厭氧氨氧化專題

厭氧氨氧化生物脫氮技術AnaerobicAmmoniaOxidation(ANAMMOX)TechnologyforBiologicalNitrogenRemovalMicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5MicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5WhatisANAMMOXΔGO'=-358kJ(molNH4+)-1以亞硝酸鹽作為氧化劑將氨氧化成氮氣，或以氨作為電子供體將亞硝酸鹽還原為氮氣的生物反應，稱為厭氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation,ANAMMOX)。能夠進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)加深了人們對氮素循環(huán)的認識，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ANAMMOX的文章。在運行三級生物脫氮流化床反應器時發(fā)現(xiàn)了未知氮的消失，經(jīng)過反復驗證，氨氮與亞硝酸鹽的消失同時發(fā)生，且成一定比例，故他們認為在反應器中氨氮與亞硝酸鹽發(fā)生了反應，

產(chǎn)物為氮氣,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)的觀點認為，大氣中的氮氣主要來源于微生物的硝化(Nitrification)和反硝化作用(Denitrification)，厭氧氨氧化菌的發(fā)現(xiàn)，改變人們對全球氮物質循環(huán)的傳統(tǒng)認識。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)，海洋學家認識到反硝化細菌并不是海洋N2產(chǎn)生的唯一微生物。研究表明，海洋細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，丹麥學者Thamdrup和Dalsgaard應用N標記的硝酸鹽和氨對海底沉積物進行的培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化作用產(chǎn)生N2導致的海洋氮損失占全部氮損失的24%-67%。Thamdrup,B.&T.Dalsgaard,AEM,20022003年，兩個獨立的研究小組同時在Nature雜志上報道了厭氧氨氧化是海洋氮損失的主要原因:德國生物化學家Kuypers帶領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領導的另一個團隊利用N穩(wěn)定性同位素示蹤的方法發(fā)現(xiàn)在哥斯達黎加的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；Dalsgaard,etal.,Nature,2003隨后，研究人員陸續(xù)在北極圈極地海冰,Baltimore內港,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理模型厭氧氨氧化生化機理圖（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）的催化下轉化為氮氣，同時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，得電子轉化為中間體NO，NO進而與氨共同在聯(lián)氨水解酶（HH）的作用下轉化為聯(lián)氨，最后聯(lián)氨經(jīng)聯(lián)氨氧化酶（HAO）催化，轉化為氮氣，同時釋放4個電子。釋放的電子被輔酶Q和細胞色素C還原酶綜合體轉化為質子動力勢PMF，產(chǎn)生的質子H+被ATP合成酶（ATPpase）轉化為能量ATP，供微生物使用。MicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5ANAMMOX菌的種類與分布ANAMMOX菌的細胞結構ANAMMOX菌的生理特性MicrobiologyANAMMOX菌的種類與分布ANAMMOX菌的細胞結構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個屬是主要存在于污水處理廠構筑物中或實驗室活性污泥反應器中：“CandidatusKuenenia”、“CandidatusBrocadia”、“Candidatusanammoxoglobus”和“CandidatusJettenia”。第5個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”荷蘭實驗室生物膜反應器2007,“Candidatusanammoxoglobuspropionicus”實驗室SBR反應器菌種首次發(fā)現(xiàn)地點：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。在海洋沉積物中存在的ANAMMOX菌種群較為單一，基本屬于具有較強耐鹽能力的Scalindua屬。胡寶蘭等,生態(tài)學報,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)學報,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，可同時檢測到Brocadia、Kueueuia、Jetteuia和Scaliudua四個屬的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)結構復雜的區(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)中的貢獻率為13%，其活性與貢獻率值與某些海洋生境中發(fā)生的ANAMMOX反應相比并不遜色。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菌的細胞結構ANAMMOX菌的生理特性MicrobiologyMicrobiology

ANAMMOX菌的細胞結構MBRAGSBreactor厭氧氨氧化菌是革蘭氏陰性菌,浮霉狀菌目，呈球形、卵形等，直徑0.8~1.1μm。細胞外無莢膜，細胞壁表面有火山口狀結構，少數(shù)有菌毛，細胞呈深紅色，出芽生殖。細胞內分隔成3部分：

(1)外部區(qū)域，包括：

細胞壁(cellwall),細胞質膜(cytoplasmicmembrane),外室細胞質(paryphoplasm)和細胞內質膜；(2)核糖細胞質(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胞器—厭氧氨氧化體(Anammoxosome)200nmTransmissionelectronmicrographofaCandidatusKueneniastuttgartiensiscellMicrobiology

ANAMMOX菌的細胞結構厭氧氨氧化體是發(fā)生厭氧氨氧化過程的主要場所，為整個細胞提供能量。全球2項獨立的研究表明厭氧氨氧化體內存在聯(lián)氨/羥胺氧化還原酶（HAO）。厭氧氨氧化體的相對體積很大，約占整個細胞的30%—60%。厭氧氨氧化體被一種含有獨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），它由多個環(huán)丁烷環(huán)相互結合而成，形狀類似階梯。階梯烷與甘油之間以醚鍵聯(lián)結。組織致密的階梯烷結構保證了厭氧氨氧化體內產(chǎn)生的聯(lián)氨等有毒中間產(chǎn)物不會對ANAMMOX菌產(chǎn)生致命影響。ANAMMOX菌的種類與分布ANAMMOX菌的細胞結構ANAMMOX菌的生理特征MicrobiologyMicrobiology

ANAMMOX菌的生理特征ANAMMOX菌為化能自養(yǎng)型細菌，以二氧化碳作為碳源合成細胞物質。厭氧氨氧化菌對氧敏感，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菌的細胞分裂速度極慢。實驗條件下得到的ANAMMOX菌的比生長速率為0.003h-1，即世代時間約為11d，而在生產(chǎn)性試驗反應器35℃條件下，世代時間通常為9-12天，均比廢水處理系統(tǒng)已知生長最緩慢的產(chǎn)甲烷菌的世代時間還長。Microbiology

ANAMMOX菌的生理特征Strous等人確定了BrocadiaAnammoxidans的生理學參數(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℃。此時最大比活性約9.2×10-4mol-NH4+/(kg蛋白·s)，對NH4+和NO2-的親和力常數(shù)低于0.1mg-N/L。Strous,etal.AEM,1999Egli等人從生物轉盤中富集的Kueneniastuttgartiensis在pH=6.5～9、溫度高于11℃低于45℃時，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ANAMMOX菌的關鍵生理參數(shù)也進行了研究。MicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5

實驗室研究

富集培養(yǎng)

反應器結構類型影響因素

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

實驗室研究

富集培養(yǎng)

反應器結構類型影響因素

ANAMMOX工藝的開發(fā)處理不同種類的含氮廢水工程化ApplicationsApplications反應器的結構類型由于ANAMMOX菌生長極為緩慢，如何借助生物反應器進行ANAMMOX菌的高效富集培養(yǎng)一直以來是ANAMMOX研究領域的重要方向。ANAMMOX現(xiàn)象最早在流化床反應器中被發(fā)現(xiàn)，隨后人們逐漸嘗試利用流化床富集培養(yǎng)ANAMMOX菌，從而研究其生理生化特性。隨著人們對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)生物反應器逐漸應用到富集ANAMMOX菌的工作中，至今仍是使用最多的ANAMMOX菌富集培養(yǎng)反應器。值得提出的是，一些研究人員利用這些反應器接種非ANAMMOX污泥（如硝化/反硝化污泥、好氧/厭氧顆粒污泥等）后同樣成功啟動了ANAMMOX反應器。部分ANAMMOX菌富集培養(yǎng)反應器數(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反應器的結構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（升流式固定床反應器）和MBR（膜生物反應器）為代表的新型ANAMMOX菌富集反應器開始流行。UAFB是一個廣義的名稱，它泛指具填料的升流式厭氧反應器。由于填料材質理化性能的優(yōu)越性和生物膜（Biofilm）工藝的自身優(yōu)勢，這類反應器應用到ANAMMOX領域后，很快便得到人們的關注。SchematicdiagramofBiofixreactorSenQiao,etal.JBIOSCIBIOENG,2009Fromtheexteriorview,eachmicro-element

wastightlyintegratedwithotherpartsandtherewas

littleinterspacebetweenthem;whiletheinterior

showeddrape-shapeandthemicrounitsinsidecould

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

SEPPURIFTECHNOL,2009Applications2008年初，荷蘭Delft大學的一組研究人員利用內置式MBR實現(xiàn)了ANAMMOX菌“CandidatusKueneniastuttgartiensis”達97.6%的富集培養(yǎng)，而且世代時間也縮短至8.3天。反應器的結構類型vanderStar,etal.BIOTECHNOLBIOENG,2008

實驗室研究

富集培養(yǎng)

反應器結構類型影響因素

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ANAMMOX過程比較困難，具體體現(xiàn)在富集效率低：世界首座ANAMMOX實際工程反應器以反硝化污泥作為接種底泥，從啟動到初步實現(xiàn)厭氧氨氧化共耗費三年半的時間。隨著ANAMMOX反應器在實際工程的廣泛應用，一些學者開始部分或全部采用其他已成功啟動并運行中的ANAMMOX反應器的排泥來啟動新建的ANAMMOX反應器（實驗室規(guī)?；驅嶋H工程規(guī)模），這一措施無疑大大縮短了ANAMMOX反應器的啟動時間，從原來的幾年減少到1年以內，據(jù)報道最短的啟動時間僅為2個月。接種污泥對MBR中厭氧氨氧化效能的影響——脫氮效果對比反應器編號污泥來源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我國學者在這方面進行了一些研究，例如，胡勇有等發(fā)現(xiàn)在有機碳源（葡萄糖）存在的ANAMMOX反應器中，厭氧氨氧化作用和反硝化作用可以同時存在，且適宜的COD/NH4+-N比值范圍為0-1.57；胡勇有等,華南理工大學學報,2007鄭平等以酵母膏為有機碳源發(fā)現(xiàn)，容積總氮負荷低于0.43kg·m-3·d-1時，有機物對ANAMMOX反應器運行性能的影響較??；鄭平,環(huán)境科學學報,2006李捷等以實際生活污水作有機碳和無機碳源，認為有機碳的存在將會降低ANAMMOX菌的活性，濃度越高其抑制作用越強，但短時間內該抑制作用是可逆的；李捷,給水排水,2008有機物的影響厭氧氨氧化新途徑（DNRA）示意圖研究表明，ANAMMOX菌代謝有機物的過程實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)厭氧氨氧化途徑轉化為氮氣。在DNRA過程中，ANAMMOX菌以硝酸鹽/亞硝酸鹽為電子受體，以有機物（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途徑，例如異化硝酸鹽還原為銨鹽（DNRA）和將羥胺歧化為氮氣和銨鹽。Guven,etal.AEM,2005Guven等人發(fā)現(xiàn)某些有機物的確可以被ANAMMOX菌所利用，并被氧化為CO2。他們發(fā)現(xiàn)醇類物質（甲醇、乙醇）抑制厭氧氨氧化過程，葡萄糖、甲酸鹽和丙胺酸對其沒有影響，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，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亞硝酸鹽的耐受力不同，當NO2-濃度高于10mmol/L時即對“CandidantusBrocadiaanammoxidans”產(chǎn)生抑制作用;Jetten,etal.FEMSMicrobiolRev,1998加入5mmol/L以上的PO43-會完全抑制“CandidantusBrocadiaanammoxidans”的活性，但1mmol/L的PO43-對其活性無影響；Degraaf,etal.Microbiol-UK,1996“CandidantusKueneniastuttgartiensis”對PO43-和NO2-的耐受力則較高，分別達20mmol/L和13mmol/L;Egli,etal.ArchMicrobiol,2001Kimura等人研究發(fā)現(xiàn)對于生物膜ANAMMOX反應器而言，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ANAMMOX活性逐漸降低，當濃度達到750mg-N/L時ANAMMOX活性只有未受影響時的10%；而當亞硝酸鹽濃度降至274mg-N/L以下時，ANAMMOX活性可以在3天內恢復到原有水平。Kimura,etal.ApplMicrobiolBiotechnol,2010Cho等人研究了高濃度亞硝酸鹽對ANAMMOX顆粒污泥的影響，研究發(fā)現(xiàn)ANAMMOX顆粒污泥對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道中，一些抗生素和無機試劑也能對ANAMMOX菌有抑制作用。早期試驗曾證實抗生素（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，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ANAMMOX-SBR反應器中，該反應器的ANAMMOX活性降低25%，而50mg/L的鹽酸四環(huán)素同樣使反應器活性降低25%。Fernandez,etal.ProcessBiochem,2009綜上所述，在利用ANAMMOX工藝處理含有上述物質的含氮廢水前應首先去除這些物質，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ANAMMOX菌活性的抑制情況氧四環(huán)素對ANAMMOX菌的抑制作用最明顯，其次是氯霉素，而阿莫西林對ANAMMOX菌活性的抑制最低。以往多項研究證實，阿莫西林（1.0mM）、氯霉素（0.07mM）和氧四環(huán)素（0.1mM）能夠通過抑制細胞壁的合成或抑制蛋白的形成從而強烈抑制DNB、AOB、NOB的生長。結合本研究結果，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，達到篩選ANAMMOX菌的目的。Applications

SRT的影響ANAMMOX菌的世代時間長，這對厭氧氨氧化反應器的啟動十分不利。一般說來，由于ANAMMOX菌的增殖速率很慢，選擇較長污泥齡（SRT）對于啟動厭氧氨氧化系統(tǒng)而言是有利的。但有研究表明，較長SRT并不利于縮短反應器的啟動時間和控制ANAMMOX菌的增殖速率。VanderStar等人在利用MBR富集培養(yǎng)ANAMMOX菌時發(fā)現(xiàn)，當SRT分別為16天和12天時，ANAMMOX菌的世代時間分別為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由于以上研究結果都基于懸浮系統(tǒng)，因此系統(tǒng)內SRT究竟如何影響MBR反應器內的厭氧氨氧化過程還需要進一步探究。RIIRIRII(reactorwithhighcellretention)Kieling等人對比研究了排泥和不排泥兩種運行方式啟動厭氧氨氧化過程，結果發(fā)現(xiàn)，排泥更容易加快厭氧氨氧化過程的建立，與不進行排泥的運行方式相比，這種排泥啟動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)學不是很清楚，排泥實驗效果更佳的原因可能是因為排泥過程將一些死亡細胞和非功能性微生物及時排出系統(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)影響酶催化反應的速率；2)影響基質擴散到細胞的速率。DOSTA等將溫度從15℃升至40℃，厭氧氨氧化反應速率呈指數(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，厭氧氨氧化屬于對溫度變化比較敏感的反應類型，理論上提高溫度有利于加速反應，但是當溫度達到45℃時，反應速率下降，細胞溶解，活性逐漸消失，沉淀出水為橙紅色，這可能與細胞在高溫下破裂釋放出細胞色素C有關，細胞色素C是厭氧氨氧化體的重要組成部分。

Dosta,etal.JHazardousMaterials,2008

左劍惡等通過實驗發(fā)現(xiàn)當反應溫度在30~35℃

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

時,其活性也明顯下降。左劍惡等，環(huán)境科學，2006ApplicationsCema等在溫度為17℃運行厭氧氨氧化生物轉盤，氮平均去除率達到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，認為20℃-22℃時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8.1kg/(m3·d)；Isaka,etal.FEMSMicrobiolLetters,2008Dosta等認為小幅度降溫更有利于厭氧氨氧化低溫條件的啟動運行，厭氧氨氧化SBR反應器在溫度為18℃時的氮去除率為0.3kg/(m3·d)，此時NO2--N與NH4+-N消耗量之比由30℃時的1.38±0.01降低到1.05±0.01，當溫度降到15℃時，氮去除率僅為0.02kgN/(kgVSS·d)，此時反應器內NO2--N開始累積，系統(tǒng)穩(wěn)定性消失；Dosta,etal.JHazardousMaterials,2008低溫對厭氧氨氧化的應用具有更重要的實際意義：ApplicationspH對污泥活性的影響在厭氧氨氧化過程中,pH值是一個非常重要的環(huán)境條件,很多學者就pH值對厭氧氨氧化的影響進行了研究。

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

Strous,etal.ApplMicrobBiotechnol,1998

鄭平等認為厭氧氨氧化的最適宜pH值在7.

5~8.0附近;

Zheng,etal.JEnvironSci-China,2004左劍惡等通過實驗得出pH值對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，2006

實驗室研究

富集培養(yǎng)

反應器結構類型影響因素

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)濟性原理ANAMMOX工藝通常分兩步進行：（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，在反應系統(tǒng)中，進水總NH4+的50%在半硝化反應器內發(fā)生如下反應：

SHARON工藝可采用完全混合式好氧連續(xù)反應器；ANAMMOX工藝可采用生物膜法和生物流化床。半硝化反應器的出水（含有NH4+和NO2-）作為厭氧氨氧化反應器的進水。在厭氧氨氧化反應器內發(fā)生厭氧反應，有95%的氮轉變成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廢水和有機碳含量低的高NH4+-N濃度工業(yè)廢水。出水NH4+-N可達到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組合工藝進行了生物脫氮試驗研究，該工藝的總氮負荷為0.8kg/(m3·d)，pH不用控制。整個試驗過程中，NH4+去除率為83%；

Jetten,etal.WaterSci&Technol,20012002年Fux等也以該組合工藝進行了中試規(guī)模的試驗研究，在半年的運行過程中，氮的去除負荷可達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反應器內進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：好氧硝化細菌和厭氧氨氧化細菌。好氧硝化細菌將NH4+氧化成NO2-。反應如下：然后，厭氧氨氧化細菌將NH4+和NO2-轉變成N2和少量的NO3-。反應如下：總的脫氮反應式為：1、生物膜內自養(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去除的一種方法。該工藝可用以低有機物濃度的廢水生物脫氮，可以采用單一反應器或生物膜反應器。2、生物膜內自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）Applications

生物膜內自養(yǎng)脫氮工藝適用于污水生物脫氮尤其是低有機物高氮廢水。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，在整個脫氮過程中也不需要通風曝氣，節(jié)約能耗。相對于傳統(tǒng)脫氮工藝，該工藝的耗氧量降低63%。2、生物膜內自養(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

實驗室研究

富集培養(yǎng)

反應器結構類型影響因素

ANAMMOX工藝的開發(fā)應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)被應用于處理以下幾種廢水:municipalwastewatertreatment(rejectionwaterfromasludgedigester)organicsolidwastetreatment(landfills,composting,digestion)foodindustriesmanureprocessingindustriesfertilizerindustries(petro)

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