Anammox工藝具有無需添加有機碳源、污泥收率低、運作成本低、脫氮效率高等優點，适用于低碳氮制高氨廢水的處理。實際廢水中含有不同濃度和類型的有機物，一般認為有機物的存在會對厭氧氨氧化菌産生負面影響。另外，厭氧氨氧化物污泥造粒能在很大程度上保留微生物的量，增強功能菌的增殖，并在一定程度上緩解環境變化造成的脫氮效率降低，是解決這一問題的有效途徑。但是，通過提高厭氧氨氧化顆粒污泥本身的性能，提高厭氧氨氧化體系的抗有機幹擾能力是必要的。
對此，蘇州科技大學團隊進行了如下研究：（1）不同濃度有機物的長期應力對厭氧氧化氨顆粒脫氮效率、理化性質和微生物群落結構的影響;研究結果發表在《清潔生産學報》、《環境科學與環境科學》上，為厭氧氨氧化顆粒污泥的研究和工程應用提供參考。
研究1：不同濃度有機物的長期應力對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響
如圖1所示，在COD濃度為0、50、100、150和200 mg/L的壓力下，氨氮的去除率随COD的增加而降低，分别為97.7、1%、97.23%、83.87%、68.11%和46.52%，硝基硝基氮的去除率保持在96.78~98.62%。在各應力濃度下，總氮去除率分别為97.20%、98.00%、92.12%、85.06%和75.02%，表明低濃度有機物（50 mg/L）通過在厭氧氨基氧化物和同種異體抗硝化細菌之間産生穩定的協同作用，提高了總氮脫除率（見圖1）。顆粒污泥在150 mg/L和200 mg/L時的平均粒徑呈增加後減小的趨勢，顆粒污泥的SVI值增加，沉降性能變差（見圖2）。通過對顆粒污泥微觀結構的掃描電鏡觀察，發現顆粒污泥表面有明顯的裂紋，據推測，當有機物濃度超過150 mg/L時，長期應力會導緻顆粒污泥的崩解。當有機物濃度超過50 mg/L時，厭氧氨氧化顆粒污泥的優勢閘門從Chloroflexi變為變形杆菌。此外，在長期有機脅迫下，Brocadia取代Candidatus Kuenenia成為厭氧氨基酸的主要屬。
圖1 不同有機濃度下厭氧氨氧化顆粒污泥的變性性能
圖2 不同有機濃度下厭氧氨氧化顆粒污泥的理化性質
研究2：生物炭介導下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響
該團隊的早期研究發現，在生物炭的條件下可以促進厭氧氨氧化細菌的增殖。本研究以竹炭為研究對象，分析了竹炭存在下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥的影響。研究發現，在不添加竹炭的情況下，運作120天後，氨氮的去除效率随着COD濃度的增加而逐漸下降。當COD濃度分别為50、100和150 mg-L-1時，氨的平均去除率為89.4%、77.4%和66.2%。然而，添加竹炭後，氨氮的平均脫氮效率分别提高到96.2%、84.5%和71.5%。當COD濃度分别為50、100和150 mg L-1時，TN的平均去除效率分别為85.9%、82.6%和81.4%。TN的平均去除效率分别為92.3%、88.9%和84.6%，添加竹炭反應器使TN去除率提高了3.1%~6.4%（見圖3）。
圖3 有機物對生物炭介導下厭氧氨氧化顆粒污泥脫氮的影響
厭氧氨氧化顆粒污泥的理化性能也受到竹炭添加的顯著影響，研究發現，随着COD濃度的增加，EPS逐漸降低，過量COD會抑制厭氧氨氧化菌的競争優勢，不利于厭氧氨氧化菌EPS的分泌， 添加竹炭時的EPS高于沒有竹炭時的EPS。由于EPS的分泌，在0.8毫米的竹炭條件下不添加平均粒徑，而添加的竹炭上升到1.2毫米（見圖4）。研究還發現，添加竹炭可以使顆粒污泥的表面結構更緻密，有機碳源在壓力下可以保持完好無損。大量的污泥附着在竹炭孔隙中，為功能微生物的居住、生長和繁殖提供了舒适的環境。
圖4 生物炭介導下有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥理化性能的影響
使用R語言igraph和Hmisc包計算反應器污泥樣品相對豐度前屬300的相關系數，以産生微生物共存的網絡圖（見圖5）。厭氧氨基酸菌Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia的顯性細菌與Halomonas相連，而添加竹炭的加工組中Halomonas的相對豐度高于無碳對照組。據報道，Halomonas是一種适度的嗜鹽細菌，具有抗硝化作用，可以産生多羟基丁酸鹽（聚羟基烷酸酯，PHA），其保護微生物細胞免受極端環境壓力，同時儲存在細胞中作為緩慢碳釋放的來源。鹵代單胞菌不易受到環境幹擾的影響，是以比一般的異質性抗硝化細菌更穩定的碳代謝，這可能就是為什麼在有機物和竹炭共存中，溴化菌和傑特尼亞念珠菌的相對豐度下降較少的原因。
圖5 共生網絡圖
研究表明，編碼肼脫氫酶（HDH，EC：1.7.2.8）的基因hdh和肼合成酶編碼為Hase，HZS，EC：1.7.2.7）3個亞基因hzsABC僅存在于厭氧氨氧化劑中，如6個氮代謝功能基因的熱圖所示，當N比為0.28和0.83的C/竹炭促進hdh和hzsABC基因的表達時， 而 C/N 為 0.56。
圖6 氮代謝功能基因表達熱圖
糖酵解途徑（EMP）和三羧酸循環（TCA循環）對于大多數生物體是常見的，是以有必要進一步分析這兩種途徑的功能基因。圖7顯示了從葡萄糖到丙酮酸的十步連續酶促反應，其中三個是：葡萄糖激酶中的葡萄糖（葡萄糖激酶，EC：2.7.1.2）催化葡萄糖-6-磷酸的産生，果糖-6-磷酸在果糖磷酸激酶（磷酸己激酶，EC：2.7.1.11）中催化生産糖-1，6-二磷酸和磷酸醇丙酮酸在丙酮酸激酶的催化作用下産生丙酮酸（EC：2.7.1.40）， 所有三種反應都是不可逆的。當C/N比分别為0.28和0.83時，竹炭的澆注顯著促進了葡萄糖激酶基因glk、果磷酸激酶基因PFK、丙酮酸激酶基因PK的表達，而碳處理下C/N為0.56 glk，PFK降低。此外，TCA循環受一系列酶的調節，包括丙酮酸脫氫酶體系（丙酮酸脫氫酶E1、二氫乙酰基酶E2、二氫乙酰胺脫氫酶E3、EC：1.2.2 4.1、EC：2.3.1.12、EC：1.8.1.4）催化丙酮酸氧化脫氧形成乙酰助劑1-酶A工藝是連接配接EMP和TCA（不可逆）的中心環節。丙酮酸脫氫酶系統是位于線粒體膜上的多酶複合物，涉及aceE、DLAT和DLD三個功能基因，不同有機濃度下三個功能基因的表達大于對照組，說明竹炭有效促進EMP通路和TCA循環。
圖7 糖酵解酶通路的功能基因表達熱圖和三乙酸循環通路的功能基因代謝熱圖
結論和展望
有機物對厭氧氨氧化的影響是一個常見但由來已久的研究熱點，也是厭氧氨氧化過程應用過程中不可避免的實際問題。本研究探讨了不同濃度有機物對厭氧氨氧化顆粒污泥變性效率和微觀結構性能的影響，并探讨了添加媒體材料（如生物炭）緩解有機物抑制作用的工藝特性和工作機制。研究結果将為厭氧氨氧化顆粒污泥的工程應用提供一定的參考。