(yīng)器氨氮和亞硝氮基本無去除，第5 d開始，逐漸檢測出存在一定去除效果，總氮去除量和NRR逐漸增長，反應(yīng)器啟動(dòng)初期，體系內(nèi)生物量較低，對氨氮的耐沖擊能力較低，總體上沒有氮素的去除，在此階段，無明顯的NO3--N積累。AR1和AR2分別在17 d和13 d由于氮素濃度提高造成反應(yīng)器出現(xiàn)抑制，脫氮性能下降且產(chǎn)生波動(dòng)幅度較大，恢復(fù)進(jìn)水負(fù)荷緩解基質(zhì)抑制情況。

在負(fù)荷提升階段，反應(yīng)器脫氮效果明顯TN去除率可以隨著進(jìn)水氮素濃度增加而增長，AR1反應(yīng)器TN去除率始終在80%～86%范圍內(nèi)浮動(dòng)，此時(shí)AR2反應(yīng)器TN去除率始終在85%以上，去除效果穩(wěn)定高效。第31天AR1將水力停留時(shí)間（HRT）從4.44 h調(diào)整為2.83 h，去除效果沒有發(fā)生波動(dòng)，此時(shí)NRR從1.87 kg-N/(m3·d)提高到2.51 kg-N/(m3·d)。檢測出水水質(zhì)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)氨氮和亞硝氮濃度降到10 mg/L以下，開始提升進(jìn)水負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行。AR2在將HRT調(diào)整3.53 h減緩進(jìn)水負(fù)荷后將為2.63 h繼續(xù)運(yùn)行，在33 d時(shí)出現(xiàn)脫氮效果下降情況?？偟コ蕛H有63.26%，NRR降低至0.90 kg-N/(m3·d)，將進(jìn)水濃度下調(diào)至啟動(dòng)恢復(fù)濃度范圍及時(shí)解除高濃度導(dǎo)致的抑制發(fā)生。兩個(gè)反應(yīng)器在運(yùn)行末期進(jìn)水氨氮濃度分別提升到288.67 mg/L和367.48 mg/L，進(jìn)水亞硝氮濃度分別提升到354.99 mg/L和422.81 mg/L，投加磁性復(fù)合材料磁場強(qiáng)化后氨氮和亞硝氮去除效果明顯提升。根據(jù)厭氧氨氧化反應(yīng)計(jì)量學(xué)關(guān)系，AR1生成硝氮濃度略低于理論生成量，說明在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了反硝化反應(yīng)，推測微生物在進(jìn)水濃度逐漸穩(wěn)定提高情況下快速生長，期間產(chǎn)生了有機(jī)物小分子被異養(yǎng)反硝化菌利用形成微弱作用。

兩個(gè)反應(yīng)器在76 d將HTR分別調(diào)整為1.65 h和1.43 h，氮容積去除負(fù)荷此時(shí)分別達(dá)到8.87 kg-N/(m3·d)和10.65 kg-N/(m3·d)，由于厭氧氨氧化菌倍增速率緩慢，微生物要與廢水充分接觸，足夠的處理時(shí)間內(nèi)既可以對污染物最大程度去除，也可以促進(jìn)細(xì)菌繁殖生長。經(jīng)過89天運(yùn)行AR1和AR2氮容積去除負(fù)荷分別達(dá)到9.78 kg-N/(m3·d)和14.80 kg-N/(m3·d)，AR2較AR1提高了51.3%，AR2總氮去除濃度達(dá)到988.83 mg/L，出水水質(zhì)波動(dòng)較低。

圖11 AR1和AR2氮容積負(fù)荷、氮容積去除負(fù)荷及水力停留時(shí)間隨時(shí)間變化情況

2.4 微生物群落組成

ASVs提高了標(biāo)記基因數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性、全面性和可重復(fù)性。通過韋恩分析不同樣本（組）之間共有、特有的ASVs，如圖所示，接種污泥分別和兩組反應(yīng)器污泥樣品共有ASVs數(shù)量分別為51和28，三組樣品共有ASVs數(shù)量為123個(gè)，特有ASVs數(shù)量則分別為138、81和66；通過反應(yīng)器穩(wěn)定培養(yǎng)，AR1和AR2共有ASVs數(shù)量為23。

接種污泥、AR1和AR2三組樣品污泥在門水平下變形菌門、綠彎菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、酸桿菌門、浮霉菌門、粘球菌門和NB1-j相對豐度大于1%，變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、浮霉菌門（Planctomycetes）以及擬桿菌門（Bacteroidetes）構(gòu)成了磁強(qiáng)化厭氧氨氧化工藝的核心菌群，變形菌門在3個(gè)樣品中均是豐度最高的門菌種，在反應(yīng)器運(yùn)行后發(fā)生略微降低，浮霉菌門在運(yùn)行過程中增長幅度明顯，運(yùn)行后污泥豐富度和群落多樣性出現(xiàn)不同程度降低，期間主要菌種豐度增長，衰老死亡細(xì)胞由于生存環(huán)境難以恢復(fù)逐漸被淘洗。

圖12 各樣品ASVs韋恩分析

圖13 各反應(yīng)器屬水平的微生物群落構(gòu)成

變形菌門由革蘭氏陰性菌構(gòu)成，代謝方式多樣化，外膜主要為脂多糖構(gòu)成，在接種污泥和兩個(gè)反應(yīng)器中均是豐度最高的菌種，AR2樣品變形菌門豐度稍有增加，說明系統(tǒng)內(nèi)存在著反硝化菌。Denitratisoma是屬水平中豐度最高， 在AR2中豐度超過50%，作為一種內(nèi)源性反硝化菌常存在于厭氧污水處理系統(tǒng)中， Denitratisoma菌同時(shí)可降解衰亡微生物[11]。Wang D等[12]在厭氧氨氧化與反硝化耦合系統(tǒng)優(yōu)勢菌群中檢測到Denitratisoma，通過網(wǎng)絡(luò)分析證明在SAD系統(tǒng)內(nèi)Denitratisoma與亞硝酸還原酶基因NirS和NirK呈正相關(guān)。在進(jìn)水基質(zhì)中無添加有機(jī)物的情況下，反硝化菌只能利用內(nèi)源性有機(jī)物和分解衰亡細(xì)胞。

綠彎菌門在生長繁殖過程中易與絲狀菌接觸相互纏繞，形成聚合物結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)作為中心促使污泥顆粒化，并且可以不斷穩(wěn)固顆粒結(jié)構(gòu)[13]。g_RBG-13-54-9、g_A4b和g_SBR1031和屬于綠灣菌門的Anaerolineae綱（厭氧繩菌綱）。綠彎菌門工業(yè)和生活污水處理中較為常見，作為厭氧菌是處理體系中重要組成部分[14]。此外，Zhao Y等[15]認(rèn)為綠彎菌門對菌膠團(tuán)聚集情況產(chǎn)生巨大影響，可以對蛋白質(zhì)以及死亡微生物進(jìn)行分解，在顆?；^程中，綠彎菌門的豐度一直在增加。

浮霉菌門細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征十分獨(dú)特，是厭氧氨氧化反應(yīng)的主要菌種，其多為革蘭氏陰性菌，Candidatus Brocadia與Candidatus Kuenenia常在淡水系統(tǒng)中出現(xiàn)，是未分類及正式命名的細(xì)菌，因其具有厭氧氨氧化作用被定義為厭氧氨氧化菌。Candidatus Kuenenia通常情況下在低濃度底物時(shí)期為優(yōu)勢菌屬，而Candidatus Brocadia在底物濃度較高時(shí)占優(yōu)勢，Candidatus Kuenenia菌屬能利用低濃度亞硝態(tài)氮，雖然對環(huán)境條件比較敏感，但承受高濃度亞硝態(tài)氮抑制的能力更強(qiáng)[16]。四組反應(yīng)器中Candidatus Kuenenia菌屬豐度比接種污泥都有提升，且AR2＞AR1，相對豐度增加大大提高厭氧氨氧化脫氮貢獻(xiàn)率。

3 結(jié) 論

施加磁場可以有效提高厭氧污水處理效率，本研究制備磁性復(fù)合材料并對磁性復(fù)合材料進(jìn)行表征及磁性能研究，并利用對照試驗(yàn)對比分析了內(nèi)加磁場對厭氧氨氧化脫單性能分析，得出以下結(jié)論：

1）WPU/10% Fe3O4熱穩(wěn)定性較好，磁飽和強(qiáng)度最大，磁性衰退情況優(yōu)于其他兩種復(fù)合材料，且在反應(yīng)器中攪拌情況下能夠漂浮構(gòu)造均勻磁場，綜合分析選用WPU/10% Fe3O4作為探究磁場強(qiáng)化Anammox工藝的磁性復(fù)合材料。

2）在對比試驗(yàn)過程中經(jīng)過89天成功啟動(dòng)AR1和AR2并穩(wěn)定運(yùn)行，AR1和AR2氮容積去除負(fù)荷分別達(dá)到9.78 kg-N/(m3·d)和14.80 kg-N/(m3·d)，AR2較AR1提高了51.3%，出水水質(zhì)波動(dòng)較低，AR2總氮去除濃度可以達(dá)到988.83 mg/L，在3.53 mT磁感應(yīng)強(qiáng)度下添加磁場對厭氧氨氧化反應(yīng)有明顯的促進(jìn)作用。

3）浮霉菌門作為厭氧氨氧化菌的主要菌門，AR2相對豐度優(yōu)勢明顯，Candidatus Kuenenia在門水平下屬一級相對豐度AR1和AR2分別達(dá)到9.3%和14.7%，磁場強(qiáng)化作用下促進(jìn)了浮霉菌門的繁殖和生長。

本研究仍有待完善之處，首先是磁感應(yīng)強(qiáng)度偏低，應(yīng)進(jìn)一步探究提高該復(fù)合材料磁飽和強(qiáng)度的方法。此外在采用模擬廢水工藝穩(wěn)定運(yùn)行的情況下應(yīng)考察其對實(shí)際應(yīng)用的可行性。

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Study on Process Characteristics of Magnetic Field Enhanced Anaerobic Ammonia Oxidation

,,,

（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

The application of magnetic field can effectively improve the efficiency of anaerobic wastewater treatment. To investigate the effects of magnetic interactions on the performance of biological denitrification,Fe3O4nanoparticles were mixed with waterborne polyurethane ( WPU ) and thermoplastic resin ( FRTP ) as magnetic source to obtain composite materials. The characterization and magnetic properties of magnetic composite materials were studied. Anaerobic ammonia oxidation sludge was inoculated and stored for 4 months to start and run. The difference of magnetic field strengthening effect was compared and analyzed by the control group AR1 and the internal magnetic composite AR2 for 89 d. The results showed that when WPU/10% Fe3O4produced 3.53 mT, the denitrification effect was the best. The NRR of AR2 reactor reached 14.80 kg-N·(m3·d)-1, which was 40.8% higher than that of AR1. The relative abundances of Candidatus Kuenenia as the main anaerobic ammonium oxidizing bacteria in AR1 and AR2 reached 8.65% and 10.70% respectively.

ANAMMOX; Magnetic strengthening; Biological nitrogen removal; Magnetic composite materials; Microbial community composition

X703

A

1004-0935（2023）09-1275-08

2023-01-29

胡雪松（1997-），女，滿族，碩士，遼寧省錦州市人，研究方向：污水生物脫氮。