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有机物对厌氧氨氧化菌活性影响研究进展
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关键词:
- 厌氧氨氧化菌
- / 有机物
- / 厌氧氨氧化-反硝化协同作用
- / 厌氧氨氧化-甲烷化-反硝化耦合作用
English
Research Progress in Influence of Organic Matter on Anaerobic Ammonia Oxidation Reaction
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Key words:
- AAOB
- / Organic matter
- / Anammox-denitrification
- / Anammox-methanogenesis-denitrification
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厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation,Anammox)反应是在厌氧或缺氧条件下以氨态氮(NH4+-N)为电子供体,亚硝态氮(NO2--N)为电子受体,利用无机碳源把NH4+-N和NO2--N直接转化为N2的过程[1, 2]。酶反应方面,亚硝酸先被含有细胞色素c和细胞色素d的亚硝酸还原酶(NiR)还原成一氧化氮(NO2-+e → NO);再由联氨水解酶(HH)将一氧化氮与氨结合成联氨(NO+NH4++3e → N2H4);最后由联氨氧化酶(HZO)或羟氨氧化还原酶(HAO)将联氨氧化成氮气(N2H4→N2+4e)[3],该过程属于自养脱氮过程。
以Anammox为主体的脱氮工艺具有能耗低、不需消耗外加碳源、产泥量少等优点[4, 5],成为脱氮研究的热点。然而厌氧氨氧化菌(Anaerobic ammonium oxidation Bacteria,AAOB)存在的生长缓慢(倍增时间长达11d)、难以富集、生存温度范围窄(20~43℃)等因素造成该过程对反应条件十分敏感[6],特别是有机物存在的情况下,会严重影响甚至抑制AAOB的活性。
AAOB目前分为5属9种,分别属于浮霉状菌目(Planctom ycetales)下的Candidatus Kuenenia、 Candidatus Scalindua、Candidatus Jettenia、Candidatus Brocadia和Anammoxoglobus属。其中,Brocadia、Kuenenia、Anammoxoglobus和Jettenia这4个属中的菌种由污水处理构筑物中发现或富集获得,Scalindua属中的菌种主要存在于自然生态系统,如海洋环境、淡水系统等中[3]。不同菌属微生物的生长条件和对外界条件的耐受性均不同,研究表明,优势菌为Brocadia anammoxidans和Kuenenia stuttgartiensis的Anammox富集培养物适宜生存的pH范围分别是6.7~8.3和6.5~9,最佳培养温度分别是20~43℃和1l~45℃[7, 8]。不同菌种的AAOB对NO2--N的耐受性有一定差别,以Brocadia anammoxidans为优势菌种的Anammox富集培养物在NO2--N高于10 mmol/L时会产生较强的抑制作用。然而,对于以Kuenenia stuttgartiensis为优势菌种的Anammox富集培养物的研究表明,其可承受的NO2--N浓度达到13mmol/L[9]。
Anammox反应以无机碳为碳源,但有机物存在时,异养菌如反硝化菌会与AAOB竞争反应基质,造成Anammox过程的抑制甚至功能菌的失活[10]。然而,在一定有机物浓度下,不同有机物种类及不同工艺组合可使异养菌与AAOB共存,并达到相互促进的效果[11]。近年来,研究者在有机物对Anammox影响方面做了大量研究,本文拟从有机物的种类和浓度及AAOB与其他脱碳除氮菌种协同作用等方面总结有机物对AAOB活性的影响,旨在为实际应用中解决有机物对Anammox的影响等问题提供科学指导。
1 单相Anammox反应中有机物对AAOB活性的影响
有机物存在条件下,Anammox反应状况与有机物的种类和浓度密不可分,情况多样。目前已有研究利用蔗糖、葡萄糖、乙酸盐、甲醇等来探究有机物对Anammox反应的影响及其微生物机理,还包括富含有机物的实际废水,如生活污水和垃圾渗滤液。各有机物种类及相应浓度对Anammox反应的影响差异见表 1。
表 1 不同浓度有机物对Anammox反应的影响 Table 1. The effect of different concentrations of organic matter on anaerobic ammonia oxidation reaction
有机物 临界浓度/(mg/L) 对Anammox反应的影响 参考文献 蔗糖 60 长期维持在60mg/L以上时,反应就会受到抑制 [15] 117 短期内增加到117mg/L对氨氮、亚硝态氮和总氮的去除率并没有受到明显影响 [15] 300 高浓度有机物对反应有抑制作用 [16] 葡萄糖 70 低碳源环境对AAOB活性影响不大,当COD>70mg/L时,Anammox污泥的最大比反应速率降低至0.05kg NH4+-N/ (kgVSS/d)以下 [17] 120 当COD≤120mg/L时,有机物对反应产生促进作用,反之则产生抑制作用 [18] 300 完全抑制反应 [19] 淀粉 200 有机物浓度在0~200mg/L的冲击下,AAOB的活性得到促进 [20] 甲醇 0.5mmol/L 反应停止 [21] 苯酚 - 短期内苯酚浓度的增大将使氮去除率快速下降 [22] 乙酸盐 1.16 mmol/L 低浓度的乙酸盐对反应具有一定的促进作用 [20] 200 低浓度促进反应 经A/O工艺处理的生活污水 100 进水COD<100mg/L时对Anammox过程影响不大 [23] 垃圾渗滤液中可降解有机物 50,150 当浓度小于50mg/L时,反应脱氮效果稳定;大于150mg/L,反应崩溃 [24] 300,500 300mg/L浓度可抑制反应,500mg/L浓度可使反应停止 [25] 1.1 有机物种类对AAOB活性的影响
由表 1可知,蔗糖、葡萄糖、淀粉等有机物在较低浓度下可促进Anammox反应,较高浓度下则抑制反应的进行;甲醇、苯酚等对AAOB活性的影响较大,反应环境中少量的有机分子即可使AAOB的活性受到强烈抑制。
孙佳晶等[12]认为有机物对AAOB的活性影响有竞争抑制和毒性抑制两方面:小分子有机物的存在会引起系统中的异养菌大量繁殖,与AAOB竞争电子受体亚硝酸盐,形成基质竞争抑制;有毒性有机物存在时,由于AAOB对环境条件敏感,有机物势必对AAOB的活性产生不利影响,即毒性抑制。竞争抑制时AAOB由于缺乏必要的生长基质而长期处于“饥饿”状态,菌种的活性明显降低,进而间接对Anammox反应产生显著的限制作用;毒性抑制情况下,可能是AAOB细胞内的HAO把甲醇转变成甲醛,而甲醛通过对肽链的不可逆交叉耦合作用容易造成催化Anammox反应的某些关键酶失活,从而直接削弱AAOB的生理代谢活性。
高大文等[13]认为异养Anammox反应是存在的,该类AAOB把一些有机物作为电子供体来提高其增殖速率和细胞产率。Kartal等[14]发现了2种氧化丙酸盐和乙酸盐的AAOB,并将其分别命名为Anammoxoglobus propionicus和Brocadiafulgida,目前已知能够代谢小分子有机物的AAOB种属还有Brocadia anammoxidans和Kuenenia stuttgartiens。
1.2 有机物浓度对AAOB活性的影响
同种有机物对反应产生影响的临界浓度相差较大,例如,鲍林林等[15]在以蔗糖来配制Anammox反应的进水化学需氧量(COD)时,有机物浓度的短期快速提高对Anammox反应影响不大,甚至提升到118mg/L,但当COD长期维持在60mg/L以上时,Anammox反应受到明显抑制;苗蕾等[24]用两级序批式活性污泥法(SBR)反应器处理垃圾渗滤液时,当进水中的可降解有机物大于150mg/L时,其Anammox系统趋于崩溃,脱氮负荷率(NRR)降至0.19kg·m-3·d-1;当进水可降解有机物浓度小于50mg/L时,厌氧SBR反应器中的AAOB和反硝化菌实现了互利共生,保证了NRR大于1.10 kg·m-3·d-1的稳定脱氮效果。在研究葡萄糖对Anammox反应的影响时,吕永涛等[17]在广口瓶的间歇试验中得出的葡萄糖临界浓度是70mg/L,而Tomar等[18]利用复合式厌氧反应器(AHR)和傅金祥等[19]用升流式厌氧污泥床(UASB)反应器在各自研究中得出的葡萄糖临界浓度分别是120mg/L和300mg/L。对Anammox反应造成相似影响的同种有机物的浓度差异可能是因反应器不同及反应条件的差异、反应器内具有Anammox功能的菌种不同所引起,这都为后续研究者提供了参考。
不同浓度对Anammox反应有不同影响的有机物在反应中一般与AAOB是竞争关系,它们竞争电子受体亚硝酸盐。有机物的存在会引起异养菌的大量繁殖,使反硝化反应得以进行,相应AAOB会因缺乏反应基质而活性降低。但该抑制作用可通过运行方式的调控得以恢复,当反应受到抑制的时间较短时,可通过创造适合AAOB生长的环境条件(如维持pH在6.7~8.5,温度在20℃~43℃,调控COD:NH4+-N:NO2--N的反应质量比为1.6:1:1.92左右等)来迅速恢复Anammox反应[2, 10, 16]。而当有机物对反应器运行和AAOB的活性产生严重影响且抑制时间较长时,可通过停止添加有机物并降低NRR(低于0.43kg·m-3·d-1)来减缓抑制作用[26]。因此,在实际应用中,当应用Anammox处理含有机物废水时,建议控制进水有机物浓度在100~200 mg·L-1以下,保证AAOB有较好的活性。
2 协同作用中有机物对AAOB活性的影响
合适浓度和种类的有机物可提高以Anammox为主体的工艺的脱氮效率,但较高浓度的有机物会抑制AAOB的活性[27]。然而,实际废水中有机物含量波动较大(一般在100~1000 mg/L之间),如何在实际废水处理中采用Anammox为主体的工艺成为难点。近年来,研究者根据进水有机物的不同,组合形成Anammox-反硝化、Anammox-甲烷化-反硝化相结合等工艺,利用不同菌种之间的协同作用,使AAOB在高浓度有机物环境中保持较高的活性,最终实现碳氮的同步高效去除,为Anammox的应用提供了基础。例如,卢俊平等[28]研究认为,在高氨氮、低有机物浓度条件下,自养AAOB和异养反硝化细菌能够实现较好的共存,且反硝化作用干扰较小,前者仍能成为优势菌群。
2.1 Anammox-反硝化协同作用
2.2 Anammox-甲烷化-反硝化耦合作用
Anammox-甲烷化-反硝化技术具有高污泥浓度、低污泥产率、高容积负荷、可同时去除COD和氨氮等优点,是现代废水生物处理技术的研究热点。有机物存在条件下,氨氮、硝酸盐和反硝化产物对产甲烷菌有一定的抑制作用;AAOB是自养菌且生长繁殖慢,难以富集;反硝化菌与产甲烷菌存在基质竞争,因此,将三者耦合于同一反应器的研究难度较大。但祖波[43]、戚绪亮[46]等经过探索实现了这三者的耦合作用。
2.1.2 协同作用中有机物对AAOB活性的影响
Anammox和反硝化能够实现共同作用,但也存在竞争。NO2--N是Anammox和反硝化共同的反应基质,且反硝化反应具有更低的自由能。在有机物存在的条件下,反硝化菌会利用有机物和NO 2--N优先增长,增长率远高于AAOB,减少了AAOB的生长基质和空间,并抑制AAOB活性。严格控制反应条件,提高AAOB与反硝化菌的协同作用,是实现高效脱碳除氮的首要条件,其中,主要控制因素是C/N比[31, 32]。
在探究C/N比对Anammox与反硝化协同作用的影响时,孙艳波等[33]发现在UASB反应器中,为确保协同脱氮反应器高效脱氮,进水COD与NH4+-N的比值应控制在1.0~3.0之间;张诗颖[34]等认为,在ABR反应器中,C/N比为1:1时可达到最大协同作用效果,TN平均去除率为93%。田文婷等[35]利用升流式厌氧滤池(UAF)反应器探究C/N比及pH对Anammox-反硝化协同作用的影响,结果表明,C/N比为1:2时脱氮效果最佳,NH4+-N和COD的去除率分别达到20%和60%。因此,为了使AAOB与反硝化菌能更好地协同脱碳除氮,建议反应环境中的C/N比维持在1:1~1:3为宜。
在反应体系中没有有机物情况下,AAOB为主体功能菌,反硝化菌处于受抑制状态;当环境中的C/N比维持在1:1~1:3时,AAOB和反硝化菌的活性互相影响并制约着,此时COD、NH4+-N、NO2--N的去除率可分别达到100%、85%及80%,例如,朱静平等[36]研究发现当C/N比为1.7时,反应器内的Anammox反应效果最佳;当有机物浓度更高时,反硝化菌的活性远远优于AAOB,此时AAOB的活性受到异养微生物的限制,总体反应的脱氮效果开始下降。
2.1.1 协同机理
Anammox反应是在厌氧或缺氧条件下,将NH4+-N和NO2--N转变为N2的过程(见式(1) 和(2)),该过程不需要有机碳源。而反硝化反应是在有机物存在的条件下,将NO2--N或者硝态氮(NO3--N)转变为N2的过程,见式(3) 和(4) ,该过程需有机碳源的参加。
反硝化反应可以消耗废水中的有机物,去除掉反应环境中的碳素和氧素,为Anammox反应提供一个AAOB适宜的生长环境[29];而Anammox则为反硝化提供电子受体NO3--N,使得反硝化获得反应基质,AAOB和反硝化菌各自的抑制物被消除,且在所需基质充足情况下共同生长。此外,虽有机物不参与Anammox过程,但却是合成AAOB细胞的主要物质,它的添加加快了微生物细胞合成的速率,提高了AAOB菌的生长速率和反应活性,进而提高了整体反应的脱氮效果,预计总氮(TN)去除率比单相Anammox工艺提升10%左右[30]。因此,在一定环境条件下,Anammox可与反硝化协同高效脱碳除氮。
2.1.3 协同过程微生物研究
AAOB属于自养菌,生长于厌氧条件,对环境条件要求苛刻;大部分反硝化细菌是异养菌,以有机物为碳源和能源,进行无氧呼吸。在有机物存在条件下,AAOB和反硝化菌能实现共存,但优势种群存在较大差异。有研究表明,在成功启动Anammox的UASB反应器中,通过探究有机碳源下Anammox同步脱氮除碳效果发现,AAOB和反硝化微生物分别以浮霉菌门Planctomycetes和变形菌门Proteobacteria为主,各占总微生物数量的42%和20%[37]。在Anammox和反硝化协同作用中,采用聚合酶链式反应、分子克隆等分子生物学方法对UASB生物膜反应器中的微生物进行分析表明,AAOB以浮霉状菌门的Candidatus Brocadia fulgida菌占主导地位,反硝化菌主要以变形杆菌门的β-proteobacteria菌为主[38]。李军等[39]在厌氧折流板反应器(HABR)中研究耦合工艺中微生物群落的结构和多样性,得出反硝化菌和AAOB分别以Sulfurovum菌和Kuenenia Stuttgariensis菌为主。可见,因基质供应和反应条件调控的差异,协同作用的功能性菌在种类分布和数量上存在差异。
2.2.1 Anammox-甲烷化-反硝化耦合机理
甲烷化是指在无氧条件下,通过厌氧微生物或兼氧微生物的作用,将废水中的各种复杂有机物分解转化为CH4和CO2等物质的过程。甲烷化反应主要有两种途径,见反应式(5) 和(6) [41]。
针对较高浓度有机物的废水,甲烷菌首先通过甲烷化去除较高浓度COD,除掉反应环境中的碳素并为Anammox提供电子受体;反硝化菌消耗反应环境中的分子氧和Anammox产生的NO3--N,为AAOB和甲烷化菌提供厌氧环境并减弱NO3--N对Anammox的抑制作用[42];而Anammox作用则消耗掉NH4+-N和NO2--N,产生NO3--N,达到去除氮素的效果并为反硝化菌提供反应基质[43]。形象地,就如这样一个颗粒化污泥的微生态环境结构:反硝化菌主要分布于颗粒污泥表层,产甲烷菌主要分布于颗粒污泥中间层,AAOB则集中在颗粒污泥中心部位,那么,这些功能微生物将具有各自有利的微生态环境,有利于它们之间协同作用的充分发挥。因此,Anammox-甲烷化-反硝化耦合作用会达到同步高效脱碳除氮的效果,且能让整个反应体系在高浓度有机物浓度下稳定运行,预计除氮效果比单相Anammox工艺提高5%~10%[25, 44]。
2.2.3 Anammox-甲烷化-反硝化耦合过程微生物研究
在实现协同脱碳除氮的Anammox-甲烷化-反硝化耦合体系中,存在着不同的优势菌种。有研究表明,在EGSB反应器中,存在Anammox、甲烷化、反硝化三种作用,通过基因测序分析认为,产甲烷菌和反硝化菌分别以Methanosaeta thermophila菌和Thiobacillus denitrificans 菌为主,而AAOB以Pseudomonas aeruginosa菌和Rhodopirellula baltica菌为主,其中甲烷菌、反硝化菌和AAOB的丰度之比为1.94:2.41:1,反硝化菌最多[46]。顾平等[41]采用Anammox-甲烷化-反硝化复合工艺处理猪场废水发现,UASB反应器的AAOB和反硝化菌分别以Candidatus Brocadia菌和假单胞菌Pseudomonas sp.为主,而甲烷菌的种类尚未研究。
2.2.2 耦合作用中有机物对AAOB活性的影响
反硝化菌和甲烷菌是异养菌,有机物是它们的反应基质,但AAOB活性又会受到有机物的抑制,因此,需要有合适的机物浓度才能实现AAOB、反硝化菌和甲烷菌协同作用,达到共同脱碳除氮的效果。研究表明,在适当有机物存在条件下,Anammox、甲烷化和反硝化反应可达到竞争与合作的平衡,其中的关键是调控有机物的浓度和C/N比[45]。
进水COD较高时有利于产甲烷菌的存活,但COD过高则会抑制AAOB的生存[38],进而影响Anammox-甲烷化-反硝化耦合作用的整体脱氮效果。有研究表明,当COD浓度为800mg/L时,COD、NO2--N、NH4+-N的去除率分别为80%~90%、90%以上、8%~24%[40],此时反硝化菌和甲烷菌是优势菌,AAOB活性不高;在UASB反应器中,当COD浓度为500mg/L时,NH4+-N、NO2--N、COD的去除率可分别达到40%、98%、83%[45],添加有机物初期AAOB反应占优势,后期反硝化菌活性慢慢提高,与AAOB竞争反应基质。也有研究者认为要充分发挥三种菌的耦合作用,COD的浓度在500~1000 mg/L左右为宜[43]。总的来说,在Anammox-甲烷化-反硝化耦合作用中,建议控制有机物的浓度在500~1000 mg/L为宜,使AAOB活性未受到较大程度抑制,且反硝化菌和甲烷菌也能各自合理利用基质,达到共同高效脱碳除氮的效果。
3 结论
有机物的浓度和种类可对AAOB活性产生较大影响,为降低有机物对AAOB活性的抑制,建议在低浓度有机物(浓度在100~200 mg/L或以下)环境下,根据实际情况调控不同种类和浓度有机物的异位利用,形成Anammox-反硝化协同作用、Anammox-甲烷化-反硝化耦合作用等来实现共同脱氮。在有机物对Anammox的影响方面,还可进一步开展有机物存在环境下AAOB的新陈代谢机制、AAOB与其他菌种的竞争合作机理、AAOB与其他菌种耦合作用下的菌种纯化等研究。
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表 1 不同浓度有机物对Anammox反应的影响
Table 1. The effect of different concentrations of organic matter on anaerobic ammonia oxidation reaction
有机物 临界浓度/(mg/L) 对Anammox反应的影响 参考文献 蔗糖 60 长期维持在60mg/L以上时,反应就会受到抑制 [15] 117 短期内增加到117mg/L对氨氮、亚硝态氮和总氮的去除率并没有受到明显影响 [15] 300 高浓度有机物对反应有抑制作用 [16] 葡萄糖 70 低碳源环境对AAOB活性影响不大,当COD>70mg/L时,Anammox污泥的最大比反应速率降低至0.05kg NH4+-N/ (kgVSS/d)以下 [17] 120 当COD≤120mg/L时,有机物对反应产生促进作用,反之则产生抑制作用 [18] 300 完全抑制反应 [19] 淀粉 200 有机物浓度在0~200mg/L的冲击下,AAOB的活性得到促进 [20] 甲醇 0.5mmol/L 反应停止 [21] 苯酚 - 短期内苯酚浓度的增大将使氮去除率快速下降 [22] 乙酸盐 1.16 mmol/L 低浓度的乙酸盐对反应具有一定的促进作用 [20] 200 低浓度促进反应 经A/O工艺处理的生活污水 100 进水COD<100mg/L时对Anammox过程影响不大 [23] 垃圾渗滤液中可降解有机物 50,150 当浓度小于50mg/L时,反应脱氮效果稳定;大于150mg/L,反应崩溃 [24] 300,500 300mg/L浓度可抑制反应,500mg/L浓度可使反应停止 [25] -

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