康達(dá)，鄭平，胡倩怡

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厭氧氨氧化結(jié)構(gòu)體、形態(tài)與功能

康達(dá)，鄭平，胡倩怡

（浙江大學(xué)環(huán)境工程系，浙江杭州 310058）

厭氧氨氧化工藝是一種新型廢水生物脫氮工藝，已成為環(huán)境工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)并得到廣泛應(yīng)用。厭氧氨氧化顆粒污泥床反應(yīng)器是一種高效生物反應(yīng)器，以顆粒污泥形態(tài)存在的生物相是這種反應(yīng)器高效工作的必要基礎(chǔ)。在顆粒污泥床反應(yīng)器中，生物相由大到小可依次分為污泥床體、顆粒污泥以及功能菌群。綜述了厭氧氨氧化結(jié)構(gòu)體的形態(tài)和功能及其與裝置工況的密切關(guān)系，以期為反應(yīng)器的實(shí)時(shí)優(yōu)化和過程控制提供指導(dǎo)。

厭氧氨氧化；污泥床反應(yīng)器；顆粒污泥；形態(tài)特征；功能特性；廢水處理；生物反應(yīng)器

引 言

厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation, Anammox）是以氨為電子供體、亞硝酸鹽為電子受體產(chǎn)生氮?dú)獾奈⑸锓磻?yīng)[1-2]。Anammox工藝是一種新型廢水脫氮技術(shù)[3-4]，已成功應(yīng)用于消化污泥壓濾液脫氮處理，容積去除速率（NRR）為9.50 kg N·(m3·d)-1[5]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)生物脫氮（硝化反硝化）工藝[0.23～0.50 kg N·(m3·d)-1]；其處理成本為0.75 EUR·(kg N)-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)生物脫氮工藝[2～5 EUR·(kg N)-1][6]。目前全球范圍Anammox工程已突破100座，主要分為短程硝化-厭氧氨氧化一體化工藝和兩段組合式工藝，分別占比88%和12%[7]。Anammox工藝很有希望成為廢水脫氮的升級(jí)技術(shù)。

厭氧氨氧化反應(yīng)器的高效運(yùn)行有賴于厭氧氨氧化顆粒污泥的形成和持留，厭氧氨氧化反應(yīng)器的工況與厭氧氨氧化顆粒污泥的性能密切相關(guān)。就像人體有肢體、器官、細(xì)胞等組織結(jié)構(gòu)并有特定的形態(tài)特征和生物功能一樣，厭氧氨氧化反應(yīng)器生物相也有污泥床體、顆粒污泥、功能菌個(gè)體等組織結(jié)構(gòu)并有特定的形態(tài)特征和生物功能。探明各級(jí)結(jié)構(gòu)體的形態(tài)特征和功能特性并建立兩者的關(guān)系，可借助形態(tài)特征來研判生物相的功能狀態(tài)并推斷厭氧氨氧化反應(yīng)器的工況，對(duì)于厭氧氨氧化反應(yīng)器的操作、控制和優(yōu)化具有重要的理論指導(dǎo)意義。

本文擬結(jié)合現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道和自己的研究成果，對(duì)厭氧氨氧化菌、顆粒污泥、顆粒污泥床的形態(tài)和功能作一探討，供同行參考。

1 厭氧氨氧化菌的形態(tài)和功能

厭氧氨氧化菌是組成厭氧氨氧化結(jié)構(gòu)體的基本單元，也具有自身的形態(tài)特征和生物功能。

1.1 厭氧氨氧化菌的形態(tài)特征

迄今為止，厭氧氨氧化菌還未獲得純培養(yǎng)物。對(duì)厭氧氨氧化菌個(gè)體形態(tài)的觀察材料主要是其富集培養(yǎng)物經(jīng)過percoll梯度密度離心所得的離散菌體。厭氧氨氧化菌呈不規(guī)則的球狀，平均直徑0.8～1.1 μm[8]。負(fù)染觀察發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化菌細(xì)胞壁表面擁有獨(dú)特的火山口狀結(jié)構(gòu)[9]。最新研究表明，細(xì)胞壁中含有很薄的肽聚糖層，屬于革蘭陰性菌[10]。與其他革蘭陰性菌類似，厭氧氨氧化菌細(xì)胞壁外膜為脂多糖層，含有帶電荷的糖類和磷酸，表面呈負(fù)電性。外膜上存在特異性的孔蛋白，可形成通道，允許透過分子量小于700的小分子[11]。

如圖1所示，厭氧氨氧化菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同于一般細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞質(zhì)由內(nèi)向外依次被分隔成3個(gè)區(qū)域：厭氧氨氧化體（anammoxosome）、核糖細(xì)胞質(zhì)（ribosome）及外室細(xì)胞質(zhì)（paryphoplasm）。分別由厭氧氨氧化體膜（anammoxosome membrane）、胞漿內(nèi)膜（intracytoplasmic membrane）及細(xì)胞質(zhì)膜（cytoplasmic membrane)包被[13]。

厭氧氨氧化體是厭氧氨氧化菌特有的細(xì)胞器，占細(xì)胞總體積的50%～70%[8]，是物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換的場所。厭氧氨氧化體膜含有致密的梯形烷，可防止其中的代謝中間產(chǎn)物NO和N2H4泄漏，保護(hù)細(xì)胞功能免受損害[14]。細(xì)胞色素c超氧化酶染色和免疫金標(biāo)記證明，厭氧氨氧化細(xì)胞色素c蛋白位于厭氧氨氧化體膜內(nèi)側(cè)，ATP合成酶位于厭氧氨氧化體膜上[8, 15]。

厭氧氨氧化菌的形態(tài)特征是厭氧氨氧化菌的生物指紋，也是厭氧氨氧化菌“身份”快速識(shí)別的重要依據(jù)。

1.2 厭氧氨氧化菌的功能特性

1.2.1 厭氧氨氧化菌的代謝特性 2006年，Strous等[16]測定了厭氧氨氧化菌基因組，提出了以NO和N2H4為中間產(chǎn)物的新厭氧氨氧化途徑，替代了以NH2OH和N2H4為中間產(chǎn)物的原有厭氧氨氧化途徑，如圖2所示。在該途徑中，先由cd1-型亞硝酸還原酶（NirS）將亞硝酸還原為一氧化氮，再由聯(lián)氨合成酶（HZS）將一氧化氮和氨合成聯(lián)氨，最后由聯(lián)氨脫氫酶（HDH）將聯(lián)氨轉(zhuǎn)化成氮?dú)狻Ｒ话阏J(rèn)為，在厭氧氨氧化過程中產(chǎn)生還原力，用于二氧化碳同化；在亞硝酸氧化過程中耦合ATP合成。后一反應(yīng)由亞硝酸氧還酶催化。

厭氧氨氧化代謝途徑的3種關(guān)鍵酶NirS、HZS、HDH都含有豐富的細(xì)胞色素c。NirS酶是一個(gè)同源二聚體蛋白，每個(gè)單體含一個(gè)c型和一個(gè)d1型血紅素[18]；HZS酶是一個(gè)異源三聚體蛋白，其中兩個(gè)異源單體每個(gè)含有兩個(gè)c型血紅素[19]；HDH酶是一個(gè)類似羥胺氧還酶（HAO）的同源二聚體蛋白，每個(gè)單體含有8個(gè)c型血紅素[20]。此外，厭氧氨氧化菌細(xì)胞內(nèi)還擁有其他含細(xì)胞色素c的成分，如亞硝酸氧還酶、類HAO蛋白、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體等。這些細(xì)胞成分使厭氧氨氧化菌含有大量的細(xì)胞色素c。以為例，厭氧氨氧化菌細(xì)胞色素c的最高含量可達(dá)總蛋白含量的30%，比普通細(xì)菌高出一個(gè)數(shù)量級(jí)[21]。

細(xì)胞色素c是許多輔酶的活性中心和電子載體，細(xì)胞色素c中的Fe可在二價(jià)和三價(jià)之間變化，呈現(xiàn)不同的可見光吸收峰（圖3）。細(xì)胞色素c中的Fe呈二價(jià)態(tài)時(shí)，最高吸收峰位于550 nm，細(xì)胞色素c中的Fe呈三價(jià)態(tài)時(shí)，最高吸收峰位于520 nm。細(xì)胞色素c中的Fe呈二價(jià)態(tài)時(shí)，顯桃紅色；細(xì)胞色素c中的Fe呈三價(jià)態(tài)時(shí)，顯深紅色（圖4）。兩種Fe價(jià)態(tài)的細(xì)胞色素c含量之比可從厭氧氨氧化菌表觀紅色的深淺上得以體現(xiàn)。

厭氧氨氧化菌的細(xì)胞色素c含量以及兩種Fe價(jià)態(tài)的細(xì)胞色素c占比，不僅賦予了厭氧氨氧化菌的紅色特征，也關(guān)系著厭氧氨氧化菌的代謝活性。厭氧氨氧化菌的紅色特征是厭氧氨氧化菌的代謝指紋，也是厭氧氨氧化菌活性快速判定的重要基礎(chǔ)。

1.2.2 厭氧氨氧化菌的生長特性 據(jù)研究報(bào)道，厭氧氨氧化菌生長緩慢，生長速率為（0.0027±0.0005）h-1，世代周期為11 d。厭氧氨氧化的計(jì)量關(guān)系如式（1）所示[24]。

1NH+4+ 1.32NO-2+ 0.066HCO-3+0.13H+

1.02N2+0.26NO-3+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O (1)

根據(jù)厭氧氨氧化計(jì)量式（1），以NH+4-N計(jì)的菌體細(xì)胞得率為0.066。

由厭氧氨氧化計(jì)量式（2）可知，在厭氧氨氧化中，氨氮與亞硝氮之比為1:1。

1NH+4+ 1NO-21N2+ 2H2O (2)

由厭氧氨氧化計(jì)量式（3）可知，在厭氧氨氧化中，厭氧氨氧化菌的細(xì)胞得率與消耗的碳酸鹽和產(chǎn)生的硝氮密切相關(guān)。生物量與硝氮之比為1:4，消耗的碳酸鹽和產(chǎn)生的硝氮之比為1:4。

0.27NO-2+ 0.066HCO-30.26NO-3+ 0.066CH2O0.5N0.15(3)

厭氧氨氧化菌是化能自養(yǎng)型細(xì)菌，以CO2/碳酸鹽為主要碳源[25]。運(yùn)用同位素示蹤法和宏基因組技術(shù)證明，厭氧氨氧化菌以乙酰-CoA途徑固定CO2[16, 26]，再通過乙酰-CoA進(jìn)行其他細(xì)胞合成代謝。同化CO2/碳酸鹽所需的還原力NADH來自聯(lián)氨脫氫，合成ATP所需的能量來自亞硝酸氧化（圖2）。如式（3）所示，厭氧氨氧化菌利用亞硝酸氧化成硝酸所釋放的能量來固定CO2，合成細(xì)胞物質(zhì)。因此，厭氧氨氧化菌體的生長伴隨著硝酸含量的增加。

厭氧氨氧化菌的產(chǎn)硝酸特征是厭氧氨氧化菌的生長指紋，也是厭氧氨氧化菌生長快速確認(rèn)的重要標(biāo)識(shí)。

2 厭氧氨氧化顆粒污泥的形態(tài)和功能

厭氧氨氧化顆粒污泥是厭氧氨氧化菌的聚集體，同時(shí)也是厭氧氨氧化顆粒污泥床的構(gòu)建單元。

2.1 厭氧氨氧化顆粒污泥的形態(tài)特征

在顆粒污泥床反應(yīng)器中，厭氧氨氧化菌大多以顆粒污泥形態(tài)存在。厭氧氨氧化顆粒污泥組成可分為固、液、氣三相，各占比約為92%、6%、2%[27]。在實(shí)驗(yàn)室以模擬廢水培育的厭氧氨氧化顆粒污泥中，固相主要有功能菌個(gè)體、菌膠團(tuán)、亞單位（菌膠團(tuán)復(fù)合體）、顆粒污泥4個(gè)結(jié)構(gòu)層次[28]。利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡觀測，可見菌體細(xì)胞（微米級(jí)）及其胞外多聚物（EPS）聚集成菌膠團(tuán)（幾微米到十幾微米），菌膠團(tuán)之間有清晰的邊界，主要為EPS；菌膠團(tuán)復(fù)合形成亞單位（幾十微米到兩百微米），亞單位之間主要由絲狀菌和EPS粘連，亞單位內(nèi)存在孔隙；亞單位組成可以肉眼識(shí)別的顆粒污泥（兩百微米到幾毫米），顆粒污泥內(nèi)分布著孔隙和孔腔。

厭氧氨氧化顆粒污泥的平均粒徑為0.2～6 mm。在氣流（產(chǎn)生氮?dú)猓?、水流和顆粒相互摩擦所致的剪切作用下，顆粒污泥多呈球狀；隨著總氮負(fù)荷和水流上升流速的增加，顆粒污泥尾流負(fù)壓可使其由球狀轉(zhuǎn)變?yōu)闄E球狀，長寬比增加[29]。水力剪切作用使顆粒污泥表面由粗糙漸變?yōu)槠交ｋS著總氮負(fù)荷的提升，厭氧氨氧化顆粒污泥顏色由黑色變成棕黃色，再變成紅色，在高負(fù)荷下呈明亮的深紅色[30]。

厭氧氨氧化顆粒污泥的形態(tài)特征是厭氧氨氧化菌的聚集指紋，也是厭氧氨氧化顆粒污泥“身份”快速識(shí)別的重要依據(jù)。

2.2 厭氧氨氧化顆粒污泥的功能特性

2.2.1 厭氧氨氧化顆粒污泥的沉降特性 由于厭氧氨氧化菌生長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生長較快的細(xì)菌（如大腸桿菌），甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生長較慢的古菌（如產(chǎn)甲烷菌），厭氧氨氧化顆粒污泥的沉降性能決定了功能菌的持留，最終決定了反應(yīng)器的成敗。在液相中，顆粒自由沉降速度是重力、浮力、黏滯阻力綜合作用的結(jié)果。在等速沉降階段，顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度稱為沉降速度，可用式（4）表征。

對(duì)式（4）進(jìn)行簡化，可得式（5），即著名的Stokes方程。

①當(dāng)>時(shí)，即<時(shí)，顆粒污泥沉降速率大于上升水流速率，顆粒污泥沉降在反應(yīng)器底部；

②當(dāng)<時(shí)，即>時(shí)，顆粒污泥沉降速率小于上升水流速率，顆粒污泥會(huì)隨上升水流洗出；

③ 當(dāng)=時(shí)，即=時(shí)，顆粒污泥沉降速率等于上升水流速率，顆粒污泥懸浮在反應(yīng)器中。

根據(jù)厭氧氨氧化顆粒污泥的特性，Lu等[31]優(yōu)化了顆粒污泥沉降模型，認(rèn)為顆粒污泥的沉降速率與4個(gè)參數(shù)有關(guān)，分別為質(zhì)量修正因子（mass）、形態(tài)修正因子（）、密度（G）和粒徑（p）。其中，顆粒污泥的粒徑和密度是決定沉降速率的關(guān)鍵因素。顆粒污泥的沉降速率隨粒徑增大而增大，最佳粒徑為1.75～2.20 mm。但隨著粒徑的增大，顆粒污泥內(nèi)積聚氮?dú)?，顆粒污泥密度減小，<時(shí)發(fā)生上浮[32]。

厭氧氨氧化顆粒污泥的沉降特征是厭氧氨氧化菌的性能指紋，也是厭氧氨氧化顆粒污泥功能快速判定的重要基礎(chǔ)。

2.2.2 厭氧氨氧化顆粒污泥的反應(yīng)能力 厭氧氨氧化反應(yīng)器的反應(yīng)能力源于功能菌，顆粒污泥的比活性最終決定了反應(yīng)器的效能[33]。顆粒污泥的比活性與傳質(zhì)性能密切相關(guān)。顆粒污泥傳質(zhì)性能越好，基質(zhì)越容易進(jìn)入顆粒污泥內(nèi)部被功能菌轉(zhuǎn)化，顆粒污泥比活性越大。而顆粒污泥的傳質(zhì)性能又與顆粒大?。ū缺砻娣e）、孔容和孔徑密切相關(guān)。隨著顆粒污泥粒徑的增大，其比表面積大大降低。如球菌直徑為1 μm，其比表面積為6 μm2·μm-3。典型顆粒污泥亞單位的直徑為0.2 mm，其比表面積為30 μm2·μm-3；典型顆粒污泥的直徑為2 mm，其比表面積為3 μm2·μm-3。陸慧鋒[27]測定了不同粒徑厭氧氨氧化顆粒污泥的相對(duì)比污泥活性和相對(duì)脫氫酶活性，推測當(dāng)粒徑大于1.0 mm時(shí)，顆粒污泥反應(yīng)活性開始受基質(zhì)傳遞速率限制，并認(rèn)為厭氧氨氧化顆粒污泥的粒徑應(yīng)控制在1.0～2.0 mm。

厭氧氨氧化顆粒污泥的反應(yīng)特征是厭氧氨氧化菌的關(guān)鍵指紋，也是厭氧氨氧化顆粒污泥功能快速確認(rèn)的關(guān)鍵標(biāo)識(shí)。

3 厭氧氨氧化顆粒污泥床的形態(tài)和功能

厭氧氨氧化顆粒污泥床是厭氧氨氧化顆粒污泥的堆積體，也是厭氧氨氧化反應(yīng)器功能的承載者。

3.1 厭氧氨氧化顆粒污泥床的形態(tài)特征

在懸浮生長型生物反應(yīng)器中，顆粒污泥一般堆積成顆粒污泥床。顆粒污泥床的性狀以上流式厭氧顆粒污泥床（UASB）反應(yīng)器的研究最為深入[34]。在UASB反應(yīng)器中，根據(jù)沉降性能，可將顆粒污泥床分為3層（圖5）：沉降速率大于臨界上升水流，但小于20 m·h-1的低密度懸浮顆粒污泥層；沉降速率大于50 m·h-1的高密度沉降顆粒污泥層；沉降速率在二者之間的中密度顆粒污泥層。高密度沉降顆粒污泥層位于反應(yīng)區(qū)底部，密度相對(duì)穩(wěn)定，不隨距離進(jìn)水端的大小而變化；低密度懸浮顆粒污泥層位于反應(yīng)區(qū)上部，密度也相對(duì)穩(wěn)定，主要因表面水流負(fù)荷的大小而變化；中密度顆粒污泥層位于反應(yīng)區(qū)中部，密度變化較大，主要受表面水流負(fù)荷和顆粒污泥粒級(jí)的影響。由于顆粒污泥床的分層分布，整個(gè)床體呈現(xiàn)獨(dú)特的形態(tài)。

在厭氧氨氧化顆粒污泥床中，由于受上升水流的分選作用，顆粒污泥床也會(huì)分層分布，從上到下依次呈現(xiàn)低密度懸浮顆粒污泥層、中密度顆粒污泥層和高密度沉降顆粒污泥層。由于各床層不同的顆粒級(jí)配和厭氧氨氧化菌獨(dú)有的紅色特征，顆粒污泥床會(huì)顯現(xiàn)特定的顏色、光澤、紋理、質(zhì)地等表觀特征。

厭氧氨氧化顆粒污泥床的形態(tài)特征是厭氧氨氧化菌的生態(tài)指紋，也是厭氧氨氧化反應(yīng)器工況快速判定的重要基礎(chǔ)。

3.2 厭氧氨氧化顆粒污泥床的功能特性

在厭氧氨氧化反應(yīng)器中，高密度顆粒污泥層位于底部，由于高密度顆粒污泥的沉降速度顯著大于上升水流速度，其床層密度相對(duì)穩(wěn)定且生物量較大。厭氧氨氧化反應(yīng)器采用上流式運(yùn)行，高密度顆粒污泥層靠近進(jìn)水端，接觸的基質(zhì)濃度較高，反應(yīng)活性也高，顆粒污泥顯現(xiàn)紅色。

低密度顆粒污泥層位于厭氧氨氧化反應(yīng)器上部，接觸的基質(zhì)濃度較低，反應(yīng)活性也低，顆粒污泥層呈淺紅色。低密度顆粒污泥的沉降速率接近水流上升流速。受產(chǎn)氣和水流的影響，位于反應(yīng)器中底部的含氣顆粒遷移至懸浮污泥層，該污泥層相對(duì)疏松。

變密度顆粒污泥層位于厭氧氨氧化反應(yīng)器中部，下面與高密度顆粒污泥層相鄰，上面與低密度污泥層相鄰。由于顆粒污泥內(nèi)積聚氣體，顆粒污泥密度下降，在同樣的上升水流作用下，不同密度的顆粒污泥呈梯度分布，自下而上遞減。顆粒污泥密度級(jí)差越大、級(jí)數(shù)越多，梯度分布越明顯。

在厭氧氨氧化反應(yīng)器中，一方面，由于各床層的固定分布，其中的基質(zhì)濃度明顯有別，反應(yīng)器長期在這種工況下運(yùn)行，可形成特定的微生物生境，富集特定的功能菌群，呈現(xiàn)特定的反應(yīng)性能；另一方面，由于顆粒污泥內(nèi)氣體的積聚和釋放，顆粒污泥密度不斷變化，可在上升水流和返混水流（床體釋放氣體所致）的作用下，上下遷移，使各生境趨同，功能菌群和反應(yīng)性能也趨同。

厭氧氨氧化顆粒污泥床的性能特征是厭氧氨氧化菌的綜合指紋，也是厭氧氨氧化反應(yīng)器功能快速確認(rèn)的關(guān)鍵標(biāo)識(shí)。

4 結(jié) 論

厭氧氨氧化反應(yīng)器的高效運(yùn)行有賴于厭氧氨氧化顆粒污泥的形成和持留，厭氧氨氧化顆粒污泥由其下級(jí)結(jié)構(gòu)體（功能菌）構(gòu)成并組成其上級(jí)結(jié)構(gòu)體（污泥床），各級(jí)結(jié)構(gòu)體具有特定的形態(tài)特征和生物功能，探明各級(jí)結(jié)構(gòu)體的形態(tài)特征和功能特性并建立兩者的關(guān)系，有助于反應(yīng)器的操作、控制和優(yōu)化。為了充分發(fā)掘反應(yīng)器的效能，今后宜加強(qiáng)如下幾個(gè)方面的研究：① 典型工況（正常與異常）下各級(jí)結(jié)構(gòu)體的形態(tài)特征及其量化指標(biāo)；② 各級(jí)結(jié)構(gòu)體形態(tài)特征指標(biāo)與厭氧氨氧化反應(yīng)器性能指標(biāo)的關(guān)系；③ 厭氧氨氧化反應(yīng)器生物相的計(jì)算機(jī)識(shí)別與過程自動(dòng)控制。

符 號(hào) 說 明

d——顆粒直徑，m g——重力加速度，m·s-2 u——顆粒沉降速度，m·s-1 v——上升水流速度，m·s-1 x——自由沉降過程中的阻力系數(shù) r,rs——分別為水相和顆粒密度，kg·m-3

References

[1] KUENEN J G. Anammox bacteria: from discovery to application[J]. Nat. Rev. Microbiol., 2008, 6(4): 320-326.

[2] KARTAL B, MAALCKE W J, DE ALMEIDA N M,Molecular mechanism of anaerobic ammonium oxidation[J]. Nature, 2011, 479(7371): 127-130.

[3] KARTAL B, KUENEN J G, VAN LOOSDRECHT M C M. Sewage treatment with anammox[J]. Science, 2010, 328(5979): 702-703.

[4] VAN HULLE S, VANDEWEYER H, MEESSCHAERT B D,Engineering aspects and practical application of autotrophic nitrogen removal from nitrogen rich streams[J]. Chem. Eng. J., 2010, 162(1): 1-20.

[5] VAN DER STAR W, ABMA W R, BLOMMERS D,Startup of reactors for anoxic ammonium oxidation: experiences from the first full-scale anammox reactor in Rotterdam [J]. Water Res., 2010, 44(3): 1025-1025.

[6] GERARDI M H. Nitrification and Denitrification in the Activated Sludge Process[M]. New York: John Wiley & Sons Inc., 2003.

[7] LACKNER S, GILBERT E M, VLAEMINCK S E,Full-scale partial nitritation/anammox experiences — an application survey[J]. Water Res., 2014, 55: 292-303.

[8] VAN NIFTRIK L, GEERTS W J C, VAN DONSELAAR E G,Linking ultrastructure and function in four genera of anaerobic ammonium-oxidizing bacteria: cell plan, glycogen storage, and localization of cytochrome c proteins[J]. J. Bacteriol., 2008, 190(2): 708-717.

[9] STROUS M, FUERST J A, KRAMER E,Missing lithotroph identified as new planctomycete[J]. Nature, 1999, 400(6743): 446-449.

[10] VAN TEESELING M C F, MESMAN R J, KURU E,Anammox Planctomycetes have a peptidoglycan cell wall[J]. Nat. Commun., 2015, 6: 6878.

[11] 普萊斯考特, 哈利, 克萊因. 微生物學(xué)[M]. 沈萍, 譯. 5版. 北京: 高等教育出版社, 2003: 59. PRESCOTT L M, HARLEY J P, KLEIN D A. Microbiology[M]. SHEN P, trans. 5th ed. Beijing: Higher Education Press, 2003: 59.

[12] FUERST J A, SAGULENKO E. Beyond the bacterium: planctomycetes challenge our concepts of microbial structure and function[J]. Nat. Rev. Microbiol., 2011, 9(6): 403-413.

[13] 賈方旭, 彭永臻, 王衫允, 等. 厭氧氨氧化菌細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)及功能[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2014, 20(5): 944-954. JIA F X, PENG Y Z, WANG S Y,Ultrastructure and function of anaerobic ammonium oxidation bacteria cells[J]. Chin. J. Appl. Environ. Biol., 2014, 20(5): 944-954.

[14] DAMSTE J, STROUS M, RIJPSTRA W,Linearly concatenated cyclobutane lipids form a dense bacterial membrane[J]. Nature, 2002, 419(6908): 708-712.

[15] VAN NIFTRIK L, VAN HELDEN M, KIRCHEN S,Intracellular localization of membrane-bound ATPases in the compartmentalized anammox bacterium ‘’[J]. Mol. Microbiol., 2010, 77(3): 701-715.

[16] STROUS M, PELLETIER E, MANGENOT S,Deciphering the evolution and metabolism of an anammox bacterium from a community genome[J]. Nature, 2006, 440(7085): 790-794.

[17] KARTAL B, VAN NIFTRIK L, KELTJENS J T,Anammox—growth physiology, cell biology, and metabolism[J]. Adv. Microb. Physiol., 2012, 60: 211-262.

[18] FüL?P V, MOIR J W B, FERGUSON S J,The anatomy of a bifunctional enzyme: structural basis for reduction of oxygen to water and synthesis of nitric oxide by cytochrome cd1[J]. Cell, 1995, 81(3): 369-377.

[19] KARTAL B, DE ALMEIDA N M, MAALCKE W J,How to make a living from anaerobic ammonium oxidation[J]. FEMS Microbiol. Rev., 2013, 37(3): 428-461.

[20] SHIMAMURA M, NISHIYAMA T, SHIGETOMO H,Isolation of a multiheme protein with features of a hydrazine-oxidizing enzyme from an anaerobic ammonium-oxidizing enrichment culture[J]. Appl. Environ. Microb., 2007, 73(4): 1065-1072.

[21] CIRPUS I, DE BEEN M, OP DEN CAMP H,A new soluble 10 kDa monoheme cytochrome c-552 from the anammox bacterium“”[J]. FEMS Microbiol. Lett., 2005, 252(2): 273-278.

[22] GARRETT R H, GRISHAM C M. Biochemistry[M]. 4th ed. USA: Cengage Learning, 2008: 603.

[23] SPINAZZI M, CASARIN A, PERTEGATO V,Assessment of mitochondrial respiratory chain enzymatic activities on tissues and cultured cells[J]. Nat. Protocol., 2012, 7(6): 1235-1246.

[24] STROUS M, HEIJNEN J J, KUENEN J G,The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms[J]. Appl. Microbiol. Biot., 1998, 50(5): 589-596.

[25] VAN DE GRAAF A A, DE BRUIJN P, ROBERTSON L A,Autotrophic growth of anaerobic ammonium-oxidizing micro-organisms in a fluidized bed reactor[J]. Microbiology, 1996, 142(8): 2187-2196.

[26] SCHOUTEN S, STROUS M, KUYPERS M,Stable carbon isotopic fractionations associated with inorganic carbon fixation by anaerobic ammonium-oxidizing bacteria[J]. Appl. Environ. Microb., 2004, 70(6): 3785-3788.

[27] 陸慧鋒. 耐鹽厭氧氨氧化工藝性能及其機(jī)理研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2015. LU H F. Performance and mechanisms of salt-tolerant ANAMMOX process[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2015.

[28] LU H F, ZHENG P, JI Q X,The structure, density and settlability of anammox granular sludge in high-rate reactors[J]. Bioresource Technol., 2012, 123: 312-317.

[29] LI W, ZHENG P, WANG L,Physical characteristics and formation mechanism of denitrifying granular sludge in high-load reactor[J]. Bioresource Technol., 2013, 142: 683-687.

[30] TANG C J, ZHENG P, WANG C H,Performance of high-loaded ANAMMOX UASB reactors containing granular sludge[J]. Water Res., 2011, 45(1): 135-144.

[31] LU H, JI Q, DING S,The morphological and settling properties of ANAMMOX granular sludge in high-rate reactors[J]. Bioresource Technol., 2013, 143: 592-597.

[32] CHEN J, JI Q, ZHENG P,Floatation and control of granular sludge in a high-rate anammox reactor[J]. Water Res., 2010, 44(11): 3321-3328.

[33] DAPENA-MORA A, FERNANDEZ I, CAMPOS J L,Evaluation of activity and inhibition effects on Anammox process by batch tests based on the nitrogen gas production[J]. Enzyme Microb. Tech., 2007, 40(4): 859-865.

[34] SCHMIDT J E, AHRING B K. Granular sludge formation in upflow anaerobic sledge blanket (UASB) reactors[J]. Biotechnol. Bioeng., 1996, 49(3): 229-246.

[35] NARNOLI S K, MEHROTRA I. Sludge blanket of UASB reactor: mathematical simulation[J]. Water Res., 1997, 31(4): 715-726.

Structure, morphology and function of Anammox granular sludge

KANG Da, ZHENG Ping, HU Qianyi

(Department of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China)

Anammox process is a new biotechnology for nitrogen removal from wastewater. It has become one of the research hotspots and has been put into wide used in wastewater treatment engineering. Anammox reactor based on granular sludge bed is a high-rate bioreactor. The biophase in the form of granular sludge is the key factor that determines the reactor performance. It can be divided into three structures from macroscale to microscale: sludge bed, granular sludge and bacterial cell. The morphological and functional characteristics of three structures and their relation with reactor performance are reviewed so as to give guidance for online optimization and process control.

Anammox; sludge bed reactor; granular sludge; morphological characteristics; functional characteristics; wastewater treatment; bioreactors

2016-03-09.

Prof. ZHENG Ping, pzheng@zju.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160277

X 703

A

0438—1157（2016）10—4040—07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51578484）。

2016-03-09收到初稿，2016-06-14收到修改稿。

聯(lián)系人：鄭平。第一作者：康達(dá)（1992—），男，博士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China(51578484).