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美国《科学引文索引》（Science Citation Index, 简称 SCI ）于1957 年由美国科学信息研究所（Institute for Scientific Information, 简称 ISI）在美国费城创办，是由美国科学信息研究所（ISI）1961 年创办出版的引文数据库。SCI（科学引文索引）与EI（工程索引）、ISTP（科技会议录索引）被并称为世界著名的三大科技文献检索系统。
富营养化的威胁已导致许多国家采用严格的氮排放标准，一旦TN浓度超过0.8 mg/L，就会发生富营养化。因此，迫切需要进一步改善污水的水质，以确保对生态环境的风险相对较低。厌氧氨氧化（anammox）工艺是一种相对较新的生物脱氮（BNR）工艺，具有高性价比和节能，无需任何外部碳源就能处理低碳氮比（> 2.5）废水，曝气的能源成本低，节省污泥处理运营成本，温室气体排放量减少，空间需求相对较小的优点。此外，厌氧细菌在由于不利条件而处于休眠状态后重新暴露于适当的操作条件下2~5 d后，具有重新活化的能力。因此，厌氧氨氧化工艺提供了一种更可持续的废水处理方式。
厌氧氨氧化工艺已应用于高强度氮废水的处理，以及污水处理厂的主流废水（WWTP）的处理中。与传统的脱氮工艺（硝化和反硝化）不同，生态友好的厌氧氨氧化工艺能够通过将亚硝酸盐作为电子受体将铵直接氧化成二氮而在氮循环中创造捷径，如方程式（1）和图1所示。
厌氧污泥颗粒污泥的研究进展
自1990年代中期在荷兰发现厌氧氨氧化工艺以来，多年来，为了提高厌氧氨氧化工艺的效率，已经开发了各种改进工艺。
由于没有污泥滞留，通过亚硝酸盐高速率去除氨的单反应器系统（SHARON）工艺与所有其他生物处理工艺完全分开，高温（30~40 ℃）条件确保仅快速生长的细菌的生长和积累，因此，与氨氧化细菌相比，亚硝酸盐氧化细菌的生长减慢。在受控的温度、氧气供应和稀释率下，SHARON反应器能够产生1：1的亚硝酸盐和氨盐比率，这对于进行厌氧氨氧化工艺至关重要。
CANON工艺是亚硝酸盐完全自养脱氮，是厌氧氨氧化工艺的另一项专利改进。CANON工艺形成的颗粒污泥可以同时进行好氧和厌氧氨的氧化反应。因此，尽管外膜由于低的氧浓度而适合于氨氧化剂的生长，但是另一方面，颗粒污泥的中心有利于厌氧细菌的活性。
OLAND–通常被认为是CANON的一种变体，是限氧自养硝化-硝化作用。溶解氧（DO）始终保持低于0.2 mg DO/L的值，从而限制了硝化作用并防止了明显的硝酸盐形成，它还具有在低温条件（22~30℃）下可操作的优势。
近年来，新型的部分反硝化-厌氧氨氧化工艺引起了研究者的极大兴趣。尽管其前身—部分硝化-厌氧氨氧化(PN/A)工艺(从高浓度、温暖的废水中去除侧流氮的成熟技术)在节省曝气成本、低污泥产量、没有外部碳源供应方面具有许多优势，但如前所述，它仍然存在许多操作挑战。
厌氧生物颗粒化
一般而言，在生物反应器中观察到的颗粒污泥具有高密度和规则的外形。相比之下，颗粒比絮状物更致密，微生物结构更强。此外，由于它们的高沉降速度，可以使用高水力负荷，而不会导致生物量的流失。颗粒污泥由微生物细胞、胞外聚合物(EPS)和穿孔无机物等组成。
根据微生物代谢中所涉及的电子受体的性质，颗粒污泥可分为需氧污泥和厌氧污泥。厌氧氨氧化颗粒污泥(ANGs)—一种厌氧颗粒污泥，具有完全生物量保留和非常低的生物量产量的优点。然而，与生物膜或凝胶截留系统中对载体的需要相反，厌氧氨氧化颗粒系统确保完全的生物量保留，而不需要载体。厌氧氨氧化颗粒的形成涉及不同的物理化学和生物相互作用。为了帮助解释造粒过程，多年来已经开发了几种模型—选择压力模型、胞外聚合物(ECP)结合模型、惰性核模型、合成和天然聚合物结合模型、磨损模型、次级最小粘附模型、多价正离子结合模型和表面张力模型。不管厌氧氨氧化活性的状态(高或低)，选择压力、多价离子、胞外聚合物(ECP)等仍然有助于种子污泥中厌氧氨氧化生物质的粒化。
厌氧氨氧化颗粒污泥的特性
直径
厌氧氨氧化颗粒的直径表示厌氧氨氧化反应器的性能，并极大地影响厌氧氨氧化颗粒的沉降性。一般来说，厌氧氨氧化颗粒可分为沉降颗粒和漂浮颗粒，沉降性和反应器的整体性能之间存在正相关关系。因此，颗粒的沉降性越高，反应器的性能越好。与较小的厌氧氨氧化生物膜相比，大型厌氧氨氧化颗粒受氮浓度的影响相对较小。根据厌氧氨氧化工艺的沉降模型，1.75~4.00mm的直径被认为厌氧氨氧化颗粒的最佳直径，以实现厌氧氨氧化工艺的高效运行。此外，为防止颗粒漂浮，建议始终将厌氧氨氧化颗粒的直径保持在2.20mm以上。然而，厌氧氨氧化颗粒的直径与其密度成反比。因此，直径的增加导致厌氧氨氧化颗粒密度的降低，这可能导致生物质的漂浮。
沉降速度
厌氧氨氧化颗粒具有良好的沉降性。密度和直径的增加导致厌氧氨氧化颗粒的沉降速度相应增加。据报道，沉淀能力差的厌氧氨氧化反应器会导致运行不稳定。厌氧氨氧化颗粒的球形度、圆度和质量等其他因素对厌氧氨氧化颗粒的沉降速度也有很大影响。根据Komar等人的观点，与相同重量的非球形颗粒相比，颗粒越是球形，其在流体中的沉降速度就越高。
形态学
一般来说，厌氧氨氧化颗粒据报道具有球形三维形状。陆等人实验发现，厌氧氨氧化颗粒形状不规则，表面不平整，结构包括颗粒、亚单位、微生物细胞簇和单细胞。然而，这与和Jing的观察结果形成对比，他们观察到来自反应器运行约三个月的厌氧氨氧化颗粒具有规则的形状(球形)和光滑的表面。
密度
据报道，厌氧氨氧化颗粒具有更高的比密度与好氧颗粒(40~70gVSS/L)。厌氧氨氧化颗粒的密度和形态可能与其直径有关。其中直径的增加导致厌氧氨氧化颗粒的密度降低。虽然在实验过程中直径对厌氧氨氧化颗粒沉降性的影响远远超过密度，然而，总的沉降性由厌氧氨氧化颗粒的密度决定。
颜色
厌氧氨氧化颗粒特有的胭脂红颜色表明了厌氧氨氧化细菌的高活性。它们的颜色可以从胭脂红到褐色或黑色变化。这主要归因于厌氧氨氧化装置中的血红素c浓度。因此，血红素c浓度较高的厌氧氨氧化颗粒呈灰色，而黑色厌氧氨氧化颗粒缺乏血红素c。发现颜色值与厌氧氨氧化细菌的比活性和生物负载率呈正相关。此外，发现表面微观结构的差异极大地影响了肉眼可见的颗粒污泥的主观颜色。
影响厌氧氨氧化颗粒发展的因素
种泥
通常，厌氧氨氧化工艺的启动主要取决于所用反应器的类型、反应器中维持的操作条件、接种的种子污泥反应能力和微生物组成。厌氧氨氧化细菌的生长速度很慢(它们的倍增时间在30~40℃条件下约为10~14d)，细胞产量低，以及对不断变化的环境条件的高度敏感性，这使得它们极难培育。由于厌氧氨氧化细菌的活性水平低，厌氧氨氧化生物量聚集通常需要很长时间。当使用好氧、厌氧或混合活性种子污泥时，共存细菌之间的竞争就证明了这一点，从而抑制了厌氧氨氧化的启动。许多接种了好氧或厌氧颗粒种泥的颗粒厌氧氨氧化反应器导致了更快的厌氧氨氧化启动。
底物浓度
尽管它们在厌氧氨氧化过程中充当底物，但是铵(NH4+)，亚硝酸盐(NO-)甚至硝酸盐(NO3-)，以及游离氨有时也可以作为抑制剂。就氮污泥负荷率而言，颗粒完整性和低脱氮效率都受到基质的负面影响(NSLR)。因此，当超过阈值限制时，氨和亚硝酸盐主要对厌氧氨氧化过程起反作用。然而，阈值限制不是恒定的，主要取决于过程中采用的策略。反应器中普遍存在的微生物结构和群落也受到底物浓度的很大影响。因此，底物供应、氮负载率(NLR)极大地影响微生物群落的结构。高底物浓度对快速生长的厌氧氨氧化生物的优势有积极影响，从而导致厌氧氨氧化装置中氮的高去除率。
水力停留时间和污泥停留时间（SRT）
SRT在厌氧氨氧化生物量的聚集中起着重要作用。在厌氧膜生物反应器系统中，维持较长的SRT时间是有利的。根据Nicolella等人，基于颗粒污泥的反应器是紧凑的反应器，结合了短的水力停留时间和长的稳定固体停留时间。
温度和酸碱度
根据科学家的说法，厌氧氨氧化过程的最佳温度是20~40℃。因此，大多数颗粒厌氧氨氧化反应器也在相同的范围内运行。然而，当温度保持在45℃以上时，厌氧氨氧化活性会发生不可逆的破坏。
据报告，颗粒形式的厌氧氨氧化生物量的最适酸碱度范围在6.7~8.3。据观察，高酸碱度对应于游离氨浓度的增加，而降低酸碱度会导致设置中游离亚硝酸的积累。在很大程度上，厌氧氨氧化过程中占优势的厌氧氨氧化细菌是由占优势的pH值决定的。因此，为了高效脱氮，需要将温度和酸碱度等操作参数控制在适当的水平。
水里剪切力和搅拌速度
由机械搅拌产生的物理运动，有助于细菌与细菌的接触。剪切力是产生致密稳定颗粒结构的关键。根据Reino等，液体诱导的剪切力极大地影响生物质的造粒过程。因此，颗粒污泥的形成很大程度上受到水动力剪切力以及相互作用的流动模式的影响。蛋白质过量产生的剪切力的急剧增加可能导致颗粒的破坏。由上流液流或搅拌机制产生的合适的剪切应力为厌氧氨氧化生物质的颗粒化创造了有利的环境。
无机离子的存在
研究人员认为，细菌对惰性物质、无机沉淀物的粘附和吸附，以及通过物理化学相互作用和共养关联的相互粘附和吸附，可能是引发颗粒化过程的原因，从而成为新微生物生长的微生物核(前体)。
据陆克文等人，钙的存在促进了颗粒的形成，据报道钙和镁的沉淀在厌氧氨氧化颗粒化中充当成核种子。此外，磷酸钙的沉淀导致厌氧氨氧化生物量活性的丧失。尽管正二价离子有助于与带负电荷的细菌表面结合，从而促进聚集，但是它对颗粒大小有负面影响。
胞外聚合物
根据拉斯皮杜等的观点，污泥液由惰性生物质、胞外聚合物和可溶性微生物产物组成。在细菌细胞中，颗粒物质和胞外多糖密切相关。据报道，胞外聚合物对微生物聚集体中细胞的结构和功能完整性至关重要，由不溶性物质组成，而另一方面，作为一些例子，平滑肌细胞被认为是具有可溶性大分子、胶体和粘液的可溶性胞外聚合物。通过充当粘合剂和保护颗粒免受有毒物质的影响，胞外聚合物能够维持厌氧氨氧化颗粒污泥(AnGS)的稳定性。然而，胞外多糖的产生会干扰厌氧氨氧化细胞生物学的特性。此外，不稳定的胞外聚合物会损害厌氧氨氧化过程的稳定性。
总之，产生的胞外聚合物中的磷决定了厌氧氨氧化颗粒的沉降速度，因此是浮选的决定性因素。
沸水中纳米粒子的影响
通常，纳米粒子的应用已知对不同微生物的微生物活性具有刺激和抑制作用。CuNPs对厌氧氨氧化细菌是有毒的，然而，这种毒性可以通过添加乙二胺四乙酸消除。在确定各种纳米颗粒(CuNPs、CuONPs、ZnONPs和AgNPs)对絮凝物和颗粒形式的厌氧氨氧化细菌的毒性影响的实验中，得出的结论是，厌氧氨氧化颗粒不同于絮凝物，由于其多层结构，可以保护其免受纳米颗粒的毒性影响。
颗粒厌氧氨氧化污泥的应用
在过去的二十年里，大量的部分硝化氨氧化(PN/AMX)系统配置已经转化为全规模的工厂，中国、欧洲和北美是目前应用的主要国家之一。
厌氧氨氧化的颗粒化是将生物量保留在厌氧氨氧化反应器中的一种方法。迄今为止，厌氧氨氧化颗粒处理富氨废水的应用在实验室规模、中试规模和全规模各级都取得了成功。2002年在荷兰鹿特丹成功启动了第一个全尺寸AnGs。
厌氧氨氧化制粒的局限性
漂浮
这种现象在厌氧氨氧化颗粒污泥系统中很常见，因为高负荷率会导致颗粒失去稳定性。因此，较高的加载速率导致氮气产量增加以及水动力条件增加，是厌氧氨氧化颗粒漂浮的可能原因。然而，根据Yoda等，漂浮可能是颗粒内部形成气穴的结果，机械破碎是抵消它的有效手段。在厌氧氨氧化颗粒中形成气穴，气穴膨胀导致颗粒漂浮，这很容易导致生物量流失，从而使系统性能降至最低。此外，较大的颗粒尺寸允许在颗粒中形成死区，这可能导致污泥漂浮。因此，降低了非离子表面活性剂和污染物之间的传质效率。
厌氧氨氧化颗粒的储存稳定性
通过定期添加营养物，可以在室温下储存厌氧氨氧化污泥。虽然有相当多的厌氧氨氧化污泥储存方法，但考虑到冷冻保护剂的应用在其他并发症中非常昂贵，需要设计新的替代方法。
对重金属的敏感性
重金属对细菌生长至关重要，但如果过量使用，它们会产生生物毒性，从而影响细菌的特定形态、反应性和沉降性。Fe2+、Zn2+、Cu2+的浓度超过一定值时会强烈抑制厌氧氨氧化活性。电镜观察表明，Cu2+可诱导EPS分泌，引起细胞膜损伤。因此，不同的重金属在不同程度上抑制了神经胶质细胞的形成。
AnGS系统的未来趋势和展望
AnGS系统可以说是去除氮废水的最佳手段，但仍有相当多的问题需要解决。厌氧氨氧化系统的未来前景可以集中在(I)开发一种用于监测厌氧氨氧化系统内微生物群落的可见指示器，因为它们是该过程的主要贡献者，(ii)基于颗粒的PD/A系统，(iii)理解颗粒漂浮机制，因为它仍然是厌氧氨氧化系统的主要问题，(iv)通过分子分析深入理解厌氧氨氧化系统的基质结构，(v)全面研究生物颗粒形成模型的厌氧氨氧化颗粒化机制并区分它们，(vi)厌氧氨氧化系统组分的详细表征，以及盐度对AnGS过程和厌氧氨氧化细菌适应的影响。
大多数综述文章强调了不同反应器结构中厌氧氨氧化污泥絮体颗粒化的影响因素及其性质，但对厌氧氨氧化系统的局限性了解甚少。因此，这篇综述文章将作为一个框架，用于理解AnGs生物颗粒形成过程中所涉及的过程以及它所带来的缺点。
结论
泡沫、结垢和漂浮已被确定为AnGs中的主要问题。使用高NLR可能导致颗粒漂浮，进而导致系统不稳定甚至崩溃。尽管通过从流入的磷酸盐和钙阳离子中沉淀矿物质可以显著提高颗粒的密度，但不幸的是这导致挥发性悬浮固体(VSS)减少为悬浮固体(SS)。还需要更多的研究来解决厌氧氨氧化颗粒的PN/PS比问题(许多矛盾的报告)。应进一步研究纳米粒子的潜在环境应用，并确定其对废水处理过程(厌氧氨氧化活性)的影响。要收集的信息将极大地有助于优化厌氧氨氧化工艺。同样，从使用实验室规模的研究反应器转向处理和分析实际废水，如制药废水，垃圾渗滤液将有助于更好地理解厌氧氨氧化过程的内部工作。
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.
翻译：赖竹林/张龙龙
图片来源：pixabay
排版：西贝
校对：王佳
