厌氧氨氧化菌的生物特性及canon工艺

1、第 34 卷第 6 期2014 年 6 月环境科学学报Acientiae CircumstaeVol 34，No 6 Jun ，2014DOI: 10 13671 / j hjkxxb 2014 0565 ，等 2014 厌氧氨氧化菌的生物特性及 CANON 厌氧氨氧化工艺J 环境科学学报，34( 6) : 1362-1374Wang Y Y，Li L，Ma X，et al 2014 Bio-characteristics of anammox bacteria and CANON anammox processJ Acientiae Circumstae，34( 6) :1362-1374厌

2、氧氨氧化菌的生物特性及 CANON 厌氧氨氧化工艺1，*1 1 1 2 11. 同济大学环境科学与 ，污染 与资源化研究 ，上海 2000922. 上海 工业 药理评价研究中心，上海 200040收稿日期: 2013-09-18修回日期: 2013-12-16录用日期: 2014-01-01摘要: 厌氧氨氧化( ANaerobicAMMonium OXidation，缩写为 ANAMMOX) 指的是在缺氧条件下以亚硝酸盐为受体将氨氧化为氮气的过程 该过程由一类独特的、被称为“厌氧氨氧化菌”的专性厌氧微生物催化完成 作为细菌域浮霉菌门的成员，厌氧氨氧化菌具有与普通原核细菌显 著不同的细胞结构;

3、更重要的是，厌氧氨氧化在氮循环中扮演重要角色，并在污水处理领域显示出良应用潜力: 厌氧氨氧化联合短程硝化非常适合处理高氨氮低碳废水 在一段式的CANON( Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) 厌氧氨氧化工艺中，好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌在氧限制的单个反应器内协同去除氨氮，这在节省反应器空间的同时对系统内功能菌群的优化调控提出了更高的要求 本文重点 了厌氧氨氧化菌的生物特性以及 CANON 厌氧氨氧化工艺的最新进展: 厌氧氨氧化; 短程硝化; CANON 工艺; 废水生物脱氮文章编号: 0253-2468( 2014) 06

4、-1362-13号: X703文献标识码: ABio-characteristics of anammox bacteria and CANON anammox processWANG Yayi1，* ，LI Li1 ，MA Xiao1 ，LIN Ximao1 ，PAN Mianli2 ，DAI Xiaohu11. State key lab of pollutant controlling and resource reuse，College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 2000922

5、. Center for Pharmacological Evaluation，Shanghai Institute of Pharmaceutical Industry，Shanghai 200040eceived 18 September 2013;received in revised form 16 December 2013;accepted 1 January 2014Abstract: ANAMMOX ( ANaerobic AMMonium OXidation) refers to oxidizing ammonia using nitrite as electron acce

6、ptor under anoxic conditions This process is catalyzed by a unique group of obligatory anaerobic microbes called “anammox bacteria ” As members of the Planctomycetes phylum of Bacteria，anammox bacteria have a distinctive cell structure which differs greatly from the common prokaryocytes Most importa

7、ntly，anammox plays an important role in the nitrogen cycle and possess a great potential in wastewater treatment Anammox process combined with partial nitrification is ideally suitable to treat high-strength ammonia streams with low or no organic matter In the one-stage Completely Autotrophic Nitrog

8、en removal Over Nitrite ( CANON) process，aerobic and anaerobic ammonia oxidizing bacteria cooperate to remove ammonia in one oxygen-limited reactor，which saves the land but brings about a challenge in how to control the functional bacteria commu In this contribution，bio-characteristics of anammox ba

9、cteria and CANON process are reviewedKeywords: anammox; partial nitrification; CANON; wastewater nitrogen removal1 引言( Introduction)20 世纪 60 年代以来，随着人口的增长以及工业的发展，富营养问题日益突出，脱氮除磷已成为城市污水厂常规处理的一部分且 采用生物43传统生物脱氮通常采用的是硝化-反硝化工艺 所谓硝化是指利用好氧硝化细菌将氨( NH+ ) 转化为硝酸盐( NO ) 的过程，主要由两类微生物来完成:2氨氧化菌( AOB) 将氨氧化为亚硝酸盐( NO )

10、 ; 基金项目: 自然科学基金资助项目( No 51378370，51178325 ) ; 高校基本科研业务费专项基金; 上海市科技项目( No 12QH1402400)Supported by the National Natural Science Foundation of ( NSFC) ( No 51378370，51178325) ，the Fundamental esearch Funds for the Central Universities，and the Shanghai Science and Technology Development Funds ( No 12QH

11、1402400)，作者简介: ( 1977) ，女，教授( 博士) : yayi wang tongji edu cn; * 通讯作者( 责任作者)，Biography: WANG Yayi( 1977) ，female，professor( Ph D ) : yayi wang tongji edu cn; * Corresponding author6 期等: 厌氧氨氧化菌的生物特性及 CANON 厌氧氨氧化工艺1363亚硝酸盐氧化菌( NOB) 将亚硝酸盐氧化为硝酸盐 后续的反硝化是指利用异养反硝化菌将硝化产物硝酸盐转化为无害氮气的过程，即实现氮素从转移到气相，达到去除污/ 废水中氨氮的

12、目的 然而，传统的生物脱氮工艺已经日益呈现出其不可持续的特点: 首先 氨氮转化为硝氮，需要提供氧气，耗费大量电能; 其次，城市污水中的碳源( 有机物) 往往不足，为提供反硝化过程所需足够的碳源，往往需要外投碳源( 如甲醇或乙酸等) ，这提高了运行成本，同时也增加了 CO2 排放量就此，环境工程师们尝试各种 来使未来的 脱氮工艺更具可持续性 其中一种改进的脱氮途径是基于亚硝酸盐的短程硝化反硝化 ( short-cut nitrification-denitrification ) 技 术 ( Peng and Zhu， 2006) ，即把硝化过程在亚硝酸盐阶段，阻止其 进一步氧化为硝酸盐，然后利

13、用异养反硝化菌进行 反硝化 如此，较传统全程硝化反硝化工艺，硝化和反硝化过程均缩短了一个步骤，理论上能节约 25% 的氧气量和 40% 的碳源20 世纪 90 年代，荷兰的 Mulder 和 Kuenen 等发现了一种新型细菌厌氧氨氧化菌 ( AnAOB) ( Mulder et al ， 1995; Strous et al ， 1999a; Kuenen，2008) ，这类微生物可在缺氧条件下以亚硝酸盐作为 受体将氨氧化为氮气 该细菌的发现很快引起水处理工程师们的热切关注和 污废水中的氮多以氨氮形式 ( 大部分有机氮可在好氧或厌氧条件下被异养菌降解转化为氨氮) ，为提供 AnAOB 所需的

14、亚硝酸盐，需 前置短程硝化( partial nitrification) ，利用 AOB 将进水中约一半的氨转化为亚硝酸盐，然后 AnAOB 可将剩余的氨和AOB 产生的亚硝酸盐结合生成氮气 与传统硝化反硝化工艺相比，这种基于厌氧氨氧化的脱氮工艺理论上能节约 62 5% 的氧气量，无需碳源，并且产生更少的剩余污泥( 自养菌生长缓慢) ，排放更少的CO2( 自养菌以 CO2 作为碳源) ，是一种更具可持续特征的脱氮工艺2 厌氧氨氧化菌的生物特性( Bio-characteristics of anammox bacteria)2 1 厌氧氨氧化菌的发现与意义1986 年，Gist Brocad

15、e 发酵公司 ( 荷兰) 的 Mulder 发现在密封且厌氧运行的脱氮流化床中氨和硝酸盐浓度同步降低，并伴有氮气的产生 而传统观点认为氨在无氧条件下不能被生物降解，因此Mulder 认为这可能是一种新的氮素转化途径，并将该过程命名为“厌氧氨氧化”( ANaerobic AMMonium OXidation，缩 写 为 ANAMMOX ) ( Mulder et al ， 1995) 随后 van de Graaf 等证明厌氧氨氧化过程是一个生物反应，推测出其实际的 受体是亚硝酸盐而非之前假设的硝酸盐( van de Graaf et al ， 1995) ，并用流化床反应器富集了之后被称为厌氧

16、氨氧化菌 ( AnAOB ) 的细菌 ( van de Graaf et al ，1996) 之后，微生物学家们试图对 AnAOB 进行纯培养，但 均告失败 1999 年，Strous 等 ( 1999a ) 在Nature上首次 采用密度梯度离心法( density- gradient centrifugation) 分离了 AnAOB 菌株，他们又通过 16S rNA 基因测序，确认了 AnAOB 是浮霉菌门( Planctomycetes) 的成员，这一标志着AnAOB 已经获得世界范围内的认可AnAOB 的发现引起了广泛轰动，主要有 3 方面的意义: AnAOB 独特的细胞结构和代谢能

17、力引起了微生物学家的 作为浮霉菌的成员，AnAOB具有不同于普通原核细胞的超微( 内部) 结构( Fuerst and Sagulenko，2011) 另外，AnAOB 如何在缺氧条件下将惰性的氨氧化也是微生物学家最感的问题( Kartal et al ，2011，2013) ; AnAOB的发现补充了人们对自然界氮循环( 图 1) 的认识 过去普遍认为，大气中的氮气仅来自反硝化菌; 而如今海洋学家的研究表明，海洋中约一半的氮损失可能是缘于 AnAOB 的作用( Arrigo，2005; nd Kuypers，2011) ，说明厌氧氨氧化是与反硝化同等重要的过程 AnAOB 引起了水处理工作者

18、的重视 厌氧氨氧化与短程硝化联用，可用于去除废水中的氨氮 较传统的硝化反硝化脱氮技术，具有能耗低、无需外投碳源和剩余污泥产量 优点图 1 氮循环Fig 1 The nitrogen cycle2 2 厌氧氨氧化菌的富集与生长AnAOB 是严格厌氧的自养菌，生长非常缓慢，1364环境科学学报34 卷为从环境样品( 如污水厂污泥) 中富集 AnAOB，需为它提供基质氨和亚硝酸盐，以及无机碳酸氢盐作为其碳源( van de Graaf et al ，1996) 应注意的是，虽然亚硝酸盐是 AnAOB 的基质，高浓度的亚硝酸盐却会对 AnAOB 产生明显的抑制作用，因此应尽量使其保持在较低浓度范围内目

19、前 多采用序批式反应器( SB) 来富集AnAOB( Strous et al ，1998) ，当污泥开始慢慢变为红色时，则说明富集 除了 SB，人们用上流式厌氧污泥床( UASB) ( Imajo et al ，2004; Ni et al ， 2010; Schmidt et al ，2004 ) 、生 物转盘( otating biological contactor，BC) ( Egli et al ，2001) 等反应器也富集了 AnAOB Strous 等( 1998) 基于运行的 SB 获得了 AnAOB 的生长方程式:AnAOB 的发现地荷兰代尔夫特市的 Gist Brocad

20、es 酵 母 厂 命 名，3 个 种 分 别 为 B anammoxidans，B fulgida 和 B sinica，其 中 B anammoxidans 是最早被富集和分离的 AnAOB; Kuenenia ( Strous et al ， 2006 ) ，以 微 生 物 学 家 Johannes Gijsbrecht Kuenen 命 名，代 表 种 为 K stuttgartiensis; Anammoxoglobus ( Kartal et al ， 2007b) ，一 个种 A propionicus; Jettenia ( Quan et al ，2008; Hu et al

21、，2011 ) ，以 微生物学家 Mike S M Jetten 命 名，一 个 种 J asiatica; Scalindua ( Schmid et al ，2003; Woebken et al ， 2008; van de Vossenberg et al ，2013) ，4 个种分别为 S brodae，S sorokinii，S wagneri 和 S profunda2 4 厌氧氨氧化菌的细胞形态与结构NH+ + 1 32NO + 0 066HCO + 0 13H+ 1 02H +4232AnAOB 为球菌，平均直径介于 800 nm 到 11000. 26NO +2 03H O

22、+0 066CH O N ( biomass)3220 50 15( 1)nm 之间 由于胞内大量的细胞色素，AnAOB 细胞总体呈现红色，根据环境条件的不同，它们可独式中，实际上 分解和 代谢两部分 ( 见式( 2) ( 3) ) : 分解( 产能) 代谢: 供体氨与受体亚硝酸盐以 11 的比例反应生成氮气和水 ( 途经一氧化氮和联氨两种中间产物) ，并将反应释放的能量以 ATP 的形式储存起来; 代谢: 以亚硝酸盐作为 供体提供还原力，利用 CO2 作为碳源( 前体物) 以及分解代谢过程提供的 ATP 来合成细胞物质，并产生少量硝酸盐4222NH+ +NO = N +2H O( G0 &#

23、39; = 357 kJ·mol1 ) ( 2)立或群体生长 AnAOB 生长非常缓慢，倍增时间为 7 22 d( Kartal et al ，2013) ，目前还无法纯培养，但可通过物理纯化 ，如密度梯度离心法 ( density gradient centrifugation ) ( Strous et al ， 1999a) 分离 AnAOB( 99 6% ，每 200 个细胞仅含 1个污染细胞) 现已证实，AnAOB 以二方式进行增殖，而不是早期研究所认为的出芽生殖，而其他 浮霉菌的增殖 芽殖浮霉菌的细胞壁结构不同于普通的革兰氏阳0 28NO +0 066HCO = 0 26

24、NO +0 066CH O N2332 0 50 25( 3)性菌和革兰氏菌，其主要成分是蛋白质，不含肽聚糖，且其外侧未被膜包围; 而革兰氏菌细42值得注意的是，厌氧氨氧化的终产物 N2 的两个氮原子一个来自 NH+ ，另一个来自 NO 也就是胞壁 的 肽 聚 糖 层 外 面 还 有 一 层 外 膜 ( outer membrane) 更重要的是，浮霉菌的胞内结构较普通说，当以15 N 标记其中一个底物( NH+ 或 NO ) 时，反原核细胞要复杂，它们的细胞质都被膜分隔为几个422应后将得到混合标记的 N ( 14 N15 N) 而与 AnAOB不同，反硝化菌反硝化产生的 N2 的两个 N

25、原子均( 图 2a) ( Lindsay et al ，2001) ，呈现出真核细胞的特征 AnAOB 也不例外，其细胞被膜分隔为 33来 自 NO或 NO 因 此 通 过 质 谱 ( mass个 ( 图 2b) ，从外到里分别为: 外室细胞质2spectrometry) ( van de Graaf et al ，1997) 分析 N2 的同位素组成( 14 N14 N，14 N15 N，15 N15 N) ，可将 AnAOB与反硝化菌区 来2 3 厌氧氨氧化菌的截至目前，共发现 5 属( genera) 10 种( species) 的 AnAOB，均 归为细菌域 ( Bacteria )

26、 浮霉菌门( Planctomycetes) 的 Brocadiales ( 目名，中文译名未定) 5 个属分别如下: Brocadia ( Strous et al ，1999a; Kartal et al ，2008; Oshiki et al ，2011) ，以( paryphoplasm) ， 核糖细胞质( riboplasm) 和厌氧氨氧化体( anammoxosome) 研究者们提出，AnAOB 的细胞壁很可能具有与其他浮霉菌类似的结构 因此，AnAOB 细胞最外面的膜 被认定为细胞质膜，且其最外面的两层膜包裹的区域是细胞质的一个区域( 图 2b) ，称为外室细胞质 ，对 K st

27、uttgartiensis 的宏基因组分析结果表明，AnAOB 含有编码周质外膜蛋白质的基因和 肽聚糖所需的部分基因 ( Strous et al ，6 期等: 厌氧氨氧化菌的生物特性及 CANON 厌氧氨氧化工艺13652006) ，表明 AnAOB 可能具有与普通革兰氏菌类似的细胞壁结构 如此一来，外室细胞质则为一种特殊的周质图 2 ( a) 典型浮霉菌 Pirellulastaleyi 的细胞结构示意图; ( b) 厌氧氨氧化菌细胞结构示意图( 待验证) ; ( c) 梯形烷脂质( 上) 和厌氧氨氧化体膜( 下)Fig 2 ( a) the cell structure of Pirel

28、lula staleyi of typical Planctomycetes; ( b) the cell structure of anammox bacteria ( remain to be verified) ; ( c) ladderane lipid and anammoxosome membrane核糖细胞质相当于普通细菌的细胞质，含有拟核和核糖体，是基因转录和翻译的场所 但 AnAOBVan de Graaf 等( 1997) 用同位素标记技术考察羟胺( NH OH) 对 AnAOB 的作用现，投加14 NH+24是如何将 的蛋白质 到外室细胞质和厌氧和15 NH OH( 不投

29、加 NO ) 会产生14，15 N ，并且会导222氨氧化体，目前仍不清楚 另外，在核糖细胞质内发现储存有糖原( 葡萄糖的聚合物) ; 而在两种 AnAOB “ CandidatusBrocadiafulgida ” 和 “ CandidatusAnammoxoglobuspropionicus”的核糖细胞质中还发现致有 N2 H4 的短暂积累( 图 3 ) ，这说明 NH2 OH 和N2 H4 很可能是厌氧氨氧化反应的中间产物 据此他们提出了最早的厌氧氨氧化反应代谢模型，该代谢模型共 3 步: NO 被还原为 NH OH，NH OH 和222有类似于聚羟基脂肪酸酯( PHA) 或聚磷酸盐(

30、poly-NH+ 缩合生成 N H ，N H氧化为最终产物氮气42 42 4P) 的颗粒物( van Niftrik et al ，2008) 这些细胞内( N ) 其中 NO 还原为 NH OH 是好氧氨氧化的第22222含物的具体细胞功能还不十分明确二步反应( NH OHNO ) 的逆反应，可能由某种亚厌氧氨氧化体是厌氧氨氧化体膜包裹的密闭区域，占整个细胞超过一半的体积( 图 2b) ，其内部不同于普通的细胞质，不含有核糖体 很多实验结果均证明，厌氧氨氧化体是发生厌氧氨氧化反应( NH+ +NO N +2H O) 的场所，其功能类似于真核硝酸盐还原酶催化 另外，已有文献 ，羟胺氧化还原酶

31、( HAO ) 不仅能氧化 NH2 OH，而 且能氧化 N2 H4 到 N2( Hooper et al ，1997) ，因此第( 3) 步可能是由 HAO 催化的 而第( 2 ) 步 N2 H4 则由一种4222细胞的线粒体，是 AnAOB 的产能部位 ( Niftrik et al ，2004 ) 另外，厌氧氨氧化体膜含有 AnAOB特有的梯形烷脂质( ladderane lipid) ( Damsté et al ， 2002) ( 图 2c) ，这种脂质分子使膜高度不透，可最大程度地减少代谢中间产物( 如联氨，N2 H4 ) 和质子( H+ ) 的泄漏，降低能量损耗，同时可防

32、止联氨外泄毒害核糖细胞质2 5 厌氧氨氧化菌的分解代谢虽然人们通常用相对简单的方程式来表示硝化、反硝化等生物反应，但实际上这些反应要比所列的反应式复杂，通常涉及各种中间产物的形成例如，好氧氨氧化( NH NO ) 反应以 NH OH 为中新的、从未发现的酶催化，与一氧化氮还原酶( Nor) 不同，这种酶可以催化两种不同的含氮分子反应形成 NN 键322图 3 厌氧氨氧化富集培养物中投加羟氨( NH2 OH) 导致联氨间产物; 反硝化( NO N ) 反应以 NO 、NO 和 N O3222为中间产物 因此，要解决厌氧氨氧化菌的代谢途径问题，关键是确定反应过程所涉及的中间产物( N2 H4 )

33、的积累( Kartal et al ，2008)Fig 3Production of hydrazine by anammox bacteria after the addition of hydroxylamine ( Kartal et al ，2008)1366环境科学学报34 卷，在 K stuttgartiensis 的基因组中，未发现4) ，在厌氧氨氧化体膜两侧形成质子电化学梯度催化 NO 还原为 NH OH 的酶编码基因，却发 ( electrochemicalproton gradient ) ( 浓 度 梯 度22现有基因编码 cd1 型亚硝酸盐还原酶( NirS) ( St

34、rous et al ，2006) ，这种酶催化亚硝酸盐还原为一氧化氮( NO) ，说明 NO( 而非 NH2 OH) 更可能是厌氧氨氧化的代谢中间产物 Strous 等( 2006) 基于基因组分析和 AnAOB 的一些生理实验结果，提出了厌氧氨氧化代谢的 模型( 图 4 ) 该模型认为 NO 和 N2 H4 是其中间产物，同样也有如下三个步骤:pH 和电位梯度) 这样 转移所 的大部分能量得以储存起来 然后膜内侧的质子通过ATP 酶自发地回流至核糖细胞质侧，并在核糖细胞质侧驱动 ADP 与 Pi ATP前，Kartal 等( 2011) 验证了该代谢模型，并对投加 NH2 OH 导致 N2

35、 H4 短暂积累的实验现象( 图3) 作出了解释: 联氨脱氢酶( HDH) ( kustc0694 ) 活NO +2H+ +e = NO+H O( E'= +0 38 V)( 4)性会被 NH OH( 或 NO) 抑制，为应对这种胁迫影220242 420NO+NH+ +2H+ +3e = N H +H O( E'= +0 66 V)( 5)响，AnAOB 体 内 的 另 一 种 酶 ( kustc1061 ) 可将 NH OH 转化为 NO，继而又与 NH+ N H ( 02424N2 H4= N +4H+ +4e( E'= 0 75 V)( 6) 200 min)

36、从图 3 可以看出，当 NH2 OH 被完全转204222总反应式: NH+ +NO = N + 2H O( G0 ' = 357kJ·mol1 )( 7)2如图 4 所示，首先 NO 在亚硝酸盐还原酶 ( nitrite redue，NirS) 的作用下被还原为 NO，然后联氨 酶( hydrazine synthase，HZS ) 催化 NO 和NH+ 缩合生成 N H ，最 终 N H 在联氨脱氢酶化后( 约 200 min 处) ，联氨脱氢酶所受的抑制解除，积累的 N2 H4 浓度快速降低( 200 min 后) ，说明N2 H4 已被转化为 N2 2 6 厌氧氨氧化

37、菌的重要生理特性影响厌氧氨氧化菌活性的环境因素很多，本文重点 基质与产物、溶解氧及有机物的影响作用42 42 4( hydrazine dehydrogenase，HDH) 的作用下转化为氮气 与其他化能自养型细菌一样，AnAOB 通过化学渗透机制储存能量: N2 H4 氧化过程中失去的 4 个电子经过可溶性细胞色素 c、泛醌( 辅酶 Q) 、细胞色素bc1 复合体( 复合体) 、可溶性细胞色素 c，最终传递到亚硝酸盐还原酶( 1 个) 和联氨酶( 3 个 ) 转移过程中所 的能量可用于将质子( H+ ) 由核糖细胞质移位至厌氧氨氧化体( 图图 4 厌氧氨氧化菌的分解代谢模型( Nir 为亚硝

38、酸盐还原酶; HZS 为联氨酶; HDH 为联氨脱氢酶; c 为细胞色素 c; bc1 为细胞色素 bc1 复合体; Q 为辅酶 Q; a 为厌氧氨氧化体; r 为核糖细胞质)Fig 4The catabolism m of anammox bacteria ( Nir，nitrite redu e; HZS， hydrazine synthase; HDH， hydrazine dehydrogenase; c， cytochrome c; bc1， cytochrome bc1 complex; Q， coenzyme Q; a， anammoxosome; r， riboplasm)(

39、1) 基质和产物( 氨、亚硝酸盐和硝酸盐) 认为，AnAOB 能够耐受较高浓度的氨氮和硝酸盐，但高浓度的亚硝酸盐对它的抑制非常明显 Strous 等( 1999b) 的实验表明，AnAOB 的活性在低于 1 g· L1( 以 N 计，下同) 的氨和硝酸盐浓度下被抑制，但是亚硝酸盐浓度为0 1 g·L1 时即可完全抑制厌氧氨氧化过程，而加入微量的 NH2 OH 或 N2 H4 可 以使其恢 性( 其确切机制有待研究) Dapena- Mora 等( 2007) 发现 25 mmol·L1( 350 mg·L1 ) 的亚硝酸盐可以使厌氧氨氧化活性降低 50%

40、 ，而浓度分别为 55 mmol·L1( 770 mg·L1 ) 和 45 mmol·L1( 630 mg·L1 ) 的氨和硝酸盐同样也导致 50% 的活性 丧失( 2) 溶解氧 AnAOB 是严格厌氧菌，因此其活性易被溶解氧( DO) 所抑制 研究表明，氧气分压为0. 5% 空气饱和时，氨和亚硝酸盐的转化完全停止; 充入氩气排除反应器内的氧气后，厌氧氨氧化活性恢复( Strous et al ，1997) 厌氧氨氧化被低浓度氧气可逆性抑制的这种特性说明: 理论上可通过间歇曝气方式在单个反应器内同时进行短程硝化和厌氧氨氧化( 3) 有机物 很多研究均表明

41、，有机物的对AnAOB 的生长有着不利影响 反硝化反应会出比厌氧氨氧化反应更高的 能，且反硝化菌的生6 期等: 厌氧氨氧化菌的生物特性及 CANON 厌氧氨氧化工艺13672长速率要远大于 AnAOB，因而一定量有机物的条件下，AnAOB 将难以与反硝化菌竞争亚硝酸盐 Molinuevo 等( 2009 ) 在研究两种经预处理( 消化和部分氧化) 的养猪废水现: 反应器进水 COD 为95 mg·L1 和 121 mg·L1 时，氨氮仍可得到高效去除，但随着进水 COD 的增加会使得厌氧氨氧化过程受到不利影响，而异养反硝化菌活性得到提高; 当COD 分别达到 237 mg&

42、#183;L1 和 290 mg·L1 时，氨的去除 完 全 停 止 Tang 等 ( 2010 ) 发 现 当 进 水COD/ NO -N 为 2 92 时，厌氧氨氧化菌受到抑制，而异养反硝化菌成为优势菌种，在此条件下长期运行反应器会使厌氧氨氧化脱氮性能难以恢复有趣的是，之前被认为是严格自养的 AnAOB能将一些有机物，如甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐等，氧NO ) 通常是限速步骤( 反应速率较慢的一步) 因此，氨氧化反应产生的亚硝酸盐通常很快被转化为硝酸盐，难以积累 尽管如此，在一些特定环境条件下，仍可观察到亚硝酸盐的积累 短程硝化即通过人为 一些环境因素，改变 AOB 和 NOB 的生

43、长动力学，当 NOB 较 AOB 受到更强的活性抑制时，即可阻止亚硝酸盐被进一步氧化，实现亚硝酸盐的积累 目前主要采用以下 3 种方式来实现短程硝化:2( 1) 提高游离氨( Ammonia，FA) 浓度 AOB与 NOB 均会被 FA( NH3 ) 所抑制，但 FA 对 NOB 的抑制更显著 因此在较高浓度的游离氨环境下可以实现亚硝酸盐的积累( Anthonisen et al ，1976) 游离氨浓度与进水总氨( TAN) 浓度、pH 和温度( T) 有关，可用式( 8) 计算:化为 CO2 和水( Kartal et al ，2007b，2008 ) ，但是NH =TAN( 8)有机物仅

44、被异化分解，并未被同化为细胞物质 这23种情况下，AnAOB 可利用 NO 或者 NO 作为受体( Kartal et al ，2007a) ，利用上述有机物，将其36344 e273+T +110pH( 2) 超过 25 的操作温度 根据乌斯公+还原为 NH4( 异化性硝酸盐还原) ，得到的 NH4 将与2NO 一同通过典型的厌氧氨氧化反应生成氮气和水( 图 5) 图 5 厌氧氨氧化菌以硝酸盐作为受体代谢有机物示意图 ( Kartal et al ，2013) ; 实箭头和虚箭头分别表示基质转化和 转移Fig 5 Decomposition of organic matter by anam

45、mox bacteria using nitrate as an electron acceptor ( Kartal et al ，2013 ) Substrate and electron flows are represented by solid and dashed arrows，respectively3 CANON 厌氧氨氧化工艺( CANON anammox process)3 1 短程硝化污废水中氮大多以氨氮形式 ，而厌氧氨氧化菌的基质除了氨以外，还有亚硝酸盐，因此厌氧氨氧化通常需与短程硝化联用，以达到去除废水中氨氮的目的AOB 和 NOB 在自然或人工环境中通常呈共生4;

46、且在硝化反应的两个步骤中，氨氧化( NH+ 式 k = AeEa / T ，在不超过酶变性的温度条件下，微生物的活性随温度的升高而增强，但不同反应的反应 速率对温度的敏感性不同 氨氧化反应的活化能 Ea ( 60 72 kJ·mol1 ) 比亚硝酸盐氧化反应的活化能 E ( 43 47 kJ·mol1 ) 要大( Van Hulle et al ，2010) ，因此氨氧化反应速率对温度更敏感，以致在较高温 度( 但低于酶变性温度) 条件下，AOB 生长得比NOB 快a( 3) 降低溶解氧 低溶解氧导致的亚硝酸盐积累 解释为 AOB 比 NOB 对氧气的亲和力( 以半饱和常数

47、 KO 表征) 要大，因此在低氧条件下，NOB将难以与 AOB 竞争有限的氧气，致使亚硝酸盐氧化步骤受到抑制( Wiesmann，1994) Picioreanu 等( 1997) 在生物膜系统中考察不同浓度的溶解氧对亚硝酸盐积累的影响( 图 6 ) 现，当溶解氧浓度大于 2 5 mg·L1 时，几乎所有氨氮都转化为硝酸盐; 溶解氧浓度为 1 5 mg·L1 左右时，可以实现最大程度的亚硝酸盐积累，但同时也有相当一部分亚硝酸盐被继续转化成为硝酸盐 可见，仅依赖于溶解氧的限制可能不足以实现完全意义的短程硝化 为进一步限制亚硝酸盐的转化，可以 中引入反硝化菌，这样 NOB 除了

48、要与AOB 争夺氧气外，还要与反硝化菌争夺亚硝酸盐，因而难以在系统中 在后文中将将 AnAOB 引入反应器可达到同样的效果( 淘汰 NOB) ，而这正是1368环境科学学报34 卷CANON 工艺得以实现的一个重要图 6 生物膜系统中溶解氧对亚硝酸盐积累的作用( Picioreanuet al ，1997)Fig 6Effect of DO on nitrite accumulation in a biofilm system( Picioreanu et al ，1997)3 2 CANON 工艺的实现机理在厌氧氨氧化工程化应用之初，人们把短程硝 化和厌氧氨氧化置于两个反应器内进行，如SHA

49、ON-ANAMMOX 工艺 ( Van der Star et al ， 2007) SHAON 反应器中 AOB 先将进水中约一半的氨转化为亚硝酸盐，产生 11 的 NH+ NO 出水进因为 AnAOB 是严格的厌氧菌，需要 AOB 消耗掉几乎所有的溶解氧 从位角度来看，AOB 通常位于污泥( 如颗粒污泥或生物膜) 外层，消耗氧气防止其毒害污泥絮体内层的 AnAOB 也就是说，虽然反应器通入了一定量的氧气，但由于传质限制 ， AnAOB 所在的微环境实际上呈缺氧状态( 图 7a 左图) 从这个意义上说，CANON 工艺的实现机理与同步 硝 化 反 硝 化 ( Simultaneous Nit

50、rification and Denitrification，SND) 非常类似 Nielsen 等( 2005 ) 和 Vázquez-Padín 等( 2010 ) 各自结合荧光原位杂交 ( FISH，利用带有荧光的核酸探针标记污泥内不同的微生物) 和微电极( 检测污泥内部的氧气和亚硝酸盐浓度梯度) 两种技术很好地证实了CANON 颗粒污泥的分层现象 ，Vlaeminck 等 ( 2010) 的研究表明，一些 CANON 反应器内的颗粒污泥并没有明显的种群分层现象，而另一些反应器 内的颗粒污泥则确实有分层现象，这一结果说明， 不同 CANON 反应器获得的厌氧氨氧化污泥

51、可能会呈现不同种群分布特性由于 AOB 产生了 NOB 的基质亚硝酸盐，所以NOB 在 CANON 系统中是可能生长繁殖的 CANON42入 ANAMMOX 反应器，ANAMMOX 反应器中的AnAOB 再将氨和亚硝酸盐转化为氮气和少量的硝酸盐 出水的硝酸盐浓度较低 可达到排放标准要求后来，人们发现上述两个过程也可以整合个反应器内进行 需要说明的是，文献中有以下 3 种名称命名该过程: OLAND ( Oxygen Limited Aerobic Nitrification-Denitrification ) ( Kuai and Verstraete， 1998 ) 、DEMON ( aer

52、obic anoxic deammonification )( Hippen et al ， 1997 ) 和 CANON ( Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite ) ( Sliekers et al ，2002) 由于距 AnAOB 时间并不长，研究者们提出前两个名称时还未认识到该过程有AnAOB 的参与，误以为反应器的脱氮效果是Nitrosomonas( AOB) 的反硝化作用( 见 2 4 节) 导致的 本文采用第 3 个名称( 即 CANON) 来描述一段式的厌氧氨氧化工艺来说，CANON 工艺指的是在单个反应器内限

53、制曝气条件下，利用好氧氨氧化菌( AOB) 和厌氧氨氧化菌( AnAOB) 的协同作用来去除废水中的氨氮 CANON 工艺之所以采用限制曝气，一是因为AOB 相比 NOB 在低氧条件下能较好地生长，二是反应器运行过程中应特别注意防止 NOB 中的增殖，否则反应器的脱氮效果将受到严重影响 NOB 难以在正常运行的 CANON 系统内占一席之地，主要有以下几个方面的 :( 1) 基质竞争 CANON 反应器中氧气和亚硝酸盐都处于较低的浓度范围，NOB 既要与 AOB 争夺氧气，又要与 AnAOB 争夺亚硝酸盐，受到双重竞争 ( 2) 游离氨的选择性抑制 目前 CANON 工艺一般用于处理高氨氮废水

54、，如污泥消化上清液和渗滤液等 当进水游离氨浓度较高时，NOB 的活性和生长将受到比 AOB 和 AnAOB 更强的抑制( 3) 高温 目前 CANON 反应器的操作温度多为30 35 ，在如此高温条件下，AOB 比 NOB 生长更快( 见 2 1 节) ，同时该温度范围也接近 AnAOB 的最佳生长温度 Strous 等( 1999) 计算得出 AnAOB 的活化能为 70 kJ·mol1 ，与 AOB 接近而大于 NOB，说明较高的温度更有利于 AOB 和 AnAOB 在 CANON 反应器内的生存总的来说，可采用两种 来快速启动 CANON 反应器: 法是往厌氧氨氧化反应器接种硝化污泥并通入空气保持微氧条件，同时可将进水基质6 期等: 厌氧氨氧化菌的生物特性及 CANON 厌氧氨氧化工艺1369从含氨氮和亚硝酸盐两种成分转变为仅含氨氮 ( Third et al ，2001) ; 另法是往低氧操作的短程硝化反应器接种厌氧氨氧化污泥( Pynaert et al ，2004) 研究表明，第法会导致厌氧氨氧化活性的大幅降低，而第二种启动方式更为有效 该启动仅需少量的 AnAOB 接种物，同时较高的硝化活性可避免 AnAOB 受到氧气的毒害; 通常经过 1 到 2 的驯化，厌氧氨氧化的活性逐步提高，从而可达到快速启动 CANON 反应器的目的图 7 ( a)