厭氧氨氧化（Anammox）工藝因無需外加有機(jī)碳源，污泥產(chǎn)量低，運行成本低、脫氮效率高等優(yōu)點，適用于處理低碳氮比的高氨氮廢水。而實際廢水中含有濃度和種類不同的有機(jī)物，通常認(rèn)為有機(jī)物的存在會對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，厭氧氨氧化污泥顆粒化可以最大程度持留微生物量，強(qiáng)化功能菌的增殖，并在一定程度上緩解環(huán)境變化導(dǎo)致的脫氮效率下降，是解決這一問題的有效途徑。然而如何通過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(tǒng)的抗有機(jī)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展了如下研究：①不同濃度有機(jī)物長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(jié)構(gòu)的影響；②生物炭介導(dǎo)下有機(jī)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(yīng)用提供參考。

研究1：不同濃度有機(jī)物長期脅迫對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響

反應(yīng)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 %，說明低濃度的有機(jī)物(50 mg/L)通過使厭氧氨氧化菌和異養(yǎng)反硝化菌之間形成穩(wěn)定的協(xié)同作用提高了總氮的去除率（見圖1）。而有機(jī)物濃度為150 mg/L和200 mg/L時顆粒污泥的平均粒徑出現(xiàn)先增長后下降的趨勢，且顆粒污泥的SVI值升高，沉降性能變差（見圖2）。通過SEM觀察顆粒污泥的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)顆粒污泥表面有明顯的裂痕，推測有機(jī)物濃度超過150 mg/L時，長期脅迫下會造成顆粒污泥的解體。當(dāng)有機(jī)物濃度超過50 mg/L時厭氧氨氧化顆粒污泥的優(yōu)勢門由Chloroflexi變?yōu)镻roteobacteria。此外有機(jī)物長期脅迫下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(jī)物濃度下厭氧氨氧化顆粒污泥的脫氮性能

圖2 不同有機(jī)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(dǎo)下有機(jī)物對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響

課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，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(jī)物對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響。研究發(fā)現(xiàn)，運行120天后，在不添加竹炭條件下，隨著COD的濃度增加，氨氮的去除效率逐漸降低。當(dāng)COD濃度為50、100和150 mg?L-1時，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(dāng)COD濃度為50、100和150 mg?L-1時，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(yīng)器對TN的去除率提高3.1~6.4 %（見圖3）。

圖3生物炭介導(dǎo)下有機(jī)物對厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮的影響過程

投加竹炭對厭氧氨氧化顆粒污泥的理化性質(zhì)也造成顯著的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著COD濃度的增加，EPS逐漸減小，過量的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，加竹炭時的EPS比不加竹炭時要高。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（見圖4）。研究也發(fā)現(xiàn)，投加竹炭可使顆粒污泥表面結(jié)構(gòu)更致密，有機(jī)碳源脅迫下可維持完整。竹炭孔隙內(nèi)附著大量的污泥，為功能微生物的寄居、生長和繁殖提供舒適的環(huán)境。

圖4 生物炭介導(dǎo)下有機(jī)物對厭氧氨氧化顆粒污泥理化性質(zhì)的影響

利用 R 語言的 igraph 包和 Hmisc 包對反應(yīng)器污泥樣品相對豐度前 300 的屬進(jìn)行相關(guān)性系數(shù)的計算，生成微生物共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)圖（見圖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(jù)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(hù)微生物細(xì)胞受極端環(huán)境脅迫同時被儲存在胞內(nèi)作為緩釋碳源。較一般的異養(yǎng)反硝化菌而言，Halomonas不易被環(huán)境擾動從而碳代謝更加穩(wěn)定，這可能是Candidatus Brocadia、Candidatus Jettenia的相對豐度在有機(jī)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(dá)熱圖所示，當(dāng)C/N比為0.28和0.83時竹炭促進(jìn)了hdh和hzsABC基因的表達(dá)，然而C/N為0.56時的結(jié)果卻與之相反。

圖6 氮代謝功能基因表達(dá)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(shù)生物所共有的糖分解代謝途徑，因此有必要對兩個通路的功能基因進(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(xù)的酶促反應(yīng)，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，三個反應(yīng)均為不可逆反應(yīng)。當(dāng)C/N比為0.28和0.83時，竹炭的投加顯著促進(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(dá)，而C/N為0.56時glk和PFK在炭處理下是下調(diào)的。此外，TCA循環(huán)也受到一系列酶的調(diào)控，其中丙酮酸脫氫酶系(丙酮酸脫氫酶E1，二氫硫辛酰轉(zhuǎn)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過程是連接EMP和TCA的中心環(huán)節(jié)(不可逆)。丙酮酸脫氫酶系是一個位于線粒體內(nèi)膜上的多酶復(fù)合體，涉及aceE、DLAT和DLD三個功能基因，不同有機(jī)物濃度下三個功能基因的表達(dá)量均表現(xiàn)為加炭處理組大于對照組，說明竹炭有效促進(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(dá)熱圖和三羧酸循環(huán)途徑功能基因代謝熱圖

小結(jié)與展望

有機(jī)物對厭氧氨氧化的影響是一個老生常談但又歷久彌新的研究焦點，也是厭氧氨氧化工藝工程應(yīng)用過程中無可規(guī)避的現(xiàn)實問題。本研究探明了不同濃度有機(jī)物對厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮效能和微觀結(jié)構(gòu)特性的影響，探索了外加介體材料（如生物炭）對緩解有機(jī)物抑制作用的過程特性及工作機(jī)制。研究結(jié)果將為厭氧氨氧化顆粒污泥的工程化應(yīng)用提供一定的借鑒意義。

作者簡介

陳重軍，蘇州科技大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師2012年博士畢業(yè)于浙江大學(xué)，現(xiàn)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(lán)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2000次，合作編著江蘇省重點教材2部，授權(quán)國家專利15項。兼任中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會青年工作者委員會委員、江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會青年工作委員會委員、《中國給水排水》、《工業(yè)水處理》青年編委。

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