低强度超声波对高负荷厌氧氨氧化EGSB反应器运行性能的影响

杨杰源，朱易春，赖雅芬，张超，田帅，谢颖

（1 江西理工大学赣州市流域污染模拟与控制重点实验室，江西 赣州 341000；2 江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

厌氧氨氧化（Anammox）是指厌氧条件下厌氧氨氧化菌（anaerobic ammonium oxidation bacteria，AnAOB）以亚硝酸盐（NO2-）作为电子受体将氨氮（NH4+）转化为氮气（N2）的生物脱氮过程[1]。与传统生物脱氮技术相比，厌氧氨氧化过程不需要氧气参与、无需有机碳源和酸碱中和剂，同时还具备了污泥产量低、脱氮效率高和占地面积小等特点。因此，世界各地已经建设了超过110个厌氧氨氧化工艺的污水处理厂用于处理各种废水[2]。

厌氧氨氧化工艺的广泛应用仍面临着一些阻碍：①生物反应器中AnAOB 繁殖速度缓慢，导致工艺启动时间较长[3]；②由于厌氧氨氧化细菌倾向于聚集生长[4]，污泥颗粒化是增加微生物丰度、截留生物量和缩短厌氧氨氧化工艺启动时间的有效方法[5]。但当颗粒尺寸过大时，底物向颗粒内部的传质阻力大大增加，抑制了内部微生物的代谢过程[6]，从而影响了厌氧氨氧化颗粒污泥的活性；③在高氮负荷运行条件下，厌氧氨氧化颗粒污泥会分泌过多胞外聚合物（EPS），过度分泌EPS 致使产生的气体封堵在颗粒污泥内部，导致污泥漂浮和生物质流失，进而造成反应器崩溃[7]。为此，如何有效提高系统稳定性和增强厌氧氨氧化菌的生长代谢是实现厌氧氨氧化工艺广泛应用的关键。

低强度超声波应用于厌氧氨氧化工艺可有效提高脱氮效能[8-10]。低强度超声波作用于微生物主要表现在促进传质、增加酶活性、加速细胞代谢三个方面[11-13]，能有效增强污泥微生物活性，提升污水生物处理效能。因此，低强度超声波技术是改善颗粒污泥的传质效能和增强厌氧氨氧化细菌活性的潜在策略。

本文研究了低强度超声波周期性辐照对Anammox-膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）性能的影响，考察了反应器脱氮性能、污泥量、颗粒粒径分布、EPS、污泥zeta 电位和接触角以及微生物群落的变化情况，以揭示低强度超声波增强Anammox-EGSB 工艺处理高氨氮无机废水效果的影响机制。

1 材料与方法

1.1 接种污泥及模拟废水

所使用的成熟厌氧氨氧化颗粒污泥取自实验室中膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB），该反应器已稳定运行半年以上，水力停留时间恒定为8h，氮容积氮去除率（NRR）为1.1kg N/(m³·d)。接种后实验反应器的污泥特征如下：呈红色颗粒状，初始平均混合液悬浮物（MLSS）和混合液挥发性悬浮物（MLVSS）分别为13.50g/L和7.21g/L，MLVSS/MLSS为0.53。

实验反应器进水为人工合成的模拟废水，其中NH₄+-N 为200～400mg/L、NO₂--N 为220～480mg/L，控制进水亚硝态氮与氨氮比例在1.2∶1左右。模拟废水组成如下所示：NH4Cl 0.76～1.83g/L，NaNO21.08～2.37g/L，KH2PO40.025g/L，CaCl2·2H2O 0.2g/L，MgSO4·7H2O 0.20g/L，NaHCO32.13g/L，并适量投加微生物生长所需的微量元素[14]。

1.2 实验装置及运行参数

实验运行使用的EGSB反应器结构如图1所示，该反应器内径为5.5cm，有效容积为2.2L，反应器使用不透光电加热膜覆盖并控制温度在34℃±1℃。回流泵将反应器的部分流出物再循环到进水口，回流比设置为500%。使用蠕动泵（BT100-2J，Longer，UK）将废水送入反应器。设置两个并联的反应器用于无机高氨氮废水处理，而两个反应器（RC、RU）对厌氧氨氧化污泥采用不同的处理方法。RU进行周期性（4d）[15]的低强度超声波（声能密度为0.2W/mL，超声有效工作时间为2min）辐照，而RC作为对照反应器，不经超声处理。

图1 实验所使用的Anammox-EGSB反应器

使用超声波细胞粉碎机（JY88-IIN，中国）对厌氧氨氧化颗粒污泥进行低强度超声波处理。超声波粉碎机的固定频率为20kHz，功能范围在0～250W。超声探头的直径为6mm。在超声波处理时，污泥被放置于用保鲜膜密封的烧杯中，保持厌氧环境。随后将超声探头浸入污泥表面下1～2cm进行间歇性超声辐照（超声1s，停止1s）。

实验过程中，通过控制进水浓度变化改变反应器的氮容积负荷（NLR）。以反应器的总氮（TN）去除率到达85%作为反应器稳定运行的评价标准，在反应器稳定运行后提高氮负荷，具体参数调整见表1。

表1 反应器运行工况

1.3 常规分析

每隔一天采集水样进行检测，NH₄+-N 采用纳氏试剂分光光度法，NO₂--N 使用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法，NO3--N 使用紫外分光光度法测定。通过重量法测定生物质的MLSS和MLVSS。污泥粒径分布采用图像分析法。使用超声波-热提取法从污泥中提取EPS，提取的样品采用苯酚-硫酸法和改良Lowry 法测定EPS 中多糖（PS）和蛋白质（PN）含量，EPS 成分采用三维荧光光谱仪（RF-6000，日本岛津）：激发波长和发射波长分别在200～400nm和220～500nm范围内进行扫描，步长为5nm，扫描速度为3000nm/min。zeta 电位和接触角分别采用zeta 电位分析仪（Malvern Zetasizer Nano ZS90，英国）和接触角测量仪（Dataphysics OCA20，德国）。采用美国Thermo Fisher Scientific 公司生产的Nicolet 6700 型傅里叶红外光谱分析仪（FTIR）表征污泥表面官能团：取2mg 干燥污泥样品、200mg光谱纯KBr研细均匀，压片测试，波数范围400～4000cm-1，扫描次数32，分辨率4cm-1。

1.4 比厌氧氨氧化活性测定及生长模型拟合

在各个阶段稳定运行时，取适量颗粒污泥于厌氧培养瓶中，加入反应底物（NH4+-N 100mg/L、NO2--N 100mg/L）并 添 加NaHCO3调 节pH 为7.5±0.1后，通入10min的高纯氮气（99.9%）去除水中的溶解氧后，将其放置于恒温摇床（避光、35℃、150r/min）反应。每间隔30min 使用注射器收集上清液，测定样品中NH₄+-N、NO₂--N 的变化情况，选取基质降解对时间线拟合的最大斜率，根据式(1)计算最大比厌氧氨氧化速率。

式中，SAA为比厌氧氨氧化活性，mg N/(gVSS·d)；ΔN为基质（NH₄+-N、NO₂--N）的降解量，mg N/L；ΔT为反应时间，min；VSS 为厌氧培养瓶中污泥浓度，mg/L。

此外，根据在不同阶段下获得的SAA 使用简化的Gompertz 方程模型式(2)、式(3)计算AnAOB 增长率（μSAA）和倍增时间（TD-SAA）[16-17]。

式中，μSAA表示厌氧氨氧化活性的增长率，d-1；t表示运行天数，d；L表示为滞后期，d；TD-SAA表示厌氧氨氧化活性的倍增时间，d。

1.5 高通量测序分析

在EGSB反应器运行至117d后，采集污泥样品并储存在-20℃下待测定。使用OMEGA 试剂盒E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit提取基因组DNA。细菌PCR 扩增所用引物采用Miseq 测序平台的16SrRNA 通用引物V3～V4 引物，引物序列338F/806R（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'/5'-GGA CTACHVGGGTWTCTAAT-3'）。高通量测序委托上海生工科技有限公司（Sangon Biotech）完成。

2 结果与讨论

2.1 低强度超声波对EGSB 反应器的长期运行影响

图2 显示了RC和RU在不同氮负荷下脱氮性能的变化。由于母体反应器的进水NH₄+-N、NO₂--N均为200mg/L，为了使接种污泥能更快地适应环境变化和维持稳定运行。实验第一阶段的进水NH₄+-N、NO₂--N 分别设置为200mg/L、220mg/L，与母体反应器相近。在厌氧氨氧化污泥接种第5d 后，两个反应器的脱氮性能均恢复至稳定，TN去除率维持在87.46%±2.64%，NRR为(2.64±0.02)kg N/(m³·d)。

在稳定运行至第9d 时，开始对RU反应器进行周期性超声波辐照。RU的脱氮性能出现了明显波动，出水总氮呈现先上升后下降的趋势，在第19d下降至最低点，TN 去除率为77.01%，随后逐渐开始恢复，在第31d 恢复至原来水平。其间，RC的TN去除率一直维持在87.53%±2.24%。出现该现象可能是由于厌氧氨氧化菌逐渐适应超声波的加入所导致。同时在前期超声辐照时，可以观察到RU的出水浑浊并夹杂着少许絮状污泥。这可能是由于超声波处理使沉降性能差及无法适应环境的污泥排出反应器。

第Ⅱ阶段（41～67d），将进水NH₄+-N、NO₂--N分别提升至250mg/L、300mg/L，NLR为3.77kg N/(m³·d)。RC和RU的脱氮性能均出现了下降，TN去除率分别下降至72.6%±1.8%和72.3%±2.6%。这是由于突然的氮负荷冲击导致微生物活性受到了影响。研究发现，氮负荷冲击会破坏厌氧氨氧化反应，对厌氧氨氧化菌活性造成暂时性的抑制[18]。实验中也发现，在第51d后两个反应器脱氮性能开始逐渐提升，直到第59d时TN去除率均恢复至85%。

第Ⅲ阶段（69～91d），将进水NH₄+-N、NO₂--N分别提升到300mg/L、360mg/L，NLR为4.52kg N/(m³·d)。RC的TN去除率下降至72.12%。RU在低强度超声波作用下，可以保持较好的脱氮性能，TN 去除率维持在81.10%。虽然NO₂--N作为厌氧氨氧化菌的底物，但较高浓度的亚硝态氮会导致细菌活性降低甚至损害其细胞结构。而合适的超声波辐照可以增强厌氧氨氧化菌的活性，促进对底物的利用效率，从而降低高氮负荷对微生物细胞的抑制。可见，当受到氮负荷冲击时，低强度超声波辐照能有效提高Anammox-EGSB的运行稳定性。

第Ⅳ阶段（93～117d），进水NH₄+-N、NO₂--N浓度分别提升至400mg/L、480mg/L，NLR 为6.03kg N/(m³·d)。RU在经过7d的脱氮性能波动后，恢复至稳定[TN 去除率为86.20%±0.60%，NRR 为(5.20±0.04)kg N/(m³·d)]。然而，RC在受到氮负荷冲击后TN 去除率迅速下降至了68.04%，即使经过24d 的适应后其TN 去除率也只能维持在74.81%±0.76%，NRR 为(4.51±0.04)kg N/(m³·d)。在第四阶段结束时，RU的TN去除率比RC提升了11.40%。由此表明，低强度超声波辐照不仅提高了Anammox-EGSB 反应器的运行稳定性，同时有效增强了其在无机高氨氮废水中的脱氮性能。

2.2 超声处理对污泥特性的影响

2.2.1 污泥浓度

如图3所示，两个Anammox-EGSB反应器的初始平均MLSS 和MLVSS 分别为13.50g/L 和7.21g/L，MLVSS/MLSS 为0.53。第一阶段结束后（39d）发现RC的MLSS 和MLVSS 有小幅度上涨。相反，RU则出现明显的下降趋势，MLSS和MLVSS分别下降至12.10g/L和5.78g/L，同时MLVSS/MLSS 也下降至0.48。出现反应器污泥流失的原因主要是在低强度超声波的作用下部分絮状污泥被分散，同时不适宜无机高氨氮环境的微生物且衰老细胞对超声波的耐受性较差，进而细胞溶解进入上清液中被排出[19]。而性能较差的污泥快速流失可能会使RU中剩余的污泥具有较高的生物活性，同时在后续运行中具有更充足的底物供给和生存空间。在后续三个阶段运行中发现，RU生物量的增长明显高于RC，由此推测在低强度超声波刺激下，厌氧氨氧化菌的增殖速率可能具有明显增加。MLVSS/MLSS可近似表征污泥中活性微生物含量，其比值大小一定程度上可以反映出厌氧氨氧化污泥的活性高低。在图3中可以发现，RC中MLSS/MLVSS 一直处于较为稳定的状态，这是由于其微生物的增殖和衰老细胞流失所导致的动态平衡。而RU则有明显的增加趋势，这说明在低强度超声波作用下污泥中微生物的增殖大于衰老细胞流失速度。同时有研究表明，单位体积污泥中活性微生物含量的提高可有效提升污泥消耗底物的能力，同时抵抗外界干扰和适应能力也会得到提升[20]。

2.2.2 粒径分布

图4显示了不同阶段反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥的粒径分布。在第39d、57d、89d、117d从每个反应器中取样。在第39d 时RC和RU的平均粒径分别为0.49mm 和0.53mm，同时发现RU中粒径为0.1～0.2mm的颗粒污泥明显少于RC，这意味着在低强度超声波的作用下，反应器中粒径较小及沉降性能差的污泥流失导致RU的颗粒化优于RC，这也与污泥浓度的变化情况相符。由于EGSB反应器较高的上升流速及污泥的产气会对生物絮体施加剪切力，从而增强厌氧氨氧化污泥的造粒过程[21]。因此在第57d 时，RC和RU的平均粒径分别提升至0.78mm 和0.81mm。第87d 时，RC和RU已基本完全颗粒化，同时两组反应器的粒度分布出现了不一样的峰值。RC的颗粒主要集中在0.8～1.4mm，污泥占比47.37%，而RU的污泥颗粒主要集中在0.6～1.1mm，污泥占比52.68%。有研究表明，粒径为0.5～1.0mm的厌氧氨氧化颗粒污泥具有最高的机械强度[22]。因此可以推测超声波所产生的高频率振动和空化作用会对颗粒污泥产生冲击，不利于厌氧氨氧化污泥形成粒径较大的颗粒，致使颗粒污泥维持在机械强度较高的粒径范围内。第117d时RC和RU平均粒径分别提升到了1.31mm和1.17mm，同时两个反应器污泥粒径分布的差异更加显著。RC中颗粒污泥粒径持续增长，粒径为1.5～2.0mm的颗粒占大多数，占比为33.45%。而RU的颗粒污泥主要集中在1.0～1.5mm，占比为39.18%。有研究表明，颗粒大小为1.0～1.5mm颗粒污泥的生物量和厌氧氨氧化菌的相对丰度值最大[22]。而粒径较大的污泥脱氮性能会有所下降，这是由于颗粒内部的微生物对底物的获取存在一定的限制和障碍[23]。同时内部微生物可能会由于缺少底物而死亡，颗粒内部形成空洞，并使得污泥颗粒漂浮在反应器的上清液中[7]，进而导致反应器生物质的流失、出水管道堵塞等威胁反应器稳定运行的问题。因此，使用合适的低强度超声波对Ananmmox-EGSB 反应器进行周期性辐照，控制颗粒污泥粒径在一个合适的范围内，不仅能有效提高反应器的脱氮性能，还有助于降低反应器崩溃的风险。

图4 各阶段稳定运行时反应器厌氧氨氧化颗粒污泥粒径分布情况

2.3 超声处理对EPS的影响

2.3.1 超声处理对EPS组分及含量的影响

EPS是由微生物在生长过程中分泌的复杂和富有黏性的物质，可作为微生物的保护屏障并为其在不利环境中存活提供有利条件。与其他微生物相比，厌氧氨氧化菌会分泌更多EPS，从而具有了更高的聚集能力和疏水性[24]。微生物中的EPS可以分为两种：松散结合型LB-EPS 和紧密结合型TBEPS。LB-EPS 为细胞的黏附或聚集的主要表面，在细胞的外层。而TB-EPS则紧密稳定地结合在微生物的细胞表面，作为细胞免受各种抑制物质影响的最终保护层。

为了研究低强度超声波对反应器中微生物EPS的影响，在第Ⅳ阶段稳定时，收集污泥样品进行提取分析。厌氧氨氧化颗粒污泥的EPS主要含量如图5所示。RU污泥中的总EPS（T-EPS）含量[(101.65±2.02)mg/g VSS]明 显 高 于RC[(90.74±0.34)mg/g VSS]，提高了12.1%。而T-EPS 的提高主要归因于PN 的增加（表2）。显然，超声波辐照有助于诱导微生物分泌更多的PN，有助于维持细菌致密和稳定的结构，以适应不利环境的影响，还能提高其代谢活性[25]。这解释了在氮负荷冲击时，RU的稳定性要优于RC。

表2 超声波处理对EPS的含量和成分的影响 单位：mg/g VSS

图5 超声波处理对不同分层EPS含量的影响

细胞所分泌的EPS在颗粒污泥聚集中起到决定性的作用[26]。EPS 中含有大量的疏水性氨基酸和高水平的结构松散蛋白质，能有效提高颗粒污泥的疏水性，进而导致厌氧氨氧化污泥的高聚集能力[27]。PN和PS在EPS中极大地影响着颗粒污泥的表面电荷和疏水性。为此，对厌氧氨氧化颗粒污泥样品zeta电位和接触角进行测定，结合EPS各组分的变化情况进行分析。由于厌氧氨氧化颗粒污泥的zeta电位为负，因此较高的zeta电位意味着较低的表面电荷和排斥力，细菌的聚集性能增强。而接触角反映出颗粒污泥的亲疏水性，接触角越大意味着疏水性越好。疏水性可以引发生物质的颗粒化，是促进细菌聚集的关键因素。如表3所示，RU的zeta电位和接触角均低于RC，表明低强度超声波会减弱厌氧氨氧化颗粒污泥的聚集性。有研究发现，超声波通过破坏氢键等分子间作用力，使厌氧氨氧化颗粒污泥表层的EPS 结构局部剥落和溶解[28]。由此推测，由于超声波对EPS的剥落作用导致了颗粒污泥中所含有的疏水性氨基酸降低，从而影响小颗粒进一步往大颗粒聚集。这也解释了在87d后RU中厌氧氨氧化颗粒污泥平均粒径要低于RC。颗粒表层的EPS脱落有助于促进底物与代谢产物进出颗粒内部的速率，提高颗粒污泥对底物的利用率，改善了厌氧氨氧化细菌的生存环境，进而增强了厌氧氨氧化颗粒污泥的脱氮效能。

表3 不同厌氧氨氧化颗粒污泥样品的zeta电位和接触角

2.3.2 超声处理对EPS成分的影响

利用3D-EEM光谱检测了EPS中具有荧光特性的有机物，不同的峰位代表着不同的物质[29]。如图6所示，峰A 为色氨酸或类蛋白质（Ex/Em=280～290nm/325～350nm），B 峰为芳香族蛋白（Ex/Em=235～240nm/320～325nm），峰C 为酪氨酸蛋白物质（Ex/Em=230～240nm/300～325nm）。在LB-EPS 中，RC和RU均存在类色氨酸蛋白和芳香族蛋白，这说明超声波处理对LB-EPS中蛋白质的组成几乎没有影响。但RU中峰A 和峰B 的荧光强度均高于RC，表明在超声波作用下芳香族蛋白质物质、色氨酸或类蛋白质的含量有所增加。此外，在TB-EPS中发现，RU除了色氨酸或类蛋白质含量有所增加以外，还明显出现了与酪氨酸蛋白物质相关的峰C。这些变化表明，超声波处理可能增加了微生物的蛋白质合成能力，从而提高厌氧氨氧化菌的生长。

图6 不同类型EPS的三维荧光光谱

2.4 超声辐照对污泥表面官能团的影响

为了进一步揭示超声波对厌氧氨氧化颗粒污泥亲疏水性的影响。采用FTIR 表征RC、RU污泥表面官能团，探究超声辐照对颗粒污泥表面官能团的影响。如图7 中所示，RC和RU的FTIR 峰的位置基本一致，这表明了低强度超声波辐照并不能对颗粒污泥表面的官能团种类产生影响。在波长为3300cm-1左右的特征峰主要归因于—OH 和—NH 的伸缩振动，—OH 是由污泥产生的有机物（醇类、酚类或者糖类等），—NH 可能是由于蛋白质中的胺类物质产生所导致的。在波长为2928cm-1左右的特征峰主要归因于亚甲基—CH2不对称伸缩振动，可能是由于脂肪族或者烃类化合物的产生所导致。而波长为1430cm-1左右的特征峰为蛋白质结构中的COO—基团中C= = O对称伸缩振动所导致。对比RU和RC各特征峰的峰强发现，RU的3300cm-1和1430cm-1峰强要高于RC，而2928cm-1的峰强有所降低。结果表明，经过低强度超声波辐照后颗粒污泥表面的羟基、羧基、氨基等亲水官能团有所增多，从而导致厌氧氨氧化颗粒污泥疏水性变差。这也解释了超声波辐照后颗粒污泥的粒径并没有进一步增大的原因。

图7 厌氧氨氧化颗粒污泥的红外光谱图

2.5 颗粒污泥中的厌氧氨氧化活性

在第1d、39d、59d、87d和109d对污泥中的厌氧氨氧化活性进行测定。如图8 所示，在前59d 厌氧氨氧化的活性相对较低，增长速度较为缓慢。这可能是由于接种后的厌氧氨氧污泥未能快速地适应新环境，而氮负荷较低也是影响厌氧氨氧化菌生长的主要原因[30]。当反应器在NLR 为3.77kgN/(m³·d)稳定运行时（第59d），可以观察到RU和RC中的污泥活性都在迅速增加。细菌的生长速率可以有效评价反应系统中生物量富集和厌氧氨氧化能力。为此，通过简化的Gompertz 方程模型拟合SAA 值与运行时间，确定厌氧氨氧化菌的增长速率及其倍增时间。拟合结果表明，RC中厌氧氨氧化菌的生长速率（μSAA）为0.0107d-1，倍增时间（TD-SAA）为64.8d。而RU的生长速率（μSAA）为0.0127d-1，倍增时间（TD-SAA）为54.5d。这说明了低强度超声波辐照有利于厌氧氨氧化菌的生长富集，同时也反映了超声波辐照能加快Anammox-EGSB的启动速度。

图8 厌氧氨氧化颗粒污泥的活性变化情况

2.6 污泥的微生物分析

2.6.1 细菌多样性指数分析

表4 为Alpha 多样性指数统计表，所有样本的覆盖度值均超过99%，表明本次测序足以覆盖整个微生物群落。表中的Ace、chao1 指数能反映出微生物群落的丰富度情况，Shannon、Simpson指数则表示微生物群落的多样性。RU的Shannon指数低于RC，这是由于低强度超声波的长期辐照对微生物产生了筛选作用，部分不适应环境、活性低的微生物细胞被淘汰出反应器，从而导致RU的微生物群落多样性降低。Simpson 指数能表明微生物群落中优势种群生物量在总生物量中的占比情况。RU的Simpson 指数要大于RC，这说明低强度超声波促进了反应器中部分优势菌种的生长繁殖，同时耐受性较差的微生物不断死亡，优势种群得到了有效的富集，优势更为明显。

表4 不同厌氧氨氧化颗粒污泥样品的Alpha多样性数据统计表

2.6.2 细菌菌落结构分析

由图9(a)可知，RC在门水平上的主要菌门（＞1%）分别为浮霉菌门Planctomycetes（52.57%）、变形菌门Proteobacteria（31.23%）、酸杆菌门Acidobacteria（1.92%）、拟干菌门Bacteroidetes（1.41%）和绿弯菌门Chloroflexi（1.02%）。而RU在门水平上的主要菌门（＞1%） 分别为浮霉菌门Planctomycetes（74.75%）、变形菌门Proteobacteria（8.09%）、酸杆菌门Acidobacteria（3.67%）、绿弯菌门Chloroflexi（1.40%）、放线菌门Actinobacteria（1.93%）和装甲菌门Armatimonadetes（1.31%）。可见不同菌门微生物对超声波刺激具有不同的耐受性。经过超声波周期性辐照后，Planctomycetes、Chloroflexi、Armatimonadetes 和Acidobacteria 的相对丰度值都得到了提升。Planctomycetes 具有较高的相对丰度是由于厌氧氨氧化菌的丰富存在[31]，该菌门的提升有助于提高反应器的脱氮性能。Chloroflexi 是一种兼性厌氧微生物，其存在有助于为厌氧氨氧化菌建立一个严格的厌氧环境[32]。有研究发现，Armatimonadetes可为厌氧氨氧化细菌提供叶酸和钼辅因子，协助厌氧氨氧化细菌完成碳固定过程[33]。因此，超声波辐照污泥有助于厌氧氨氧化共生菌的增加，从而维持良好的生态平衡，促进功能菌的快速增殖。而Proteobacteria、Bacteroidetes 在受到超声波的辐照后出现大幅的下降。Proteobacteria已被证实在无机废水中能通过降解可溶性微生物产物（如死细胞等）与浮霉菌门共存，并具有反硝化能力[34]。可见低强度超声波加快了异养细菌在无机环境中的淘汰速度。

图9 低强度超声波对污泥厌氧氨氧化颗粒污泥的菌落结构影响

为了进一步评估超声波辐照对微生物的影响机制，对反应器微生物群落的属水平进行了分析。在图9(b)可以看到RC与RU之间的优势菌属有着显著的变化。在两个反应器中Candidatus Brocadia为核心物种，其为目前已发现的6个厌氧氨氧化菌属中的一个。RU的Candidatus Brocadia相对丰度高达74.45%，比RC提高了22.03%。同时在RU（0.123%）中发现了另一种厌氧氨氧化菌Candidatus Kuenenia，该菌属的相对丰度仍高于RC（0.03%）。说明低强度超声波辐照有利于厌氧氨氧化菌的富集。在超声辐照后超声组RU中Caulobacteraceae、Aquamicrobium、Rheinheimera、Burkholderiales、Thermomona、Comamona、Xanthomonadaceae、Aquimonas都出现了明显的下降，同时它们均属于变形菌门，且与反应器中的反硝化功能相关[35-39]。在超声波的影响下，RU中的反硝化菌相对丰度明显低于RC。反硝化菌的消亡有助于减少其对厌氧氨氧化细菌的底物（亚硝态氮）竞争。两个反应器微生物特性的差异揭示了超声波处理对厌氧氨氧化工艺的影响。由于微生物不同生理特征，导致其对超声波的耐受程度不同。在经过低强度超声波长期间歇式处理后，厌氧氨氧化共生菌得到富集，进而维持良好的生态平衡。此外，一些与厌氧氨氧化菌存在竞争关系的微生物被加速淘汰，使厌氧氨氧化菌可利用的底物和生存空间更加充足，进而实现厌氧氨氧化菌快速富集。

3 结论

（1）低强度超声波可提高Anammox-EGSB 反应器在高负荷条件下的脱氮性能。在进水条件下RU的总氮去除率提高了11.40%，并有效提高了反应器的抗氮负荷冲击能力。

（2）经超声波周期性辐照后，厌氧氨氧化颗粒污泥的粒径主要控制在1.0～1.5mm，传质效率改善，厌氧氨氧化颗粒污泥活性提升。同时有助于颗粒内部的气体释放，减少污泥漂浮，提高反应器稳定性。

（3）长期低强度超声波处理提高了厌氧氨氧化菌的生长速率，缩短了倍增时间。超声波对厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia有显著的促进作用，相比对照组RC提升了22.03%。同时严重抑制了反硝化细菌，削弱其他细菌对底物和生存空间的侵占，有助于厌氧氨氧化菌的富集。