厌氧氨氧化强化技术的研究进展

汪涛，张沙，刘鹏霄，王志强

厌氧氨氧化强化技术的研究进展

汪涛1，张沙1，刘鹏霄2，王志强1

（1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津300401；2.北京航天计量测试技术研究所，北京100076）

厌氧氨氧化（Anammox）是一种环境友好的新型生物脱氮技术。但是，Anammox菌世代时间长、环境敏感度高，导致Anammox工艺启动周期过长，致使其工业化进程滞缓。一些强化技术可加快Anammox启动进程并提高其运行效能，促进Anammox研究在广度和深度上的发展。介绍了外加电场、磁场、超声波以及添加Fe元素、氧化石墨烯等Anammox工艺强化技术，从强化效果和可能的机理等方面对已取得的成果进行论述，并指出该强化技术未来的应用前景和研究方向。

厌氧氨氧化；工艺强化；生物脱氮；环境友好

厌氧氨氧化（Anammox）是指在严格厌氧前提下，以氨为电子供体、以亚硝酸盐为电子受体，最终产生氮气的生物反应〔1〕。这是一种绿色、经济、高效的新型生物脱氮技术，在处理高氨氮废水方面表现不凡。Anammox反应通过一种特殊功能菌——Anammox菌实现。然而，Anammox菌生长极其缓慢（通常情况下，细胞增殖速率仅有0.0027 h-1，细胞倍增周期约为11 d）〔2〕、环境敏感度高〔3〕，致使Anammox菌的富集难度较大、Anammox工艺启动缓慢，制约了Anammox工艺大规模工业化应用。为解决这些问题，国内外学者不断探索Anammox强化技术，从提高Anammox功能菌活性、优化工艺条件等方面来强化Anammox工艺效能，以实现该工艺的快速启动和高效运行，进而推动其工业化应用进程。

1　外加电场强化Anammox

1.1强化效果

刘思彤等〔4〕构建了电极-生物膜Anammox反应器，然后探讨了不同工作电极电压对Anammox菌活性的影响。试验研究结果发现，当外加电极电压为-0.05 VSCE时，Anammox菌活性最佳，达27.45 mmolNH4+-N/（gVSS·d），其活性比无电极电压对照组增加20%。在电极电压为-0.05 VSCE的条件下，Anammox生物膜反应器经18 d成功启动，NH4+-N去除负荷可达120 gN/（m3·d），启动时间较无电极电压对照组Anammox反应器缩短20%。Jingxin Zhang等〔5〕发现，铁-石墨电极的加入有利于增强Anammox菌脱氮能力，进而加速Anammox反应器启动过程。研究表明，当两级电压在小于0.6 V的范围内，Anammox菌脱氮能力随电压增加而增强；当电压大于0.8 V时，Anammox过程几乎被完全抑制。在两级电压维持在0.6V的条件下，Anammox反应器经95 d成功启动，其启动时间与对照组相比缩短近24%。经125 d运行，实验组总氮去除速率达最大值1 209.6 mg/（L·d），是对照组反应器的1.24倍。

1.2强化机理

电场可对微生物的生理机能产生影响，而且一定强度的电场可以通过促进离子迁移或电子传递来强化生化反应，这一结论已被研究证实〔6-7〕。对于电极-生物反应器，电子迁移发生在工作电极和细菌之间，且该过程可直接发生在电极表面，也可由溶解性电子穿梭体或水的电解间接引发。在外加电场的驱动下，电子在工作电极与周围细菌之间传递，并在一定程度上参与细菌生化反应的电子传递过程，从而促进或改善其新陈代谢过程〔7-8〕。同样，外加电场也可以加快Anammox反应电子传递从而提高Anammox菌活性。受自身反应机理限制，Anammox反应会生成一定量的NO3--N，影响总氮去除效果。而这部分NO3--N可以通过电极的介入得以去除。在电极-生物膜Anammox反应器中，阴极产生的氢气为反硝化细菌提供电子供体，通过阴极表面氢自养反硝化过程将Anammox反应副产物NO3--N还原为N2，从而强化Anammox工艺总氮去除性能〔4〕。

2　外加磁场强化Anammox工艺

2.1强化效果

Sitong Liu等〔9〕考察了稳恒磁场对Anammox菌自养脱氮性能的影响。批式试验表明，当磁场强度为16.8～95 mT时，Anammox菌活性显著高于对照组；当磁场强度为75mT时，该菌活性最大，为对照组的1.5倍。随后，Anammox反应器在磁场强度为60mT的条件下连续运行。与对照组相比，该反应器NH4+-N去除负荷最高提高了30%，Anammox工艺启动时间缩短了25%。汪涛〔10〕以聚乙烯醇-海藻酸钠（PVA-SA）为包埋剂将磁粉和Anammox污泥协同包埋，制备了磁性包埋Anammox小球。结果表明，在Anammox污泥和包埋剂PVA-SA均为20m L的情况下，当磁粉添加量为0.5～1.5 g时，试验组小球的Anammox活性较之对照组有所增加；且其磁粉添加量为0.5 g时，小球活性提高最大。其NH4+-N和NO2--N的去除速率分别为61.69mg/（L·d）和75.02 mg/（L·d），分别提高了56.05%和50.03%。

2.2强化机理

磁场会对细胞结构和新陈代谢过程产生影响，即磁场的生物效应。低强度磁场通过改变带电离子的受力状态、生物的分子结构而改善生物膜的通透性和生物酶的活性，进而加快微生物的新陈代谢和生化反应速度〔11-13〕。Anammox具有一种特征细胞器——厌氧氨氧化体（Anammoxosome）。Anammoxosome具有双层膜结构和Anammox反应关键性酶，是Anammox反应的主要场所。一定范围的低强度磁场不但改善了Anammox菌细胞壁的通透性，而且改善了Anammoxosome膜的通透性及其中关键酶的活性。低强度磁场的这些作用因促进Anammox菌新陈代谢而强化Anammox启动和运行效能。又有研究表明〔9，14〕，磁场影响菌群结构，但不会改变遗传物质。在一定范围低强度磁场的长期作用下，Anammox混培物中杂菌多样性减少，而Anammox菌种多样性未受影响〔9〕。这表明，混培物中Anammox菌比杂菌有更好的磁耐受性。Anammox菌的这一特点，使得低强度磁场强化Anammox菌活性的同时又保证了Anammox菌种的相对稳定。

3　低强度超声波强化Anammox工艺

3.1强化效果

Xiumei Duan等〔15〕对Anammox混培物施加低强度超声波（LIU），探讨适温（32℃）状态下LIU对Anammox菌群活性和脱氮能力的影响。研究发现，当超声频率为25 kHz、强度为0.3W/cm2、辐照时间为4min时，总氮去除速率增加约25.5%，这一强化效果可持续6 d。EPS分析表明，在LIU辐照后的第一天，Anammox菌群中碳水化合物、蛋白质和总胞外聚合物的增幅最大，分别为28.8%，30.5%、29.7%。并且通过透射电子显微镜（TEM）观察到超声辐照后Anammox菌细胞壁变薄和多种胞外物质存在。Jinjin Yu等〔16〕考察低温（14.8℃）条件下LIU对Anammox性能的影响，试验以上流式厌氧污泥膨胀床（UASB）作为Anammox反应器，在UASB-Anammox反应器连续运行过程中对其进行LIU间歇辐照。结果表明，当超声频率为27 kHz、强度为0.7W/cm2、辐照时间为0.19min时，其总氮去除速率5.49kg/（m3·d）远高于对照组UASB总氮去除率1.53 kg/（m3·d）。研究还发现，试验组反应器中多糖、蛋白质、2，3，5-氯化三苯基四唑-脱氢酶（TTC-脱氢酶）和挥发性悬浮固体（VSS）浓度均高于对照组。

3.2强化机理

超声波作用于微生物会对生物组织结构造成影响，这种影响被称之为超声波的生物效应，与超声频率、强度、辐照时间及生物自身的生理生化特性等有关。超声强度、频率过高或连续辐照时间过长都会严重破坏Anammox细胞结构，造成细胞不可逆损伤，致使Anammox菌活性下降，甚至对该菌产生致死效应。既然如此，适宜参数范围的低强度低频率超声间歇辐照更有利于Anammox菌活性的提高和Anammox过程的强化。一方面，这种超声状态可产生温和的稳态空化效应，造成暂时可逆的细胞损伤，增强Anammox细胞壁和Anammoxosome膜的通透性、加速电子传递和膜内外物质交换〔17〕。另一方面，低强低频超声处理可增加生物酶和EPS含量，从而提高Anammox细胞增殖速率〔16，18〕。例如，有研究发现〔15-16〕，低强低频超声强化Anammox菌群过程会伴随TTC-脱氢酶和EPS的增加而增加，而EPS形成是Anammox菌在超声辐照条件下自我保护策略，通过这一过程Anammox活性和耐受性均得到提高，Anammox工艺总体运行效能也随之强化。

4　添加铁元素强化Anammox工艺

4.1强化效果

Fan Gao等〔19〕研究了两种形态的Fe元素——零价铁（Fe0）和Fe3O4对Anammox活性及Anammox菌颗粒化过程的影响。此项研究在两组平行的厌氧连续搅拌反应器（CSTR）中接种Anammox污泥，分别加入等量铁元素的Fe0和Fe3O4作为颗粒化内核，经一段时间富集培养成功获得Fe-Anammox颗粒和Fe3O4-Anammox颗粒。研究发现，Fe-Anammox颗粒和Fe3O4-Anammox颗粒分别在运行12 d和14 d之后出现，而空白对照组颗粒经20 d运行才出现；Fe-Anammox颗粒和Fe3O4-Anammox颗粒的最大比Anammox活性分别达0.240 kgN/（kgVSS·d）和0.239 kgN/（kgVSS·d），高于空白对照组的0.200 kgN/（kgVSS·d）。这表明，Fe0和Fe3O4的加入有助于Anammox菌快速颗粒化，同时也提高了Anammox菌脱氮性能。Zhen Bi等〔20〕考察进水中不同浓度的Fe2+对Anammox启动过程的影响。该试验以3个相同的上流式复合反应器（R1、R2、R3）接种同一厌氧活性污泥启动Anammox工艺，R1、R2、R3运行过程进水中分别添加0.03、0.06、0.09mmol/LFe2+。R2和 R3的Anammox工艺启动所需时间分别为58 d和50 d，远远低于控制组R1的70 d。此研究表明，适当提高的Fe2+浓度（0.06～0.09mmol/L）有利于Anammox工艺的快速启动。

4.2强化机理

Fe是Anammox菌生长所需的重要微量元素之一，多数代谢反应都会有含Fe蛋白参与。与Anammox细胞的其他部分相比，Anammoxosome富含Fe元素，且这些Fe参与到Anammox生化反应的电子传递过程〔21〕。因而，适当浓度的Fe2+可促进Anammox菌生长繁殖。然而，高浓度的Fe2+会与生化过程产生的H2O2作用诱发Fenton反应，产生游离的羟基自由基（·OH），对Anammox菌具有强烈的抑制作用，甚至导致该菌死亡〔22〕。一定量的Fe0在反应过程中会被氧化产生适宜浓度的Fe2+并消耗DO，有利于维持Anammox菌生长所必要的厌氧条件，而Fe3O4则会通过离子化反应产生Fe2+和Fe3+〔19，23〕。Fe2+和Fe3+能够为Anammox菌生长提供最佳的氧化还原电位（ORP），且具有较好的絮凝性能，这些高价正电荷铁离子可将表面带负电荷的Anammox游离细胞聚集在其周围，加速Anammox菌聚集和造粒，促进Anammox菌胶团的形成，提高Anammox整体功能菌群的环境耐受性。

5　添加氧化石墨烯强化Anammox工艺

5.1强化效果

GangWang等〔24〕考察氧化石墨烯（GO）对Anammox菌长期储存之后再激活过程的影响。在该试验中，将两组Anammox菌储存在4℃，其中一组为试验组，添加0.1 g/LGO；而另一组为对照组，不添加GO；储存两个月之后，这两组Anammoxx菌分别接种至平行运行的反应器中进行再激活。试验组反应器经过21 d运行，总氮去除速率达到1 200 mg/（L·d）；而对照组反应器需耗时29 d才能达到这一氮去除速率。在Anammox菌种储存之后的活化过程中，试验组Anammox颗粒粒径从对照组的189μm增至230μm，且试验组最大比Anammox活性从对照组的0.42gN/（gVSS·d）提高至0.44gN/（gVSS·d）。这些结果说明，在Anammox菌存储过程中，一定量GO的添加可促进再激活过程菌种的活性恢复，缩短激活时间，提高Anammox颗粒粒径，强化Anammox活性。添加GO的Anammox菌存储策略，有助于提高以储存菌种为接种物的Anammox工艺启动和运行效能。

5.2强化机理

GO具有较大的比表面积、良好的胶体特性、丰富的表面含氧官能团（如羧基、羟基、烷氧基等）及较低的生物毒性，在微生物学领域受到广泛关注〔25〕。GO具有高度的生物相容性，可有效加速细菌扩散，增加细菌与基质的接触面积和机率，因而提高Anammox菌活性、促进Anammox菌生长增殖，从而强化Anammox工艺过程〔24，26〕。

6　结语

Anammox是一种有良好应用前景和巨大潜力的新型污水脱氮技术，而Anammox强化技术已成为Anammoxx研究的一个重要组成部分。Anammox工艺强化在于为Anammox菌提供最佳的生长代谢条件，改善细胞膜通透性和酶活性，促进Anammox菌新陈代谢，提高其在培养污泥菌群中的竞争优势，从而提高Anammox启动和运行效能。虽然Anammox强化技术已取得一定的研究成果，但仍有一些问题有待研究。

（1）Anammox强化技术的机理有待阐明。多数研究主要关注强化效果，而对于强化机理，只是初步的探讨，缺少细致、具体、全面的研究，如超声、磁场对Anammox菌关键酶及生理生化特性的影响机理尚不明确。

（2）Anammox多因素强化技术有待研究。Anammox强化方法包括外加磁场、电场、超声波等，也包括添加Fe元素或GO。然而，之前的研究多考察一种因素强化作用，而对于多因素协同强化作用的研究极少。

（3）Anammox强化装置采用实际高氮废水的效果有待考察。目前，Anammox强化装置的进水采用人工配水。然而，实际高氨氮废水与人工配水存在诸多差异。为了推进Anammox工业化应用进程，需要考察这些装置在处理实际高氨氮废水时的表现。

（4）Anammox强化技术的工程放大有待进一步研究。Anammox强化技术的研究绝大多数还处于实验室小试阶段，该技术工程放大过程需要注意的问题仍不明确，同时，这些强化技术在小试、中试和实际工程应用中的效果有待进一步考证。

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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

汪涛（1982—），博士，讲师。E-mail：wangtao82@hebut. edu.cn。

2016-06-03（修改稿）

国家自然科学基金项目（31400432）；河北省自然科学基金项目（E2014202225）