厌氧氨氧化（Anammox）指厌氧条件下以NO2--N为电子受体，将NH4+-N氧化生成N2的生物反应〔1〕。与传统生物脱氮过程相比，厌氧氨氧化工艺具有耗能低、节省有机碳源、污泥产量少、人工成本低、脱氮效能高等优点，其被广泛应用于高氮废水的处理。但实际生活中存在很多高氮含盐废水，比如食品加工废水、垃圾渗滤液等。而盐度是影响厌氧氨氧化的一个重要因子，它主要影响细菌内部酶的活性以及细胞的渗透压。高盐环境会使细菌渗透压过大，长期处在这样的环境会导致细菌发生优势菌群演变〔2〕，更为严重地会导致厌氧氨氧化菌死亡。厌氧氨氧化菌对温度也较为敏感，温度直接影响厌氧氨氧化酶的活性。适宜的温度会使厌氧氨氧化工艺脱氮性能高效，温度过高会直接使酶失活；温度过低则会抑制酶的活性。综上，温度和盐度对厌氧氨氧化的脱氮效能有着重要的影响。
本研究采用中心组合设计和批次静态试验，探讨了低温下盐度对Anammox脱氮效能及其特性的影响。该项研究可为低温下处理高氮含盐废水以及强化低温下厌氧氨氧化脱氮性能提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 试验装置
厌氧氨氧化反应装置为批次静态150 mL锥形瓶。试验过程中利用高纯氮对反应瓶进行吹脱，以消除溶解氧的影响。
1.2 试验污泥
试验污泥取自实验室UASB反应器，为在温度30 ℃、pH 7.6环境下，长期培养的厌氧氨氧化活性污泥颗粒。
1.3 分析方法
NH4+-N采用纳氏试剂比色法测定；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定；NO3--N采用DX-100型离子色谱仪测定；pH采用Thermo Orion 828型pH计测定。采用SIGMA 500扫描电镜进行SEM表征。
1.4 试验用水
试验用水采用人工配水〔3〕。模拟废水成分：NaHCO3 1 000 mg/L；EDTA 6.25 mg/L；KH2PO4 27.2 mg/L；NH4+-N 70 mg/L；MgSO4·7H2O 200 mg/L；NO2--N 90 mg/L；CaCl2 300 mg/L；FeSO4·7H2O 6.25 mg/L；微量元素Ⅰ1 mL/L；微量元素Ⅱ1 mL/L。微量元素Ⅰ：EDTA 5 000 mg/L；FeSO4·7H2O 5 000 mg/L。微量元素Ⅱ：EDTA 15 000 mg/L；ZnSO4·7H2O 430 mg/L；CoCl2 240 mg/L；MnCl2·4H2O 990 mg/L；CuSO4·5H2O 250 mg/L；NaMoO4·2H2O 220 mg/L；NiCl2·6H2O 190 mg/L；NaSeO4·2H2O 210 mg/L；H3BO4 14 mg/L。
1.5 试验设计
1.5.1 单因素试验
（1）温度试验。取20 mL试验污泥接种于150 mL锥形瓶中，加入80 mL模拟废水，然后充入高纯氮气除氧1 min。将锥形瓶置于震荡培养箱内，在一定的条件下避光培养4 h。参数设置：转速140 r/min，pH为7.6，温度25 ℃→20 ℃→15 ℃，每隔2天进行降温。每一个条件下的试验设置3组平行，试验结果取平均值。
（2）盐度试验。分别取20 mL试验污泥接种于7个150 mL锥形瓶中，加入80 mL模拟废水，然后充入高纯氮气除氧1 min。将锥形瓶置于震荡培养箱内，在一定的条件下避光培养8 h。参数设置：转速140 r/min，pH为7.6，温度25 ℃→20 ℃→15 ℃，盐度见表1。每一个条件下的试验设置3组平行，试验结果取平均值。
1.5.2 中心组合设计
2 结果与讨论
2.1 单因素试验结果与讨论
2.1.1 温度对厌氧氨氧化脱氮效能的影响
温度对厌氧氨氧化脱氮效能的影响如图1所示。
图1
2.1.2 盐度对厌氧氨氧化脱氮效能的影响
图2
图3
图4
由图2可知，25 ℃下，当盐度为4 g/L时，厌氧氨氧化脱氮效能最大；当盐度＞4 g/L时，随着盐度的增加，厌氧氨氧化脱氮效能逐渐降低；当盐度＞8 g/L时，厌氧氨氧化反应受到严重抑制。盐度过高，会导致外界环境的渗透压大于细胞内部渗透压，使细胞结构遭到破坏，发生菌体自溶现象，从而使厌氧氨氧化效能变差。由图3可知，20 ℃下，当盐度为4 g/L时，厌氧氨氧化脱氮效能最大；与25 ℃条件下不同的是当盐度＞12 g/L时，厌氧氨氧化反应受到严重抑制，该研究与A. Dapena?鄄Mora等〔6〕的试验结果相接近。由图4可知，在低温15 ℃下，适当的盐度可增强厌氧氨氧化脱氮效能；当盐度为4 g/L时，NRR为0.340 kg/（m3·d），其脱氮效能是未添加盐度的2.8倍，并且盐度＜12 g/L时，厌氧氨氧化的脱氮效能好于未添加盐度的情况。
2.2 中心组合设计试验结果与讨论
2.2.1 建立多元线性回归方程
中心组合设计试验结果见表3。
表3 中心组合试验设计及结果
| 试验序号 | X1 | X2 | Y/ (kg·m-3·d-1) |
| 1 | 20.0(0) | 8.0 (0) | 0.48 |
| 2 | 20.0(0) | 13.6(1.41) | 0.33 |
| 3 | 20.0(0) | 8.0(0) | 0.47 |
| 4 | 12.9(-1.41) | 8.0(0) | 0.18 |
| 5 | 27.0(1.41) | 8.0(0) | 0.58 |
| 6 | 20.0(0) | 2.3(-1.41) | 0.56 |
| 7 | 20.0(0) | 8.0(0) | 0.49 |
| 8 | 20.0(0) | 8.0(0) | 0.48 |
| 9 | 20.0(0) | 8.0(0) | 0.48 |
| 10 | 15.0(-1) | 4.0(-1) | 0.34 |
| 11 | 25.0(1) | 12.0(1) | 0.46 |
| 12 | 20.0(0) | 8.0(0) | 0.48 |
| 13 | 25.0(1) | 4.0(-1) | 0.61 |
| 14 | 15.0(-1) | 12.0(1) | 0.12 |
通过多项式回归分析法〔4〕对试验数据进行拟合，得到拟合二次多项式方程：
2.2.2 建立模型及显著性分析
对上述模型方程进行方差分析，结果见表4。
表4 方差分析
| 来源 | 自由度 | 平方 | 均方 | F值 | P值 |
| 模型 | 6 | 0.265 369 | 0.044 228 | 214.14 | 0.000 |
| 区组 | 1 | 0.000 833 | 0.000 833 | 4.03 | 0.085 |
| 线性 | 2 | 0.235 793 | 0.117 896 | 570..81 | 0.000 |
| X1 | 1 | 0.175 451 | 0.175 451 | 849.46 | 0.000 |
| X2 | 1 | 0.060 342 | 0.060 342 | 292.15 | 0.000 |
| 平方 | 2 | 0.027 563 | 0.013 782 | 66.73 | 0.000 |
| X12 | 1 | 0.024 401 | 0.024 401 | 118.14 | 0.000 |
| X22 | 1 | 0.004 636 | 0.004 636 | 22.45 | 0.002 |
| 因子交互作用 | 1 | 0.001 179 | 0.001 179 | 5.71 | 0.048 |
| X1X2 | 1 | 0.001 179 | 0.001 179 | 5.71 | 0.048 |
| 误差 | 7 | 0.001 446 | 0.000 207 | ||
| 失拟 | 3 | 0.001 236 | 0.000 412 | 7.85 | 0.038 |
| 纯误差 | 4 | 0.000 21 | 0.000 052 | ||
| 合计 | 13 | 0.266 815 |
注：R2 = 99.46%，调整R2= 98.99%。
由表4可知，模型P=0.000＜0.05，表明该模型极显著；模型的调整决定系数R2为0.989 9，表明影响试验值条件的因素大约98.99%分布在这2个因素中，只有1.01%不能由此模型来解释，所以该模型拟合情况良好。
回归方程各项系数方差显示，方程一次项、二次项、交互项影响极显著（P＜0.05），各个具体试验因素对响应值的影响并不是简单的线性关系。F值越大，说明该试验因子相关性越强，通过F值大小得出相关性比较结果是温度＞盐度。
2.2.3 等值线图分析
根据模型方程，应用MINItab软件，绘制响应值NRR与2个影响因素的等值线图，如图5所示。
图5
由图5可以看出，最高脱氮效能NRR为0.615 kg/（m3·d），此时的温度为25 ℃，盐度为4 g/L。在25 ℃、盐度＜8 g/L条件下，盐度对厌氧氨氧化工艺有一定促进作用。金仁村等〔7〕研究认为，低浓度的盐（NaCl质量浓度≤10 g/L）可以激活厌氧氨氧化菌，在5 g/L NaCl作用下，比厌氧氨氧化活性（SAA）可提高49%。随着温度的降低，在低温15 ℃、盐度＜8 g/L时，盐度明显增强了反应器脱氮性能，当盐度分别为4、8 g/L时，脱氮性能分别提升了64%、44%；继续增加盐度，厌氧氨氧化的脱氮性能明显受到抑制。分析认为高盐度环境下，高渗透压会导致细菌细胞失水失活，严重时会导致菌体破裂，细胞死亡〔8〕。
2.2.4 验证试验
以试验最优条件验证模型的合理性和有效性，结果见表5。
可以看出，预测值和试验值相接近，表明模型合理有效。
3 SEM表征结果
SEM表征结果如图6所示。
图6
污泥聚集沉降的形成是物理和化学综合作用的结果，其中涉及的物理、化学作用力包括范德华吸引力、细胞外双电子层引起的静电斥力、疏水性/亲水性、热力学力、氢键、共价键等〔9〕。而本研究认为阳离子架桥理论可以解释低温下适量添加盐度后厌氧氨氧化脱氮效能佳的现象。低温的冲击会导致细菌菌体表面产生很多带有负电属性的官能团，添加阳离子后，阳离子可以压缩双电层，减小细胞间的静电斥力，促进细胞凝聚〔10〕；另一方面阳离子能与胞外聚合物（EPS）键合，连接细胞和EPS形成微生物聚集体，使污泥颗粒更为紧密，有效保护厌氧氨氧化菌〔11〕。相比于图6（a），由图6（b）可以看到，低温条件下，厌氧氨氧化菌体之间的结合较为松散，并且颗粒表面也有很多孔隙，污泥的沉降性较差。从图6（c）可以看出，低温下投加钠离子后，菌体间由很多晶体结构的物质相黏结，相比低温未添加Na+菌群变得紧密，污泥颗粒表面也更加密实。相关研究〔12〕发现，颗粒污泥和生物膜中的晶体微粒多为金属阳离子，这些无机元素在水力作用以及静电作用下聚集形成微粒。另外，厌氧氨氧化菌在极端的环境下可以产生更多的EPS〔13-14〕。结果表明，阳离子架桥理论在污泥聚集体形成过程中起着重要作用，低温下适当提高盐度会增强厌氧氨氧化的脱氮效能。但盐度过高，厌氧氨氧化效能会受到严重抑制〔7〕。盐度越高，微生物用于抵抗高渗压的维持能也越大，用于细胞合成的能量就越少，细胞产率相应变小，即出现解耦联现象。在高盐度下，短时间内可保持厌氧氨氧化污泥活性良好，反应器功能优良，但菌体扩增长时间受阻时就会导致反应器功能衰退。
4 结论
（1）利用中心组合设计得到盐度、温度与厌氧氨氧化脱氮效能NRR关系的回归模型。方差分析及验证试验表明，该模型比较合理，能够较好地解释3个变量之间的关系。
（2）低温下适当提高盐度能够促进厌氧氨氧化脱氮效果。试验结果显示，当温度为15 ℃，盐度为4 g/L时，厌氧氨氧化的脱氮效能是对照组（15 ℃，盐度为0）的2.8倍，NRR为0.355 kg/（m3·d）。SEM表征结果表明，低温下添加4 g/L盐度，污泥颗粒表面相较于未添加盐度更加密实，污泥的沉降性明显增强。
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