厌氧氨氧化脱氮强化途径的研究进展

2022-07-26李天皓江雨婕赵文静沈耀良刘文如

工业水处理 2022年7期

李天皓，江雨婕，毛蔚，赵文静，沈耀良，2，刘文如，2

（1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009；2.江苏省环境科学与工程重点实验室，江苏苏州 215009）

厌氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation，Anammox）自20 世纪90 年代被发现以来，一直作为处理含氮废水的新技术受到广泛研究〔1〕。厌氧氨氧化是指在厌氧环境下，厌氧氨氧化菌以NO2-为电子受体，将NH4+直接氧化为N2的过程〔2〕。厌氧氨氧化工艺在运行过程中不需要投加有机碳源，且无需曝气，是一种绿色经济的生物脱氮工艺。然而厌氧氨氧化菌生长速度缓慢，世代周期长，难以在短时间内富集，使得厌氧氨氧化工艺在实际应用中存在启动过程长等问题〔3〕。如何强化厌氧氨氧化细菌生长繁殖、缩短厌氧氨氧化工艺启动时间以及提升厌氧氨氧化系统脱氮效能，是当前厌氧氨氧化技术研究的热点。笔者介绍了国内外关于厌氧氨氧化强化方法的研究进展，重点评述了无机碳、铁（包括零价铁和铁离子）、物理场对厌氧氨氧化工艺的强化效果，旨在全面理解强化因素对厌氧氨氧化微生物脱氮过程的影响及内在作用机制，为促进厌氧氨氧化工艺的实际应用提供参考。

1 无机碳

1.1 无机碳在厌氧氨氧化反应中的作用

厌氧氨氧化菌是化能无机自养型细菌，其能够利用CO2和HCO3-作为碳源获取生长所需要的能量，因此适量的无机碳是厌氧氨氧化菌生长的必需条件。无机碳（主要指HCO3-）对强化厌氧氨氧化反应脱氮有多种作用，首先为厌氧氨氧化菌提供无机碳源，其次维持体系酸碱平衡，使pH 保持在厌氧氨氧化菌的最适范围内，再次HCO3-也可参与化学反应，与NH4+结合生成NH4HCO3，并可为厌氧氨氧化菌代谢提供必要的H+〔4〕。另外，根据W. R. L. VAN DER STAR 等〔5〕的研究，无机碳在厌氧氨氧化过程中还会催化中间产物NH2OH 和N2H4的生成和分解，使N2H4被氧化为N2，同时NH2OH 被还原为NH4+，如式（1）所示。

1.2 无机碳对厌氧氨氧化脱氮性能的影响

适量的无机碳对厌氧氨氧化菌活性的提高和反应器氮去除负荷的快速提升均有积极作用。碳酸氢钠可以为厌氧氨氧化菌的富集提供合适的无机碳浓度。Jiachun YANG 等〔6〕在反应器中投加碳酸氢钠作为无机碳源，氮去除负荷在32 d 内从5.2 kg/（m3·d）迅速增加到11.8 kg/（m3·d），提升了1.26 倍。Y.KIMURA 等〔7〕在以凝胶颗粒为载体的柱形SBR 反应器中投加不同浓度的HCO3-，当进水中无机碳质量浓度从60 mg/L 降低至2 mg/L 时，脱氮效能受到明显抑制，总氮去除率急剧下降到56%。朱彤等〔8〕研究发现当进水中不投加无机碳时，出水NH4+、NO2-浓度维持较高水平，恢复无机碳投加后，反应器脱氮性能逐渐恢复。此外也有研究表明，系统在较高的无机碳浓度下可以通过多种氮转化途径脱氮，如可进行反硝化（NO3-→NO2-→NO→N2）和硝酸盐异化还原氨

2 铁

铁是影响厌氧氨氧化菌生长和活性的重要因素，不同形态和浓度的铁对厌氧氨氧化反应有不同程度的影响。

2.1 零价铁

零价铁（Zero-valent iron，ZVI）作为一种还原剂，具有较高的比表面积和反应活性，能够有效地去除水中无机和有机污染物。近年来零价铁与厌氧菌的耦合工艺被广泛应用于污水处理领域〔16〕。ZVI 的腐蚀可以消耗水中的溶解氧，降低氧化还原电位，为厌氧氨氧化菌提供适宜的生存环境；ZVI 释放出的Fe2+通过中和作用和压缩双电层作用强化微生物的团聚，有利于污泥颗粒的形成〔17〕。化学作用和微生物作用会在ZVI 耦合厌氧氨氧化脱氮系统中同时发生，化学过程包括零价铁的腐蚀和钝化，微生物过程包括厌氧氨氧化菌主导的厌氧氨氧化（Anammox），铁氨氧化菌主导的铁氨氧化（Feammox）、铁型反硝化（Nitrate-dependent Fe2+oxidation，NAFO）以及少量的内源反硝化。ZVI 耦合厌氧氨氧化脱氮示意见图1。

2.1.1 零价铁对厌氧氨氧化脱氮性能的影响

ZVI 等固态的含铁物质能够在水中释放出铁离子（Fe2+或Fe3+），对厌氧氨氧化反应脱氮性能的提升有促进作用。Fan GAO 等〔18〕发现向连续搅拌的反应器中投加ZVI 或Fe3O4后，氮去除速率得到明显提升，且短期内ZVI 对厌氧氨氧化脱氮作用的促进效果优于Fe3O4。Yuan YAN 等〔19〕报道了短期投加nZVI（Nanoscale zero-valent iron）可以有效恢复受高溶解氧抑制的厌氧氨氧化菌活性，有助于厌氧氨氧化反应器的稳定运行。然而也有研究表明，nZVI 在腐蚀过程中可能会诱导产生活性氧（Reactive oxygen species，ROS），破坏细胞膜，干扰细胞功能，导致细胞损伤甚至死亡，严重的话可能发生Fenton 反应〔20〕。如Jiajia XU 等〔21〕在稳定运行的厌氧氨氧化反应器中投加100 mg/L 的nZVI，2 h 内出水水质迅速恶化，血红素c 和胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）含量也随之大幅波动。

厌氧氨氧化反应器的启动时间较长，适量投加铁可以缩短反应器的启动时间。Beibei GUO 等〔22〕投加100 mg/L 的ZVI，厌氧氨氧化启动时间从96 d 缩短到87 d。Longfei REN 等〔23〕的研究表明，投加mZVI（Microscale zero-valent iron）和nZVI可以使上流式厌氧污泥床反应器的启动时间分别缩短到105 d和84 d。缩短厌氧氨氧化工艺的启动时间可以促进其在实际生活中大规模应用。

2.1.2 零价铁对微生物群落的影响

有研究认为，ZVI 可以通过强化生理活动和刺激活性来提高功能菌在微生物群落中的丰度，投加ZVI 有利于厌氧氨氧化菌的生长增殖〔24〕。如E.ERDIM 等〔25〕研究nZVI 对厌氧氨氧化工艺的影响，在运行310 d 的SBR 反应器中检测出厌氧氨氧化菌群丰度占总菌群的91%～92%。Beibei GUO 等〔22〕研究发现ZVI 的投加可以抑制亚硝酸盐氧化菌（Nitrite oxidizing bacteria，NOB）的生长，并有利于厌氧氨氧化菌和氨氧化菌（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）活性的提升，1 000 mg/L ZVI 实验组的厌氧氨氧化菌数量增加了约54%。但是，也有研究证实，ZVI 投加后不仅对厌氧氨氧化菌有影响，对其他脱氮菌也具有促进作用，从而影响微生物群落的丰度，改变厌氧氨氧化菌在微生物群落中的占比。如Zhengzhe ZHANG 等〔26〕通过高通量测序分析发现，随着进水中nZVI 浓度的增加，厌氧氨氧化生物量的群落丰度呈现出先增加后降低的趋势，而Shannon 多样性指数也表明反应器中微生物群落丰度先增加后降低。尽管nZVI 在一定程度上影响了微生物群落的构成，但是厌氧氨氧化菌从未失去其在群落中的优势地位。

2.2 铁离子

图1 ZVI 耦合厌氧氨氧化脱氮示意Fig.1 Schematic diagram of nitrogen removal by Anammox process coupled with ZVI

铁在水溶液通常以Fe2+、Fe3+的形式存在，适量的铁离子可以加强微生物的团聚，形成污泥颗粒，有助于生长缓慢的厌氧氨氧化菌的增殖〔17〕。微生物还能够利用不同价态的铁离子进行脱氮，如利用Fe3+作为电子受体将NH4+氧化为NO2-，利用Fe2+作为电子供体将NO3-反硝化为NO2-〔27〕。同时铁作为微生物生长代谢的必需元素之一，直接参与血红素c的生物合成和氮转化过程〔27-28〕。然而Fe3+易在碱性环境下转化为Fe（OH）3红色絮状固体，覆盖在厌氧氨氧化污泥颗粒表面，抑制厌氧氨氧化菌的活性。所以探究铁离子对厌氧氨氧化反应的影响，不仅要研究其对微生物脱氮的作用机理，还要从可能发生的生物代谢及化学反应进行分析。

厌氧氨氧化菌具有独特的细胞器厌氧氨氧化体（Anammoxosome），其在很大程度上依赖存在于厌氧氨氧化体中的含铁蛋白质（尤其是细胞色素）来保存能量。L. VAN NIFTRIK 等〔29〕观察发现在厌氧氨氧化体中存在含有铁的致密蛋白颗粒，铁元素浓度的增加可能会使厌氧氨氧化菌合成更多铁硫蛋白。厌氧氨氧化菌的鲜红色正反映了这种高含量的血红素铁的存在。厌氧氨氧化菌需要产生大量含血红素c的酶来进行新陈代谢，这些酶参与电子传递，促进厌氧氨氧化菌新陈代谢〔30〕。此外少数研究还表明厌氧氨氧化菌可以利用细胞外的铁离子作为呼吸底物〔31〕。因此铁离子是影响厌氧氨氧化菌活性的一个重要因素，厌氧氨氧化反应耦合铁离子系统可以表现出更高的反应活性和脱氮性能。

进水中适当投加Fe2+能够促进厌氧氨氧化菌对氮的去除。张黎等〔32〕研究发现当Fe2+浓度为0.085 mmol/L时，反应器总氮去除率稳定在90%以上。Liaoli HUANG等〔33〕得到相似的结果，并指出Fe2+不仅是厌氧氨氧化菌的必需元素，而且在厌氧氨氧化过程中可以作为的电子供体，实现多转化途径去除氮素。Sen QIAO等〔34〕将进水中的Fe2+浓度提高到0.09 mmol/L，与正常Fe2+浓度（0.03 mmol/L）条件下相比，总氮去除率提高了32.2%。Li FENG等〔35〕发现厌氧氨氧化菌在0.07 mmol/L Fe2+浓度下活性最大，氨氮和亚硝酸盐去除速率分别达到0.85、0.90 kg/（m3·d），比厌氧氨氧化活性显著提高至0.76 kg/（kg·d）。

李祥等〔36〕在进水中分别投加5 mg/L 的Fe2+和Fe3+，实验发现两者短期内对厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响基本相同，并没有因为价态差异发生显著变化。经过71 个周期培养后，处理含Fe2+进水的反应器的脱氮效能是处理含Fe3+进水反应器的1.28 倍，说明Fe2+可能更满足厌氧氨氧化菌对铁离子的需求。Haiyue WANG 等〔37〕发现在厌氧氨氧化工艺启动过程中投加Fe3+可以显著缩短启动时间，同时投加进反应器的Fe3+可以富集厌氧氨氧化菌，促进其颗粒化。张蕾等〔38〕研究发现当Fe3+浓度为0.075 mmol/L 时，反应器氨氮去除率和亚硝氮去除率达到最大，分别为对照组（不投加Fe3+）的1.8 倍和1.6 倍。袁新明等〔39〕报道了当进水Fe3+质量浓度在10～40 mg/L 时，出水氨氮和亚硝酸盐浓度并没有出现较大波动，表明高浓度的Fe3+并不会过高地抑制厌氧氨氧化菌的活性。低温环境下厌氧氨氧化菌的活性受到抑制，此时投加高浓度的Fe3+可以在短期内提高低温下厌氧氨氧化工艺的脱氮效果〔40〕。

长期实验过程中，累积的铁离子可能富集在微生物细胞表面及内部，对细胞产生毒害作用，损害细胞结构，进而导致细胞失活死亡，影响系统脱氮性能。孟显松等〔41〕在低温条件下长期投加Fe2+，在实验的前5 d 内Fe2+刺激厌氧氨氧化菌的活性，总氮去除率保持在较高水平，随后由于Fe2+的积累，高浓度的Fe2+对厌氧氨氧化反应产生抑制作用，NH4+和NO2-去除率分别降至50.7%和76.7%。Xiaojing ZHANG 等〔42〕研究发现当进水中Fe2+质量浓度为10～50 mg/L 时，厌氧氨氧化菌的活性受到不同程度的抑制。其中，当Fe2+质量浓度为10～30 mg/L时，反应器的脱氮性能在适应阶段后会得到一定程度的恢复；而Fe2+质量浓度超过50 mg/L，则对厌氧氨氧化过程具有不可逆的抑制作用，随时间延长反应器的氮素去除效果也不能恢复至投加Fe2+之前的水平。

综上，Fe2+和Fe3+对厌氧氨氧化菌活性的影响基本相同，不会因为价态的变化而表现出显著差异；投加适宜浓度的铁离子可以有效刺激厌氧氨氧化菌活性并促进其生长，提高脱氮性能，然而厌氧氨氧化反应是产碱过程，在长期运行过程中，生成的氢氧化物沉淀可能会覆盖厌氧氨氧化菌表面，阻碍厌氧氨氧化反应的进行。但是也有学者指出短时间内产生的Fe（OH）3能够保护污泥活性，避免高浓度的游离态金属离子和羟基自由基对厌氧氨氧化菌细胞造成不利影响〔43〕。

3 物理场

3.1 电场对厌氧氨氧化脱氮性能的影响

施加一定强度的电场可以提高微生物的脱氮能力。直流电场可以通过改变细胞膜的通透性、提高离子迁移速度、增强酶的活性来提高微生物的活性。早在1992 年，R. B. MELLOR 等〔44〕就发现在硝酸盐去除工艺中施加电场可以快速有效地将硝酸盐还原为氮气。Xin YIN 等〔45〕采用电场增强厌氧氨氧化菌的脱氮活性，相比对照组，施加电场160 d 后的系统厌氧氨氧化生物量提高37%，总氮去除率提高38.7%。Jingxin ZHANG 等〔46〕报道在一定范围内提高电极电压（≤0.6 V）可以有效提高反应器的氮去除效果，而电压超过0.8 V 则会降低厌氧氨氧化菌的活性。Xin YIN 等〔47〕发现长期施加电场可以提高酶的活性，加快厌氧氨氧化菌的生长速度，透射电镜观察表明，电场的施加导致厌氧氨氧化菌的细胞结构发生变化。Zhao LIU 等〔48〕的研究成果与之类似，施加电场会刺激微生物部分硝化和厌氧氨氧化代谢，具体表现在微生物能够更快地降解大分子物质以提供额外的电子供体，进而提高脱氮效果。

除直流电场外，脉冲电场对厌氧氨氧化反应也有促进作用，Chi ZHANG 等〔49〕研究发现，施加脉冲电场可以显著缩短厌氧氨氧化反应的启动时间，提高厌氧氨氧化反应的脱氮效果。如图2 所示，相较于直流电场，脉冲电场不仅影响细胞膜的通透性，而且还影响核膜和细胞器膜的通透性以及这些膜的厚度。脉冲电场通过改变这些膜的渗透性和厚度直接影响细胞。此外，脉冲电场可以解决低温下厌氧氨氧化菌活性下降和颗粒稳定性下降的问题〔50〕，且中频（1 000 Hz）脉冲电场能刺激细胞产生EPS，有利于厌氧氨氧化颗粒污泥的稳定性。

3.2 磁场对厌氧氨氧化脱氮性能的影响

图2 脉冲电场对厌氧氨氧化菌的影响Fig.2 Effects of a pulsed electric field on the Anammox bacteria

一般来说，所有的生物体都有磁性，外加磁场及生物体内的特殊磁场都会对生物体的组织和代谢产生影响，这种现象被称为磁生物效应〔51〕。早在20 世纪60 年代，磁生物效应就引起了研究者的广泛关注并被应用于废水生物处理。Sitong LIU等〔52〕通过批次实验证明了外加磁场对厌氧氨氧化菌活性有促进作用，磁感应强度在16.8～95.0 mT 可提高厌氧氨氧化菌的生物活性，磁感应强度为75.0 mT 时微生物活性提升最大，相比无外加磁场的对照组，厌氧氨氧化活性提升了50%。研究还表明，经过长期的磁场作用，厌氧氨氧化菌群结构发生了显著变化，Planctomycetes 菌在厌氧氨氧化菌群中的比例相对提高。然而过强的磁场（＞218 mT）会对厌氧氨氧化菌产生不可逆的抑制作用。因此磁场强度的选择对磁场在厌氧氨氧化工艺中的应用至关重要。磁生物效应与微生物细胞代谢、酶活性、细胞通透性等有关，但涉及到的具体生理作用尚不明确，尽管如此，外加磁场仍不失为一种强化厌氧氨氧化工艺脱氮的潜在方法。

3.3 超声波对厌氧氨氧化脱氮性能的影响

低频（10～60 kHz）超声波对微生物有多种影响。低强度超声处理后，厌氧氨氧化菌的酶活性和细胞膜通透性明显增强，厌氧氨氧化活性提高，进而脱氮性能被提高。Guangming ZHANG 等〔53〕研究发现经25 kHz、0.2 W/cm2的超声辐射30 s 后，污泥活性提高了28%，生物质生长速率和脱氮效率均有显著提高。Xiumei DUAN 等〔54〕考察了低强度超声对厌氧氨氧化微生物群落脱氮性能的影响，发现采用25 kHz、0.3 W/cm2的超声辐射4 min 后，反应器总氮去除率提高了25.5%，这一现象能够维持6 d。Jinjin YU等〔55〕在室温下将反应器暴露于0.7 W/cm2的超声环境1.9 min 后，活性污泥脱氢酶活性显著提高61%，证实超声波在一定条件下可以提高污泥活性。这表明在室温环境下可以通过低强度的超声处理实现厌氧氨氧化反应器稳定高效地运行。定量的超声辐射可以刺激厌氧氨氧化菌分泌更多的EPS，有利于保护污泥活性免受不利环境的抑制〔56〕。此外，Zhengzhe ZHANG 等〔57〕还发现定期的超声辐射有助于加速厌氧氨氧化污泥从过量的Cu2+抑制中快速恢复活性。然而高强度的超声辐射会使蛋白质改性从而抑制微生物的活性。