高氨氮廢水中典型污染物影響Anammox的研究進展

蘇德欣，吳莉娜，蘇柏懿，賈春芳

(1.北京建筑大學 城市雨水系統與水環境教育部重點實驗室，北京 100044；2.北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044)

1 高氨氮廢水的來源及其水質特征

表1列舉了一些常見的高氨氮廢水的來源及水質特征。可以看出，高氨氮廢水的來源主要包括垃圾滲濾液、污泥消化液、養殖廢水、食品加工廢水和工業廢水(制藥、化工、印染和冶金等)。例如垃圾滲濾液中的氨氮濃度可達到500～3 000 mg/L，而且隨著填埋時間的增加，氨氮的濃度也增加[5]。除了含有大量氨氮，高氨氮廢水中還含有多種污染物，其中典型的污染物有抗生素、芳香族化合物、鹽度和重金屬等。例如，生豬養殖廢水和制藥廢水中的抗生素濃度分別達到了6.5,0.3 mg/L[6-7]，焦化、石化和印染廢水中均含有芳香族化合物[8-10]，垃圾滲濾液、養殖廢水和冶金廢水含有重金屬[5-6,11]，榨菜廢水含有很高的鹽度[12]。

表1 高氨氮廢水的水質特征

高氨氮廢水含有多種典型污染物，這些污染物具有生物毒性作用。因此，有必要研究各種典型污染物對Anammox的影響，包括其單一或協同的影響、抑制的濃度限值等。

2 典型污染物對Anammox的影響

2.1 抗生素

AnAOB對抗生素的適應性和抗性表現為耐受基因、抗性基因(ARG)和EPS的增加。Zhang等[18]發現Anammox可耐受50 mg/L的鏈霉素(STM)，CandidatusKuenenia進行選擇性培養；受3 mg/L 的螺旋霉素(SPM)抑制明顯，CandidatusKuenenia豐度降低；共現網絡分析表明，Anammox對STM的耐受是由于多個耐受基因(aadA，aadB和aph3ib)協同作用的結果。Shi等[19]發現2 mg/L OTC使Anammox的脫氮性能在3周內幾乎喪失，Anammox活性和血紅素C含量也分別降低81.3%和50.1%；在此OTC濃度下，協助細胞將抗生素從體內排出的外排泵基因(tetA、tetB和tetC)被檢測到，tetA 的豐度增加了1.43倍，tetB和tetC均增加了1倍。Fu等[20]發現0.1 mg/L ERY、5.0 mg/L SMX和0.1 mg/L TC聯合使系統的NRE在12 d后由97.2%降至60.7%，將進水氮負荷降低50%恢復NRE后，即便ERY、SMX和TC提升至1.0，15.0和1.0 mg/L后，系統仍運行平穩；此時，抗性基因和EPS均增加，其中ereA,sul1,tetC和tetG四種基因的豐度以及EPS分別為初始值的1.7，4.3，2.0，8.3和2.5倍。

2.2 芳香族化合物

以苯及其衍生物為代表的芳香族化合物廣泛地存在于焦化、石化和印染等行業的廢水中，20～250 mg/L 苯酚就能在短期抑制Anammox[21]，所以芳香族化合物是制約Anammox的瓶頸之一。

不同種類的芳香族化合物單獨和聯合抑制作用有很大差異。Peng等[29]發現苯、甲苯、苯酚、苯甲酸酯的抑制作用依次減小，苯分別與甲苯、苯酚、苯甲酸酯雙組分組合時是抑制相加，苯、甲苯和苯酚三組分組合時是抑制部分相加，四組分是抑制協同。

2.3 鹽度

鹽度來源于食品加工廢水(海產品加工、榨菜加工)、垃圾滲濾液等，低鹽度促進Anammox，高鹽度抑制Anammox。4 g/L鹽度時，總氮去除負荷達到0.340 kg/m3/d，是無鹽度的2倍以上[30]；5～10 g/L鹽度時，AnAOB的活性隨著鹽度的增加而下降[31]；鹽度由10 g/L增至15 g/L的初始階段，系統穩定性極差，出水的氮濃度高度波動且不斷惡化[32]；當鹽度超過15 g/L時，AnAOB失活[31]。高鹽度下，生物質細胞三磷酸腺苷的減少導致AnAOB失活[33]，此時異養細菌占據主導地位[34]。在高鹽度下，反應時間對Anammox過程起關鍵作用。齊泮晴等[35]認為Anammox受到鹽度抑制后，經過敏感期、過渡穩定期和恢復期仍可達到穩定。Jeong等[34]發現經過264 d鹽度逐漸增加至25.0 g/L后，系統的總氮去除率(TNRR)仍可達到85%。

此外，也有研究表明，鹽度對“部分硝化-Anammox”工藝的運行有影響。1.35%的鹽度對工藝的刺激最大，此時TNRR為1.1 kg/m3/d ；鹽度升高到2.4%時，TNRR下降到60%，氨氧化細菌(AOB)和AnAOB的活性均受到抑制；然而，脫氮性能在鹽度降至0.11%時又迅速恢復[36]。另外還有鹽度和重金屬聯合影響的研究。Wu等[37]發現Anammox可適應低于0.2 mg/L Ni(II)和20 g/L NaCl，運行大約70 d后，NRE達到77.1%。

在不同鹽度下，功能微生物的群落結構和豐度發生了相應的變化。CandidatusKuenenia 比CandidatusBrocadia 更適合高鹽廢水[36]，當鹽度在0.5%～2.0%的變化過程中，CandidatusKuenenia的相對豐度從3.96% 增加到 83.41%[38]。Guo等[39]發現鹽度<2.5%時可以實現穩定的脫氮，主要功能微生物來自Nitrosomonas屬和Kuenenia屬。而Jeong等[34]認為在0～27.5 g/L NaCl的范圍內，CandidatusJettenia sp.是耐鹽AnAOB的優勢種，在10～27.5 g/L NaCl的范圍內，CandidatusJettenia sp.的相對豐度大于CandidatusKuenenia的相對豐度。王晗等[40]發現在鹽度由15 g/L提高至30 g/L時，AnAOB的豐度也由20.90%提高至35.87%。

鹽度對Anammox的影響還表現在污泥上。一是污泥的表面特征。Zhang等[41]發現在15，30 g/L NaCl 鹽度下，Anammox顆粒的粒徑從(2.85±0.20)mm分別減小到(2.17±0.13)mm和(1.75±0.17)mm，污泥聚集指數從(21.3±1.5)%分別減少到(14.6±0.8)%和(7.1±0.9)%。二是EPS的含量、組分和表面基團。張倩等[42]發現當鹽度從0升至15 g/L時，為了降低不利影響，EPS由 8 mg/g VSS遞增至13.35 mg/gVSS，超過80%是緊密型EPS，蛋白質的部分是由芳香族蛋白類物質與色氨酸蛋白類物質組成。Xing等[43]發現當反應器受到13,18 g/L鹽度沖擊時，EPS的量分別從58.9，57.2 mg/g VSS降至37.1，49.1 mg/g VSS。Zhang等[41]發現在15，30 g/L NaCl 鹽度下，胞外蛋白與胞外多糖的比從8.8分別降至6.2和4.2，且鹽度的增加會改變表面基團降低污泥疏水性。

2.4 重金屬

重金屬是一類嚴重的污染物，廣泛地存在于垃圾滲濾液、冶金廢水和養殖廢水中。常見的重金屬包括銅、鉻、鎘、鎳、鉛等，對生物有毒性作用，降低微生物的活性，抑制微生物的生長[44]。

不同重金屬的抑制作用不同。Río等[45]發現，Cu2+、Cr2+、Pb2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+和Mn2+對AnAOB的半抑制濃度(IC50)分別為19.3，26.9，45.6，59.1，69.2，174.6和175.8 mg/L。重金屬的影響程度與其濃度、暴露時間和形態有關。Wu等[46]發現Ni2+對Anammox的IC50是14.6 mg/L，但經過150 d的馴化，暴露在10 mg/L的Ni2+下，系統的脫氮效率仍高達(93±0.03)%。Jiang等[44]發現Cr6+對Anammox的IC50是296.5 mg/L，當暴露在低于60 mg/L的Cr6+中，松散和緊密結合的EPS吸收了93.9%的Cr6+。孫琪等[47]發現1 mg/L Ni2+短期內促進Anammox，與未投加Ni2+相比，活性提高11.14%；而100 mg/L高濃度Ni2+抑制Anammox。Aktan等[48]發現可溶型、細胞內、細胞結合型、表面結合型和自由離子型的鎳對Anammox的IC50分別是5.99，0.250，0.930，0.680，1.36 mg/L 。

重金屬對AnAOB的影響表現在群落組成、表面特征及EPS等。Wu等[46]發現當Ni2+從0增加到10 mg/L時，Anammox污泥的沉降速度、比Anammox活性和EPS含量均下降，CandidatusKuenenia的相對豐度下降21.44%。Aktan等[48]發現受Zn2+和Ni2+的脅迫后，CandidatusKuenenia占整個浮游菌群的近90%，而CandidatusBrocadia的檢出率僅3%。

2.5 其他

3 Anammox技術處理實際的高氨氮廢水

4 展望

Anammox用于處理高氨氮廢水將大大降低處理成本，而一個關鍵的問題就在于典型污染物的影響。雖然已有大量的抗生素、芳香族化合物、鹽度、重金屬等影響Anammox的研究，但仍需要完善。首先是各種典型污染物對Anammox的單一和協同的影響；其次是實際廢水對Anammox的影響研究，尤其是水質水量波動大的廢水；第三是典型污染物對Anammox與其他技術組合工藝的影響研究，比如“短程硝化-Anammox”工藝。這些研究的完善將極大地推進Anammox在高氨氮廢水處理領域的應用。