厭氧氨氧化專題

厭氧氨氧化生物脫氮技術(shù)AnaerobicAmmoniaOxidation(ANAMMOX)TechnologyforBiologicalNitrogenRemovalMicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5MicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5WhatisANAMMOXΔGO'=-358kJ(molNH4+)-1以亞硝酸鹽作為氧化劑將氨氧化成氮?dú)?，或以氨作為電子供體將亞硝酸鹽還原為氮?dú)獾纳锓磻?yīng)，稱為厭氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation,ANAMMOX)。能夠進(jìn)行厭氧氨氧化的微生物，稱為厭氧氨氧化菌。厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)加深了人們對(duì)氮素循環(huán)的認(rèn)識(shí)，也為人們研究和開發(fā)新型生物脫氮工藝提供了理論依據(jù)。WhatisANAMMOXIn1977,Brodapublishedatheoreticalpaperentitled”Towlindsoflithotrophsmissinginnature”describingthepotentialexistenceofchemolithotrophicbacteriaabletooxidizeammoniatodinitrogenwithnitrate,carbondioxideoroxygenasoxidant.1995年，Mulder在FEMSMicrobiolEcol上發(fā)表了第一篇有關(guān)ANAMMOX的文章。在運(yùn)行三級(jí)生物脫氮流化床反應(yīng)器時(shí)發(fā)現(xiàn)了未知氮的消失，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，氨氮與亞硝酸鹽的消失同時(shí)發(fā)生，且成一定比例，故他們認(rèn)為在反應(yīng)器中氨氮與亞硝酸鹽發(fā)生了反應(yīng)，

產(chǎn)物為氮?dú)?Mulder等人將此命名為厭氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxidation)，

即ANAMMOX。Mulder,FEMSMicrobiolEcol,1995DiscoveryWhatisANAMMOXAdvantages很高的總氮去除率；二氧化碳產(chǎn)生量比傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝減少90%；

減少50%的空間需求；動(dòng)力消耗比傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝減少60%；

不消耗甲醇；剩余污泥產(chǎn)量極少；WhatisANAMMOXANAMMOX,onestepnitrogenremovalWhatisANAMMOX

Significance全球海洋氮循環(huán)示意圖PhyllisLametal,PNAS,2009傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，大氣中的氮?dú)庵饕獊碓从谖⑸锏南趸?Nitrification)和反硝化作用(Denitrification)，厭氧氨氧化菌的發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)藗儗?duì)全球氮物質(zhì)循環(huán)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。隨著厭氧氨氧化菌被人們在世界不同海洋海底沉積物中發(fā)現(xiàn)，海洋學(xué)家認(rèn)識(shí)到反硝化細(xì)菌并不是海洋N2產(chǎn)生的唯一微生物。研究表明，海洋細(xì)菌的厭氧氨氧化過程占全球海洋N2產(chǎn)生量的1/3-1/2。WhatisANAMMOX2002年，丹麥學(xué)者Thamdrup和Dalsgaard應(yīng)用N標(biāo)記的硝酸鹽和氨對(duì)海底沉積物進(jìn)行的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化作用產(chǎn)生N2導(dǎo)致的海洋氮損失占全部氮損失的24%-67%。Thamdrup,B.&T.Dalsgaard,AEM,20022003年，兩個(gè)獨(dú)立的研究小組同時(shí)在Nature雜志上報(bào)道了厭氧氨氧化是海洋氮損失的主要原因:德國生物化學(xué)家Kuypers帶領(lǐng)他的同事在世界上最大的厭氧盆地黑海海面下85-100米的無氧環(huán)境中尋找到ANAMMOX菌；Kuypers,etal.,Nature,2003Dalsgaard領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)利用N穩(wěn)定性同位素示蹤的方法發(fā)現(xiàn)在哥斯達(dá)黎加的GolfoDulce海灣厭氧水層中有19%-35%N2的生成與厭氧氨氧化過程有關(guān)；Dalsgaard,etal.,Nature,2003隨后，研究人員陸續(xù)在北極圈極地海冰,Baltimore內(nèi)港,Chesapeake海灣、安哥拉的Benguela海區(qū)上升流系統(tǒng)、加利福尼亞的溫泉等等不同經(jīng)度和緯度地區(qū)的水域中發(fā)現(xiàn)ANAMMOX菌的蹤影；Baltimore內(nèi)港北極圈極地海冰Chesapeake海灣Benguela加利福尼亞HelenPilcher,NATURE,2005Pumpaction:MarcelKuypers(right)wasthefirsttofindANAMMOXbacteriainthesea.AsacceptanceofANAMMOXbacteriagrows,sotoodoestheirgripontheplanet.Themicrobesareturningupeverywhere—infreshandsaltwater,openoceansandmarinesediments,andinwastewatertreatmentplantsallovertheworld.“Onedayyoudiscoverabug,”saysKuenen,“thentenyearslatertheyturnouttobeeverywhereandimportantonaglobalscale.Theymayevenbehidinginthesewersystemunderyourkitchensink.”Emeritusandpart-timeprofessorofGeneralandAppliedMicrobiology,DepartmentofBiotechnology,FacultyofAppliedSciences,DelftUniversityofTechnology,TheNetherlandsMicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5Mechanism兩套比較完整的厭氧氨氧化生化機(jī)理模型厭氧氨氧化生化機(jī)理圖（1）EdwardF.DeLong,Nature,2002

亞硝酸鹽被亞硝酸鹽還原酶還原為羥胺(NH2OH)，聯(lián)氨水解酶催化羥胺和氨縮合成聯(lián)氨(N2H2)，最后，聯(lián)氨在聯(lián)氨氧化酶HZO（或羥胺氧化還原酶HAO）的催化下轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑫r(shí)釋放的電子通過傳遞鏈交給亞硝酸鹽還原酶。經(jīng)典模型電子受體Electronmicrographshowingtheimmunogoldlocalizationofhydrazine/hydroxylamineoxidoreductase(blackdots)totheANAMMOXosomecompartmentintheANAMMOXbacterium“CandidatusKueneniastuttgartiensis”.Scalebar,500nm

MikeS.M.Jetten,BiochemiandMoleBiolo,2009厭氧氨氧化生化機(jī)理圖（2）Kuenen,J.G.,NATREVMICROBIOL,2008亞硝酸鹽被亞硝酸鹽還原酶（NIR）還原，得電子轉(zhuǎn)化為中間體NO，NO進(jìn)而與氨共同在聯(lián)氨水解酶（HH）的作用下轉(zhuǎn)化為聯(lián)氨，最后聯(lián)氨經(jīng)聯(lián)氨氧化酶（HAO）催化，轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，同時(shí)釋放4個(gè)電子。釋放的電子被輔酶Q和細(xì)胞色素C還原酶綜合體轉(zhuǎn)化為質(zhì)子動(dòng)力勢PMF，產(chǎn)生的質(zhì)子H+被ATP合成酶（ATPpase）轉(zhuǎn)化為能量ATP，供微生物使用。MicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5ANAMMOX菌的種類與分布ANAMMOX菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)ANAMMOX菌的生理特性MicrobiologyANAMMOX菌的種類與分布ANAMMOX菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)ANAMMOX菌的生理特性MicrobiologyMicrobiology

ANAMMOX菌的種類與分布ANAMMOX菌由于至今無法通過經(jīng)典的微生物生態(tài)學(xué)手段純培養(yǎng)，目前所有ANAMMOX菌種均被定義為“暫定種”。其中有4個(gè)屬是主要存在于污水處理廠構(gòu)筑物中或?qū)嶒?yàn)室活性污泥反應(yīng)器中：“CandidatusKuenenia”、“CandidatusBrocadia”、“Candidatusanammoxoglobus”和“CandidatusJettenia”。第5個(gè)ANAMMOX屬“CandidatusScalindua”主要存在于自然環(huán)境中，特別是海洋底泥中和低氧區(qū)。迄今為止共有5個(gè)屬的ANAMMOX菌被發(fā)現(xiàn)，它們的16SrRNA序列相似度在87%-99%之間。1999,“CandidatusBrocadiaanammoxidans”荷蘭Gist-Brocades污水處理廠2000,“CandidatusKueneniastuttgartiensi”德國斯圖加特的污水處理場2002,“CandidatusBrocadiafulgida”荷蘭鹿特丹污水處理廠2003,“CandidatusScalinduabrodae”英國Pitsea垃圾填埋場的污水處理廠2003,“CandidatusScalinduawagneri”英國Pitsea垃圾填埋場的污水處理廠2003,“CandidatusScalinduasorokinii”黑海的次氧化層區(qū)域2007,“CandidatusJetteniaasiatica”荷蘭實(shí)驗(yàn)室生物膜反應(yīng)器2007,“Candidatusanammoxoglobuspropionicus”實(shí)驗(yàn)室SBR反應(yīng)器菌種首次發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)：在許多不同地域(ThamesEstuary、Japan、ChesapeakeBay、Arcticmarine、Washingtonmargin、ArabianSeaet.al)的海洋沉積物中檢測出了ANAMMOX反應(yīng)。在海洋沉積物中存在的ANAMMOX菌種群較為單一，基本屬于具有較強(qiáng)耐鹽能力的Scalindua屬。胡寶蘭等,生態(tài)學(xué)報(bào),2011在不同海域水體的低氧區(qū)（本格拉港、智利中部沿岸的遠(yuǎn)海區(qū)、阿拉伯海、秘魯海）也有ANAMMOX的存在，并在氮素循環(huán)中起著不同程度的作用。胡寶蘭等,生態(tài)學(xué)報(bào),2011海洋生態(tài)系統(tǒng):Dale等卻發(fā)現(xiàn)，在開普菲爾河口ANAMMOX菌的分布呈現(xiàn)出了種群多樣性，可同時(shí)檢測到Brocadia、Kueueuia、Jetteuia和Scaliudua四個(gè)屬的ANAMMOX菌。Dale,

etal.EnvironMicrobiol,2009Amano等在淀川河口也檢測出了多種ANAMMOX菌的共存，包括Brocadia、Kueueuia和Scaliudua屬。原因推測是由于河口是海陸作用劇烈、生態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，可營造適合不同種類ANAMMOX菌生存的微環(huán)境。Amano,etal.Micro&Enviro,

2007

淡水生態(tài)系統(tǒng):Schubert等首次在天然淡水生態(tài)系統(tǒng)坦噶尼喀湖(LakeTanganyika)中發(fā)現(xiàn)了ANAMMOX菌的分布，ANAMMOX菌的最大活性為10nmolN2/h，在該區(qū)域氮素循環(huán)中的貢獻(xiàn)率為13%，其活性與貢獻(xiàn)率值與某些海洋生境中發(fā)生的ANAMMOX反應(yīng)相比并不遜色。Schubert,etal.EnvironMicrobiol,2006Penton等和Zhang等分別在溫特格林湖和江蘇新沂河淡水沉積物中也檢測到了ANAMMOX菌的分布。在淡水生態(tài)系統(tǒng)中檢測到的ANAMMOX菌種群多樣性水平較低，以Scalindua屬居多。Penton,etal.AEM,2006;Zhang,etal.EnvironMicrobiol,2007陸地生態(tài)系統(tǒng):Humbert等首次在不同陸地生態(tài)系統(tǒng)(包括沼澤、受污染的孔隙含水層、凍土和農(nóng)田土壤)中檢測出了不同種群的ANAMMOX菌，種群多樣性水平較高，包括CandidatusKueneniastuttgartiensis，CandidatusBrocadiafulgida，CandidatusScalinduawagneri和CandidatusJetteniaasiatica。研究表明并非在所有土壤樣品中都存在ANAMMOX菌，而只在土壤的一定深度范圍內(nèi)才有ANAMMOX菌的分布。Humbert,

etal.ISMEJ,2010

Zhu等在中國的多處淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)中也檢測出了ANAMMOX菌的存在，主要為Brocadia屬的ANAMMOX菌。Zhu,etal.ES&T,2011特殊生態(tài)系統(tǒng):Byrne等在溫度高達(dá)60-85℃的大西洋中脊深海熱液口處檢測到了Scalindua屬的ANAMMOX菌。Jaeschke等發(fā)現(xiàn)在溫度為65℃的溫泉中也存在ANAMMOX菌的特異性階梯烷膜脂，含量為0.3-52ng/g，16SrRNA系統(tǒng)發(fā)育分析表明，溫泉中存在CandidatusBrocadiafulgida，CandidatusBrocadiaanammoxidans和CandidatusKueneniastuttgartiensis的序列。Byrne,etal.IsmeJ,2009;Jaeschke,

etal.FEMSMicrobiolEcol,2009另有研究者報(bào)道了ANAMMOX菌也可在低溫生態(tài)系統(tǒng)中生存。Schmid等發(fā)現(xiàn)在溫度低至0℃的格陵蘭海的迪斯科灣海冰中存在具有活性的Scalindua屬的ANAMMOX菌。這些特殊生態(tài)系統(tǒng)中ANAMMOX菌的發(fā)現(xiàn)對(duì)于發(fā)掘耐高溫和耐低溫的ANAMMOX菌菌種資源提供了前景。Schmid,etal.System&ApplMicrobiol,2003此外，Hoffmann等還在海洋的海綿體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了ANAMMOX菌的蹤跡，檢測到了CandidatusScalinduasorokinii和CandidatusScalinduabrodae的存在。Hoffmann,

etal.EnvironMicrobiol,2009ANAMMOX菌的種類與分布ANAMMOX菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)ANAMMOX菌的生理特性MicrobiologyMicrobiology

ANAMMOX菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)MBRAGSBreactor厭氧氨氧化菌是革蘭氏陰性菌,浮霉?fàn)罹?，呈球形、卵形等，直?.8~1.1μm。細(xì)胞外無莢膜，細(xì)胞壁表面有火山口狀結(jié)構(gòu)，少數(shù)有菌毛，細(xì)胞呈深紅色，出芽生殖。細(xì)胞內(nèi)分隔成3部分：

(1)外部區(qū)域，包括：

細(xì)胞壁(cellwall),細(xì)胞質(zhì)膜(cytoplasmicmembrane),外室細(xì)胞質(zhì)(paryphoplasm)和細(xì)胞內(nèi)質(zhì)膜；(2)核糖細(xì)胞質(zhì)(riboplasm)；(3)厭氧氨氧化體膜(anammoxosomemembrane),厭氧氨氧化體(anammoxosome),類核（nucleoid）；Niftrik,etal.

JBACTERIOL,2009Allcellsaredividedintothreeseparatecompartmentsbyindividualmembranes:theparyphoplasm(p),riboplasm(r),andanammoxosome(a)compartments.(A)Dividing“CandidatusKueneniastuttgartiensis”cell.(B)“CandidatusAnammoxoglobuspropionicus”cell.glycogen(g)putativeintra-anammoxosomeironparticles(Fe)Scalebars,200nmNiftrikL,etal.JBIOTECHNOL,2008(C)“CandidatusBrocadiafulgida”cellsshowingriboplasmicparticles(pa).(D)Dividingcell.glycogen(g)putativeintra-anammoxosomeironparticles(Fe)Scalebars,200nm(E)Dividing“CandidatusScalinduaspp.”cellswith(E)andwithout(F)pilus-likeappendages.glycogen(g)putativeintra-anammoxosomeironparticles(Fe).Scalebars,200nmElectronmicrographofresuspendedAnammoxbiofilmgrownonsyntheticmediuminanfluidizedbedreactor(FBR).Thedominantspeciesintheenrichmentculture.Bar,1μm.Graaf,etal.Microbiology(UK),1996MicrobiologyANAMMOX菌不同屬的形態(tài)各異，但是均具備一種重要細(xì)胞器—厭氧氨氧化體(Anammoxosome)200nmTransmissionelectronmicrographofaCandidatusKueneniastuttgartiensiscellMicrobiology

ANAMMOX菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)厭氧氨氧化體是發(fā)生厭氧氨氧化過程的主要場所，為整個(gè)細(xì)胞提供能量。全球2項(xiàng)獨(dú)立的研究表明厭氧氨氧化體內(nèi)存在聯(lián)氨/羥胺氧化還原酶（HAO）。厭氧氨氧化體的相對(duì)體積很大，約占整個(gè)細(xì)胞的30%—60%。厭氧氨氧化體被一種含有獨(dú)特成分脂類的雙層膜包裹，這種脂類被稱為“厭氧氨氧化體脂”。厭氧氨氧化體脂含有階梯烷（Ladderane），它由多個(gè)環(huán)丁烷環(huán)相互結(jié)合而成，形狀類似階梯。階梯烷與甘油之間以醚鍵聯(lián)結(jié)。組織致密的階梯烷結(jié)構(gòu)保證了厭氧氨氧化體內(nèi)產(chǎn)生的聯(lián)氨等有毒中間產(chǎn)物不會(huì)對(duì)ANAMMOX菌產(chǎn)生致命影響。ANAMMOX菌的種類與分布ANAMMOX菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)ANAMMOX菌的生理特征MicrobiologyMicrobiology

ANAMMOX菌的生理特征ANAMMOX菌為化能自養(yǎng)型細(xì)菌，以二氧化碳作為碳源合成細(xì)胞物質(zhì)。厭氧氨氧化菌對(duì)氧敏感，只能在氧分壓低于5%氧飽和(以空氣中的氧濃度為100%)的條件下生存，一旦氧分壓超過18%氧飽和，其活性即受抑制，但該抑制是可逆的。ANAMMOX菌的細(xì)胞分裂速度極慢。實(shí)驗(yàn)條件下得到的ANAMMOX菌的比生長速率為0.003h-1，即世代時(shí)間約為11d，而在生產(chǎn)性試驗(yàn)反應(yīng)器35℃條件下，世代時(shí)間通常為9-12天，均比廢水處理系統(tǒng)已知生長最緩慢的產(chǎn)甲烷菌的世代時(shí)間還長。Microbiology

ANAMMOX菌的生理特征Strous等人確定了BrocadiaAnammoxidans的生理學(xué)參數(shù)，其適宜的pH值和溫度范圍分別為6.7～8.3、20～43℃，最佳條件為pH=8.0，40℃。此時(shí)最大比活性約9.2×10-4mol-NH4+/(kg蛋白·s)，對(duì)NH4+和NO2-的親和力常數(shù)低于0.1mg-N/L。Strous,etal.AEM,1999Egli等人從生物轉(zhuǎn)盤中富集的Kueneniastuttgartiensis在pH=6.5～9、溫度高于11℃低于45℃時(shí)，具有厭氧氨氧化活性，最佳條件為pH=8，37℃，其最大比活性為4.4×10-4mol-NH4+/(kg蛋白·s)。Egli,etal.ArchivesofMicrobiol,2001可見ANAMMOX菌適宜生存在中溫偏堿性環(huán)境。人們對(duì)ANAMMOX菌的關(guān)鍵生理參數(shù)也進(jìn)行了研究。MicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5

實(shí)驗(yàn)室研究

富集培養(yǎng)

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類型影響因素

ANAMMOX工藝的開發(fā)處理不同種類的含氮廢水工程化Applications

實(shí)驗(yàn)室研究

富集培養(yǎng)

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類型影響因素

ANAMMOX工藝的開發(fā)處理不同種類的含氮廢水工程化ApplicationsApplications反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型由于ANAMMOX菌生長極為緩慢，如何借助生物反應(yīng)器進(jìn)行ANAMMOX菌的高效富集培養(yǎng)一直以來是ANAMMOX研究領(lǐng)域的重要方向。ANAMMOX現(xiàn)象最早在流化床反應(yīng)器中被發(fā)現(xiàn)，隨后人們逐漸嘗試?yán)昧骰哺患囵B(yǎng)ANAMMOX菌，從而研究其生理生化特性。隨著人們對(duì)其研究的逐漸深入發(fā)現(xiàn)ANAMMOX菌具有顆?；奶匦裕谑荢BR、UASB、EGSB等傳統(tǒng)生物反應(yīng)器逐漸應(yīng)用到富集ANAMMOX菌的工作中，至今仍是使用最多的ANAMMOX菌富集培養(yǎng)反應(yīng)器。值得提出的是，一些研究人員利用這些反應(yīng)器接種非ANAMMOX污泥（如硝化/反硝化污泥、好氧/厭氧顆粒污泥等）后同樣成功啟動(dòng)了ANAMMOX反應(yīng)器。部分ANAMMOX菌富集培養(yǎng)反應(yīng)器數(shù)據(jù)(ANA污泥：ANAMMOX活性污泥；NA：數(shù)據(jù)未提供)(a)Experimentalset-upofthesequentialbatchreactor(SBR);(b)Rushtonimpeller.Arrojo,etal.JBIOTECHNOL,200687天(magnification10×)TranhungThuan,etal.

BIOTECHNOLBIOPROCE,2004Schematicdiagramoflab-scaleupflowanaerobicsludgeblanket(UASB)reactorforthestart-upofANAMMOXprocess.EGSBreactorconfigurationforanaerobicammoniumoxidation:(1)influenttank;(2)peristalticpump;(3)reactionzone;(4)circulationperistalticpump;(5)settlingzone;(6)hotwatercirculatingpump;(7)three-phaseseparator;(8)hotwaterjacket;(9)waterbath;(10)waterseal(11)gasflow-meter;(12)samplingpoint.WangJianlong,etal.

PROCESSBIOCHEM,2005Morphologyofanaerobicgranulesused(40magnification);(C)(D)innerstructureofanaerobicgranules(6000magnification);(A)theanaerobicgranulescultivatedintheEGSBreactorafter3monthsoperation.phericalparticleswithasmoothsurface.Thereweredifferentkindsofmicrobesinthegranularsludge.

(BandC)sphericalandshort-rodshapedbacteria(D)somefilamentousmicrobes.Applications反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型隨著填料性能的逐漸提高和中空纖維微濾/超濾膜的逐漸普及，以UAFB（升流式固定床反應(yīng)器）和MBR（膜生物反應(yīng)器）為代表的新型ANAMMOX菌富集反應(yīng)器開始流行。UAFB是一個(gè)廣義的名稱，它泛指具填料的升流式厭氧反應(yīng)器。由于填料材質(zhì)理化性能的優(yōu)越性和生物膜（Biofilm）工藝的自身優(yōu)勢，這類反應(yīng)器應(yīng)用到ANAMMOX領(lǐng)域后，很快便得到人們的關(guān)注。SchematicdiagramofBiofixreactorSenQiao,etal.JBIOSCIBIOENG,2009Fromtheexteriorview,eachmicro-element

wastightlyintegratedwithotherpartsandtherewas

littleinterspacebetweenthem;whiletheinterior

showeddrape-shapeandthemicrounitsinsidecould

interlockwitheachother.ThemicroorganizationstructureintheBiofixreactorpresentedhighcompactness.Themicroorganizationstructureexhibitedsphericity.Thisstructuremayhavebeenformedbytheshearforcescausedbytheupwardflowofgasbubblesandwatercurrentsinthespacesbetweensupportmaterials.SchematicdrawingofanANAMMOXupflowbiofilmreactorChongjianTang,etal.

SEPPURIFTECHNOL,2009Applications2008年初，荷蘭Delft大學(xué)的一組研究人員利用內(nèi)置式MBR實(shí)現(xiàn)了ANAMMOX菌“CandidatusKueneniastuttgartiensis”達(dá)97.6%的富集培養(yǎng)，而且世代時(shí)間也縮短至8.3天。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型vanderStar,etal.BIOTECHNOLBIOENG,2008

實(shí)驗(yàn)室研究

富集培養(yǎng)

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類型影響因素

ANAMMOX工藝的開發(fā)處理不同種類的含氮廢水工程化ApplicationsApplications影響因素：1接種污泥的影響2有機(jī)物的影響3亞硝酸鹽與磷酸鹽的影響4抑制劑的影響5SRT的影響6溫度的影響7pH值的影響Applications

接種污泥的影響由于ANAMMOX菌的生長極為緩慢，以硝化（亞硝化）反應(yīng)器污泥，反硝化污泥，污水廠活性污泥等污泥作為接種底泥啟動(dòng)ANAMMOX過程比較困難，具體體現(xiàn)在富集效率低：世界首座ANAMMOX實(shí)際工程反應(yīng)器以反硝化污泥作為接種底泥，從啟動(dòng)到初步實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化共耗費(fèi)三年半的時(shí)間。隨著ANAMMOX反應(yīng)器在實(shí)際工程的廣泛應(yīng)用，一些學(xué)者開始部分或全部采用其他已成功啟動(dòng)并運(yùn)行中的ANAMMOX反應(yīng)器的排泥來啟動(dòng)新建的ANAMMOX反應(yīng)器（實(shí)驗(yàn)室規(guī)?；?qū)嶋H工程規(guī)模），這一措施無疑大大縮短了ANAMMOX反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間，從原來的幾年減少到1年以內(nèi)，據(jù)報(bào)道最短的啟動(dòng)時(shí)間僅為2個(gè)月。接種污泥對(duì)MBR中厭氧氨氧化效能的影響——脫氮效果對(duì)比反應(yīng)器編號(hào)污泥來源MBR1#北京高碑店中試AnammoxUASBMBR2#文昌污水廠A/O池缺氧段污泥1#2#Imagesofsludgesamplesinthegranulationprocess.SeedingaerobicgranularsludgeSmallgranulesafter140daysofoperationGranulesonday250Granulesonday300BingJieNi,etal.AEM,2010(A)ConcentrationprofilesofNH4+-N(B)ConcentrationprofilesofNO2--NWithaerobicgranules,thestart-upperiodwaslessthan160daysataNH4+-Nremovalefficiencyof94%andaloadingrateof0.064kgNperkgvolatilesuspendedsolidsperday.Applications我國學(xué)者在這方面進(jìn)行了一些研究，例如，胡勇有等發(fā)現(xiàn)在有機(jī)碳源（葡萄糖）存在的ANAMMOX反應(yīng)器中，厭氧氨氧化作用和反硝化作用可以同時(shí)存在，且適宜的COD/NH4+-N比值范圍為0-1.57；胡勇有等,華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007鄭平等以酵母膏為有機(jī)碳源發(fā)現(xiàn)，容積總氮負(fù)荷低于0.43kg·m-3·d-1時(shí)，有機(jī)物對(duì)ANAMMOX反應(yīng)器運(yùn)行性能的影響較小；鄭平,環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006李捷等以實(shí)際生活污水作有機(jī)碳和無機(jī)碳源，認(rèn)為有機(jī)碳的存在將會(huì)降低ANAMMOX菌的活性，濃度越高其抑制作用越強(qiáng)，但短時(shí)間內(nèi)該抑制作用是可逆的；李捷,給水排水,2008有機(jī)物的影響厭氧氨氧化新途徑（DNRA）示意圖研究表明，ANAMMOX菌代謝有機(jī)物的過程實(shí)際上是一種新的代謝途徑：ANAMMOX菌Kueneniastuttgartiensis具有異化硝酸鹽/亞硝酸鹽還原為銨鹽（DNRA）的能力，進(jìn)而將銨鹽（產(chǎn)物）和亞硝酸鹽（原料/中間體）通過傳統(tǒng)厭氧氨氧化途徑轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。在DNRA過程中，ANAMMOX菌以硝酸鹽/亞硝酸鹽為電子受體，以有機(jī)物（甲酸鹽）為電子供體，產(chǎn)物為銨鹽和CO2。Kartal,etal.Environ

Microbiol,2007隨著對(duì)ANAMMOX菌研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)ANAMMOX菌除了能夠以銨鹽和亞硝酸鹽為電子供體和電子受體外，還能以有機(jī)物（如乙酸、丙酸）為電子供體，以硫酸鹽為電子受體，并且能夠參與完全不同的反應(yīng)途徑，例如異化硝酸鹽還原為銨鹽（DNRA）和將羥胺歧化為氮?dú)夂弯@鹽。Guven,etal.AEM,2005Guven等人發(fā)現(xiàn)某些有機(jī)物的確可以被ANAMMOX菌所利用，并被氧化為CO2。他們發(fā)現(xiàn)醇類物質(zhì)（甲醇、乙醇）抑制厭氧氨氧化過程，葡萄糖、甲酸鹽和丙胺酸對(duì)其沒有影響，而乙酸鹽和丙酸鹽能夠被其利用，特別是丙酸鹽利用效率更高。研究還發(fā)現(xiàn)，ANAMMOX菌利用丙酸鹽時(shí)，必須以亞硝酸鹽或硝酸鹽為電子受體，銨鹽和丙酸鹽之間存在競爭。Applications亞硝酸鹽和磷酸鹽的影響不同的菌種對(duì)亞硝酸鹽的耐受力不同，當(dāng)NO2-濃度高于10mmol/L時(shí)即對(duì)“CandidantusBrocadiaanammoxidans”產(chǎn)生抑制作用;Jetten,etal.FEMSMicrobiolRev,1998加入5mmol/L以上的PO43-會(huì)完全抑制“CandidantusBrocadiaanammoxidans”的活性，但1mmol/L的PO43-對(duì)其活性無影響；Degraaf,etal.Microbiol-UK,1996“CandidantusKueneniastuttgartiensis”對(duì)PO43-和NO2-的耐受力則較高，分別達(dá)20mmol/L和13mmol/L;Egli,etal.ArchMicrobiol,2001Kimura等人研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于生物膜ANAMMOX反應(yīng)器而言，亞硝酸鹽濃度274mg-N/L是抑制ANAMMOX菌活性的分水嶺：即亞硝酸鹽濃度超過該濃度時(shí)ANAMMOX活性逐漸降低，當(dāng)濃度達(dá)到750mg-N/L時(shí)ANAMMOX活性只有未受影響時(shí)的10%；而當(dāng)亞硝酸鹽濃度降至274mg-N/L以下時(shí)，ANAMMOX活性可以在3天內(nèi)恢復(fù)到原有水平。Kimura,etal.ApplMicrobiolBiotechnol,2010Cho等人研究了高濃度亞硝酸鹽對(duì)ANAMMOX顆粒污泥的影響，研究發(fā)現(xiàn)ANAMMOX顆粒污泥對(duì)亞硝酸鹽的耐受能力較高，臨界抑制濃度為400mg-N/L，是懸浮污泥系統(tǒng)臨界抑制濃度的2倍左右。Cho,etal.Chemosphere,2010Applications抑制劑的影響在已有報(bào)道中，一些抗生素和無機(jī)試劑也能對(duì)ANAMMOX菌有抑制作用。早期試驗(yàn)曾證實(shí)抗生素（青霉素、氯霉素、氨芐青霉素）、氯化汞、2，4-二硝基酚等試劑對(duì)ANAMMOX菌的確存在抑制作用，從而確定了ANAMMOX過程是微生物作用的結(jié)果。近幾年，又有幾種ANAMMOX菌的抑制劑及其抑制濃度被確定，包括游離氨(IC50=55mM)、硝酸鹽(IC50=45mM)、乙酸(IC50=39mM)、硫化物(IC50=0.3mM)、鹽酸四環(huán)素(IC50=55mM)。（IC50:半抑制濃度，用來衡量抑制劑的抑制能力，能力越強(qiáng)，數(shù)值越低）Dapena-Mora,etal.

EnzymeMicrobTech,2007

Fernandez等人研究發(fā)現(xiàn)若將濃度為20mg/L的氯霉素連續(xù)加入一個(gè)ANAMMOX-SBR反應(yīng)器中，該反應(yīng)器的ANAMMOX活性降低25%，而50mg/L的鹽酸四環(huán)素同樣使反應(yīng)器活性降低25%。Fernandez,etal.ProcessBiochem,2009綜上所述，在利用ANAMMOX工藝處理含有上述物質(zhì)的含氮廢水前應(yīng)首先去除這些物質(zhì)，或者降低這些抑制劑的濃度到臨界抑制濃度以下。Applications抗生素對(duì)厭氧氨氧化菌的篩選作用抗生素名稱濃度(mM)氨氮去除抑制率(%)亞硝酸鹽氮去除抑制率

(%)阿莫西林1.032.2±1.83.4±0.01氯霉素0.146.7±2.87.0±0.01氧四環(huán)素0.277.0±5.19.7±0.04不同抗生素對(duì)ANAMMOX菌活性的抑制情況氧四環(huán)素對(duì)ANAMMOX菌的抑制作用最明顯，其次是氯霉素，而阿莫西林對(duì)ANAMMOX菌活性的抑制最低。以往多項(xiàng)研究證實(shí)，阿莫西林（1.0mM）、氯霉素（0.07mM）和氧四環(huán)素（0.1mM）能夠通過抑制細(xì)胞壁的合成或抑制蛋白的形成從而強(qiáng)烈抑制DNB、AOB、NOB的生長。結(jié)合本研究結(jié)果，阿莫西林可以通過特異性干擾作用，抑制AOB等這些ANAMMOX菌的競爭菌種，從而加速ANAMMOX菌的富集，達(dá)到篩選ANAMMOX菌的目的。Applications

SRT的影響ANAMMOX菌的世代時(shí)間長，這對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)十分不利。一般說來，由于ANAMMOX菌的增殖速率很慢，選擇較長污泥齡（SRT）對(duì)于啟動(dòng)厭氧氨氧化系統(tǒng)而言是有利的。但有研究表明，較長SRT并不利于縮短反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間和控制ANAMMOX菌的增殖速率。VanderStar等人在利用MBR富集培養(yǎng)ANAMMOX菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SRT分別為16天和12天時(shí)，ANAMMOX菌的世代時(shí)間分別為11天和8.3天，且ANAMMOX菌的最高純度（97.6%）出現(xiàn)在SRT=12d階段。vanderStar,etal.BIOTECHNOLBIOENG,2008由于以上研究結(jié)果都基于懸浮系統(tǒng)，因此系統(tǒng)內(nèi)SRT究竟如何影響MBR反應(yīng)器內(nèi)的厭氧氨氧化過程還需要進(jìn)一步探究。RIIRIRII(reactorwithhighcellretention)Kieling等人對(duì)比研究了排泥和不排泥兩種運(yùn)行方式啟動(dòng)厭氧氨氧化過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，排泥更容易加快厭氧氨氧化過程的建立，與不進(jìn)行排泥的運(yùn)行方式相比，這種排泥啟動(dòng)方式完成厭氧氨氧化過程提前了100天左右。但是，以上研究的微生物生態(tài)學(xué)不是很清楚，排泥實(shí)驗(yàn)效果更佳的原因可能是因?yàn)榕拍噙^程將一些死亡細(xì)胞和非功能性微生物及時(shí)排出系統(tǒng)，從而更加有利于ANAMMOX菌生的長和繁殖。Kieling,etal.ProcessBiochemistry,2007Applications溫度的影響溫度是影響微生物酶促反應(yīng)的主要因素之一，其主要影響途徑有兩種：1)影響酶催化反應(yīng)的速率；2)影響基質(zhì)擴(kuò)散到細(xì)胞的速率。DOSTA等將溫度從15℃升至40℃，厭氧氨氧化反應(yīng)速率呈指數(shù)形式增加，超過40℃，厭氧氨氧化活性劇降在廢水生物處理中，厭氧氨氧化屬于對(duì)溫度變化比較敏感的反應(yīng)類型，理論上提高溫度有利于加速反應(yīng)，但是當(dāng)溫度達(dá)到45℃時(shí)，反應(yīng)速率下降，細(xì)胞溶解，活性逐漸消失，沉淀出水為橙紅色，這可能與細(xì)胞在高溫下破裂釋放出細(xì)胞色素C有關(guān)，細(xì)胞色素C是厭氧氨氧化體的重要組成部分。

Dosta,etal.JHazardousMaterials,2008

左劍惡等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)溫度在30~35℃

時(shí),其厭氧氨氧化速率最高,為0.171~0.174mg/(mg·d);當(dāng)溫度升至40℃時(shí),其活性明顯下降,僅為0.091mg/(mg·d)；而當(dāng)溫度低于30℃

時(shí),其活性也明顯下降。左劍惡等，環(huán)境科學(xué)，2006ApplicationsCema等在溫度為17℃運(yùn)行厭氧氨氧化生物轉(zhuǎn)盤，氮平均去除率達(dá)到0.5kg/(m3·d)；

Cema,etal.ManagementofPollutantEmmissionfromLandfillsandSludge,2008Isaka考察低溫條件下厭氧氨氧化的長期穩(wěn)定性，認(rèn)為20℃-22℃時(shí)厭氧氨氧化生物濾池可保持穩(wěn)定的氮去除效能，總氮去除最大可達(dá)8.1kg/(m3·d)；Isaka,etal.FEMSMicrobiolLetters,2008Dosta等認(rèn)為小幅度降溫更有利于厭氧氨氧化低溫條件的啟動(dòng)運(yùn)行，厭氧氨氧化SBR反應(yīng)器在溫度為18℃時(shí)的氮去除率為0.3kg/(m3·d)，此時(shí)NO2--N與NH4+-N消耗量之比由30℃時(shí)的1.38±0.01降低到1.05±0.01，當(dāng)溫度降到15℃時(shí)，氮去除率僅為0.02kgN/(kgVSS·d)，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)NO2--N開始累積，系統(tǒng)穩(wěn)定性消失；Dosta,etal.JHazardousMaterials,2008低溫對(duì)厭氧氨氧化的應(yīng)用具有更重要的實(shí)際意義：ApplicationspH對(duì)污泥活性的影響在厭氧氨氧化過程中,pH值是一個(gè)非常重要的環(huán)境條件,很多學(xué)者就pH值對(duì)厭氧氨氧化的影響進(jìn)行了研究。

Strous等人認(rèn)為厭氧氨氧化的最大反應(yīng)速率出現(xiàn)在pH值為8左右。

Strous,etal.ApplMicrobBiotechnol,1998

鄭平等認(rèn)為厭氧氨氧化的最適宜pH值在7.

5~8.0附近;

Zheng,etal.JEnvironSci-China,2004左劍惡等通過實(shí)驗(yàn)得出pH值對(duì)厭氧氨氧化過程有明顯影響,最適pH值為7.5~8.3，在pH值7.0~9.0之間。左劍惡等，環(huán)境科學(xué)，2006

實(shí)驗(yàn)室研究

富集培養(yǎng)

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類型影響因素

ANAMMOX工藝的開發(fā)處理不同種類的含氮廢水工程化ApplicationsApplications

ANAMMOX的經(jīng)濟(jì)性原理ANAMMOX工藝通常分兩步進(jìn)行：（1）短程硝化；（2）ANAMMOX。分別將其與傳統(tǒng)的（全程）硝化-反硝化工藝相比：目前最經(jīng)濟(jì)的脫氮工藝之一幾種脫氮工藝成本比較1、半硝化-厭氧氨氧化工藝（SHARON–ANAMMOX）將前面兩種工藝聯(lián)合起來，在反應(yīng)系統(tǒng)中，進(jìn)水總NH4+的50%在半硝化反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生如下反應(yīng)：

SHARON工藝可采用完全混合式好氧連續(xù)反應(yīng)器；ANAMMOX工藝可采用生物膜法和生物流化床。半硝化反應(yīng)器的出水（含有NH4+和NO2-）作為厭氧氨氧化反應(yīng)器的進(jìn)水。在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生厭氧反應(yīng)，有95%的氮轉(zhuǎn)變成N2，另外，還有少量的NO3-隨出水排出。Applications半硝化-厭氧氨氧化工藝適合處理高濃度NH4+-N廢水和有機(jī)碳含量低的高NH4+-N濃度工業(yè)廢水。出水NH4+-N可達(dá)到6.7mg/L、TN為24mg/L。較之傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝，該工藝耗氧量由4.6kgO2/kgN2降到1.9kgO2/kgN2，降低了耗氧60%，且不需要添加碳源。產(chǎn)生的剩余污泥量很少。2001年Jetten等以污泥消化出水作為原水，利用SHARON-ANAMMOX組合工藝進(jìn)行了生物脫氮試驗(yàn)研究，該工藝的總氮負(fù)荷為0.8kg/(m3·d)，pH不用控制。整個(gè)試驗(yàn)過程中，NH4+去除率為83%；

Jetten,etal.WaterSci&Technol,20012002年Fux等也以該組合工藝進(jìn)行了中試規(guī)模的試驗(yàn)研究，在半年的運(yùn)行過程中，氮的去除負(fù)荷可達(dá)2.4kg/(m3·d)，NH4+去除率大于90%；Fux,etal.JBiotechnol,20022002年6月荷蘭鹿特丹的Dokhaven污水廠建成世界上第一座SHARON-ANAMMOX生物脫氮組合技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)裝置，用于處理其泥區(qū)的廢水。

vanderStar,etal.WaterResearch,2007反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行部分硝化和氨的厭氧氧化。在限氧條件下，系統(tǒng)中有兩類自養(yǎng)微生物：好氧硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌。好氧硝化細(xì)菌將NH4+氧化成NO2-。反應(yīng)如下：然后，厭氧氨氧化細(xì)菌將NH4+和NO2-轉(zhuǎn)變成N2和少量的NO3-。反應(yīng)如下：總的脫氮反應(yīng)式為：1、生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）Applications

在限氧的條件下，利用完全自養(yǎng)性微生物將氨氮和亞硝酸鹽同時(shí)去除的一種方法。該工藝可用以低有機(jī)物濃度的廢水生物脫氮，可以采用單一反應(yīng)器或生物膜反應(yīng)器。2、生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）Applications

生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝適用于污水生物脫氮尤其是低有機(jī)物高氮廢水。由于該工藝過程微生物是完全自養(yǎng)的，所以不需要外加碳源。另外，在整個(gè)脫氮過程中也不需要通風(fēng)曝氣，節(jié)約能耗。相對(duì)于傳統(tǒng)脫氮工藝，該工藝的耗氧量降低63%。2、生物膜內(nèi)自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）ApplicationsTheCANON(CompletelyAutotrophicNitrogenremovalOverNitrite)processInanairpulsingreactortypeSBR;Fedwiththesupernatantfromananaerobicsludgedigester;lowtemperatures(18–24?C);Themaximalnitrogenremovalratewasof0.45gNL?1d?1;Nitrogenremovalpercentagesupto85%;ThesegranuleswerecomposedbyANAMMOXbacterialocatedininternalanoxiclayerssurroundedbyanexternalaerobiclayerwhereAOBwereplaced;Vázquez-Padínetal.JHazardousMaterials2009Applications新型脫氮工藝與傳統(tǒng)脫氮工藝比較

實(shí)驗(yàn)室研究

富集培養(yǎng)

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類型影響因素

ANAMMOX工藝的開發(fā)應(yīng)用于不同種類的廢水處理工程化Applications厭氧氨氧化工藝已經(jīng)被應(yīng)用于處理以下幾種廢水:municipalwastewatertreatment(rejectionwaterfromasludgedigester)organicsolidwastetreatment(landfills,composting,digestion)foodindustriesmanureprocessingindustriesfertilizerindustries(petro)

chemicalindustriesmetallurgicalindustriesminingindustriesApplicationsCema等用生物轉(zhuǎn)盤處理垃圾滲濾液，結(jié)果表明，在溫度不超過20℃時(shí)，在生物膜中成功地馴化了厭氧氨氧化菌,反應(yīng)過程不會(huì)受到高亞硝酸鹽(100gNO2-N·m-3)的影響。Cema.G,etal.ManagementofPollutantEmmissionfromLandfillsandSludge,2008垃圾滲濾液：Pambrun等用SBR反應(yīng)器進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng)處理城市垃圾滲濾液,在反應(yīng)30-40d后實(shí)現(xiàn)了亞硝酸鹽的積累,通過控制溶解氧達(dá)到了去除氮的最大負(fù)荷2kgN·m-3d-1,反應(yīng)190d后100%