金属离子对厌氧氨氧化工艺的影响研究综述

刘 野

（吉林省松原石油化工股份有限公司，吉林松原138000）

厌氧氨氧化（Anammox）是指在厌氧或者缺氧条件下，Anammox菌利用NO2-为电子受体，将NH4+直接氧化成N2的过程,是目前为止最为经济简便的生物脱氮方式[1-2]。Anammox提供了一种新的思路，与传统脱氮工艺相比，可大大降低能源和化学药剂的消耗，为今后污水处理降低成本、简化脱氮过程提供了可能，具有很好的发展空间。尽管厌氧氨氧化工艺的应用目前仅限于高浓度氨氮废水的脱氮处理，但有关低温厌氧氨氧化、反硝化耦合厌氧氨氧化的实验室研究表明，Anammox菌具有非常大的潜能，将会以几种不同的方式应用于污水处理领域。为了实现这些最新研究成果的工业化应用，进一步的可行性研究很有必要。但是Anammox菌倍增时间长，极难富集，且影响Anammox菌生长因素众多，其中金属离子对Anammox菌的影响更是复杂多变。因此，国内外众多学者研究了各金属离子对Anammox菌群的影响，以便在实际应用中强化有利方面，规避不利的影响，以提高Anammox工艺的脱氮效率。

1 Fe离子对厌氧氨氧化活性的影响

Fe离子作为细胞血红素的合成元素，对Anammox菌起着至关重要的作用，因此研究Fe离子对Anammox工艺的影响显得尤为重要[3]。

李祥等[4]通过接种厌氧氨氧化污泥研究了Fe2+和Fe3+浓度对Anammox菌活性的影响，得出当进水铁离子浓度达5mg/L时，厌氧氨氧化污泥活性达最大，且不同价态铁离子浓度对污泥的脱氮效能没有明显差异。而Fe2+比Fe3+更适合Anammox菌的生长需求，有利于Anammox菌的富集。因此可以在反应器内少量铁块，防止Fe2+转化为Fe3+。

2 C a2+、Mg2+离子对厌氧氨氧化活性的影响

Ca2+和Mg2+等金属阳离子可以压缩双电子层，促进生物污泥的聚集，而且其与胞外多聚物的粘黏可以加速污泥颗粒化的形成[5]。此外，Ca2+和Mg2+还是常见的酶激活剂，可能会通过刺激酶活性来提高微生物代谢活性。Li等[6]的研究发现，添加Mg2+的Anammox系统在运行4d后可观察到污泥颗粒，而没有添加Mg2+的Anammox系统需要在运行17d后才可观察到污泥颗粒;添加Mg2+可以影响污泥颗粒的紧凑性，但不影响微生物形态；添加Mg2+使得污泥浓度明显增加。多价金属离子对污泥颗粒化和Anammox强化的作用方式可能是：Ca2+和Mg2+可以被绑定到细菌表面带负电的基团上，而胞外聚合物在其中起着架桥作用同时促进微生物聚集[7]。但是目前的研究中尚未明确添加的具体浓度范围，需要进一步研究。

3 锰离子对厌氧氨氧化活性的影响

高大文等[8]通过对Anammox菌的代谢途径进行热力学分析，发现其代谢途径具有多样性，且铁、锰离子有可能成为潜在的电子供体/受体。Strous等人对厌氧氨氧化菌基因组的分析也证明了以上观点[9]。理论上新的代谢途径会在一定程度上缓解Anammox菌所面临的竞争压力，使得厌氧氨氧化过程更具稳定性，并将进一步提高厌氧氨氧化反应器的效能[10]。彭厦等[11]以批序式生物膜反应器（SBR）考察了铁、锰离子对厌氧氨氧化效能和细菌混培物生长的影响，证明铁、锰离子均能够促进反应器对氮的去除。认为当进水铁离子浓度为0.08 mmol/L时，反应器对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率均稳定在95%左右;当进水锰离子浓度为0.05 mmol/L时，反应器对氨氮和亚硝酸盐氮的去除率均可达95%以上。

4 C u2+、Zn2+浓度对厌氧氨氧化活性的影响

Cu2+、Zn2+等微量重金属元素是微生物进行生命活动所需要的营养物质，也是酶的活化剂，可以促进微生物的生长[12]。但是微生物对重金属元素的需求量极少，超过一定量后便会对微生物产生毒性作用，使得脱氮效果下降甚至反应器停止。而工业废水中常常含有大量的重金属元素，因此研究常见重金属离子，如Cu2+、Zn2+等显得尤为重要。

李祥等[13]批次实验证明，Cu2+和Zn2+离子对Anammox污泥脱氮效能的影响可分为刺激、稳定和抑制三个阶段。刺激阶段，进水Cu2+浓度0～1mg/L和Zn2+浓度为0～4 mg/L时，随着进水金属离子浓度的增加，微生物活性收到刺激，氮去除速率迅速增加；稳定阶段，Cu2+浓度1～8 mg/L时，氮去除速率处于稳定状态。抑制阶段，Cu2+浓度大于 8mg/L和 Zn2+大于 4mg/L时，随着进水金属离子浓度的增加，氮去除速率逐步下降。Cu2+、Zn2+对Anammox污泥脱氮效能长期影响表明，当进水Cu2+浓度达到4 mg/L和Zn2+浓度达到8 mg/L时，厌氧氨氧化污泥的活性将受到抑制。而在降低金属离子浓度后，Anammox污泥的活性可以得到恢复。于此可知，在Anammox工艺中 Cu2+、Zn2+最佳浓度分别为1～8mg/L和 4mg/L。

5 结语与展望

金属离子对Anammox污泥的影响主要是从对酶的激活、Anammox菌内部细胞的合成、以及毒理学性质上体现，本文讨论了各种常见金属离子浓度对Anammox污泥脱氮效能的影响。虽然目前研究证明部分金属离子能对细菌细胞内酶有激活作用，但是由于细菌种类繁多以及具体激活浓度无法确定，导致在实际应用中仍然有局限。实际废水中所含各金属离子浓度常有差异，特别是工业废水，含有高浓度金属离子，目前的研究皆证明少量的金属离子对Anammox污泥去除含氮废水有积极影响，而金属离子浓度含量过高则会对Anammox菌产生毒性作用。基于此可以考虑厌氧氨氧化生物处理技术与化学工艺相结合，有效控制废水中金属离子浓度，使得处理工艺长期处在高效运行阶段。另外，厌氧氨氧化作为新型生物脱氮工艺，并不意味着传统脱氮工艺的终结，相反，在以后的研究中，应该注重厌氧氨氧化与传统工艺的结合使用，充分发挥各种工艺的优点，如厌氧氨氧化工艺与A-A-O工艺结合，可以同步脱氮除磷。还有学者将Anammox工艺与微生物燃料电池（MFC）联合使用[14]，以达到废水高效处理和产能的效果。在以后的研究中，在注重金属离子对Anammox工艺污泥形成的影响的同时，也应关注其他因素对Anammox工艺的影响，如温度、PH、物理场、有机物、化学物质、菌种等。

参考文献：

[1]Strous M,van gerven E,zheng P,et al.Ammonium removal from concerntrated waste streams with the anaerobic ammonium oxidation(Anammox)process in different reactor configurations[J].Water Research,1997,31（8）：1955-1962.

[2]姬玉欣,诸美红,陈辉,等.高负荷厌氧氨氧化反应器的研究进展[J].化工进展,2013,32(8)：1914-1920.

[3]张蕾,郑平,胡安辉.铁离子对厌氧氧化反应器性能的影响 [J].环境科学学报,2009,29（8）：1629-1634.

[4]李祥,黄勇,巫川,等.Fe2+和 Fe3+对厌氧氨氧化污泥活性的影响 [J].环境科学,2014,35(11)：4224-4229.

[5]金仁村,郑平,胡宝兰,等.污泥颗粒化快速启动厌氧氨氧化反应器的探讨 [J].环境污染与防治,2006,28（10）：772-775.

[6]Li X M,Liu Q Q,Yang Q,et al.Enhanced aerobic sludge granulation in sequencing batch reactor by Mg2+augmentation [J].Bioresource Technology,2009,100(1)：64-67.

[7]郭琼,金仁村.厌氧氨氧化（Anammox）工艺的强化方法研究进展[J].化工进展,2014,33（11）：3075-3081.

[8]高大文,侯国凤,陶彧,等．厌氧氨氧化菌代谢有机物研究［J］． 哈尔滨工业大学学报,2012,44(2)：89-93．

[9]Strous M,Pelletier E,Mangenot S,et al．Deciphering the evolution and metabolism of an anammox bacterium from a community genome［J］．Nature,2006,440(7085)：790-794．

[10]张蕾,郑平,胡安辉．铁离子对厌氧氨氧化反应器性能的影响［J］．环境科学学报,2009,29(8)：1629-1634．

[11]彭厦,高大文,黄晓丽.金属离子对厌氧氨氧化反应器效能的影响[J].中国给水排水,2012,28（21）：30-33.

[12]Jefferson B,Burgess JE,P ichon A,et al.Nutrient addition to enhance biological treatment of gray water[J].Wat.Res,2001,35(11)：2702-2710.

[13]李祥,黄勇,等.铜、锌离子对厌氧氨氧化污泥脱氮效能的影响 [J].中国环境科学,2014,34（4）：924-929.

[14]Taeyoung Kim,Junyeong An,et al.Coupling of anaerobic digester and microbial fuel cell for COD removal and ammonia recovery[J].Bioresource Technology,2015,195(2015)：217-222.