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苏州科技大学陈重军：厌氧氨氧化颗粒污泥的研究进展

发布于：2021-01-05 10:33:05 来自：给排水工程/中水处理回用 [复制转发]

专栏寄语 ：水是与人类活动关系最为密切的环境要素，水环境前沿科学研究也始终处于高度活跃的状态。科学研究没有终点，而发表、出版是研究社区、学术生态不可或缺的重要一环。作为专业水行业期刊，我们始终致力于期刊特色发展，希望为塑造生机勃勃的学术生态环境做出应有的贡献。《中国给水排水》杂志与中信环境联合推出“ Top Water Research ”微信专栏，旨在传递国内外水环境研究 Top 文献情报，进一步推动学术交流合作。欢迎国内外的优秀研究团队踊跃参与，分享你们的前沿研究成果。本专栏将持续播出，敬请关注！

推荐理由： 自活性污泥法成功用于城市污水处理以来，历经百年，弥久不衰。但随着经济快速发展，大量有机污染物进入水环境，导致水体富营养化、水华现象、蓝藻爆发事件频发。同时为了进一步降低传统活性污泥法能耗、占地面积，提高氮、磷的去除效能和能源回收，颗粒污泥技术应运而生。

荷兰代尔夫特理工大学教授 Mark van Loosdrecht 院士指出，未来污水处理生物技术主要是厌氧氨氧化 ( Anammox ) 、好氧颗粒污泥 ( AGS) 技术。由于 Anammox 微生物繁殖速率低，世代周期长，在实际应用中容易随污泥流失导致难以快速培养。而颗粒污泥因其具有优异的沉降性能，可以保留大量生物群体，抵抗冲击能力强，能有效解决污泥流失的困境，对复杂的环境条件具有较强的适应性。耦合 Anammox 和颗粒污泥的优势，因而有关 Anammox 颗粒污泥相关研究迅速开展。然而有关 Anammox 颗粒污泥的性质、影响因素、局限性和应用的研究进展相关报道并不多见。苏州科技大学陈重军副教授一直从事 Anammox 相关研究，并对 Anammox 颗粒污泥特性、形成因素、应用状况进行分析。近期，该研究小组将此研究成果以“ Research advances in anammox granular sludge: A review ”为题，发表在环境领域期刊 Critical Reviews in Environmental Science and Technology 。

—— 同济大学浙江学院、《中国给水排水》青年编委刘俊博士

该研究获得了国家自然科学基金（ 51508366 ）、中国博士后科学基金（ 2020M671400 ）、江苏省自然科学基金（ BK20201450 ）的资助。研究成果以“ Research advances in A nammox granular sludge: A review ”为题，发表在 Critical Reviews in Environmental Science and Technology （ SCI ， IF= 8.302 ， 1 区 Top ） D OI : 10.1080/10643389.2020.1831358

中文摘要

厌氧氨氧化 ( Anaerobic ammonium oxidation，Anammox ) 是在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌 (AnAOB) 以 NO ₂ ^- - N为电子受体，氧化 NH ₄ ⁺ - N 为 N ₂ 的过程。该过程无需外加有机碳源，主要应用于高氨氮、低碳源废水处理，为实现自养低耗脱氮提供了新途径。然而， AnAOB 繁殖速率低，倍增时间长，在实际应用中很容易随污泥流失导致难以快速培养。颗粒污泥因其具有优异的沉降性能，可以保留大量生物群体，抵抗冲击能力强，能有效解决污泥流失的难题，对复杂的环境条件具有更强的适应性，成为 Anammox 的主要选择形式。本文综述了厌氧氨氧化颗粒污泥的性质、影响因素、局限性以及应用的研究进展，旨为厌氧氨氧化颗粒污泥的研究和工程应用提供参考。

图文摘要

引言

传统生物脱氮工艺是基于硝化 - 反硝化过程，最后转化为氮气，工艺流程长，脱氮负荷低，占地面积大，投资高。因此，进一步探索高效率、低能耗的废水脱氮技术已成为废水脱氮领域的重要内容。厌氧氨氧化 ( Anaerobic ammonium oxidation，Anammox ) 是在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌 ( AnAOB ) 以 NO ₂ ^- - N 为电子受体，氧化 NH ₄ ⁺ - N 为 N ₂ 的过程。该过程无需外加有机碳源，主要应用于高氨氮、低碳源废水处理，为实现自养低耗脱氮提供了新途径。然而， AnAOB 繁殖速率低，倍增时间长，在实际应用中很容易随污泥流失导致难以快速培养。颗粒污泥因其具有优异的沉降性能，可以保留大量生物群体，抵抗冲击能力强，能有效解决污泥流失的难题，对复杂的环境条件具有更强的适应性，成为 Anammox 的主要选择形式。本文综述了厌氧氨氧化颗粒（ AnGS ）的性质、影响因素、局限性以及应用的研究进展，希望能为 AnGS 的研究和工程应用提供借鉴。

图 1 Anammox 颗粒污泥（表观、显微态）

图文导图

该综述首先介绍了 AnGS 的优点及形成过程。颗粒污泥比絮体污泥更致密，微生物结构更强， AnGS 可以在不需要载体的情况下确保完全的生物量保留。此外，由于它们的高沉降速度，可以采用高水力负荷，而不会对生物量造成相应的冲刷。颗粒污泥由微生物细胞、胞外聚合物 ( EPS ) 和无机物等组成。 AnGS 的形成过程见图 2 。

图 2 AnGS 形成过程机理研究

文章介绍了 AnGS 的性质、影响因素、局限性及应用的研究进展。 AnGS 一般呈球形且表面光滑，可分为沉降颗粒和漂浮颗粒，沉降颗粒的平均粒径为（ 2.96 ± 0.99 ） mm ，小于漂浮颗粒的平均直径，即 (4.58 ± 1.22) mm ，研究发现沉降性能和反应器的总体性能呈现正相关，即颗粒沉降性越高，反应器的性能越好。而 AnGS 的粒径与密度成反比。因此，增大粒径会导致 AnGS 的密度降低，从而导致颗粒污泥的上浮。根据 Anammox 工艺的沉降模型， 1.75~4.00 mm 的粒径被认为是 Anammox 工艺有效运行的最佳粒径。为防止颗粒污泥上浮，建议 AnGS 的粒径始终保持在 2.20 mm 以上。 AnGS 独特的胭脂色也表明了 AnAOB 的高活性，但它们的颜色仍然可以从胭脂红到褐色或黑色，主要受到 AnAOB 中血红素 c 的浓度影响，见图 3 、 4 。

图 3 厌氧氨氧化 颗粒污泥形态 （表观、显微态、 SEM ）（ Daetal .,2019 ）

图 4 厌氧氨氧化 颗粒污泥 表面 SEM(A(D)、B(E)、C(F) 分别为黑色 、棕色、红色 AnGS )

同时，一定浓度有机物的存在会对 AnGS 的污泥特性造成影响，随着浓度的升高， AnGS 由砖红色转变为黑色，颗粒结构会造成显著影响（见图 5 ）。 AnGS 的形成及性能不仅受底物浓度、温度、 pH 值、 HRT 和 SRT 等因素的影响，胞外聚合物 ( EPS ) 的聚集、流体动力剪切力和搅拌速度、无机离子的存在以及废水中纳米颗粒的存在等因素的影响不容忽视。

图 5 厌氧氨氧化颗粒污泥的理化性质变化 （在 COD 浓度分别为 0, 50, 100, 150 and 200 mg/L 胁迫 100 d ，平均粒径、沉降速度、完整度系数和湿密度）

厌氧氨氧化颗粒污泥在实验室规模、中试规模和工程应用各个层面上均取得成功，具有巨大优势，见表 1 。

表 1 厌氧氨氧化颗粒污泥在不同反应器中的应用

然而，厌氧氨氧化在实际应用中仍存在一些局限性。比如颗粒污泥的上浮现象、 AnGS 的储存及重金属的影响等，仍然限制着 AnGS 的大规模应用。较高脱氮负荷导致氮气产量的增加可能是 AnGS 上浮的主要原因之一。也有专家认为颗粒污泥内部形成的气穴也会造成颗粒上浮。而对于 AnGS 的储存，应该选择新方法替代冷冻保存。而重金属的不同类型、数量会不同程度地抑制 AnGS 的形成，也为厌氧氨氧化颗粒污泥处理工业废水带来了难度。