磁场强化厌氧氨氧化及其运行特性研究

胡雪松，王宇佳，张金铭，谢元杜

磁场强化厌氧氨氧化及其运行特性研究

胡雪松，王宇佳，张金铭，谢元杜

（ 沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168）

施加磁场可以有效提高厌氧污水处理效率，为了探究磁作用对生物脱氮性能的影响，将Fe3O4纳米粒子作为磁源与水性聚氨酯（WPU）和热塑性树脂（FRTP）混合得到复合材料，对磁性复合材料进行表征及磁性能研究，采用接种储存4个月厌氧氨氧化污泥进行启动及运行，通过对照组AR1和内加磁性复合材料AR2长达89天运行状况对比分析磁场强化作用的差异。结果表明，WPU/10% Fe3O4在3.53 mT时脱氮效果最佳，AR2反应器NRR达到14.80 kg-N/(m3·d)，较AR1提高40.8%，Candidatus Kuenenia作为主要厌氧氨氧化菌在AR1和AR2相对丰度达到8.65%和10.70%。

厌氧氨氧化；磁强化；生物脱氮；磁性复合材料；微生物群落组成

磁场强化微生物技术是近年来发展的新兴技术，微生物磁效应在生物废水处理的研究中充当重要角色[1]。对反应装置施加磁场，在磁场环境下微生物会发生改变。在磁场强度较低时，微生物细胞膜产生变化，提高质量转移的效率，微生物的代谢能力进而增强；在磁场强度比较高时，新陈代谢会因离子和蛋白质相连接的键断开而中断，磁场作用下，酶活变化也间接对微生物的代谢能力产生影响。不同磁场强度对微生物的影响不同，不同的微生物受到磁场影响的敏感度也存在差异[2]。

为探究磁作用对微生物脱氮性能的影响，本实验选择Fe3O4纳米粒子作为磁源，并选取水性聚氨酯（WPU）和热塑性树脂（FRTP）分别与磁源进行混合，制备成磁性复合材料，向反应器内部进行投加。内加磁场方式便于磁性复合材料在反应器中均匀分布形成均匀磁场，同时磁性复合材料的制备有利于Anammox微生物和磁性复合材料的分离、储存。采用对照试验，对磁场强化厌氧氨氧化工艺进行探索研究，筛选合适的磁性颗粒，分析磁作用对微生物脱氮的影响，以期为磁强化厌氧氨氧化工艺应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行条件

本实验Anammox反应装置采用安装搅拌装置的CSTR反应器，实际反应容积约为2.0 L，内径120 mm，有效反应区高径比约为1.5∶1。运行过程中采用连续流进水方式，水流自反应器底部逐渐上升经过三相分离器实现污泥、水和产气的分离，同时设置集氮气袋以补充进水箱中气压保持平衡。反应器设有水浴夹层，恒温水浴锅连接进行循环进出水，温度稳定在(35±1) ℃。保证反应器运行阶段避免光照，采用黑布将其包裹，出水管尾部采用尼龙过滤袋进行溢出污泥收集，手动将污泥回流至反应装置中，实验装置如图1所示。

图1 厌氧氨氧化装置示意图

1.2 接种污泥和试验用水

接种污泥取自储存4 ℃冰箱中冷藏4个月的成熟厌氧氨氧化污泥，表观为黑色絮状及部分颗粒污泥，有臭味。储存之前污泥氮容积负荷（NLR）和氮容积去除负荷（NRR）分别为8.05 kg-N/(m3·d)和7.57 kg-N/(m3·d)，呈红色颗粒状，MLSS为6.81 g/L。接种前，使用浓度为0.125 g/L的KH2PO4溶液对储存污泥进行冲洗，过筛研磨后再用蒸馏水进行清洗，最后按比例将泥水混合物转移至反应器。

采用人工配制模拟废水进行厌氧氨氧化及强化工艺研究，具体模拟废水组成见表1。运行前在水箱中进行高纯氮气曝气除氧，使水中溶解氧达到0.5 mg/L以下，并且配合使用20%的稀H2SO4溶液调节进水pH值至7.0～7.5，完成后开启进水。

表1 人工模拟废水组成

1.3 磁性复合材料的制备

将Fe3O4纳米粒子按照一定质量分数加入水性聚氨酯（WPU）中混合均匀，制成无气泡、边长为1 cm的立方体，烘箱105 ℃、5 h后得到WPU/2% Fe3O4和WPU/10% Fe3O4。取一定质量热塑性树脂加热软化，加入一定质量Fe3O4混合均匀，快速倒入1 cm×1 cm×1 cm模具中，压实，冷却后得到FRTP/10% Fe3O4。

1.4 检测项目及分析方法

1.4.1 常规水质

采用国家标准方法对水样进行检测[3]：纳氏试剂分光光度法测定氨态氮，N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定亚硝态氮，紫外分光光度法测定硝态氮，干燥减重法测定MLSS，DO采用溶解氧仪。

1.4.2 性能测试

热稳定性（TGA/DSC3+）：室温—600 ℃，升温速度10°C/min，气氛为N2；振动样品磁强计（lakeshore7407）；静态力学分析（Instron 3367）：拉伸速度100 mm/min；红外光谱（FT-IR Frontier）：测量范围525～4 000 cm-1，扫描32次，分辨率参数4 cm-1。

1.4.3 微生物群落检测

在NovaSeq测序平台上使用PE250双端测序策略进行了微生物群落组份分析，以在illumina NovaSeq测序平台上根据放大区域和双端测序的特点建立小片段文库。实验流程如下：

图2 检测流程

2 结果与分析

2.1 磁性复合材料表征及性能分析

2.1.1 热稳定性（TG-DSC）分析

图3为复合材料的热重分析图。

图3 三种复合材料的TG-DSC图

（a）和（b）在261～412 ℃处于失重阶段，硬段链在260～340 ℃先分解，软段链在340～410 ℃再分解[6]。失重率分别39.9%和36.6%，说明Fe3O4重量百分比相对较大情况下对热失重存在耐受作用， 聚氨酯在与Fe3O4混合制备及加热烘干阶段会使其表面带有氨基，对Fe3O4在体系中的分散性进行改善，此过程提高氨基和铁离子的交联度，相对纯水性聚氨酯提高热稳定性。（c）在275～395 ℃为失重阶段，失重率为63.4%，FRTP大分子链为线型结构，这种特性使其受热后会易发生熔化。

根据差示扫描量热法（DSC）分析，曲线出现波峰时，材料发生吸热分解反应，（a）和（b）在255 ℃和317 ℃出现波峰，证明热稳定性好，（c）在55 ℃出现吸热分解峰，再次印证其受热软化、冷却硬化的特点，三种复合材料分别在322 ℃、410 ℃和362 ℃出现熔点（Tm）峰值。通过DSC曲线中可以发现（a）和（b）呈半结晶态，（c）呈现结晶态。说明水性聚氨酯复合材料随着Fe3O4纳米粒子添加量的增加热损失越减弱；在质量分数相同的情况下，热稳定性能WPU优于FRTP。

2.1.2 振动样品磁强计（VSM）分析

图4为复合材料的磁滞回线图。三种复合材料呈现超顺磁性，矫顽力和剩磁基本为零，基于纯Fe3O4纳米粒子特性，证明复合材料能够发挥磁性能。

图4 三种复合材料的VSM图

（a）和（b）的磁饱和度分别为6.9 emu/g和23.7 emu/g，说明添加不同含量的Fe3O4纳米粒子对复合材料的磁饱和强度存在明显差异，饱和磁化强度与Fe3O4纳米粒子添加量成正比，与宋蒙蒙[7]在添加不同质量分数mCS/ Fe3O4时发现添加量与磁饱和强度成正比的结果相似。（c）复合材料的磁饱和度为12.2 emu/g，在相同Fe3O4纳米粒子添加量的情况下磁饱和强度明显小于（b），说明FRTP在冷却定型后对Fe3O4封闭性较大，相较WPU抑制了磁强度。

2.1.3 机械强度分析

表2表示三种复合材料的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率数值。Fe3O4纳米粒子混合WPU和FRTP后，改变了材料的力学性能，（b）相较于（a）拉伸强度由18.1 MPa降到15.3 MPa，但断裂伸长率和杨氏模量均发生降低，（c）拉伸强度和杨氏模量分别为23.4 MPa和203.4 MPa，优于WPU/ Fe3O4材料。主链化学键力是影响分子材料的关键，同时聚合物强度也受分子链间作用力决定；FRTP交联密度程度高，能够在外力作用下产生较大形变，由于与Fe3O4为物理混合，致使断裂伸长率降低。根据陈苏莉[8]和宋蒙蒙[7]制备复合材料进行力学分析，混合Fe3O4后拉伸强度会高于纯聚氨酯，同时存在复合材料的拉伸强度会随着磁粉添加量增加而提高，达到某一添加量后，拉伸强度出现降低。因为Fe3O4作为刚性粒子，所以磁粉添加导致断裂伸长率以及复合材料柔韧性降低。

表2 复合材料的机械性能测试

2.1.4 密度分析

根据国家标准《化工产品密度、相对密度测定通则》（GB 4472—84），采用电子分析天平称量三种样品平均质量，通过放置量筒内观察液体体积的变化，反复测量5次取平均值。

表3 复合材料的密度

根据表3测量结果可知，三种复合材料密度均大于水溶液密度，在液体中静置后发生沉降情况，WPU/ Fe3O4复合材料沉降速率明显大于FRTP/ Fe3O4，在模拟反应器运行过程中搅拌装置无法使其悬浮于液体中；两种WPU/Fe3O4因在制备时烘干过程中，材料内部产生气泡，由于表面密封性良好，形成大小不一的孔洞，故密度较小更接近于水。

2.1.5 红外光谱（FTIR）分析

三种样品中均在582 cm-1出现Fe3O4的Fe-O的特征伸缩振动峰，证明Fe3O4纳米粒子制备纯度较高，并且在复合材料中可以完全发挥作用，不会被水性聚氨酯和热塑性树脂材料掩蔽。

2.2 复合材料的磁性能研究

2.2.1 复合材料充磁时间的研究

Fe3O4纳米粒子自身具有微磁性，需要对磁性复合材料进行充磁来提升磁感应强度。采用充磁机对不同复合材料进行充磁，探究不同充磁时间对磁感应强度的影响。具体操作如下：取三种复合材料各一个样品，以1 min为间隔控制充磁时间在1～10 min范围内逐渐增加，采用高斯计多次多方位测量取平均值确定其磁感应强度大小，结果如图5所示。

图5 充磁时间对三种复合材料磁感应强度的影响

图6 三种复合材料投加量对磁感应强度的影响

三种复合材料随着充磁时间推移磁感应强度逐渐增加，达到磁饱和后，磁感应强度不再增加在饱和强度维持稳定，在充磁条件相同情况下，三种磁性复合材料均在6 min左右达到磁饱和，（b）磁感应强度最大，从未充磁时复合材料自身微磁性0.07 mT到1.72 mT；（a）和（c）最大磁感应强度较小，分别从0.05 mT提升到0.43 mT和0.07mT提升到1.25 mT。

2.2.2 复合材料投加量的研究

对三种复合材料充磁6 min，在10～100 g范围内以10 g为梯度分别称取磁性复合材料，采用相同测量方法进行磁感应强度测量，磁感应强度随着投加量增加先提高后趋于稳定。如图6所示，（a）～（c）磁感应强度分别在80 g达到0.89 mT、60 g达到3.53 mT和40 g达到2.76 mT，（b）的磁感应强度变化程度最大。这是由于磁性复合材料各表面之间不同N-S极会有相互作用，异性磁极相对时，会提升其磁感应强度；同性磁极相对时无明显变化。磁性材料投加量越多，磁感应强度产生累加使其相互作用越强，磁感应强度也会随之升高。但是由于磁性复合材料之间的相互作用是有限的，当相互作用达到峰值时，磁感应强度就趋于最大值稳定不变。

2.2.3 复合材料磁衰退的研究

在磁性复合材料磁性能探究时发现应用过程中材料的磁感应强度会随着时间推移而衰退，结果如图7所示，三种磁性复合材料在运行的前期均可维持稳定的磁感应强度，在使用7 d左右发生磁性衰退现象，（a）在磁饱和强度较低基础下衰退情况比较严重，其磁感应强度衰退到充磁前的微磁状态；（b）和（c）的磁衰退发生时间较（a）晚（10天左右），衰退程度也比较缓慢。再次充磁后可以达到磁感应强度峰值，故在应用过程中需要对磁性复合材料反复充磁或者更换以保证反应器中磁感应强度。

图7 三种复合材料磁衰退情况

在试验中发现磁性复合材料在干燥空气中和液体中磁感应强度不同，B液体＜B空气，毛志[9]等研究磁粒在液相中颗粒运动剧烈程度减弱，湿颗粒形成链对颗粒运动产生明显阻碍。Tang[10]认为液体桥力对致密区颗粒的流动行为有很大的影响，颗粒的水动力学特性不同。

2.3 磁作用下反应器运行过程的脱氮性能分析

2.3.1 磁场分布规律及最佳磁感应强度的探究

对不同添加量磁性复合材料对氮素去除情况行考察，根据复合材料投加量的研究，投加量确定为20 g、40 g和60 g，产生磁感应强度为2.56 mT、3.26 mT和3.53 mT，以投加量0 g为对照组。图8为不同磁感应强度条件下氨氮和亚硝氮去除率。

7 h之前各组试验中去除效果无明显差异，微生物置于磁场环境下需要一段适应时间，在其作用效果出现后各组试验氮素去除率出现差别。不同磁感应强度强化作用下强度增加氨氮和亚硝氮去除率呈现差异，磁感应强度3.53 mT在7 h之后作去除效果逐渐超过其他组份，氨氮和亚硝氮去除率分别达到88%和92%。

图8 不同磁感应强度作用下出水氨氮和亚硝氮去除率变化情况

2.3.2 反应器脱氮性能分析

对照组未添加磁场AR1反应器和内加磁性复合材料AR2反应器均运行89天，根据试验过程中氮素浓度变化分为两个阶段：启动阶段分别在1～25 d和1～20 d，氮素负荷提高阶段分别在26～89 d和21～89 d。运行过程氮化合物浓度变化情况如图9所示。

图9 AR1和AR2进出水氮素浓度及底物的去除率随时间的变化

图10 AR1和AR2总氮浓度及去除率随时间变化情况

在启动阶段，按照人工模拟废水组成配制进水，进水氨氮和亚硝氮浓度分别设置为50 mg/L和60 mg/L。启动初期两个反应器氨氮和亚硝氮基本无去除，第5 d开始，逐渐检测出存在一定去除效果，总氮去除量和NRR逐渐增长，反应器启动初期，体系内生物量较低，对氨氮的耐冲击能力较低，总体上没有氮素的去除，在此阶段，无明显的NO3--N积累。AR1和AR2分别在17 d和13 d由于氮素浓度提高造成反应器出现抑制，脱氮性能下降且产生波动幅度较大，恢复进水负荷缓解基质抑制情况。

在负荷提升阶段，反应器脱氮效果明显TN去除率可以随着进水氮素浓度增加而增长，AR1反应器TN去除率始终在80%～86%范围内浮动，此时AR2反应器TN去除率始终在85%以上，去除效果稳定高效。第31天AR1将水力停留时间（HRT）从4.44 h调整为2.83 h，去除效果没有发生波动，此时NRR从1.87 kg-N/(m3·d)提高到2.51 kg-N/(m3·d)。检测出水水质指标发现氨氮和亚硝氮浓度降到10 mg/L以下，开始提升进水负荷继续运行。AR2在将HRT调整3.53 h减缓进水负荷后将为2.63 h继续运行，在33 d时出现脱氮效果下降情况。总氮去除率仅有63.26%，NRR降低至0.90 kg-N/(m3·d)，将进水浓度下调至启动恢复浓度范围及时解除高浓度导致的抑制发生。两个反应器在运行末期进水氨氮浓度分别提升到288.67 mg/L和367.48 mg/L，进水亚硝氮浓度分别提升到354.99 mg/L和422.81 mg/L，投加磁性复合材料磁场强化后氨氮和亚硝氮去除效果明显提升。根据厌氧氨氧化反应计量学关系，AR1生成硝氮浓度略低于理论生成量，说明在运行过程中出现了反硝化反应，推测微生物在进水浓度逐渐稳定提高情况下快速生长，期间产生了有机物小分子被异养反硝化菌利用形成微弱作用。

两个反应器在76 d将HTR分别调整为1.65 h和1.43 h，氮容积去除负荷此时分别达到8.87 kg-N/(m3·d)和10.65 kg-N/(m3·d)，由于厌氧氨氧化菌倍增速率缓慢，微生物要与废水充分接触，足够的处理时间内既可以对污染物最大程度去除，也可以促进细菌繁殖生长。经过89天运行AR1和AR2氮容积去除负荷分别达到9.78 kg-N/(m3·d)和14.80 kg-N/(m3·d)，AR2较AR1提高了51.3%，AR2总氮去除浓度达到988.83 mg/L，出水水质波动较低。

图11 AR1和AR2氮容积负荷、氮容积去除负荷及水力停留时间随时间变化情况

2.4 微生物群落组成

ASVs提高了标记基因数据分析的准确性、全面性和可重复性。通过韦恩分析不同样本（组）之间共有、特有的ASVs，如图所示，接种污泥分别和两组反应器污泥样品共有ASVs数量分别为51和28，三组样品共有ASVs数量为123个，特有ASVs数量则分别为138、81和66；通过反应器稳定培养，AR1和AR2共有ASVs数量为23。

接种污泥、AR1和AR2三组样品污泥在门水平下变形菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、酸杆菌门、浮霉菌门、粘球菌门和NB1-j相对丰度大于1%，变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、浮霉菌门（Planctomycetes）以及拟杆菌门（Bacteroidetes）构成了磁强化厌氧氨氧化工艺的核心菌群，变形菌门在3个样品中均是丰度最高的门菌种，在反应器运行后发生略微降低，浮霉菌门在运行过程中增长幅度明显，运行后污泥丰富度和群落多样性出现不同程度降低，期间主要菌种丰度增长，衰老死亡细胞由于生存环境难以恢复逐渐被淘洗。

图12 各样品ASVs韦恩分析

图13 各反应器属水平的微生物群落构成

变形菌门由革兰氏阴性菌构成，代谢方式多样化，外膜主要为脂多糖构成，在接种污泥和两个反应器中均是丰度最高的菌种，AR2样品变形菌门丰度稍有增加，说明系统内存在着反硝化菌。Denitratisoma是属水平中丰度最高， 在AR2中丰度超过50%，作为一种内源性反硝化菌常存在于厌氧污水处理系统中， Denitratisoma菌同时可降解衰亡微生物[11]。Wang D等[12]在厌氧氨氧化与反硝化耦合系统优势菌群中检测到Denitratisoma，通过网络分析证明在SAD系统内Denitratisoma与亚硝酸还原酶基因NirS和NirK呈正相关。在进水基质中无添加有机物的情况下，反硝化菌只能利用内源性有机物和分解衰亡细胞。

绿弯菌门在生长繁殖过程中易与丝状菌接触相互缠绕，形成聚合物结构，该结构作为中心促使污泥颗粒化，并且可以不断稳固颗粒结构[13]。g_RBG-13-54-9、g_A4b和g_SBR1031和属于绿湾菌门的Anaerolineae纲（厌氧绳菌纲）。绿弯菌门工业和生活污水处理中较为常见，作为厌氧菌是处理体系中重要组成部分[14]。此外，Zhao Y等[15]认为绿弯菌门对菌胶团聚集情况产生巨大影响，可以对蛋白质以及死亡微生物进行分解，在颗粒化过程中，绿弯菌门的丰度一直在增加。

浮霉菌门细胞结构特征十分独特，是厌氧氨氧化反应的主要菌种，其多为革兰氏阴性菌，Candidatus Brocadia与Candidatus Kuenenia常在淡水系统中出现，是未分类及正式命名的细菌，因其具有厌氧氨氧化作用被定义为厌氧氨氧化菌。Candidatus Kuenenia通常情况下在低浓度底物时期为优势菌属，而Candidatus Brocadia在底物浓度较高时占优势，Candidatus Kuenenia菌属能利用低浓度亚硝态氮，虽然对环境条件比较敏感，但承受高浓度亚硝态氮抑制的能力更强[16]。四组反应器中Candidatus Kuenenia菌属丰度比接种污泥都有提升，且AR2＞AR1，相对丰度增加大大提高厌氧氨氧化脱氮贡献率。

3 结 论

施加磁场可以有效提高厌氧污水处理效率，本研究制备磁性复合材料并对磁性复合材料进行表征及磁性能研究，并利用对照试验对比分析了内加磁场对厌氧氨氧化脱单性能分析，得出以下结论：

1）WPU/10% Fe3O4热稳定性较好，磁饱和强度最大，磁性衰退情况优于其他两种复合材料，且在反应器中搅拌情况下能够漂浮构造均匀磁场，综合分析选用WPU/10% Fe3O4作为探究磁场强化Anammox工艺的磁性复合材料。

2）在对比试验过程中经过89天成功启动AR1和AR2并稳定运行，AR1和AR2氮容积去除负荷分别达到9.78 kg-N/(m3·d)和14.80 kg-N/(m3·d)，AR2较AR1提高了51.3%，出水水质波动较低，AR2总氮去除浓度可以达到988.83 mg/L，在3.53 mT磁感应强度下添加磁场对厌氧氨氧化反应有明显的促进作用。

3）浮霉菌门作为厌氧氨氧化菌的主要菌门，AR2相对丰度优势明显，Candidatus Kuenenia在门水平下属一级相对丰度AR1和AR2分别达到9.3%和14.7%，磁场强化作用下促进了浮霉菌门的繁殖和生长。

本研究仍有待完善之处，首先是磁感应强度偏低，应进一步探究提高该复合材料磁饱和强度的方法。此外在采用模拟废水工艺稳定运行的情况下应考察其对实际应用的可行性。

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Study on Process Characteristics of Magnetic Field Enhanced Anaerobic Ammonia Oxidation

,,,

（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

The application of magnetic field can effectively improve the efficiency of anaerobic wastewater treatment. To investigate the effects of magnetic interactions on the performance of biological denitrification,Fe3O4nanoparticles were mixed with waterborne polyurethane ( WPU ) and thermoplastic resin ( FRTP ) as magnetic source to obtain composite materials. The characterization and magnetic properties of magnetic composite materials were studied. Anaerobic ammonia oxidation sludge was inoculated and stored for 4 months to start and run. The difference of magnetic field strengthening effect was compared and analyzed by the control group AR1 and the internal magnetic composite AR2 for 89 d. The results showed that when WPU/10% Fe3O4produced 3.53 mT, the denitrification effect was the best. The NRR of AR2 reactor reached 14.80 kg-N·(m3·d)-1, which was 40.8% higher than that of AR1. The relative abundances of Candidatus Kuenenia as the main anaerobic ammonium oxidizing bacteria in AR1 and AR2 reached 8.65% and 10.70% respectively.

ANAMMOX; Magnetic strengthening; Biological nitrogen removal; Magnetic composite materials; Microbial community composition

X703

A

1004-0935（2023）09-1275-08

2023-01-29

胡雪松（1997-），女，满族，硕士，辽宁省锦州市人，研究方向：污水生物脱氮。