為了服務(wù)更多水行業(yè)技術(shù)人員，《凈水技術(shù)》雜志社以我國(guó)一線水行業(yè)技術(shù)工作者對(duì)最新科研成果與動(dòng)態(tài)的求知需求為出發(fā)，按主題的形式對(duì)過(guò)去一年周期內(nèi)的最新SCI文獻(xiàn)成果進(jìn)行梳理，力求通過(guò)專(zhuān)題式的信息為廣大讀者提供更為聚焦的幫助。
美國(guó)《科學(xué)引文索引》（Science Citation Index, 簡(jiǎn)稱(chēng) SCI ）于1957 年由美國(guó)科學(xué)信息研究所（Institute for Scientific Information, 簡(jiǎn)稱(chēng) ISI）在美國(guó)費(fèi)城創(chuàng)辦，是由美國(guó)科學(xué)信息研究所（ISI）1961 年創(chuàng)辦出版的引文數(shù)據(jù)庫(kù)。SCI（科學(xué)引文索引）與EI（工程索引）、ISTP（科技會(huì)議錄索引）被并稱(chēng)為世界著名的三大科技文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)。
富營(yíng)養(yǎng)化的威脅已導(dǎo)致許多國(guó)家采用嚴(yán)格的氮排放標(biāo)準(zhǔn)，一旦TN濃度超過(guò)0.8 mg/L，就會(huì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。因此，迫切需要進(jìn)一步改善污水的水質(zhì)，以確保對(duì)生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。厭氧氨氧化（anammox）工藝是一種相對(duì)較新的生物脫氮（BNR）工藝，具有高性?xún)r(jià)比和節(jié)能，無(wú)需任何外部碳源就能處理低碳氮比（> 2.5）廢水，曝氣的能源成本低，節(jié)省污泥處理運(yùn)營(yíng)成本，溫室氣體排放量減少，空間需求相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)。此外，厭氧細(xì)菌在由于不利條件而處于休眠狀態(tài)后重新暴露于適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下2~5 d后，具有重新活化的能力。因此，厭氧氨氧化工藝提供了一種更可持續(xù)的廢水處理方式。
厭氧氨氧化工藝已應(yīng)用于高強(qiáng)度氮廢水的處理，以及污水處理廠的主流廢水（WWTP）的處理中。與傳統(tǒng)的脫氮工藝（硝化和反硝化）不同，生態(tài)友好的厭氧氨氧化工藝能夠通過(guò)將亞硝酸鹽作為電子受體將銨直接氧化成二氮而在氮循環(huán)中創(chuàng)造捷徑，如方程式（1）和圖1所示。
厭氧污泥顆粒污泥的研究進(jìn)展
自1990年代中期在荷蘭發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化工藝以來(lái)，多年來(lái)，為了提高厭氧氨氧化工藝的效率，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種改進(jìn)工藝。
由于沒(méi)有污泥滯留，通過(guò)亞硝酸鹽高速率去除氨的單反應(yīng)器系統(tǒng)（SHARON）工藝與所有其他生物處理工藝完全分開(kāi)，高溫（30~40 ℃）條件確保僅快速生長(zhǎng)的細(xì)菌的生長(zhǎng)和積累，因此，與氨氧化細(xì)菌相比，亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)減慢。在受控的溫度、氧氣供應(yīng)和稀釋率下，SHARON反應(yīng)器能夠產(chǎn)生1：1的亞硝酸鹽和氨鹽比率，這對(duì)于進(jìn)行厭氧氨氧化工藝至關(guān)重要。
CANON工藝是亞硝酸鹽完全自養(yǎng)脫氮，是厭氧氨氧化工藝的另一項(xiàng)專(zhuān)利改進(jìn)。CANON工藝形成的顆粒污泥可以同時(shí)進(jìn)行好氧和厭氧氨的氧化反應(yīng)。因此，盡管外膜由于低的氧濃度而適合于氨氧化劑的生長(zhǎng)，但是另一方面，顆粒污泥的中心有利于厭氧細(xì)菌的活性。
OLAND–通常被認(rèn)為是CANON的一種變體，是限氧自養(yǎng)硝化-硝化作用。溶解氧（DO）始終保持低于0.2 mg DO/L的值，從而限制了硝化作用并防止了明顯的硝酸鹽形成，它還具有在低溫條件（22~30℃）下可操作的優(yōu)勢(shì)。
近年來(lái)，新型的部分反硝化-厭氧氨氧化工藝引起了研究者的極大興趣。盡管其前身—部分硝化-厭氧氨氧化(PN/A)工藝(從高濃度、溫暖的廢水中去除側(cè)流氮的成熟技術(shù))在節(jié)省曝氣成本、低污泥產(chǎn)量、沒(méi)有外部碳源供應(yīng)方面具有許多優(yōu)勢(shì)，但如前所述，它仍然存在許多操作挑戰(zhàn)。
厭氧生物顆粒化
一般而言，在生物反應(yīng)器中觀察到的顆粒污泥具有高密度和規(guī)則的外形。相比之下，顆粒比絮狀物更致密，微生物結(jié)構(gòu)更強(qiáng)。此外，由于它們的高沉降速度，可以使用高水力負(fù)荷，而不會(huì)導(dǎo)致生物量的流失。顆粒污泥由微生物細(xì)胞、胞外聚合物(EPS)和穿孔無(wú)機(jī)物等組成。
根據(jù)微生物代謝中所涉及的電子受體的性質(zhì)，顆粒污泥可分為需氧污泥和厭氧污泥。厭氧氨氧化顆粒污泥(ANGs)—一種厭氧顆粒污泥，具有完全生物量保留和非常低的生物量產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)。然而，與生物膜或凝膠截留系統(tǒng)中對(duì)載體的需要相反，厭氧氨氧化顆粒系統(tǒng)確保完全的生物量保留，而不需要載體。厭氧氨氧化顆粒的形成涉及不同的物理化學(xué)和生物相互作用。為了幫助解釋造粒過(guò)程，多年來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種模型—選擇壓力模型、胞外聚合物(ECP)結(jié)合模型、惰性核模型、合成和天然聚合物結(jié)合模型、磨損模型、次級(jí)最小粘附模型、多價(jià)正離子結(jié)合模型和表面張力模型。不管厭氧氨氧化活性的狀態(tài)(高或低)，選擇壓力、多價(jià)離子、胞外聚合物(ECP)等仍然有助于種子污泥中厭氧氨氧化生物質(zhì)的�；�。
厭氧氨氧化顆粒污泥的特性
直徑
厭氧氨氧化顆粒的直徑表示厭氧氨氧化反應(yīng)器的性能，并極大地影響厭氧氨氧化顆粒的沉降性。一般來(lái)說(shuō)，厭氧氨氧化顆�？煞譃槌两殿w粒和漂浮顆粒，沉降性和反應(yīng)器的整體性能之間存在正相關(guān)關(guān)系。因此，顆粒的沉降性越高，反應(yīng)器的性能越好。與較小的厭氧氨氧化生物膜相比，大型厭氧氨氧化顆粒受氮濃度的影響相對(duì)較小。根據(jù)厭氧氨氧化工藝的沉降模型，1.75~4.00mm的直徑被認(rèn)為厭氧氨氧化顆粒的最佳直徑，以實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化工藝的高效運(yùn)行。此外，為防止顆粒漂浮，建議始終將厭氧氨氧化顆粒的直徑保持在2.20mm以上。然而，厭氧氨氧化顆粒的直徑與其密度成反比。因此，直徑的增加導(dǎo)致厭氧氨氧化顆粒密度的降低，這可能導(dǎo)致生物質(zhì)的漂浮。
沉降速度
厭氧氨氧化顆粒具有良好的沉降性。密度和直徑的增加導(dǎo)致厭氧氨氧化顆粒的沉降速度相應(yīng)增加。據(jù)報(bào)道，沉淀能力差的厭氧氨氧化反應(yīng)器會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。厭氧氨氧化顆粒的球形度、圓度和質(zhì)量等其他因素對(duì)厭氧氨氧化顆粒的沉降速度也有很大影響。根據(jù)Komar等人的觀點(diǎn)，與相同重量的非球形顆粒相比，顆粒越是球形，其在流體中的沉降速度就越高。
形態(tài)學(xué)
一般來(lái)說(shuō)，厭氧氨氧化顆粒據(jù)報(bào)道具有球形三維形狀。陸等人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化顆粒形狀不規(guī)則，表面不平整，結(jié)構(gòu)包括顆粒、亞單位、微生物細(xì)胞簇和單細(xì)胞。然而，這與和Jing的觀察結(jié)果形成對(duì)比，他們觀察到來(lái)自反應(yīng)器運(yùn)行約三個(gè)月的厭氧氨氧化顆粒具有規(guī)則的形狀(球形)和光滑的表面。
密度
據(jù)報(bào)道，厭氧氨氧化顆粒具有更高的比密度與好氧顆粒(40~70gVSS/L)。厭氧氨氧化顆粒的密度和形態(tài)可能與其直徑有關(guān)。其中直徑的增加導(dǎo)致厭氧氨氧化顆粒的密度降低。雖然在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直徑對(duì)厭氧氨氧化顆粒沉降性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)密度，然而，總的沉降性由厭氧氨氧化顆粒的密度決定。
顏色
厭氧氨氧化顆粒特有的胭脂紅顏色表明了厭氧氨氧化細(xì)菌的高活性。它們的顏色可以從胭脂紅到褐色或黑色變化。這主要?dú)w因于厭氧氨氧化裝置中的血紅素c濃度。因此，血紅素c濃度較高的厭氧氨氧化顆粒呈灰色，而黑色厭氧氨氧化顆粒缺乏血紅素c。發(fā)現(xiàn)顏色值與厭氧氨氧化細(xì)菌的比活性和生物負(fù)載率呈正相關(guān)。此外，發(fā)現(xiàn)表面微觀結(jié)構(gòu)的差異極大地影響了肉眼可見(jiàn)的顆粒污泥的主觀顏色。
影響厭氧氨氧化顆粒發(fā)展的因素
種泥
通常，厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)主要取決于所用反應(yīng)器的類(lèi)型、反應(yīng)器中維持的操作條件、接種的種子污泥反應(yīng)能力和微生物組成。厭氧氨氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)速度很慢(它們的倍增時(shí)間在30~40℃條件下約為10~14d)，細(xì)胞產(chǎn)量低，以及對(duì)不斷變化的環(huán)境條件的高度敏感性，這使得它們極難培育。由于厭氧氨氧化細(xì)菌的活性水平低，厭氧氨氧化生物量聚集通常需要很長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)使用好氧、厭氧或混合活性種子污泥時(shí)，共存細(xì)菌之間的競(jìng)爭(zhēng)就證明了這一點(diǎn)，從而抑制了厭氧氨氧化的啟動(dòng)。許多接種了好氧或厭氧顆粒種泥的顆粒厭氧氨氧化反應(yīng)器導(dǎo)致了更快的厭氧氨氧化啟動(dòng)。
底物濃度
盡管它們?cè)趨捬醢毖趸^(guò)程中充當(dāng)?shù)孜�，但是銨(NH4+)，亞硝酸鹽(NO-)甚至硝酸鹽(NO3-)，以及游離氨有時(shí)也可以作為抑制劑。就氮污泥負(fù)荷率而言，顆粒完整性和低脫氮效率都受到基質(zhì)的負(fù)面影響(NSLR)。因此，當(dāng)超過(guò)閾值限制時(shí)，氨和亞硝酸鹽主要對(duì)厭氧氨氧化過(guò)程起反作用。然而，閾值限制不是恒定的，主要取決于過(guò)程中采用的策略。反應(yīng)器中普遍存在的微生物結(jié)構(gòu)和群落也受到底物濃度的很大影響。因此，底物供應(yīng)、氮負(fù)載率(NLR)極大地影響微生物群落的結(jié)構(gòu)。高底物濃度對(duì)快速生長(zhǎng)的厭氧氨氧化生物的優(yōu)勢(shì)有積極影響，從而導(dǎo)致厭氧氨氧化裝置中氮的高去除率。
水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間（SRT）
SRT在厭氧氨氧化生物量的聚集中起著重要作用。在厭氧膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)中，維持較長(zhǎng)的SRT時(shí)間是有利的。根據(jù)Nicolella等人，基于顆粒污泥的反應(yīng)器是緊湊的反應(yīng)器，結(jié)合了短的水力停留時(shí)間和長(zhǎng)的穩(wěn)定固體停留時(shí)間。
溫度和酸堿度
根據(jù)科學(xué)家的說(shuō)法，厭氧氨氧化過(guò)程的最佳溫度是20~40℃。因此，大多數(shù)顆粒厭氧氨氧化反應(yīng)器也在相同的范圍內(nèi)運(yùn)行。然而，當(dāng)溫度保持在45℃以上時(shí)，厭氧氨氧化活性會(huì)發(fā)生不可逆的破壞。
據(jù)報(bào)告，顆粒形式的厭氧氨氧化生物量的最適酸堿度范圍在6.7~8.3。據(jù)觀察，高酸堿度對(duì)應(yīng)于游離氨濃度的增加，而降低酸堿度會(huì)導(dǎo)致設(shè)置中游離亞硝酸的積累。在很大程度上，厭氧氨氧化過(guò)程中占優(yōu)勢(shì)的厭氧氨氧化細(xì)菌是由占優(yōu)勢(shì)的pH值決定的。因此，為了高效脫氮，需要將溫度和酸堿度等操作參數(shù)控制在適當(dāng)?shù)乃健?/span>
水里剪切力和攪拌速度
由機(jī)械攪拌產(chǎn)生的物理運(yùn)動(dòng)，有助于細(xì)菌與細(xì)菌的接觸。剪切力是產(chǎn)生致密穩(wěn)定顆粒結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。根據(jù)Reino等，液體誘導(dǎo)的剪切力極大地影響生物質(zhì)的造粒過(guò)程。因此，顆粒污泥的形成很大程度上受到水動(dòng)力剪切力以及相互作用的流動(dòng)模式的影響。蛋白質(zhì)過(guò)量產(chǎn)生的剪切力的急劇增加可能導(dǎo)致顆粒的破壞。由上流液流或攪拌機(jī)制產(chǎn)生的合適的剪切應(yīng)力為厭氧氨氧化生物質(zhì)的顆�；瘎�(chuàng)造了有利的環(huán)境。
無(wú)機(jī)離子的存在
研究人員認(rèn)為，細(xì)菌對(duì)惰性物質(zhì)、無(wú)機(jī)沉淀物的粘附和吸附，以及通過(guò)物理化學(xué)相互作用和共養(yǎng)關(guān)聯(lián)的相互粘附和吸附，可能是引發(fā)顆�；^(guò)程的原因，從而成為新微生物生長(zhǎng)的微生物核(前體)。
據(jù)陸克文等人，鈣的存在促進(jìn)了顆粒的形成，據(jù)報(bào)道鈣和鎂的沉淀在厭氧氨氧化顆�；谐洚�(dāng)成核種子。此外，磷酸鈣的沉淀導(dǎo)致厭氧氨氧化生物量活性的喪失。盡管正二價(jià)離子有助于與帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面結(jié)合，從而促進(jìn)聚集，但是它對(duì)顆粒大小有負(fù)面影響。
胞外聚合物
根據(jù)拉斯皮杜等的觀點(diǎn)，污泥液由惰性生物質(zhì)、胞外聚合物和可溶性微生物產(chǎn)物組成。在細(xì)菌細(xì)胞中，顆粒物質(zhì)和胞外多糖密切相關(guān)。據(jù)報(bào)道，胞外聚合物對(duì)微生物聚集體中細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能完整性至關(guān)重要，由不溶性物質(zhì)組成，而另一方面，作為一些例子，平滑肌細(xì)胞被認(rèn)為是具有可溶性大分子、膠體和粘液的可溶性胞外聚合物。通過(guò)充當(dāng)粘合劑和保護(hù)顆粒免受有毒物質(zhì)的影響，胞外聚合物能夠維持厭氧氨氧化顆粒污泥(AnGS)的穩(wěn)定性。然而，胞外多糖的產(chǎn)生會(huì)干擾厭氧氨氧化細(xì)胞生物學(xué)的特性。此外，不穩(wěn)定的胞外聚合物會(huì)損害厭氧氨氧化過(guò)程的穩(wěn)定性。
總之，產(chǎn)生的胞外聚合物中的磷決定了厭氧氨氧化顆粒的沉降速度，因此是浮選的決定性因素。
沸水中納米粒子的影響
通常，納米粒子的應(yīng)用已知對(duì)不同微生物的微生物活性具有刺激和抑制作用。CuNPs對(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌是有毒的，然而，這種毒性可以通過(guò)添加乙二胺四乙酸消除。在確定各種納米顆粒(CuNPs、CuONPs、ZnONPs和AgNPs)對(duì)絮凝物和顆粒形式的厭氧氨氧化細(xì)菌的毒性影響的實(shí)驗(yàn)中，得出的結(jié)論是，厭氧氨氧化顆粒不同于絮凝物，由于其多層結(jié)構(gòu)，可以保護(hù)其免受納米顆粒的毒性影響。
顆粒厭氧氨氧化污泥的應(yīng)用
在過(guò)去的二十年里，大量的部分硝化氨氧化(PN/AMX)系統(tǒng)配置已經(jīng)轉(zhuǎn)化為全規(guī)模的工廠，中國(guó)、歐洲和北美是目前應(yīng)用的主要國(guó)家之一。
厭氧氨氧化的顆�；菍⑸锪勘Ａ粼趨捬醢毖趸磻�(yīng)器中的一種方法。迄今為止，厭氧氨氧化顆粒處理富氨廢水的應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中試規(guī)模和全規(guī)模各級(jí)都取得了成功。2002年在荷蘭鹿特丹成功啟動(dòng)了第一個(gè)全尺寸AnGs。
厭氧氨氧化制粒的局限性
漂浮
這種現(xiàn)象在厭氧氨氧化顆粒污泥系統(tǒng)中很常見(jiàn)，因?yàn)楦哓?fù)荷率會(huì)導(dǎo)致顆粒失去穩(wěn)定性。因此，較高的加載速率導(dǎo)致氮?dú)猱a(chǎn)量增加以及水動(dòng)力條件增加，是厭氧氨氧化顆粒漂浮的可能原因。然而，根據(jù)Yoda等，漂浮可能是顆粒內(nèi)部形成氣穴的結(jié)果，機(jī)械破碎是抵消它的有效手段。在厭氧氨氧化顆粒中形成氣穴，氣穴膨脹導(dǎo)致顆粒漂浮，這很容易導(dǎo)致生物量流失，從而使系統(tǒng)性能降至最低。此外，較大的顆粒尺寸允許在顆粒中形成死區(qū)，這可能導(dǎo)致污泥漂浮。因此，降低了非離子表面活性劑和污染物之間的傳質(zhì)效率。
厭氧氨氧化顆粒的儲(chǔ)存穩(wěn)定性
通過(guò)定期添加營(yíng)養(yǎng)物，可以在室溫下儲(chǔ)存厭氧氨氧化污泥。雖然有相當(dāng)多的厭氧氨氧化污泥儲(chǔ)存方法，但考慮到冷凍保護(hù)劑的應(yīng)用在其他并發(fā)癥中非常昂貴，需要設(shè)計(jì)新的替代方法。
對(duì)重金屬的敏感性
重金屬對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)至關(guān)重要，但如果過(guò)量使用，它們會(huì)產(chǎn)生生物毒性，從而影響細(xì)菌的特定形態(tài)、反應(yīng)性和沉降性。Fe2+、Zn2+、Cu2+的濃度超過(guò)一定值時(shí)會(huì)強(qiáng)烈抑制厭氧氨氧化活性。電鏡觀察表明，Cu2+可誘導(dǎo)EPS分泌，引起細(xì)胞膜損傷。因此，不同的重金屬在不同程度上抑制了神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的形成。
AnGS系統(tǒng)的未來(lái)趨勢(shì)和展望
AnGS系統(tǒng)可以說(shuō)是去除氮廢水的最佳手段，但仍有相當(dāng)多的問(wèn)題需要解決。厭氧氨氧化系統(tǒng)的未來(lái)前景可以集中在(I)開(kāi)發(fā)一種用于監(jiān)測(cè)厭氧氨氧化系統(tǒng)內(nèi)微生物群落的可見(jiàn)指示器，因?yàn)樗鼈兪窃撨^(guò)程的主要貢獻(xiàn)者，(ii)基于顆粒的PD/A系統(tǒng)，(iii)理解顆粒漂浮機(jī)制，因?yàn)樗匀皇菂捬醢毖趸到y(tǒng)的主要問(wèn)題，(iv)通過(guò)分子分析深入理解厭氧氨氧化系統(tǒng)的基質(zhì)結(jié)構(gòu)，(v)全面研究生物顆粒形成模型的厭氧氨氧化顆粒化機(jī)制并區(qū)分它們，(vi)厭氧氨氧化系統(tǒng)組分的詳細(xì)表征，以及鹽度對(duì)AnGS過(guò)程和厭氧氨氧化細(xì)菌適應(yīng)的影響。
大多數(shù)綜述文章強(qiáng)調(diào)了不同反應(yīng)器結(jié)構(gòu)中厭氧氨氧化污泥絮體顆�；挠绊懸蛩丶捌湫再|(zhì)，但對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)的局限性了解甚少。因此，這篇綜述文章將作為一個(gè)框架，用于理解AnGs生物顆粒形成過(guò)程中所涉及的過(guò)程以及它所帶來(lái)的缺點(diǎn)。
結(jié)論
泡沫、結(jié)垢和漂浮已被確定為AnGs中的主要問(wèn)題。使用高NLR可能導(dǎo)致顆粒漂浮，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至崩潰。盡管通過(guò)從流入的磷酸鹽和鈣陽(yáng)離子中沉淀礦物質(zhì)可以顯著提高顆粒的密度，但不幸的是這導(dǎo)致?lián)]發(fā)性懸浮固體(VSS)減少為懸浮固體(SS)。還需要更多的研究來(lái)解決厭氧氨氧化顆粒的PN/PS比問(wèn)題(許多矛盾的報(bào)告)。應(yīng)進(jìn)一步研究納米粒子的潛在環(huán)境應(yīng)用，并確定其對(duì)廢水處理過(guò)程(厭氧氨氧化活性)的影響。要收集的信息將極大地有助于優(yōu)化厭氧氨氧化工藝。同樣，從使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究反應(yīng)器轉(zhuǎn)向處理和分析實(shí)際廢水，如制藥廢水，垃圾滲濾液將有助于更好地理解厭氧氨氧化過(guò)程的內(nèi)部工作。
原文信息：Adams M, Xie J, Kabore A J, et al. Research advances in anammox granular sludge: A review[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2020: 1-44.
翻譯：賴(lài)竹林/張龍龍
圖片來(lái)源：pixabay
排版：西貝
校對(duì)：王佳
