全康環(huán)保:厭氧氨氧化（Anammox）工藝因無(wú)需外加有機碳源，污泥產(chǎn)量低，運行成本低、脫氮效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于處理低碳氮比的高氨氮廢水。而實(shí)際廢水中含有濃度和種類(lèi)不同的有機物，通常認為有機物的存在會(huì )對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生負面影響。此外，厭氧氨氧化污泥顆?；梢宰畲蟪潭瘸至粑⑸锪?，強化功能菌的增殖，并在一定程度上緩解環(huán)境變化導致的脫氮效率下降，是解決這一問(wèn)題的有效途徑。然而如何通過(guò)提高厭氧氨氧化顆粒污泥自身的性能，提高厭氧氨氧化系統的抗有機物干擾能力顯得尤為必要。

對此，蘇州科技大學(xué)陳重軍副教授課題組開(kāi)展了如下研究：①不同濃度有機物長(cháng)期脅迫對厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮效能、理化性質(zhì)和微生物群落結構的影響；②生物炭介導下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥的脫氮性能、理化性質(zhì)和脫氮除碳代謝途徑的影響。相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of Cleaner Production、Journal of Environmental Science和《中國環(huán)境科學(xué)》，以期為厭氧氨氧化顆粒污泥的研究和工程應用提供參考。

研究1：不同濃度有機物長(cháng)期脅迫對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響

反應器運行效能如圖1所示，在0、50、100、150和200 mg/L的COD濃度的脅迫下，隨著(zhù)COD的增加氨氮的去除率呈下降趨勢，分別為97.71 %、97.23 %、83.87 %、68.11 %和46.52 %，而亞硝態(tài)氮的去除率維持在96.78~98.62 %。各脅迫濃度下，總氮去除率分別為97.20 %、98.00 %、92.12 %、85.06 %和75.02 %，說(shuō)明低濃度的有機物(50 mg/L)通過(guò)使厭氧氨氧化菌和異養反硝化菌之間形成穩定的協(xié)同作用提高了總氮的去除率（見(jiàn)圖1）。而有機物濃度為150 mg/L和200 mg/L時(shí)顆粒污泥的平均粒徑出現先增長(cháng)后下降的趨勢，且顆粒污泥的SVI值升高，沉降性能變差（見(jiàn)圖2）。通過(guò)SEM觀(guān)察顆粒污泥的微觀(guān)結構發(fā)現顆粒污泥表面有明顯的裂痕，推測有機物濃度超過(guò)150 mg/L時(shí)，長(cháng)期脅迫下會(huì )造成顆粒污泥的解體。當有機物濃度超過(guò)50 mg/L時(shí)厭氧氨氧化顆粒污泥的優(yōu)勢門(mén)由Chloroflexi變?yōu)镻roteobacteria。此外有機物長(cháng)期脅迫下Candidatus Brocadia替代Candidatus Kuenenia成為厭氧氨氧化菌的優(yōu)勢屬。

圖1 不同有機物濃度下厭氧氨氧化顆粒污泥的脫氮性能

圖2 不同有機物濃度下厭氧氨氧化顆粒污泥的理化性質(zhì)

研究2：生物炭介導下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響

課題組前期研究發(fā)現，生物炭存在條件下可以促進(jìn)厭氧氨氧化菌的增殖。本研究采用竹炭為研究對象，分析了竹炭存在下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響。研究發(fā)現，運行120天后，在不添加竹炭條件下，隨著(zhù)COD的濃度增加，氨氮的去除效率逐漸降低。當COD濃度為50、100和150 mg?L-1時(shí)，氨氮平均去除率為89.4 %，77.4 %和66.2 %。然而加入竹炭后，平均氨氮去除效率分別提高到96.2 %，84.5 %和71.5 %。當COD濃度為50、100和150 mg?L-1時(shí)，平均TN去除效率分別為85.9 %，82.6 %和81.4 %，加入竹炭后，平均TN去除效率分別為92.3 %，88.9 %和84.6 %，添加竹炭的反應器對TN的去除率提高3.1~6.4 %（見(jiàn)圖3）。

圖3生物炭介導下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮的影響過(guò)程

投加竹炭對厭氧氨氧化顆粒污泥的理化性質(zhì)也造成顯著(zhù)的影響，研究發(fā)現，隨著(zhù)COD濃度的增加，EPS逐漸減小，過(guò)量的COD將抑制厭氧氨氧化菌的競爭優(yōu)勢，不利于厭氧氨氧化菌 EPS的分泌，加竹炭時(shí)的EPS比不加竹炭時(shí)要高。由于EPS的分泌，不添加竹炭條件下平均粒徑0.8 mm，而添加竹炭上升至1.2 mm（見(jiàn)圖4）。研究也發(fā)現，投加竹炭可使顆粒污泥表面結構更致密，有機碳源脅迫下可維持完整。竹炭孔隙內附著(zhù)大量的污泥，為功能微生物的寄居、生長(cháng)和繁殖提供舒適的環(huán)境。

圖4 生物炭介導下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥理化性質(zhì)的影響

利用 R 語(yǔ)言的 igraph 包和 Hmisc 包對反應器污泥樣品相對豐度前 300 的屬進(jìn)行相關(guān)性系數的計算，生成微生物共現性網(wǎng)絡(luò )圖（見(jiàn)圖5）。厭氧氨氧化菌優(yōu)勢菌屬Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia與Halomonas相連接，而添加竹炭的處理組Halomonas的相對豐度均高于不添加炭的對照組。據報道Halomonas是一種中度嗜鹽菌，具有反硝化作用，可以產(chǎn)聚羥基丁酸酯(poly hydroxyalkanoates, PHA)，而PHA可以保護微生物細胞受極端環(huán)境脅迫同時(shí)被儲存在胞內作為緩釋碳源。較一般的異養反硝化菌而言，Halomonas不易被環(huán)境擾動(dòng)從而碳代謝更加穩定，這可能是Candidatus Brocadia、Candidatus Jettenia的相對豐度在有機物和竹炭共存條件下下降幅度較小的原因。

圖5 共生網(wǎng)絡(luò )圖

研究表明編碼聯(lián)氨脫氫酶(hydrazine dehydrogenase , HDH，EC:1.7.2.8)的基因hdh和編碼聯(lián)氨合成酶(hydrazine synthase , HZS，EC:1.7.2.7)3個(gè)亞基的基因hzsABC只存在于厭氧氨氧化體中，如圖6氮代謝功能基因表達熱圖所示，當C/N比為0.28和0.83時(shí)竹炭促進(jìn)了hdh和hzsABC基因的表達，然而C/N為0.56時(shí)的結果卻與之相反。

圖6 氮代謝功能基因表達熱圖

糖酵解途徑(glycolytic pathway , EMP)和三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)是大多數生物所共有的糖分解代謝途徑，因此有必要對兩個(gè)通路的功能基因進(jìn)行進(jìn)一步分析。圖7為EMP和TCA功能基因代謝熱圖，可以看出從葡萄糖到丙酮酸共有十步連續的酶促反應，其中三步最主要的限速步驟分別為：葡萄糖在葡萄糖激酶(glucokinase, EC:2.7.1.2)的催化下生成葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸在果糖磷酸激酶(phosphohexokinase, EC:2.7.1.11)催化下生成果糖-1，6-二磷酸以及磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶(pyruvate kinase, EC:2.7.1.40)的催化下生成丙酮酸，三個(gè)反應均為不可逆反應。當C/N比為0.28和0.83時(shí)，竹炭的投加顯著(zhù)促進(jìn)了葡萄糖激酶基因glk、果糖磷酸激酶基因PFK、丙酮酸激酶基因PK的表達，而C/N為0.56時(shí)glk和PFK在炭處理下是下調的。此外，TCA循環(huán)也受到一系列酶的調控，其中丙酮酸脫氫酶系(丙酮酸脫氫酶E1，二氫硫辛酰轉乙?；窫2，二氫硫辛酰胺脫氫酶E3，EC:1.2.4.1，EC:2.3.1.12，EC:1.8.1.4)催化的丙酮酸氧化脫羧形成乙酰輔酶A過(guò)程是連接EMP和TCA的中心環(huán)節(不可逆)。丙酮酸脫氫酶系是一個(gè)位于線(xiàn)粒體內膜上的多酶復合體，涉及aceE、DLAT和DLD三個(gè)功能基因，不同有機物濃度下三個(gè)功能基因的表達量均表現為加炭處理組大于對照組，說(shuō)明竹炭有效促進(jìn)了EMP途徑與TCA循環(huán)的銜接。

圖7 糖酵解途徑功能基因表達熱圖和三羧酸循環(huán)途徑功能基因代謝熱圖

小結與展望

有機物對厭氧氨氧化的影響是一個(gè)老生常談但又歷久彌新的研究焦點(diǎn)，也是厭氧氨氧化工藝工程應用過(guò)程中無(wú)可規避的現實(shí)問(wèn)題。本研究探明了不同濃度有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮效能和微觀(guān)結構特性的影響，探索了外加介體材料（如生物炭）對緩解有機物抑制作用的過(guò)程特性及工作機制。研究結果將為厭氧氨氧化顆粒污泥的工程化應用提供一定的借鑒意義。

作者簡(jiǎn)介

陳重軍，蘇州科技大學(xué)副教授，碩士生導師2012年博士畢業(yè)于浙江大學(xué)，現任江蘇水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng )新中心管理辦公室副主任、環(huán)境工程系副主任，入選江蘇省“青藍工程”優(yōu)秀青年骨干教師、江蘇省雙創(chuàng )計劃。主持國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等20多項；第一或通訊作者在Crit Rev Env Sci Tec、Bioresour Technol、Sci Total Environ、J Clean Prod、中國環(huán)境科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等期刊發(fā)表論文50多篇，論文總被引超過(guò)2000次，合作編著(zhù)江蘇省重點(diǎn)教材2部，授權國家專(zhuān)利15項。兼任中國城鎮供水排水協(xié)會(huì )青年工作者委員會(huì )委員、江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì )青年工作委員會(huì )委員、《中國給水排水》、《工業(yè)水處理》青年編委。