外源物質對厭氧氨氧化工藝運行的影響研究進展

朱辰播,劉子雯,趙萌,賀志剛*

(1.蘇州市常熟環境監測站,江蘇 蘇州 215000;2.蘇州逸凡特環境修復有限公司,江蘇 蘇州 215000)

厭氧氨氧化(Anammox)工藝是一種新興的污水脫氮工藝,相較于傳統工藝,其具有節能環保和無需外加碳源等優勢以及處理低碳氮比和高溫廢水的巨大潛力[1-3]。但是Anammox細菌抗逆性差、世代時間長和啟動時間久等問題限制了Anammox工藝的推廣和應用。近年,部分學者提出添加鐵、錳、銅、石墨烯等物質可強化Anammox細菌的生理活性并提高Anammox系統的脫氮效能。Wang等[4]研究表明,提高Anammox細菌的生理活性有助于提高其抗逆性和脫氮能力。Qiao等[6]指出,向Anammox反應器中投加適量的Fe2+可分別提高Anammox細菌肼脫氫酶活性和反應器脫氮效率約235%和32.2%。Xu等[6]研究證實,投加MnO2可以通過刺激Anammox功能微生物(CandidatusKuenenia屬)的富集、刺激Anammox細菌血紅素c和胞外分泌物(EPS)的合成等途徑提高Anammox顆粒污泥的比氨氧化活性(SAA)。總結了外源物質對Anammox工藝運行的影響,闡述了其強化Anammox細菌生理活性的機理,以期為今后的研究提供理論支持。

1 外源添加鐵對Anammox工藝運行的影響

現有研究指出,鐵提高Anammox細菌生理活性、強化Anammox工藝脫氮效能的方式繁多,主要分為優化Anammox細菌生境、刺激Anammox功能微生物富集、改變Anammox體系微生物群落結構、調控脫氮相關功能基因的表達和酶的合成、提高Anammox細菌抗逆性、縮短Anammox工藝啟動時間和加速Anammox體系內脫氮過程等途徑[7]。

研究表明,鐵是微生物生理活動必需的元素之一,其是Anammox細菌合成血紅素c和酶的關鍵元素 ,也在參與傳質過程和電子傳遞過程中發揮至關重要的作用[7]。外源添加鐵優化Anammox細菌生境的主要表現為適量添加鐵會調節Anammox反應器的環境pH值至適宜pH值范圍。Li等[8]研究指出,Fe3+的質量濃度為10～120 mg/L時,環境pH值處于Anammox細菌適宜pH值范圍內(7.5～8.0)。Feng等[9]實驗結果亦表明,Fe3+的質量濃度為6 mg/L時,環境pH值較為適宜Anammox細菌生長。現有大量研究指出,投加鐵不僅可以刺激Planctomycetes屬、CandidatusBrocadia屬和CandidatusKuenenia屬等Anammox功能微生物的富集,還可以提高反 硝 化 菌 屬 (Zoogloae和Dechloromonas)、Anammox細菌共存菌屬(Proteobacteria、Chloroflexi和Chlorobi)和鐵氨氧化菌屬(Geobacter和Ignavibacterium)的豐度[7]。此外,投加鐵還被證實可以調控Anammox體系中硝化功能基因、反硝化功能基因、硝酸鹽還原功能基因的表達,促進肼合成酶、血紅素c和硫鐵簇等物質的合成,刺激環二鳥苷酸(c-di-GMP)和C12-HSL等信號分子的分泌[10-12]。現有研究證實(圖1),Fe2+和Fe3+可促進Anammox細菌內dgc基因的表達并抑制pde基因表達,這有助于促進c-di-GMP合成,加速Anammox細菌分裂,刺激胞外分泌物合成[7]。

圖1 Fe2+和Fe3+調控Anammox細菌內c-di-GMP合成的機理示意圖[17]

但是鐵的添加量并非越高越好,大量研究均指出鐵對Anammox細菌生理活性的“低促高抑”現象[5,13-14]。Qiao等[5]發現,Fe2+的投加量由1.68 mg/L提高至6.72 mg/L時,UFBR反應器的總氮容積負荷提高約29.88%,但當Fe2+的投加量繼續增加至10.08 mg/L時,UFBR反應器的總氮容積負荷降低約10.26%。Mishra等[15]在UASB反應器中亦觀察到類似實驗結果,當Fe2+的投加量為5 mg/L時,反應器的氨氮(NH4+-N)去除率為91.70%;但Fe2+的投加量為50 mg/L時,反應器的NH4+-N去除率低至51.40%。

綜上,鐵強化Anammox工藝脫氮效能的難點在于控制Fe2+的濃度。當前,用于強化Anammox工藝的含鐵材料種類繁多(例如:零價鐵、納米零價鐵、廢鐵屑、含鐵鹽類、水鐵礦和鐵氧化物等),不同材料釋放Fe2+的機理和作用于Anammox細菌生理活動的機制各不相同。因此,今后的研究應集中于含鐵材料添加量的調節、環境條件的控制以及鐵調控Anammox細菌氮代謝途徑的研究等方面。

2 外源添加銅和錳對Anammox工藝運行的影響

外源添加銅和錳對Anammox細菌生理活性的影響與外源添加鐵類似,均為“低促高抑”,其中Anammox細菌對銅濃度的變化尤為敏感。現有研究指出,低濃度Cu2+可以刺激Anammox細菌的生理活性,當Cu2+濃度過高將導致Anammox細菌生理活性受明顯抑制[16-17]。張肖靜等[18]研究指出,添加納米氧化銅將Anammox反應器的總氮去除率由約10%提升至約90%。朱莉等)[19]發現,添加1 mg/L的Cu2+可將Anammox反應器的總氮脫除能力提高2倍。這可能是由于1)納米氧化銅可以促進厭氧微環境的形成,為Anammox細菌生長提供更優異的環境 ;2)Cu2+為Anammox細菌脫氮功能酶的合成提供原料;3)Cu2+對部分微生物的毒害作用導致微生物死亡,為內源反硝化提供碳源。

現有研究表明,Mn2+可作為厭氧氨氧化菌代謝過程的電子供體,適量添加Mn2+可刺激厭氧氨氧化菌污泥的生長,Mn2+含量為0.05 mmol/L時厭氧氨氧化污泥的揮發性固體濃度為Mn2+含量為0.012 5 mmol/L時的2.57倍[20]。Mn2+還被證實可用于提高厭氧氨氧化細菌脫氮效能,刺激厭氧氨氧化顆粒污泥形成。現有研究指出,50 mg/L MnO2可將Anammox系統的氨氧化活性提高約1.5倍[21]。Huang等[22]研究表明,添加適量的Mn2+可提高厭氧氨氧化細菌分泌胞外聚合物的量約52.34%,并豐富胞外分泌物中蛋白質和腐殖質的種類(圖2)。此外,一些研究還指出,外源添加Mn2+對Anammox細菌的亞硝酸鹽代謝有一定影響,適量的Mn2+可以促進Anammox細菌對亞硝酸鹽的利用,從而提高反應器的氮素去除效率[23-24]。這些發現為我們深入理解外源添加Mn2+對Anammox細菌生理活性的影響提供了重要線索。未來的研究可以進一步探討Mn2+在Anammox過程中的作用機制,以及在實際應用中如何優化添加Mn2+的條件,從而提高Anammox系統的性能和穩定性。

圖2 Anammox顆粒污泥的熒光光譜圖(A取自添加Mn2+的反應器,B取自空白對照組)[22]

3 外源添加鎳、鈣或鉀對Anammox工藝運行的影響

鎳、鈣和鉀與鐵類似,均是Anammox細菌生理活動必需的元素,鎳和鈣被證明參與Anammox細菌的基因表達和酶合成,鉀在維持Anammox細菌細胞滲透壓方面發揮重要作用[25]。現有研究指出,添加1 mg/L的Ni2+可刺激Anammox細菌的生理活性,導致Anammox反應器的氨氮去除率和總氮去除率分別提高8.75%和5.84%[26]。Wu等[27]研究指出,添加適量Ni2+可提高Anammox細菌的比氨氧化活性約57.9%,并提升Anammox反應器的總氮去除率約14.6%。現有研究指出,c-di-GMP參與調控Anammox細菌的生理活動,其在刺激Anammox細菌富集、促進Anammox細菌胞外分泌物合成、提高Anammox細菌抗逆性等方面發揮重要作用,而鈣是二鳥苷酸環化酶合成和c-di-GMP表達的重要元素[28-29]。現有研究表明,添加49 mg/L的Ca2+可有效縮短Anammox反應器的啟動時間;添加100 mg/L的Ca2+可刺激Anammox細菌胞外分泌物的合成;添加150 mg/L的Ca2+有利于Anammox反應器內顆粒污泥的形成[30-31]。現有研究表明,外源添加鉀用于強化Anammox細菌在含鹽廢水環境下的抗逆性,保持高鹽環境下細胞滲透壓,適量添加K+可以提高Anammox反應器的總氮去除率約10.88%[32]。

4 外源添加石墨烯對Anammox工藝運行的影響

石墨烯材料是一種毒性較低、比表面積較大的新型碳材料,其被部分學者證明具有提高微生物生理活性的功能[33-34]。Wang等[35]研究指出,添加氧化石墨烯可以大大減少Anammox工藝的啟動時間,添加氧化石墨烯的Anammox反應器總氮去除速率達到1 200 mg/(L·d)所需時間相較于對照組減少約8 d。姚麗等[36]研究指出,添加氧化石墨烯可以提升Anammox系統脫氮效能約22.71%,這可能是由于Anammox細菌代謝過程中編碼關鍵酶的hzo基因的數量增加約683%。Guo等[37]構建模型和利用Spearman相關性分析揭示了還原氧化石墨烯和氧化石墨烯強化Anammox系統脫氮效能的機理,石墨烯和氧化石墨烯通過提高Anammox細菌比氨氧化活性和刺激Planctomycetes屬和Nitrospirae屬等功能微生物富集等途徑提高反應器脫氮性能。Yin等[38]研究中發現,還原氧化石墨烯除可刺激Anammox微生物富集外,還能顯著提高反應器內肼脫氫酶的活性。Zhang等[39]研究指出,氧化石墨烯表面氧官能團的有組織且特定的電子傳輸能力,導致反應器內亞硝酸鹽還原酶的活性激增約24.9%。現有研究表明,氧化石墨烯添加量對Anammox工藝脫氮性能的影響亦表現為“高促低抑”,這是由于氧化石墨烯添加過量會導致微生物RNA表達失穩并產生細胞毒性[40-41]。

5 結論與展望

外源添加鐵、錳、銅、鎳、鉀、鈣和石墨烯等材料通過優化Anammox細菌生境、刺激Anammox功能微生物富集、調控脫氮相關功能基因的表達和酶的合成、促進胞外分泌物合成、提高Anammox細菌抗逆性等途徑提高Anammox反應器的脫氮性能。但是當前大量研究停留在實驗室階段,且僅考慮單一外源物質對Anammox體系的影響,今后有關研究應重點在以下方面開展:1)多種外源物質對Anammox體系脫氮效能的影響;2)不同工況下外源物質添加量的研究;3)外源物質調控Anammox細菌生理活動的機制及強化Anammox體系脫氮效能的機理。