高氨氮废水中典型污染物影响Anammox的研究进展

苏德欣，吴莉娜，苏柏懿，贾春芳

(1.北京建筑大学 城市雨水系统与水环境教育部重点实验室，北京 100044；2.北京建筑大学 环境与能源工程学院，北京 100044)

1 高氨氮废水的来源及其水质特征

表1列举了一些常见的高氨氮废水的来源及水质特征。可以看出，高氨氮废水的来源主要包括垃圾渗滤液、污泥消化液、养殖废水、食品加工废水和工业废水(制药、化工、印染和冶金等)。例如垃圾渗滤液中的氨氮浓度可达到500～3 000 mg/L，而且随着填埋时间的增加，氨氮的浓度也增加[5]。除了含有大量氨氮，高氨氮废水中还含有多种污染物，其中典型的污染物有抗生素、芳香族化合物、盐度和重金属等。例如，生猪养殖废水和制药废水中的抗生素浓度分别达到了6.5,0.3 mg/L[6-7]，焦化、石化和印染废水中均含有芳香族化合物[8-10]，垃圾渗滤液、养殖废水和冶金废水含有重金属[5-6,11]，榨菜废水含有很高的盐度[12]。

表1 高氨氮废水的水质特征

高氨氮废水含有多种典型污染物，这些污染物具有生物毒性作用。因此，有必要研究各种典型污染物对Anammox的影响，包括其单一或协同的影响、抑制的浓度限值等。

2 典型污染物对Anammox的影响

2.1 抗生素

AnAOB对抗生素的适应性和抗性表现为耐受基因、抗性基因(ARG)和EPS的增加。Zhang等[18]发现Anammox可耐受50 mg/L的链霉素(STM)，CandidatusKuenenia进行选择性培养；受3 mg/L 的螺旋霉素(SPM)抑制明显，CandidatusKuenenia丰度降低；共现网络分析表明，Anammox对STM的耐受是由于多个耐受基因(aadA，aadB和aph3ib)协同作用的结果。Shi等[19]发现2 mg/L OTC使Anammox的脱氮性能在3周内几乎丧失，Anammox活性和血红素C含量也分别降低81.3%和50.1%；在此OTC浓度下，协助细胞将抗生素从体内排出的外排泵基因(tetA、tetB和tetC)被检测到，tetA 的丰度增加了1.43倍，tetB和tetC均增加了1倍。Fu等[20]发现0.1 mg/L ERY、5.0 mg/L SMX和0.1 mg/L TC联合使系统的NRE在12 d后由97.2%降至60.7%，将进水氮负荷降低50%恢复NRE后，即便ERY、SMX和TC提升至1.0，15.0和1.0 mg/L后，系统仍运行平稳；此时，抗性基因和EPS均增加，其中ereA,sul1,tetC和tetG四种基因的丰度以及EPS分别为初始值的1.7，4.3，2.0，8.3和2.5倍。

2.2 芳香族化合物

以苯及其衍生物为代表的芳香族化合物广泛地存在于焦化、石化和印染等行业的废水中，20～250 mg/L 苯酚就能在短期抑制Anammox[21]，所以芳香族化合物是制约Anammox的瓶颈之一。

不同种类的芳香族化合物单独和联合抑制作用有很大差异。Peng等[29]发现苯、甲苯、苯酚、苯甲酸酯的抑制作用依次减小，苯分别与甲苯、苯酚、苯甲酸酯双组分组合时是抑制相加，苯、甲苯和苯酚三组分组合时是抑制部分相加，四组分是抑制协同。

2.3 盐度

盐度来源于食品加工废水(海产品加工、榨菜加工)、垃圾渗滤液等，低盐度促进Anammox，高盐度抑制Anammox。4 g/L盐度时，总氮去除负荷达到0.340 kg/m3/d，是无盐度的2倍以上[30]；5～10 g/L盐度时，AnAOB的活性随着盐度的增加而下降[31]；盐度由10 g/L增至15 g/L的初始阶段，系统稳定性极差，出水的氮浓度高度波动且不断恶化[32]；当盐度超过15 g/L时，AnAOB失活[31]。高盐度下，生物质细胞三磷酸腺苷的减少导致AnAOB失活[33]，此时异养细菌占据主导地位[34]。在高盐度下，反应时间对Anammox过程起关键作用。齐泮晴等[35]认为Anammox受到盐度抑制后，经过敏感期、过渡稳定期和恢复期仍可达到稳定。Jeong等[34]发现经过264 d盐度逐渐增加至25.0 g/L后，系统的总氮去除率(TNRR)仍可达到85%。

此外，也有研究表明，盐度对“部分硝化-Anammox”工艺的运行有影响。1.35%的盐度对工艺的刺激最大，此时TNRR为1.1 kg/m3/d ；盐度升高到2.4%时，TNRR下降到60%，氨氧化细菌(AOB)和AnAOB的活性均受到抑制；然而，脱氮性能在盐度降至0.11%时又迅速恢复[36]。另外还有盐度和重金属联合影响的研究。Wu等[37]发现Anammox可适应低于0.2 mg/L Ni(II)和20 g/L NaCl，运行大约70 d后，NRE达到77.1%。

在不同盐度下，功能微生物的群落结构和丰度发生了相应的变化。CandidatusKuenenia 比CandidatusBrocadia 更适合高盐废水[36]，当盐度在0.5%～2.0%的变化过程中，CandidatusKuenenia的相对丰度从3.96% 增加到 83.41%[38]。Guo等[39]发现盐度<2.5%时可以实现稳定的脱氮，主要功能微生物来自Nitrosomonas属和Kuenenia属。而Jeong等[34]认为在0～27.5 g/L NaCl的范围内，CandidatusJettenia sp.是耐盐AnAOB的优势种，在10～27.5 g/L NaCl的范围内，CandidatusJettenia sp.的相对丰度大于CandidatusKuenenia的相对丰度。王晗等[40]发现在盐度由15 g/L提高至30 g/L时，AnAOB的丰度也由20.90%提高至35.87%。

盐度对Anammox的影响还表现在污泥上。一是污泥的表面特征。Zhang等[41]发现在15，30 g/L NaCl 盐度下，Anammox颗粒的粒径从(2.85±0.20)mm分别减小到(2.17±0.13)mm和(1.75±0.17)mm，污泥聚集指数从(21.3±1.5)%分别减少到(14.6±0.8)%和(7.1±0.9)%。二是EPS的含量、组分和表面基团。张倩等[42]发现当盐度从0升至15 g/L时，为了降低不利影响，EPS由 8 mg/g VSS递增至13.35 mg/gVSS，超过80%是紧密型EPS，蛋白质的部分是由芳香族蛋白类物质与色氨酸蛋白类物质组成。Xing等[43]发现当反应器受到13,18 g/L盐度冲击时，EPS的量分别从58.9，57.2 mg/g VSS降至37.1，49.1 mg/g VSS。Zhang等[41]发现在15，30 g/L NaCl 盐度下，胞外蛋白与胞外多糖的比从8.8分别降至6.2和4.2，且盐度的增加会改变表面基团降低污泥疏水性。

2.4 重金属

重金属是一类严重的污染物，广泛地存在于垃圾渗滤液、冶金废水和养殖废水中。常见的重金属包括铜、铬、镉、镍、铅等，对生物有毒性作用，降低微生物的活性，抑制微生物的生长[44]。

不同重金属的抑制作用不同。Río等[45]发现，Cu2+、Cr2+、Pb2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+和Mn2+对AnAOB的半抑制浓度(IC50)分别为19.3，26.9，45.6，59.1，69.2，174.6和175.8 mg/L。重金属的影响程度与其浓度、暴露时间和形态有关。Wu等[46]发现Ni2+对Anammox的IC50是14.6 mg/L，但经过150 d的驯化，暴露在10 mg/L的Ni2+下，系统的脱氮效率仍高达(93±0.03)%。Jiang等[44]发现Cr6+对Anammox的IC50是296.5 mg/L，当暴露在低于60 mg/L的Cr6+中，松散和紧密结合的EPS吸收了93.9%的Cr6+。孙琪等[47]发现1 mg/L Ni2+短期内促进Anammox，与未投加Ni2+相比，活性提高11.14%；而100 mg/L高浓度Ni2+抑制Anammox。Aktan等[48]发现可溶型、细胞内、细胞结合型、表面结合型和自由离子型的镍对Anammox的IC50分别是5.99，0.250，0.930，0.680，1.36 mg/L 。

重金属对AnAOB的影响表现在群落组成、表面特征及EPS等。Wu等[46]发现当Ni2+从0增加到10 mg/L时，Anammox污泥的沉降速度、比Anammox活性和EPS含量均下降，CandidatusKuenenia的相对丰度下降21.44%。Aktan等[48]发现受Zn2+和Ni2+的胁迫后，CandidatusKuenenia占整个浮游菌群的近90%，而CandidatusBrocadia的检出率仅3%。

2.5 其他

3 Anammox技术处理实际的高氨氮废水

4 展望

Anammox用于处理高氨氮废水将大大降低处理成本，而一个关键的问题就在于典型污染物的影响。虽然已有大量的抗生素、芳香族化合物、盐度、重金属等影响Anammox的研究，但仍需要完善。首先是各种典型污染物对Anammox的单一和协同的影响；其次是实际废水对Anammox的影响研究，尤其是水质水量波动大的废水；第三是典型污染物对Anammox与其他技术组合工艺的影响研究，比如“短程硝化-Anammox”工艺。这些研究的完善将极大地推进Anammox在高氨氮废水处理领域的应用。