基于厌氧氨氧化菌特性的富集策略及培养过程分析

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0661

摘要/Abstract

摘要：

传统污水生物脱氮工艺因曝气能耗大、消耗碱度、碳源不足、污泥产量大、流程复杂，以及产生大量温室气体等，严重制约了其在水环境污染防治领域中的应用。以厌氧氨氧化菌（AAOB）为驱动的厌氧氨氧化（Anammox）是迄今为止最简洁的脱氮途径，能实现碳氮的分离，且低耗、高效、环境友好。但AAOB的生长速率低、倍增时间长，对环境敏感，成为Anammox技术工程应用的瓶颈。如何富集培养AAOB以发挥Anammox活性成为解决问题的关键。以AAOB生物特性为基础的富集策略决定了菌株的生物量、活性和脱氮性能。概述了AAOB的分布和种类，分析了其生理生化特征，依据AAOB特性解析了工艺调控、聚集造粒和菌株保藏3种富集策略，并对富集培养过程进行分析。认为富集培养过程实质是采用适宜AAOB富集的培养条件淘汰劣势菌，不断提高AAOB菌群的相对丰度，形成相对单一的、稳定的生物群落。未来研究的重点在于分析不同生境条件下AAOB的生物特性，不同AAOB菌株富集培养的多手段协同，水质和环境条件对AAOB富集的影响机制。

关键词: 生物脱氮, 厌氧氨氧化菌, 工艺调控, 聚集造粒, 富集培养

Abstract:

Traditional biological denitrification process for wastewater has severely limited its application in the field of water environment pollution prevention due to large aeration energy consumption， alkalinity consumption， insufficient carbon source， high sludge output， complex process， and the generation of large amounts of greenhouse gases. Anaerobic ammonia oxidation（Anammox） driven by anaerobic ammonia oxidizing bacteria（AAOB） is the most concise denitrification pathway so far， which can achieve carbon and nitrogen separation with low consumption， high efficiency and environmental friendliness. However， the low growth rate， long doubling time and environmental sensitivity of AAOB have become bottlenecks for the engineering application of Anammox. Enrichment and cultivation of AAOB to exert Anammox activity became the key to solve the problem. The enrichment strategy based on the biological characteristics of AAOB determines the biomass， activity and denitrification performance of the strains. The distribution and species of AAOB were summarized， and their physiological and biochemical characteristics were analyzed. Three enrichment strategies of process regulation， aggregation granulation and strain preservation were analyzed based on AAOB characteristics， and the enrichment culture process was analyzed. It was believed that the essence of the enrichment culture process was to adopt suitable culture conditions for AAOB enrichment to eliminate the inferior bacteria， and continuously increase the relative abundance of AAOB， and form a relatively homogeneous and stable biological community. The focus of future research was to analyze the biological characteristics of AAOB under different habitat conditions， the multi-method synergy of different AAOB strains in enrichment and cultivation， and the mechanism of water quality and environmental conditions on the enrichment of AAOB.

Key words: biological denitrification, anaerobic ammonia oxidizing bacteria, process regulation, aggregation and granulation, enrichment culture

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I8/34

图/表 3

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57	高远，程军，张亮，等. 高氨氮PN/A脱氮工艺：亚硝态氮抑制后的恢复策略［J］. 环境工程， 2019， 37（1）： 35-40.
	GAO Yuan， CHENG Jun， ZHANG Liang， et al. High-strength ammonoium pn/a nitrogen removal process： Recovery strategy after inhibition of nitrite nitrogen［J］. Environmental Engineering， 2019， 37（1）： 35-40.

反应器类型	优点	缺点
SBR	具有良好的生物截留能力，基质能够充分混合、抗冲击能力强，无需回流，可稳定运行，操作简单	自动化控制要求高，不宜与其他工艺进行偶联，仍有部分污泥流失
MBR	能够实现全部微生物的截留，菌种活性高、倍增时间短、出水水质好，流程简单、操作方便	阻力大、运行成本高，膜易堵塞
UASB	生物截留量高，HRT短且能耗低，容积负荷率高，运行稳定，脱氮效果好，可加速颗粒污泥的形成	传质效果不佳，内部污泥床易形成死区、短流及沟流现象，影响启动效果
EGSB	富集AAOB有一定优势，污泥持留能力高效，传质条件好且不易堵塞	运行条件和控制要求高、颗粒污泥碰撞频繁而剧烈，易流失，能耗较高
ABR	良好的生物截留能力，易于固液分离，易形成颗粒污泥，培养AAOB具有优势	较难实现均匀布水、易产生沟流和死角
UBF	污泥龄较长，能较好适应水质水量的变化，生物池流量大，传质条件好	颗粒污泥不稳定，易流失
SBBR	具有良好的生物截留能力，抗冲击能力强，可稳定运行，操作简单	AAOB富集易受填料种类和性质的影响，控制系统复杂

反应器类型	优点	缺点
SBR	具有良好的生物截留能力，基质能够充分混合、抗冲击能力强，无需回流，可稳定运行，操作简单	自动化控制要求高，不宜与其他工艺进行偶联，仍有部分污泥流失
MBR	能够实现全部微生物的截留，菌种活性高、倍增时间短、出水水质好，流程简单、操作方便	阻力大、运行成本高，膜易堵塞
UASB	生物截留量高，HRT短且能耗低，容积负荷率高，运行稳定，脱氮效果好，可加速颗粒污泥的形成	传质效果不佳，内部污泥床易形成死区、短流及沟流现象，影响启动效果
EGSB	富集AAOB有一定优势，污泥持留能力高效，传质条件好且不易堵塞	运行条件和控制要求高、颗粒污泥碰撞频繁而剧烈，易流失，能耗较高
ABR	良好的生物截留能力，易于固液分离，易形成颗粒污泥，培养AAOB具有优势	较难实现均匀布水、易产生沟流和死角
UBF	污泥龄较长，能较好适应水质水量的变化，生物池流量大，传质条件好	颗粒污泥不稳定，易流失
SBBR	具有良好的生物截留能力，抗冲击能力强，可稳定运行，操作简单	AAOB富集易受填料种类和性质的影响，控制系统复杂

污泥源	优势	缺陷
好氧活性污泥	启动阶段污泥沉降性能好，启动成功后可长时间稳定运行，脱氮效果好	AAOB数量少、好氧微生物种类丰富，导致AAOB不易富集，反应器启动时间较长，延迟反应器进入稳定运行阶段
厌氧颗粒污泥	颗粒内部严格厌氧，为AAOB提供有利微环境，便于形成颗粒污泥，反应器抗冲击负荷，利于微生物持留，缩短启动时间，运行稳定	颗粒污泥的性质取决于驯化污水，一定程度上限制了厌氧颗粒污泥作为接种源；颗粒污泥的粒径、密度、有机物含量和沉降性影响启动和运行
厌氧消化污泥	含丰富的可与AAOB共生的微生物，AAOB基因数偏高，易富集培养，AAOB启动时间较短	NH₄ ⁺-N去除效果不理想，反应难以长时间稳定运行
反硝化污泥	反硝化菌与AAOB代谢相似，充分的反硝化污泥易在反应器内富集AAOB，加速启动进程	NH₄ ⁺-N去除率偏低，过量的反硝化可能造成NO₂ ^--N不足，亚硝化菌过量增殖
Anammox污泥混合污泥	富含AAOB，启动时间短，快速进入稳定运行期，NH₄ ⁺-N去除效果极佳	反应的污泥源不足，一旦污泥流失会直接导致系统崩溃
厌氧消化污泥混合污泥	易富集培养AAOB，启动时间相对较短，NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N去除效果较好	反应容易受其他混合污泥影响，导致反应失稳

污泥源	优势	缺陷
好氧活性污泥	启动阶段污泥沉降性能好，启动成功后可长时间稳定运行，脱氮效果好	AAOB数量少、好氧微生物种类丰富，导致AAOB不易富集，反应器启动时间较长，延迟反应器进入稳定运行阶段
厌氧颗粒污泥	颗粒内部严格厌氧，为AAOB提供有利微环境，便于形成颗粒污泥，反应器抗冲击负荷，利于微生物持留，缩短启动时间，运行稳定	颗粒污泥的性质取决于驯化污水，一定程度上限制了厌氧颗粒污泥作为接种源；颗粒污泥的粒径、密度、有机物含量和沉降性影响启动和运行
厌氧消化污泥	含丰富的可与AAOB共生的微生物，AAOB基因数偏高，易富集培养，AAOB启动时间较短	NH₄ ⁺-N去除效果不理想，反应难以长时间稳定运行
反硝化污泥	反硝化菌与AAOB代谢相似，充分的反硝化污泥易在反应器内富集AAOB，加速启动进程	NH₄ ⁺-N去除率偏低，过量的反硝化可能造成NO₂ ^--N不足，亚硝化菌过量增殖
Anammox污泥混合污泥	富含AAOB，启动时间短，快速进入稳定运行期，NH₄ ⁺-N去除效果极佳	反应的污泥源不足，一旦污泥流失会直接导致系统崩溃
厌氧消化污泥混合污泥	易富集培养AAOB，启动时间相对较短，NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N去除效果较好	反应容易受其他混合污泥影响，导致反应失稳

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