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美國《科學引文索引》（Science Citation Index, 簡稱 SCI ）于1957 年由美國科學信息研究所（Institute for Scientific Information, 簡稱 ISI）在美國費城創辦，是由美國科學信息研究所（ISI）1961 年創辦出版的引文數據庫。SCI（科學引文索引）與EI（工程索引）、ISTP（科技會議錄索引）被并稱為世界著名的三大科技文獻檢索系統。
富營養化的威脅已導致許多國家采用嚴格的氮排放標準，一旦TN濃度超過0.8 mg/L，就會發生富營養化。因此，迫切需要進一步改善污水的水質，以確保對生態環境的風險相對較低。厭氧氨氧化（anammox）工藝是一種相對較新的生物脫氮（BNR）工藝，具有高性價比和節能，無需任何外部碳源就能處理低碳氮比（> 2.5）廢水，曝氣的能源成本低，節省污泥處理運營成本，溫室氣體排放量減少，空間需求相對較小的優點。此外，厭氧細菌在由于不利條件而處于休眠狀態后重新暴露于適當的操作條件下2~5 d后，具有重新活化的能力。因此，厭氧氨氧化工藝提供了一種更可持續的廢水處理方式。
厭氧氨氧化工藝已應用于高強度氮廢水的處理，以及污水處理廠的主流廢水（WWTP）的處理中。與傳統的脫氮工藝（硝化和反硝化）不同，生態友好的厭氧氨氧化工藝能夠通過將亞硝酸鹽作為電子受體將銨直接氧化成二氮而在氮循環中創造捷徑，如方程式（1）和圖1所示。
厭氧污泥顆粒污泥的研究進展
自1990年代中期在荷蘭發現厭氧氨氧化工藝以來，多年來，為了提高厭氧氨氧化工藝的效率，已經開發了各種改進工藝。
由于沒有污泥滯留，通過亞硝酸鹽高速率去除氨的單反應器系統（SHARON）工藝與所有其他生物處理工藝完全分開，高溫（30~40 ℃）條件確保僅快速生長的細菌的生長和積累，因此，與氨氧化細菌相比，亞硝酸鹽氧化細菌的生長減慢。在受控的溫度、氧氣供應和稀釋率下，SHARON反應器能夠產生1：1的亞硝酸鹽和氨鹽比率，這對于進行厭氧氨氧化工藝至關重要。
CANON工藝是亞硝酸鹽完全自養脫氮，是厭氧氨氧化工藝的另一項專利改進。CANON工藝形成的顆粒污泥可以同時進行好氧和厭氧氨的氧化反應。因此，盡管外膜由于低的氧濃度而適合于氨氧化劑的生長，但是另一方面，顆粒污泥的中心有利于厭氧細菌的活性。
OLAND–通常被認為是CANON的一種變體，是限氧自養硝化-硝化作用。溶解氧（DO）始終保持低于0.2 mg DO/L的值，從而限制了硝化作用并防止了明顯的硝酸鹽形成，它還具有在低溫條件（22~30℃）下可操作的優勢。
近年來，新型的部分反硝化-厭氧氨氧化工藝引起了研究者的極大興趣。盡管其前身—部分硝化-厭氧氨氧化(PN/A)工藝(從高濃度、溫暖的廢水中去除側流氮的成熟技術)在節省曝氣成本、低污泥產量、沒有外部碳源供應方面具有許多優勢，但如前所述，它仍然存在許多操作挑戰。
厭氧生物顆粒化
一般而言，在生物反應器中觀察到的顆粒污泥具有高密度和規則的外形。相比之下，顆粒比絮狀物更致密，微生物結構更強。此外，由于它們的高沉降速度，可以使用高水力負荷，而不會導致生物量的流失。顆粒污泥由微生物細胞、胞外聚合物(EPS)和穿孔無機物等組成。
根據微生物代謝中所涉及的電子受體的性質，顆粒污泥可分為需氧污泥和厭氧污泥。厭氧氨氧化顆粒污泥(ANGs)—一種厭氧顆粒污泥，具有完全生物量保留和非常低的生物量產量的優點。然而，與生物膜或凝膠截留系統中對載體的需要相反，厭氧氨氧化顆粒系統確保完全的生物量保留，而不需要載體。厭氧氨氧化顆粒的形成涉及不同的物理化學和生物相互作用。為了幫助解釋造粒過程，多年來已經開發了幾種模型—選擇壓力模型、胞外聚合物(ECP)結合模型、惰性核模型、合成和天然聚合物結合模型、磨損模型、次級最小粘附模型、多價正離子結合模型和表面張力模型。不管厭氧氨氧化活性的狀態(高或低)，選擇壓力、多價離子、胞外聚合物(ECP)等仍然有助于種子污泥中厭氧氨氧化生物質的粒化。
厭氧氨氧化顆粒污泥的特性
直徑
厭氧氨氧化顆粒的直徑表示厭氧氨氧化反應器的性能，并極大地影響厭氧氨氧化顆粒的沉降性。一般來說，厭氧氨氧化顆粒可分為沉降顆粒和漂浮顆粒，沉降性和反應器的整體性能之間存在正相關關系。因此，顆粒的沉降性越高，反應器的性能越好。與較小的厭氧氨氧化生物膜相比，大型厭氧氨氧化顆粒受氮濃度的影響相對較小。根據厭氧氨氧化工藝的沉降模型，1.75~4.00mm的直徑被認為厭氧氨氧化顆粒的最佳直徑，以實現厭氧氨氧化工藝的高效運行。此外，為防止顆粒漂浮，建議始終將厭氧氨氧化顆粒的直徑保持在2.20mm以上。然而，厭氧氨氧化顆粒的直徑與其密度成反比。因此，直徑的增加導致厭氧氨氧化顆粒密度的降低，這可能導致生物質的漂浮。
沉降速度
厭氧氨氧化顆粒具有良好的沉降性。密度和直徑的增加導致厭氧氨氧化顆粒的沉降速度相應增加。據報道，沉淀能力差的厭氧氨氧化反應器會導致運行不穩定。厭氧氨氧化顆粒的球形度、圓度和質量等其他因素對厭氧氨氧化顆粒的沉降速度也有很大影響。根據Komar等人的觀點，與相同重量的非球形顆粒相比，顆粒越是球形，其在流體中的沉降速度就越高。
形態學
一般來說，厭氧氨氧化顆粒據報道具有球形三維形狀。陸等人實驗發現，厭氧氨氧化顆粒形狀不規則，表面不平整，結構包括顆粒、亞單位、微生物細胞簇和單細胞。然而，這與和Jing的觀察結果形成對比，他們觀察到來自反應器運行約三個月的厭氧氨氧化顆粒具有規則的形狀(球形)和光滑的表面。
密度
據報道，厭氧氨氧化顆粒具有更高的比密度與好氧顆粒(40~70gVSS/L)。厭氧氨氧化顆粒的密度和形態可能與其直徑有關。其中直徑的增加導致厭氧氨氧化顆粒的密度降低。雖然在實驗過程中直徑對厭氧氨氧化顆粒沉降性的影響遠遠超過密度，然而，總的沉降性由厭氧氨氧化顆粒的密度決定。
顏色
厭氧氨氧化顆粒特有的胭脂紅顏色表明了厭氧氨氧化細菌的高活性。它們的顏色可以從胭脂紅到褐色或黑色變化。這主要歸因于厭氧氨氧化裝置中的血紅素c濃度。因此，血紅素c濃度較高的厭氧氨氧化顆粒呈灰色，而黑色厭氧氨氧化顆粒缺乏血紅素c。發現顏色值與厭氧氨氧化細菌的比活性和生物負載率呈正相關。此外，發現表面微觀結構的差異極大地影響了肉眼可見的顆粒污泥的主觀顏色。
影響厭氧氨氧化顆粒發展的因素
種泥
通常，厭氧氨氧化工藝的啟動主要取決于所用反應器的類型、反應器中維持的操作條件、接種的種子污泥反應能力和微生物組成。厭氧氨氧化細菌的生長速度很慢(它們的倍增時間在30~40℃條件下約為10~14d)，細胞產量低，以及對不斷變化的環境條件的高度敏感性，這使得它們極難培育。由于厭氧氨氧化細菌的活性水平低，厭氧氨氧化生物量聚集通常需要很長時間。當使用好氧、厭氧或混合活性種子污泥時，共存細菌之間的競爭就證明了這一點，從而抑制了厭氧氨氧化的啟動。許多接種了好氧或厭氧顆粒種泥的顆粒厭氧氨氧化反應器導致了更快的厭氧氨氧化啟動。
底物濃度
盡管它們在厭氧氨氧化過程中充當底物，但是銨(NH4+)，亞硝酸鹽(NO-)甚至硝酸鹽(NO3-)，以及游離氨有時也可以作為抑制劑。就氮污泥負荷率而言，顆粒完整性和低脫氮效率都受到基質的負面影響(NSLR)。因此，當超過閾值限制時，氨和亞硝酸鹽主要對厭氧氨氧化過程起反作用。然而，閾值限制不是恒定的，主要取決于過程中采用的策略。反應器中普遍存在的微生物結構和群落也受到底物濃度的很大影響。因此，底物供應、氮負載率(NLR)極大地影響微生物群落的結構。高底物濃度對快速生長的厭氧氨氧化生物的優勢有積極影響，從而導致厭氧氨氧化裝置中氮的高去除率。
水力停留時間和污泥停留時間（SRT）
SRT在厭氧氨氧化生物量的聚集中起著重要作用。在厭氧膜生物反應器系統中，維持較長的SRT時間是有利的。根據Nicolella等人，基于顆粒污泥的反應器是緊湊的反應器，結合了短的水力停留時間和長的穩定固體停留時間。
溫度和酸堿度
根據科學家的說法，厭氧氨氧化過程的最佳溫度是20~40℃。因此，大多數顆粒厭氧氨氧化反應器也在相同的范圍內運行。然而，當溫度保持在45℃以上時，厭氧氨氧化活性會發生不可逆的破壞。
據報告，顆粒形式的厭氧氨氧化生物量的最適酸堿度范圍在6.7~8.3。據觀察，高酸堿度對應于游離氨濃度的增加，而降低酸堿度會導致設置中游離亞硝酸的積累。在很大程度上，厭氧氨氧化過程中占優勢的厭氧氨氧化細菌是由占優勢的pH值決定的。因此，為了高效脫氮，需要將溫度和酸堿度等操作參數控制在適當的水平。
水里剪切力和攪拌速度
由機械攪拌產生的物理運動，有助于細菌與細菌的接觸。剪切力是產生致密穩定顆粒結構的關鍵。根據Reino等，液體誘導的剪切力極大地影響生物質的造粒過程。因此，顆粒污泥的形成很大程度上受到水動力剪切力以及相互作用的流動模式的影響。蛋白質過量產生的剪切力的急劇增加可能導致顆粒的破壞。由上流液流或攪拌機制產生的合適的剪切應力為厭氧氨氧化生物質的顆粒化創造了有利的環境。
無機離子的存在
研究人員認為，細菌對惰性物質、無機沉淀物的粘附和吸附，以及通過物理化學相互作用和共養關聯的相互粘附和吸附，可能是引發顆粒化過程的原因，從而成為新微生物生長的微生物核(前體)。
據陸克文等人，鈣的存在促進了顆粒的形成，據報道鈣和鎂的沉淀在厭氧氨氧化顆粒化中充當成核種子。此外，磷酸鈣的沉淀導致厭氧氨氧化生物量活性的喪失。盡管正二價離子有助于與帶負電荷的細菌表面結合，從而促進聚集，但是它對顆粒大小有負面影響。
胞外聚合物
根據拉斯皮杜等的觀點，污泥液由惰性生物質、胞外聚合物和可溶性微生物產物組成。在細菌細胞中，顆粒物質和胞外多糖密切相關。據報道，胞外聚合物對微生物聚集體中細胞的結構和功能完整性至關重要，由不溶性物質組成，而另一方面，作為一些例子，平滑肌細胞被認為是具有可溶性大分子、膠體和粘液的可溶性胞外聚合物。通過充當粘合劑和保護顆粒免受有毒物質的影響，胞外聚合物能夠維持厭氧氨氧化顆粒污泥(AnGS)的穩定性。然而，胞外多糖的產生會干擾厭氧氨氧化細胞生物學的特性。此外，不穩定的胞外聚合物會損害厭氧氨氧化過程的穩定性。
總之，產生的胞外聚合物中的磷決定了厭氧氨氧化顆粒的沉降速度，因此是浮選的決定性因素。
沸水中納米粒子的影響
通常，納米粒子的應用已知對不同微生物的微生物活性具有刺激和抑制作用。CuNPs對厭氧氨氧化細菌是有毒的，然而，這種毒性可以通過添加乙二胺四乙酸消除。在確定各種納米顆粒(CuNPs、CuONPs、ZnONPs和AgNPs)對絮凝物和顆粒形式的厭氧氨氧化細菌的毒性影響的實驗中，得出的結論是，厭氧氨氧化顆粒不同于絮凝物，由于其多層結構，可以保護其免受納米顆粒的毒性影響。
顆粒厭氧氨氧化污泥的應用
在過去的二十年里，大量的部分硝化氨氧化(PN/AMX)系統配置已經轉化為全規模的工廠，中國、歐洲和北美是目前應用的主要國家之一。
厭氧氨氧化的顆粒化是將生物量保留在厭氧氨氧化反應器中的一種方法。迄今為止，厭氧氨氧化顆粒處理富氨廢水的應用在實驗室規模、中試規模和全規模各級都取得了成功。2002年在荷蘭鹿特丹成功啟動了第一個全尺寸AnGs。
厭氧氨氧化制粒的局限性
漂浮
這種現象在厭氧氨氧化顆粒污泥系統中很常見，因為高負荷率會導致顆粒失去穩定性。因此，較高的加載速率導致氮氣產量增加以及水動力條件增加，是厭氧氨氧化顆粒漂浮的可能原因。然而，根據Yoda等，漂浮可能是顆粒內部形成氣穴的結果，機械破碎是抵消它的有效手段。在厭氧氨氧化顆粒中形成氣穴，氣穴膨脹導致顆粒漂浮，這很容易導致生物量流失，從而使系統性能降至最低。此外，較大的顆粒尺寸允許在顆粒中形成死區，這可能導致污泥漂浮。因此，降低了非離子表面活性劑和污染物之間的傳質效率。
厭氧氨氧化顆粒的儲存穩定性
通過定期添加營養物，可以在室溫下儲存厭氧氨氧化污泥。雖然有相當多的厭氧氨氧化污泥儲存方法，但考慮到冷凍保護劑的應用在其他并發癥中非常昂貴，需要設計新的替代方法。
對重金屬的敏感性
重金屬對細菌生長至關重要，但如果過量使用，它們會產生生物毒性，從而影響細菌的特定形態、反應性和沉降性。Fe2+、Zn2+、Cu2+的濃度超過一定值時會強烈抑制厭氧氨氧化活性。電鏡觀察表明，Cu2+可誘導EPS分泌，引起細胞膜損傷。因此，不同的重金屬在不同程度上抑制了神經膠質細胞的形成。
AnGS系統的未來趨勢和展望
AnGS系統可以說是去除氮廢水的最佳手段，但仍有相當多的問題需要解決。厭氧氨氧化系統的未來前景可以集中在(I)開發一種用于監測厭氧氨氧化系統內微生物群落的可見指示器，因為它們是該過程的主要貢獻者，(ii)基于顆粒的PD/A系統，(iii)理解顆粒漂浮機制，因為它仍然是厭氧氨氧化系統的主要問題，(iv)通過分子分析深入理解厭氧氨氧化系統的基質結構，(v)全面研究生物顆粒形成模型的厭氧氨氧化顆粒化機制并區分它們，(vi)厭氧氨氧化系統組分的詳細表征，以及鹽度對AnGS過程和厭氧氨氧化細菌適應的影響。
大多數綜述文章強調了不同反應器結構中厭氧氨氧化污泥絮體顆粒化的影響因素及其性質，但對厭氧氨氧化系統的局限性了解甚少。因此，這篇綜述文章將作為一個框架，用于理解AnGs生物顆粒形成過程中所涉及的過程以及它所帶來的缺點。
結論
泡沫、結垢和漂浮已被確定為AnGs中的主要問題。使用高NLR可能導致顆粒漂浮，進而導致系統不穩定甚至崩潰。盡管通過從流入的磷酸鹽和鈣陽離子中沉淀礦物質可以顯著提高顆粒的密度，但不幸的是這導致揮發性懸浮固體(VSS)減少為懸浮固體(SS)。還需要更多的研究來解決厭氧氨氧化顆粒的PN/PS比問題(許多矛盾的報告)。應進一步研究納米粒子的潛在環境應用，并確定其對廢水處理過程(厭氧氨氧化活性)的影響。要收集的信息將極大地有助于優化厭氧氨氧化工藝。同樣，從使用實驗室規模的研究反應器轉向處理和分析實際廢水，如制藥廢水，垃圾滲濾液將有助于更好地理解厭氧氨氧化過程的內部工作。
原文信息：Adams M, Xie J, Kabore A J, et al. Research advances in anammox granular sludge: A review[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2020: 1-44.
翻譯：賴竹林/張龍龍
圖片來源：pixabay
排版：西貝
校對：王佳
