論有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響
厭氧氨氧化（Anammox）工藝因無需外加有機碳源，污泥產量低，運行成本低、脫氮效率高等優點，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物，通常認為有機物的存在會對厭氧氨氧化菌產生負面影響。此外，厭氧氨氧化污泥顆粒化可以最大程度持留微生物量，強化功能菌的增殖，并在一定程度上緩解環境變化導致的脫氮效率下降，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的抗有機物干擾能力顯得尤為必要。
對此，蘇州科技大學陳重軍副教授課題組開展了如下研究：①不同濃度有機物長期脅迫對厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮效能、理化性質和微生物群落結構的影響；②生物炭介導下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥的脫氮性能、理化性質和脫氮除碳代謝途徑的影響。相關研究成果發表于Journal of Cleaner Production、Journal of Environmental Science和《中國環境科學》，以期為厭氧氨氧化顆粒污泥的研究和工程應用提供參考。
研究1：不同濃度有機物長期脅迫對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響
反應器運行效能如圖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 %，說明低濃度的有機物(50 mg/L)通過使厭氧氨氧化菌和異養反硝化菌之間形成穩定的協同作用提高了總氮的去除率（見圖1）。而有機物濃度為150 mg/L和200 mg/L時顆粒污泥的平均粒徑出現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構發現顆粒污泥表面有明顯的裂痕，推測有機物濃度超過150 mg/L時，長期脅迫下會造成顆粒污泥的解體。當有機物濃度超過50 mg/L時厭氧氨氧化顆粒污泥的優勢門由Chloroflexi變為Proteobacteria。此外有機物長期脅迫下Candidatus Brocadia替代Candidatus Kuenenia成為厭氧氨氧化菌的優勢屬。
圖1 不同有機物濃度下厭氧氨氧化顆粒污泥的脫氮性能
圖2 不同有機物濃度下厭氧氨氧化顆粒污泥的理化性質
研究2：生物炭介導下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響
課題組前期研究發現，生物炭存在條件下可以促進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物對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響。研究發現，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 %，添加竹炭的反應器對TN的去除率提高3.1~6.4 %（見圖3）。
圖3生物炭介導下有機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也造成顯著的影響，研究發現，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）。研究也發現，投加竹炭可使顆粒污泥表面結構更致密，有機碳源脅迫下可維持完整。竹炭孔隙內附著大量的污泥，為功能微生物的寄居、生長和繁殖提供舒適的環境。
圖4 生物炭介導下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥理化性質的影響
利用 R 語言的 igraph 包和 Hmisc 包對反應器污泥樣品相對豐度前 300 的屬進行相關性系數的計算，生成微生物共現性網絡圖（見圖5）。厭氧氨氧化菌優勢菌屬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。據報道Halomonas是一種中度嗜鹽菌，具有反硝化作用，可以產聚羥基丁酸酯(poly hydroxyalkanoates, PHA)，而PHA可以保護微生物細胞受極端環境脅迫同時被儲存在胞內作為緩釋碳源。較一般的異養反硝化菌而言，Halomonas不易被環境擾動從而碳代謝更加穩定，這可能是Candidatus Brocadia、Candidatus Jettenia的相對豐度在有機物和竹炭共存條件下下降幅度較小的原因。
圖5 共生網絡圖
研究表明編碼聯氨脫氫酶(hydrazine dehydrogenase , HDH，EC:1.7.2.8)的基因hdh和編碼聯氨合成酶(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熱圖所示，當C/N比為0.28和0.83時竹炭促進了hdh和hzsABC基因的表達，然而C/N為0.56時的結果卻與之相反。
圖6 氮代謝功能基因表達熱圖
糖酵解途徑(glycolytic pathway , EMP)和三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)是大多數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行進一步分析。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的酶促反應，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，三個反應均為不可逆反應。當C/N比為0.28和0.83時，竹炭的投加顯著促進了葡萄糖激酶基因glk、果糖磷酸激酶基因PFK、丙酮酸激酶基因PK的表達，而C/N為0.56時glk和PFK在炭處理下是下調的。此外，TCA循環也受到一系列酶的調控，其中丙酮酸脫氫酶系(丙酮酸脫氫酶E1，二氫硫辛酰轉乙酰基酶E2，二氫硫辛酰胺脫氫酶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的中心環節(不可逆)。丙酮酸脫氫酶系是一個位于線粒體內膜上的多酶復合體，涉及aceE、DLAT和DLD三個功能基因，不同有機物濃度下三個功能基因的表達量均表現為加炭處理組大于對照組，說明竹炭有效促進了EMP途徑與TCA循環的銜接。
圖7 糖酵解途徑功能基因表達熱圖和三羧酸循環途徑功能基因代謝熱圖
小結與展望
有機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用過程中無可規避的現實問題。本研究探明了不同濃度有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮效能和微觀結構特性的影響，探索了外加介體材料（如生物炭）對緩解有機物抑制作用的過程特性及工作機制。研究結果將為厭氧氨氧化顆粒污泥的工程化應用提供一定的借鑒意義。
作者簡介
陳重軍，蘇州科技大學副教授，碩士生導師2012年博士畢業于浙江大學，現任江蘇水處理技術與材料協同創新中心管理辦公室副主任、環境工程系副主任，入選江蘇省“青藍工程”優秀青年骨干教師、江蘇省雙創計劃。主持國家自然科學基金、中國博士后科學基金、江蘇省自然科學基金等20多項；第一或通訊作者在Crit Rev Env Sci Tec、Bioresour Technol、Sci Total Environ、J Clean Prod、中國環境科學、環境科學等期刊發表論文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，授權國家專利15項。兼任中國城鎮供水排水協會青年工作者委員會委員、江蘇省環境科學學會青年工作委員會委員、《中國給水排水》、《工業水處理》青年編委。
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