【《厌氧氨氧化脱氮工艺研究的国内外文献综述》4100字】

厌氧氨氧化脱氮工艺研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u1937厌氧氨氧化脱氮工艺研究的国内外文献综述 1271801.1厌氧氨氧化脱氮工艺 1172251.1.1厌氧氨氧化 125201.1.2工艺的优势 26111.1.3厌氧氨氧化菌 2118481.2工艺的影响因素 3152261.2.1环境影响因素 3115111.2.2甲醇对厌氧氨氧化的影响 4271921.2.3有机物对厌氧氨氧化的影响 598511.3厌氧氨氧化代谢酶 6230551.3.1脱氢酶 6309541.3.2磷酸脂酶 6223981.3.3联氨氧化酶 647431.3.4比血红素酶 611701.3.5总结 73758参考文献 71.1厌氧氨氧化脱氮工艺1.1.1厌氧氨氧化厌氧氨氧化是一种微生物脱氮反应，在厌氧环境下，微生物以氨氮作为电子供体，以亚硝酸盐氮作为电子受体，可将氨氮和亚硝酸盐氮转化为氮气和硝酸盐氮[1]。Broad在1977年根据热力学化学反应，推测出环境中可能存在厌氧氨氧化反应。1994年，Mulder等人通过脱氮流化床反应器，验证了Broad的推论[2]。厌氧氨氧化应用于废水脱氮，近年以来备受关注。菌群的生长速率缓慢，对生长环境的要求非常严格[3]。菌群需要在严格缺氧的条件下进行反应，作为自养型细菌，菌群进行反应时不需要外加碳源[4]。废水中数量不一的有机物，对菌群的脱氮反应造成干扰。因此我们需要探究有机物对厌氧氨氧化菌代谢特征的影响。1.1.2工艺的优势厌氧氨氧化是一种新型的废水脱氮工艺，与其他传统硝化-反硝化废水脱氮工艺相比，具有以下特点：(1)处理效率高。厌氧氨氧化工艺对实际废水的最大总氮去除速率远高于传统的硝化-反硝化废水脱氮过程的去除速率[5]。(2)不需要加入有机碳源作为电子供体，节省运行成本，防止投加碳源产生的二次污染[6]。(3)菌群生长速率低，污泥的产泥量较少，经济环保[7]。(4)可以和传统的短程硝化工艺联用，传统脱氮工艺需要加入甲醇，该工艺可以节省耗氧量、耗碱量，不需要加入甲醇[8]。1.1.3厌氧氨氧化菌厌氧氨氧化菌为革兰氏阴性菌，菌体大多为深红色，具有多细胞膜分割的细胞结构[9,10]。厌氧氨氧化菌属于浮霉菌门（Planctomycetes），原始菌群广泛分布于生态系统之中[10]。目前已发现的这类菌存在6个不同菌属，分别是：CandidatusBrocadia、CandidatusAnammoximicrobium、CandidatusAnammoxoglobus、CandidatusKueueuia、CandidatusJettenia和CandidatusScalindua六个菌属，一共20多种[10]。厌氧氨氧化体是该类微生物的特有结构，厌氧氨氧化关键酶是脱氮反应进行的必要催化剂[11,34]。菌群以生物膜和颗粒污泥的形式存在，颗粒污泥的沉降性能良好，在反应器内容易形成很高的生物量，提升反应速率[12,34]。厌氧氨氧化颗粒污泥颜色受菌群活性影响，介于红色与黑色之间[13,34]，本次实验的颗粒污泥如图1.1所示。厌氧氨氧化颗粒污泥是由许多不同的细菌[14]和胞外聚合物EPS所包裹成的生物聚集体[15]。图1.1厌氧氨氧化污泥Fig.1.1Anaerobicammoniumoxidationsludge颗粒污泥中分布有厌氧发酵菌和异养反硝化菌等微生物[16]。它们共同维持颗粒污泥的结构，维持反应的稳定性[17]。1.2工艺的影响因素由于一般的高氮废水中都含有一定的有机碳和无机碳，探究如何使厌氧氨氧化工艺在碳源组成复杂的高氮废水中稳定高效运行，成为厌氧氨氧化技术广泛应用于氨氮废水处理的关键。该微生物脱氮反应的工艺应用受到温度、有机物、基质浓度、溶解氧以及重金属等环境因素的影响。1.2.1环境影响因素(1)温度温度会影响微生物代谢，温度的波动会影响脱氮效率。温度冲击后，细菌的细胞裂解导致hemec的释放[10]。厌氧氨氧化反应的温度从35℃提高至46℃，总氮去除效率显著降低，将反应器温度降低至35℃后，活性恢复至温度升高前[10,18]。(2)有机物的影响厌氧氨氧化菌以CO2作为主要碳源，充足的无机碳可以促进其生长，同时增强菌群活性[19]。有机物对反应有抑制作用，主要会发生毒性抑制和生态抑制。毒性抑制请见以下1.2.2和1.2.3处的详细综述。生态抑制是指有机物存在时，反硝化细菌会利用有机物和亚硝酸盐氮，发生反硝化反应，反硝化细菌大量繁殖，因此抑制厌氧氨氧化菌的脱氮反应[10]。(3)基质浓度反应进行需要一定浓度的氨氮和亚硝酸盐氮。目前没有确切的抑制浓度，这与反应的运行方式和污泥的主要菌属有关[10,20]。(4)重金属工业废水与垃圾渗滤液中，一般都存在重金属，重金属不可被生物降解，同时在细胞体内积累，继而抑制反应活性[10]。国内外已经有很多研究关于重金属对于厌氧氨氧化反应短期以及长期的影响作用，可作为参考依据。(5)溶解性氧溶解性氧DO的浓度很低，厌氧氨氧化的活性仍会受到短暂的抑制，反硝化菌消耗氧气后，反应的脱氮效率保持稳定[10,21,22]。(6)其他抑制因素废水中存在的硫化物和盐度，对厌氧氨氧化菌产生影响，比如H2S会抑制菌群活性。盐度高的废水，渗透压升高，导致细胞失水失活[10]。对盐度的耐受性也与污泥的优势菌属有关，高于15g/L的盐度会使厌氧氨氧化菌失活[10,23]。1.2.2甲醇对厌氧氨氧化的影响醇类会产生强烈的抑制，菌体内的羟氨氧化还原酶会将醇类转化为有毒性的有机物质，例如把甲醇氧化为甲醛[27]。甲醛与部分蛋白结合，使关键酶失活，导致细胞死亡[27,30]。醇类中，甲醇在低浓度时就会抑制厌氧氨氧化反应，且抑制作用是不可逆的[27]。Guven等科学家通过研究发现，当甲醇为0.5mmol/L时，会完全抑制活性，浓度为1.0mmol/L时，活性抑制作用不可逆[24]。而乙醇浓度达到2.0mmol/L时，仅会抑制30%的活性。而Jensen等人发现，甲醇为0.5mmol/L时，对海水中的厌氧氨氧化菌体只有部分抑制作用，达到3.3mmol/L时，海样沉积物中菌体活性才会被完全抑制[25]。Isaka等人的实验表明，当甲醇为3.3mmol/L时，活性降低49%，而同样浓度的乙醇活性降低10%，此时甲醇对活性的抑制作用是不可逆的[26]。1.2.3有机物对厌氧氨氧化的影响适量无机碳的添加可以促进厌氧氨氧化菌对CO2的固定，并维持系统pH的稳定。少量的小分子有机碳，可以激发菌群的有机代谢特性，有机电子供体被还原转化为CO2，以便菌群进行后续的细胞营养物质合成[27]。以此克服厌氧氨氧化工艺产生硝酸盐的缺点，提升总氮去除效率[27]。有机物对厌氧氨氧化菌的抑制主要来自两个方面：一是有机物促进异养菌反硝化菌的大量繁殖，形成基质竞争抑制[30]；二是废水中的醇类、抗生素等有毒有害有机物会对厌氧氨氧化菌产生毒性抑制，如表1.1所示[28-30]。有机物的促进作用：有机物可作为能源被利用，促进代谢[30]。并且控制废水中的碳氮比，使厌氧氨氧化菌和反硝化菌协同互生，提高脱氮效率[30]。表1.1不同有机物对厌氧氨氧化菌的毒性抑制情况Table1.1InhibitionoftoxicityofdifferentorganiccompoundstoAnammoxbacteria有机物浓度抑制情况参考文献甲醇0.5mmol/L1.0mmol/L3.3mmol/L完全抑制淡水中厌氧氨氧化菌的活性完全抑制淡水中厌氧氨氧化菌的活性，且不可逆厌氧污泥中厌氧氨氧化菌的活性为对照组51％[24][24][26]乙醇3.3mmol/L活性为对照组的90％[26]乙炔0.2mmol/L活性受到完全抑制[25]氯霉素20mg/L100mg/L200mg/L1000mg/LNH4+-N去除效率为对照组的64％厌氧氨氧化菌活性为对照组的65％NH4+-N去除效率为对照组的2％厌氧氨氧化菌活性为对照组的25％[31][32][31][32]四环素100mg/L1000mg/L厌氧氨氧化菌活性为对照组的75％厌氧氨氧化菌活性为对照组的25％[32][32]1.3厌氧氨氧化代谢酶1.3.1脱氢酶碳的代谢是细胞中的重要代谢，可分为分解代谢和合成代谢[34]。脱氢是细胞利用有机物的主要方式。细胞脱氢酶的活性常用于指示细胞有机物的代谢强度。1.3.2磷酸脂酶在细胞中，激酶催化磷酸化反应，去磷酸化由磷酸脂酶催化。磷酸脂酶是生物体内重要的调控酶。1.3.3联氨氧化酶Straus等人经过大量研究，提出了厌氧氨氧化菌的代谢途径[35]。厌氧氨氧化反应的第一步是亚硝酸盐的吸收和还原，亚硝酸盐从环境中被厌氧氨氧化菌吸收，如式1.1，其中一部分亚硝酸盐在菌体内由亚硝酸盐还原酶Nirs酶还原为NO，另一部分亚硝酸盐由硝酸盐还原酶Nar酶氧化为硝酸盐[34]。厌氧氨氧化的第二步是联氨的合成，如式1.2，NO与NH4+通过联氨水解酶HZS的催化作用合成联氨N2H4。厌氧氨氧化的第三步是联氨的氧化，如式1.3，联氨氧化酶HZO或羟胺氧化还原酶HAO催化联氨氧化成氮气，所释放的4个电子经由细胞色素c、泛醌、细胞色素bcl复合体以及其他细胞色素c的传递，将一个电子传递给Nirs酶，3个电子传递给HZS酶[35]。NO2NO+NH4N2H亚硝酸盐还原酶Nirs酶、硝酸盐还原酶Nar酶、羟胺氧化还原酶HAO、联氨氧化酶HZO以及联氨水解酶HZS等都是厌氧氨氧化菌重要的代谢酶，联氨氧化酶HZO和联氨水解酶HZS是厌氧氨氧化菌特有的代谢酶[36]。由于厌氧氨氧化菌会分泌大量的胞外聚合物EPS，使分离纯化代谢酶困难重重[37]。1.3.4比血红素酶羟胺氧化还原酶HAO有2种。Schalk等人从Candidatus“Brocadiaanammoxidans”菌株中分离出血红素蛋白，这种蛋白不仅具有HAO活性还具有HZO活性[38]。Shimamura等人从Candidatus“Kueneniastuttgartiensis”菌株中，分离出另一种多血红素蛋白[39]。这两种HAO菌来自不同的菌株，均含有大量的血红素c蛋白和P468细胞色素。类似于血红素c蛋白的物质，称为二聚细胞色素c，特征吸收波长在419nm处[40]。比血红素酶即血红素，是厌氧氨氧化功能酶的必要辅基，与厌氧氨氧化代谢活性是密切相关的[41]。它也是厌氧氨氧化菌呈现红色的关键因素[42]。以血红素含量作为指标，可以指示颗粒污泥中厌氧氨氧化菌逐渐成为优势菌种的变化态势[34]。1.3.5总结脱氢酶、磷酸酯酶、联氨氧化酶以及比血红素酶都是厌氧氨氧化颗粒污泥的核心代谢酶和辅酶，它们分别参与功能菌的有机物代谢、磷酸调控、厌氧氨氧化代谢以及电子转移等生理生化过程。脱氢酶、磷酸酯酶以及联氨氧化酶的活性水平可以指示厌氧氨氧化反应的运行。联氨氧化酶活性和比血红素含量与厌氧氨氧化反应性能呈正相关，磷酸酯酶和脱氢酶的活性与厌氧氨氧化反应器性能呈负相关。联氨氧化酶、磷酸酯酶、脱氢酶以及比血红素酶都存在于颗粒污泥之中，在稳态条件下，具有一定的活性、数量和比例，可以单独或联合用于指示厌氧氨氧化反应器的性能变化和能力衰减。以启动时颗粒污泥的代谢酶活为基准，启动过程中，联氨氧化酶活性和比血红素含量的增大可指示反应器的厌氧氨氧化能力的提高[34]。生物脱氮反应是一系列酶催化反应。酶促反应具有高效性，可在数秒内达到反应平衡。不仅与酶促的反应速率有关，也与酶量有关。酶是生物反应的直接催化剂，脱氮反应的功能实现需要依靠酶的支持。参考文献[1]TalY,WattsJ,SchreierHJ.Anaerobicammonia-oxidizingbacteriaandrelatedactivityinBaltimoreinnerharborsediment[J].Applied&EnvironmentalMicrobiology,2005,71(4):1816.[2]MulderA.Anaerobicammoniumoxidationdiscoveredindenitrifyingfluidizedbedreactor[J].FEMSMicrobiologyEcology,1995,16(3):177-183.[3]王建辉,游庆国,申渝,等.短程反硝化-厌氧氨氧化耦合脱氮工艺影响因素与调控研究进展[J].环境化学,2021,40(04):1216-1231.[4]刘天怡,张驰.有机质和金属离子对厌氧氨氧化的影响[J].辽宁化工,2014,43(05):639-642.[5]VanderStarWRL,AbmaWR,BlommersD,etal.Startupofreactorsforanoxicammoniumoxidation:Experie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