朱辰播,劉子雯,趙萌,賀志剛*

(1.蘇州市常熟環(huán)境監(jiān)測(cè)站,江蘇 蘇州 215000;2.蘇州逸凡特環(huán)境修復(fù)有限公司,江蘇 蘇州 215000)

厭氧氨氧化(Anammox)工藝是一種新興的污水脫氮工藝,相較于傳統(tǒng)工藝,其具有節(jié)能環(huán)保和無(wú)需外加碳源等優(yōu)勢(shì)以及處理低碳氮比和高溫廢水的巨大潛力[1-3]。但是Anammox細(xì)菌抗逆性差、世代時(shí)間長(zhǎng)和啟動(dòng)時(shí)間久等問(wèn)題限制了Anammox工藝的推廣和應(yīng)用。近年,部分學(xué)者提出添加鐵、錳、銅、石墨烯等物質(zhì)可強(qiáng)化Anammox細(xì)菌的生理活性并提高Anammox系統(tǒng)的脫氮效能。Wang等[4]研究表明,提高Anammox細(xì)菌的生理活性有助于提高其抗逆性和脫氮能力。Qiao等[6]指出,向Anammox反應(yīng)器中投加適量的Fe2+可分別提高Anammox細(xì)菌肼脫氫酶活性和反應(yīng)器脫氮效率約235%和32.2%。Xu等[6]研究證實(shí),投加MnO2可以通過(guò)刺激Anammox功能微生物(CandidatusKuenenia屬)的富集、刺激Anammox細(xì)菌血紅素c和胞外分泌物(EPS)的合成等途徑提高Anammox顆粒污泥的比氨氧化活性(SAA)?？偨Y(jié)了外源物質(zhì)對(duì)Anammox工藝運(yùn)行的影響,闡述了其強(qiáng)化Anammox細(xì)菌生理活性的機(jī)理,以期為今后的研究提供理論支持。

1 外源添加鐵對(duì)Anammox工藝運(yùn)行的影響

現(xiàn)有研究指出,鐵提高Anammox細(xì)菌生理活性、強(qiáng)化Anammox工藝脫氮效能的方式繁多,主要分為優(yōu)化Anammox細(xì)菌生境、刺激Anammox功能微生物富集、改變Anammox體系微生物群落結(jié)構(gòu)、調(diào)控脫氮相關(guān)功能基因的表達(dá)和酶的合成、提高Anammox細(xì)菌抗逆性、縮短Anammox工藝啟動(dòng)時(shí)間和加速Anammox體系內(nèi)脫氮過(guò)程等途徑[7]。

研究表明,鐵是微生物生理活動(dòng)必需的元素之一,其是Anammox細(xì)菌合成血紅素c和酶的關(guān)鍵元素 ,也在參與傳質(zhì)過(guò)程和電子傳遞過(guò)程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[7]。外源添加鐵優(yōu)化Anammox細(xì)菌生境的主要表現(xiàn)為適量添加鐵會(huì)調(diào)節(jié)Anammox反應(yīng)器的環(huán)境pH值至適宜pH值范圍。Li等[8]研究指出,Fe3+的質(zhì)量濃度為10～120 mg/L時(shí),環(huán)境pH值處于Anammox細(xì)菌適宜pH值范圍內(nèi)(7.5～8.0)。Feng等[9]實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦表明,Fe3+的質(zhì)量濃度為6 mg/L時(shí),環(huán)境pH值較為適宜Anammox細(xì)菌生長(zhǎng)?，F(xiàn)有大量研究指出,投加鐵不僅可以刺激Planctomycetes屬、CandidatusBrocadia屬和CandidatusKuenenia屬等Anammox功能微生物的富集,還可以提高反 硝 化 菌 屬 (Zoogloae和Dechloromonas)、Anammox細(xì)菌共存菌屬(Proteobacteria、Chloroflexi和Chlorobi)和鐵氨氧化菌屬(Geobacter和Ignavibacterium)的豐度[7]。此外,投加鐵還被證實(shí)可以調(diào)控Anammox體系中硝化功能基因、反硝化功能基因、硝酸鹽還原功能基因的表達(dá),促進(jìn)肼合成酶、血紅素c和硫鐵簇等物質(zhì)的合成,刺激環(huán)二鳥(niǎo)苷酸(c-di-GMP)和C12-HSL等信號(hào)分子的分泌[10-12]?，F(xiàn)有研究證實(shí)(圖1),Fe2+和Fe3+可促進(jìn)Anammox細(xì)菌內(nèi)dgc基因的表達(dá)并抑制pde基因表達(dá),這有助于促進(jìn)c-di-GMP合成,加速Anammox細(xì)菌分裂,刺激胞外分泌物合成[7]。

圖1 Fe2+和Fe3+調(diào)控Anammox細(xì)菌內(nèi)c-di-GMP合成的機(jī)理示意圖[17]

但是鐵的添加量并非越高越好,大量研究均指出鐵對(duì)Anammox細(xì)菌生理活性的“低促高抑”現(xiàn)象[5,13-14]。Qiao等[5]發(fā)現(xiàn),Fe2+的投加量由1.68 mg/L提高至6.72 mg/L時(shí),UFBR反應(yīng)器的總氮容積負(fù)荷提高約29.88%,但當(dāng)Fe2+的投加量繼續(xù)增加至10.08 mg/L時(shí),UFBR反應(yīng)器的總氮容積負(fù)荷降低約10.26%。Mishra等[15]在UASB反應(yīng)器中亦觀察到類似實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)Fe2+的投加量為5 mg/L時(shí),反應(yīng)器的氨氮(NH4+-N)去除率為91.70%;但Fe2+的投加量為50 mg/L時(shí),反應(yīng)器的NH4+-N去除率低至51.40%。

綜上,鐵強(qiáng)化Anammox工藝脫氮效能的難點(diǎn)在于控制Fe2+的濃度。當(dāng)前,用于強(qiáng)化Anammox工藝的含鐵材料種類繁多(例如:零價(jià)鐵、納米零價(jià)鐵、廢鐵屑、含鐵鹽類、水鐵礦和鐵氧化物等),不同材料釋放Fe2+的機(jī)理和作用于Anammox細(xì)菌生理活動(dòng)的機(jī)制各不相同。因此,今后的研究應(yīng)集中于含鐵材料添加量的調(diào)節(jié)、環(huán)境條件的控制以及鐵調(diào)控Anammox細(xì)菌氮代謝途徑的研究等方面。

2 外源添加銅和錳對(duì)Anammox工藝運(yùn)行的影響

外源添加銅和錳對(duì)Anammox細(xì)菌生理活性的影響與外源添加鐵類似,均為“低促高抑”,其中Anammox細(xì)菌對(duì)銅濃度的變化尤為敏感?，F(xiàn)有研究指出,低濃度Cu2+可以刺激Anammox細(xì)菌的生理活性,當(dāng)Cu2+濃度過(guò)高將導(dǎo)致Anammox細(xì)菌生理活性受明顯抑制[16-17]。張肖靜等[18]研究指出,添加納米氧化銅將Anammox反應(yīng)器的總氮去除率由約10%提升至約90%。朱莉等)[19]發(fā)現(xiàn),添加1 mg/L的Cu2+可將Anammox反應(yīng)器的總氮脫除能力提高2倍。這可能是由于1)納米氧化銅可以促進(jìn)厭氧微環(huán)境的形成,為Anammox細(xì)菌生長(zhǎng)提供更優(yōu)異的環(huán)境 ;2)Cu2+為Anammox細(xì)菌脫氮功能酶的合成提供原料;3)Cu2+對(duì)部分微生物的毒害作用導(dǎo)致微生物死亡,為內(nèi)源反硝化提供碳源。

現(xiàn)有研究表明,Mn2+可作為厭氧氨氧化菌代謝過(guò)程的電子供體,適量添加Mn2+可刺激厭氧氨氧化菌污泥的生長(zhǎng),Mn2+含量為0.05 mmol/L時(shí)厭氧氨氧化污泥的揮發(fā)性固體濃度為Mn2+含量為0.012 5 mmol/L時(shí)的2.57倍[20]。Mn2+還被證實(shí)可用于提高厭氧氨氧化細(xì)菌脫氮效能,刺激厭氧氨氧化顆粒污泥形成。現(xiàn)有研究指出,50 mg/L MnO2可將Anammox系統(tǒng)的氨氧化活性提高約1.5倍[21]。Huang等[22]研究表明,添加適量的Mn2+可提高厭氧氨氧化細(xì)菌分泌胞外聚合物的量約52.34%,并豐富胞外分泌物中蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)的種類(圖2)。此外,一些研究還指出,外源添加Mn2+對(duì)Anammox細(xì)菌的亞硝酸鹽代謝有一定影響,適量的Mn2+可以促進(jìn)Anammox細(xì)菌對(duì)亞硝酸鹽的利用,從而提高反應(yīng)器的氮素去除效率[23-24]。這些發(fā)現(xiàn)為我們深入理解外源添加Mn2+對(duì)Anammox細(xì)菌生理活性的影響提供了重要線索。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探討Mn2+在Anammox過(guò)程中的作用機(jī)制,以及在實(shí)際應(yīng)用中如何優(yōu)化添加Mn2+的條件,從而提高Anammox系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

圖2 Anammox顆粒污泥的熒光光譜圖(A取自添加Mn2+的反應(yīng)器,B取自空白對(duì)照組)[22]

3 外源添加鎳、鈣或鉀對(duì)Anammox工藝運(yùn)行的影響

鎳、鈣和鉀與鐵類似,均是Anammox細(xì)菌生理活動(dòng)必需的元素,鎳和鈣被證明參與Anammox細(xì)菌的基因表達(dá)和酶合成,鉀在維持Anammox細(xì)菌細(xì)胞滲透壓方面發(fā)揮重要作用[25]。現(xiàn)有研究指出,添加1 mg/L的Ni2+可刺激Anammox細(xì)菌的生理活性,導(dǎo)致Anammox反應(yīng)器的氨氮去除率和總氮去除率分別提高8.75%和5.84%[26]。Wu等[27]研究指出,添加適量Ni2+可提高Anammox細(xì)菌的比氨氧化活性約57.9%,并提升Anammox反應(yīng)器的總氮去除率約14.6%。現(xiàn)有研究指出,c-di-GMP參與調(diào)控Anammox細(xì)菌的生理活動(dòng),其在刺激Anammox細(xì)菌富集、促進(jìn)Anammox細(xì)菌胞外分泌物合成、提高Anammox細(xì)菌抗逆性等方面發(fā)揮重要作用,而鈣是二鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶合成和c-di-GMP表達(dá)的重要元素[28-29]?，F(xiàn)有研究表明,添加49 mg/L的Ca2+可有效縮短Anammox反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間;添加100 mg/L的Ca2+可刺激Anammox細(xì)菌胞外分泌物的合成;添加150 mg/L的Ca2+有利于Anammox反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的形成[30-31]?，F(xiàn)有研究表明,外源添加鉀用于強(qiáng)化Anammox細(xì)菌在含鹽廢水環(huán)境下的抗逆性,保持高鹽環(huán)境下細(xì)胞滲透壓,適量添加K+可以提高Anammox反應(yīng)器的總氮去除率約10.88%[32]。

4 外源添加石墨烯對(duì)Anammox工藝運(yùn)行的影響

石墨烯材料是一種毒性較低、比表面積較大的新型碳材料,其被部分學(xué)者證明具有提高微生物生理活性的功能[33-34]。Wang等[35]研究指出,添加氧化石墨烯可以大大減少Anammox工藝的啟動(dòng)時(shí)間,添加氧化石墨烯的Anammox反應(yīng)器總氮去除速率達(dá)到1 200 mg/(L·d)所需時(shí)間相較于對(duì)照組減少約8 d。姚麗等[36]研究指出,添加氧化石墨烯可以提升Anammox系統(tǒng)脫氮效能約22.71%,這可能是由于Anammox細(xì)菌代謝過(guò)程中編碼關(guān)鍵酶的hzo基因的數(shù)量增加約683%。Guo等[37]構(gòu)建模型和利用Spearman相關(guān)性分析揭示了還原氧化石墨烯和氧化石墨烯強(qiáng)化Anammox系統(tǒng)脫氮效能的機(jī)理,石墨烯和氧化石墨烯通過(guò)提高Anammox細(xì)菌比氨氧化活性和刺激Planctomycetes屬和Nitrospirae屬等功能微生物富集等途徑提高反應(yīng)器脫氮性能。Yin等[38]研究中發(fā)現(xiàn),還原氧化石墨烯除可刺激Anammox微生物富集外,還能顯著提高反應(yīng)器內(nèi)肼脫氫酶的活性。Zhang等[39]研究指出,氧化石墨烯表面氧官能團(tuán)的有組織且特定的電子傳輸能力,導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸鹽還原酶的活性激增約24.9%。現(xiàn)有研究表明,氧化石墨烯添加量對(duì)Anammox工藝脫氮性能的影響亦表現(xiàn)為“高促低抑”,這是由于氧化石墨烯添加過(guò)量會(huì)導(dǎo)致微生物RNA表達(dá)失穩(wěn)并產(chǎn)生細(xì)胞毒性[40-41]。

5 結(jié)論與展望

外源添加鐵、錳、銅、鎳、鉀、鈣和石墨烯等材料通過(guò)優(yōu)化Anammox細(xì)菌生境、刺激Anammox功能微生物富集、調(diào)控脫氮相關(guān)功能基因的表達(dá)和酶的合成、促進(jìn)胞外分泌物合成、提高Anammox細(xì)菌抗逆性等途徑提高Anammox反應(yīng)器的脫氮性能。但是當(dāng)前大量研究停留在實(shí)驗(yàn)室階段,且僅考慮單一外源物質(zhì)對(duì)Anammox體系的影響,今后有關(guān)研究應(yīng)重點(diǎn)在以下方面開(kāi)展:1)多種外源物質(zhì)對(duì)Anammox體系脫氮效能的影響;2)不同工況下外源物質(zhì)添加量的研究;3)外源物質(zhì)調(diào)控Anammox細(xì)菌生理活動(dòng)的機(jī)制及強(qiáng)化Anammox體系脫氮效能的機(jī)理。