WER专栏 | 重庆大学陈猷鹏团队：不同PVA与SA配比下Aanmmox固定化颗粒的脱氮性能及特性

第一作者：王谨

通讯作者：陈猷鹏

通讯单位：重庆大学环境与生态学院

论文DOI：10.1002/wer.1547

成果简介

近日，重庆大学环境与生态学院陈猷鹏教授团队在Water Environment Research特刊Anammox in China上发表了题为“Nitrogen removal performance and characteristics of gel beads immobilized anammox bacteria under different PVA:SA ratios”的论文。文章对不同PVA：SA配比的Anammox细菌固定化颗粒的脱氮性能及内部结构进行了研究， PVA/SA(12%/2%)固定化颗粒由于其大孔径占比高，具有良好的脱氮效果，被认为是最合适的固定化载体浓度，这为PVA/SA方法的Anammox细菌固定化颗粒的制备提供了参考。

引言

细菌固定化是一项非常有前途的技术，通过物理或化学方法，将微生物限制或定位在特定的区域空间内，使其富集并保持良好的生物活性，由于具有微生物浓度高、处理效率高、不易流失、固液分离效果好、抗冲击负荷能力强等特点，同时可有效克服Anammox工艺启动时间长，富集困难等缺点，而逐渐在水处理领域受到国内外研究人员的广泛关注。

聚乙烯醇/海藻酸钠（PVA/SA）复合材料是最常用的生物载体之一，文献报道中，包埋颗粒的海藻酸钠浓度一般为2%，而聚乙烯醇浓度却各不相同，其中报道过的浓度有：4%、6%、15%、16%和20%。此外，以往的研究大多集中在PVA/SA细菌固定技术对废水处理能力的影响，而很少关注PVA/SA固定化颗粒的特性及其与微生物的相容性。本研究通过批次实验比较了不同PVA：SA比例下的Anammox细菌固定化颗粒的脱氮性能以及载体的内部结构和稳定性；其次验证了在最佳PVA：SA配比下Anammox工艺的长期稳定性。

图文导读

图1：Anammox 细菌固定化颗粒

图 2：(a) Anammox颗粒污泥中细菌凋亡情况。(b-e) PVA浓度分别为5%、8%、12%和15%时Anammox细菌固定化颗粒的细菌凋亡情况。(f)不同PVA浓度颗粒的死亡细菌与活细菌的比例。(g) R0 (Anammox颗粒污泥)、R1、R2、R3和R4（R1-R4分别表示PVA浓度为5%、8%、12%和15%的凝胶颗粒）的氮负荷率(NLRs)和氮去除率(NRRs)。(h) Anammox凝胶颗粒和Anammox颗粒污泥中PN和PS的变化。

首先在固定化颗粒制作过程中，存在着广泛的细菌死亡情况。四种不同PVA浓度的固定化颗粒中活菌的比例分别为20.72%、16.15%、25.84%和29.54%，增加载体中的PVA剂量可适当缓解微生物的死亡率。批次试验表明，Anammox细菌固定化颗粒可明显提高系统的脱氮效率；虽然不同PVA:SA配比下的固定化颗粒在运行的初期脱氮性能有很明显的滞后期（10 d），但随着实验的进行，脱氮性能显著增加，最终氮去除率均超过80%，表现出优良的污染物去除能力，尤其是R3，然而不同PVA:SA比例的细菌固定化颗粒间NRR值的差距却很小。

图3：（1）不同PVA:SA配比制备的Anammox凝胶颗粒内部结构, (a–b) 5%/2%, (c–d) 8%/2%, (e–f) 12%/2%,  (g–h) 15%/2%。（2）不同PVA: SA比例制备Anammox凝胶颗粒的FISH图像，红色表示探针EUB338和Cy5染色，绿色表示探针AMX820和FAM染色，其中 (a)5% / 2%，(b) 8% / 2%，(c) 12% / 2%，(d) 15% / 2%。（3）不同PVA浓度下制备的Anammox凝胶空隙连通性。（4）IUPAC孔径标准下不同PVA: SA配比的Anammox凝胶颗粒的孔径分布情况。

对培养30天的Anammox凝胶颗粒内部结构进行了表征，发现凝胶颗粒内部孔径在0.5至4μm范围内，孔径随着PVA浓度的增加也随之增加，实验结束时血清瓶中未出现微生物泄漏的情况。较高浓度PVA有利于凝胶颗粒中大孔径的形成，这也确保了基质的有效扩散和气体的释放。在短期试验末对凝胶颗粒中 Anammox 菌的相对数量进行了检测，四种不同PVA:SA配比的凝胶颗粒中Anammox细菌的比例分别为36.65%、29.22%、31.5%和27.91%。而Anammox颗粒污泥仅为13.24%，此时Anammox细菌为凝胶颗粒的优势菌种，这也解释了为什么凝胶颗粒的氮处理性能远高于Anammox颗粒污泥。根据International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)的孔径阈值，四种Anammox凝胶颗粒的孔径均以大孔径为主，当PVA浓度为12%和15%凝胶颗粒的大孔占比分别达到88.1%和92.4%，同时还发现，随着PVA浓度的增加，孔径间连通性能也随之增加。因此，综合考虑Anammox凝胶颗粒的氮处理性能以及颗粒的内部结构特征，我们选择了PVA/SA（12%/2%）的Anammox凝胶颗粒作为最佳的载体浓度进行长期试验。

图4：（1） (a，b）Anammox 凝胶颗粒 (R1)和Anammox颗粒污泥(R2)系统的脱氮性能。(c)固定化Anammox细菌与Anammox颗粒污泥的SAA变化。(d)固定化Anammox颗粒的机械稳定性和膨胀性能。（2）Anammox种泥、颗粒污泥和固定化颗粒在(a)门和(b)属水平上微生物群落结构。

长期试验在UASB反应器中进行，共运行100 d。其中Anammox颗粒污泥R2反应器的脱氮性能一直比较稳定。而Anammox 凝胶颗粒R1反应器与批量试验结果表现出相同的变化趋势，运行初期也有一个比较明显的滞后阶段，但随着反应器的运行，脱氮性能逐渐提高并能更迅速地应对氮负荷的冲击，其活性也在不断提高。对运行 90d 后的 Anammox 颗粒污泥和固定化包埋颗粒的微生物群落和多样性变化分析发现，固定化包埋颗粒中浮霉菌门所占比例由 11.98%增长到54.77%，其中优势菌种为占比为37.96%的Candidatus ' Jettenia '。与自然生成的颗粒污泥相比，Anammox细菌固定化颗粒可以进一步扩大Anammox功能菌在载体中的富集，进而提高脱氮性能。