论有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥的影响
厌氧氨氧化（Anammox）工艺因无需外加有机碳源，污泥产量低，运行成本低、脱氮效率高等优点，适用于处理低碳氮比的高氨氮废水。而实际废水中含有浓度和种类不同的有机物，通常认为有机物的存在会对厌氧氨氧化菌产生负面影响。此外，厌氧氨氧化污泥颗粒化可以最大程度持留微生物量，强化功能菌的增殖，并在一定程度上缓解环境变化导致的脱氮效率下降，是解决这一问题的有效途径。然而如何通过提高厌氧氨氧化颗粒污泥自身的性能，提高厌氧氨氧化系统的抗有机物干扰能力显得尤为必要。
对此，苏州科技大学陈重军副教授课题组开展了如下研究：①不同浓度有机物长期胁迫对厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮效能、理化性质和微生物群落结构的影响；②生物炭介导下有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥的脱氮性能、理化性质和脱氮除碳代谢途径的影响。相关研究成果发表于Journal of Cleaner Production、Journal of Environmental Science和《中国环境科学》，以期为厌氧氨氧化颗粒污泥的研究和工程应用提供参考。
研究1：不同浓度有机物长期胁迫对厌氧氨氧化颗粒污泥的影响
反应器运行效能如图1所示，在0、50、100、150和200 mg/L的COD浓度的胁迫下，随着COD的增加氨氮的去除率呈下降趋势，分别为97.71 %、97.23 %、83.87 %、68.11 %和46.52 %，而亚硝态氮的去除率维持在96.78~98.62 %。各胁迫浓度下，总氮去除率分别为97.20 %、98.00 %、92.12 %、85.06 %和75.02 %，说明低浓度的有机物(50 mg/L)通过使厌氧氨氧化菌和异养反硝化菌之间形成稳定的协同作用提高了总氮的去除率（见图1）。而有机物浓度为150 mg/L和200 mg/L时颗粒污泥的平均粒径出现先增长后下降的趋势，且颗粒污泥的SVI值升高，沉降性能变差（见图2）。通过SEM观察颗粒污泥的微观结构发现颗粒污泥表面有明显的裂痕，推测有机物浓度超过150 mg/L时，长期胁迫下会造成颗粒污泥的解体。当有机物浓度超过50 mg/L时厌氧氨氧化颗粒污泥的优势门由Chloroflexi变为Proteobacteria。此外有机物长期胁迫下Candidatus Brocadia替代Candidatus Kuenenia成为厌氧氨氧化菌的优势属。
图1 不同有机物浓度下厌氧氨氧化颗粒污泥的脱氮性能
图2 不同有机物浓度下厌氧氨氧化颗粒污泥的理化性质
研究2：生物炭介导下有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥的影响
课题组前期研究发现，生物炭存在条件下可以促进厌氧氨氧化菌的增殖。本研究采用竹炭为研究对象，分析了竹炭存在下有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥的影响。研究发现，运行120天后，在不添加竹炭条件下，随着COD的浓度增加，氨氮的去除效率逐渐降低。当COD浓度为50、100和150 mg•L-1时，氨氮平均去除率为89.4 %，77.4 %和66.2 %。然而加入竹炭后，平均氨氮去除效率分别提高到96.2 %，84.5 %和71.5 %。当COD浓度为50、100和150 mg•L-1时，平均TN去除效率分别为85.9 %，82.6 %和81.4 %，加入竹炭后，平均TN去除效率分别为92.3 %，88.9 %和84.6 %，添加竹炭的反应器对TN的去除率提高3.1~6.4 %（见图3）。
图3生物炭介导下有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮的影响过程
投加竹炭对厌氧氨氧化颗粒污泥的理化性质也造成显著的影响，研究发现，随着COD浓度的增加，EPS逐渐减小，过量的COD将抑制厌氧氨氧化菌的竞争优势，不利于厌氧氨氧化菌 EPS的分泌，加竹炭时的EPS比不加竹炭时要高。由于EPS的分泌，不添加竹炭条件下平均粒径0.8 mm，而添加竹炭上升至1.2 mm（见图4）。研究也发现，投加竹炭可使颗粒污泥表面结构更致密，有机碳源胁迫下可维持完整。竹炭孔隙内附着大量的污泥，为功能微生物的寄居、生长和繁殖提供舒适的环境。
图4 生物炭介导下有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥理化性质的影响
利用 R 语言的 igraph 包和 Hmisc 包对反应器污泥样品相对丰度前 300 的属进行相关性系数的计算，生成微生物共现性网络图（见图5）。厌氧氨氧化菌优势菌属Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia与Halomonas相连接，而添加竹炭的处理组Halomonas的相对丰度均高于不添加炭的对照组。据报道Halomonas是一种中度嗜盐菌，具有反硝化作用，可以产聚羟基丁酸酯(poly hydroxyalkanoates, PHA)，而PHA可以保护微生物细胞受极端环境胁迫同时被储存在胞内作为缓释碳源。较一般的异养反硝化菌而言，Halomonas不易被环境扰动从而碳代谢更加稳定，这可能是Candidatus Brocadia、Candidatus Jettenia的相对丰度在有机物和竹炭共存条件下下降幅度较小的原因。
图5 共生网络图
研究表明编码联氨脱氢酶(hydrazine dehydrogenase , HDH，EC:1.7.2.8)的基因hdh和编码联氨合成酶(hydrazine synthase , HZS，EC:1.7.2.7)3个亚基的基因hzsABC只存在于厌氧氨氧化体中，如图6氮代谢功能基因表达热图所示，当C/N比为0.28和0.83时竹炭促进了hdh和hzsABC基因的表达，然而C/N为0.56时的结果却与之相反。
图6 氮代谢功能基因表达热图
糖酵解途径(glycolytic pathway , EMP)和三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)是大多数生物所共有的糖分解代谢途径，因此有必要对两个通路的功能基因进行进一步分析。图7为EMP和TCA功能基因代谢热图，可以看出从葡萄糖到丙酮酸共有十步连续的酶促反应，其中三步最主要的限速步骤分别为：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，三个反应均为不可逆反应。当C/N比为0.28和0.83时，竹炭的投加显著促进了葡萄糖激酶基因glk、果糖磷酸激酶基因PFK、丙酮酸激酶基因PK的表达，而C/N为0.56时glk和PFK在炭处理下是下调的。此外，TCA循环也受到一系列酶的调控，其中丙酮酸脱氢酶系(丙酮酸脱氢酶E1，二氢硫辛酰转乙酰基酶E2，二氢硫辛酰胺脱氢酶E3，EC:1.2.4.1，EC:2.3.1.12，EC:1.8.1.4)催化的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰辅酶A过程是连接EMP和TCA的中心环节(不可逆)。丙酮酸脱氢酶系是一个位于线粒体内膜上的多酶复合体，涉及aceE、DLAT和DLD三个功能基因，不同有机物浓度下三个功能基因的表达量均表现为加炭处理组大于对照组，说明竹炭有效促进了EMP途径与TCA循环的衔接。
图7 糖酵解途径功能基因表达热图和三羧酸循环途径功能基因代谢热图
小结与展望
有机物对厌氧氨氧化的影响是一个老生常谈但又历久弥新的研究焦点，也是厌氧氨氧化工艺工程应用过程中无可规避的现实问题。本研究探明了不同浓度有机物对厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮效能和微观结构特性的影响，探索了外加介体材料（如生物炭）对缓解有机物抑制作用的过程特性及工作机制。研究结果将为厌氧氨氧化颗粒污泥的工程化应用提供一定的借鉴意义。
作者简介
陈重军，苏州科技大学副教授，硕士生导师2012年博士毕业于浙江大学，现任江苏水处理技术与材料协同创新中心管理办公室副主任、环境工程系副主任，入选江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师、江苏省双创计划。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、江苏省自然科学基金等20多项；第一或通讯作者在Crit Rev Env Sci Tec、Bioresour Technol、Sci Total Environ、J Clean Prod、中国环境科学、环境科学等期刊发表论文50多篇，论文总被引超过2000次，合作编著江苏省重点教材2部，授权国家专利15项。兼任中国城镇供水排水协会青年工作者委员会委员、江苏省环境科学学会青年工作委员会委员、《中国给水排水》、《工业水处理》青年编委。
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