Impact of soluble organic matter and particulate organic matter on anammox system: Performance, microbial community and N2O production  

溶解性有機物與顆粒性有機物對厭氧氨氧化系統的影響：性能、微生物群落及N2O產生  

來源：journal of environmental sciences, Volume 124, 2023

《環境科學學報》第124卷，2023年

 

摘要核心內容  

本研究探究溶解性易生物降解COD（sCOD）和顆粒性慢速降解COD（pCOD）對厭氧氨氧化（anammox）系統的影響。長期實驗表明：低sCOD/N比（0.5）可提升anammox和反硝化活性，總氮（TN）去除率達84.9%±2.8%。部分反硝化-厭氧氨氧化（PDN/anammox）和反硝化是主要脫氮途徑，貢獻率分別為91.3%和8.7%。Anammox菌（Candidatus Kuenenia）與Thauera屬在有機物存在下成為優勢菌群。批次實驗顯示，pCOD會抑制脫氮效率，其占比增加使反硝化貢獻率從14%降至3%。優化ASM1模型表明，高pCOD比例導致N2O峰值達0.25 mg N/L，主要因擴散限制和碳源不足；而高sCOD/N比可緩解N2O積累。  

 

研究目的  

評估低sCOD/N比（0.5）下anammox系統的長期脫氮性能與代謝機制  

 

解析sCOD添加對微生物群落結構的影響  

 

探究sCOD/COD比例（sCOD%）及對應COD/N比對脫氮效率和N2O產生的短期影響  

 

研究思路  

長期實驗：運行336天序批式反應器（SBR），分兩階段（無sCOD vs. sCOD/N=0.5），監測氮素去除動態（圖1）  

 

脫氮途徑量化：基于化學計量學計算PDN/anammox與反硝化貢獻率（圖2）  

 

微生物分析：qPCR定量功能基因（hzs, hzo, narG等）（圖3a）；高通量測序分析群落結構（圖4）  

 

 

批次實驗：測試不同sCOD%（15%-100%）和COD/N比（0.5-2）對脫氮及N2O的影響（圖5）  

 

 

N2O建模：采用擴展ASM1模型預測N2O動態，Unisense微電極實時監測驗證（圖6）  

 

 

測量數據及研究意義  

長期脫氮效率（圖1）  

 

數據：添加sCOD（sCOD/N=0.5）后TN去除率從70%升至84.9%，NO??-N從58.0降至30.9 mg/L  

 

意義：證實低sCOD可協同強化PDN/anammox與反硝化  

 

來源：圖1（氮素濃度時序曲線）  

脫氮途徑貢獻（圖2）  

 

數據：sCOD添加后PDN/anammox貢獻率91.3%，反硝化8.7%  

 

意義：明確有機物主要通過PDN/anammox途徑驅動脫氮  

 

來源：圖2（途徑貢獻柱狀圖）  

功能基因表達（圖3a）  

 

數據：sCOD使napA（NO??還原）、nirS（NO??還原）、nosZ（N?O還原）基因豐度提升161%-247%  

 

意義：揭示有機物通過上調反硝化基因增強脫氮能力  

 

來源：圖3a（基因定量熱圖）  

微生物群落演變（圖4）  

 

數據：sCOD添加后Proteobacteria（51.9% → Thauera為主）取代Planctomycetes（10.2%→4.7%）；Candidatus Kuenenia成優勢anammox菌  

 

意義：sCOD促使群落從anammox主導轉向反硝化菌富集  

 

來源：圖4a-b（門/屬水平群落組成）  

pCOD抑制效應（圖5）  

 

數據：pCOD占比升至30%時TN去除率下降8%-17%，反硝化貢獻率從14%降至3%  

 

意義：pCOD因水解慢導致碳源不足，抑制反硝化途徑  

 

來源：圖5（批次實驗TN去除與途徑貢獻）  

N2O產生規律（圖6）  

 

數據：pCOD占比30%時N2O峰值達0.25 mg N/L；sCOD/N=0.5時N2O積累量高于sCOD/N=2  

 

意義：pCOD擴散限制與低碳氮比引發不完全反硝化，加劇N2O排放  

 

來源：圖6（模型預測與實測N2O曲線）  

 

丹麥Unisense電極數據的核心意義  

使用Unisense N2O微電極（Clark型）實現：  

高分辨率監測：每20秒實時記錄液相N2O濃度（圖6），捕捉瞬時N2O爆發峰（如pCOD條件下0.25 mg N/L峰值）  

 

模型驗證支撐：精準實測數據驗證ASM1模型預測準確性（R2>0.95），揭示pCOD導致N2O積累的動力學機制  

 

過程機制解析：通過N2O生成速率變化，證實pCOD因緩慢水解引碳源短缺→反硝化中途停滯→N2O作為中間產物積累  

 

工程應用指導：為優化碳源投配（如提高sCOD占比）以抑制N2O提供直接實驗依據  

 

結論  

低sCOD強化脫氮：sCOD/N=0.5時，PDN/anammox（貢獻91.3%）與反硝化協同實現84.9% TN去除，功能基因（napA/nirS/nosZ）表達提升161%-247%  

 

pCOD抑制效應：pCOD占比＞30%時，因水解緩慢導致反硝化碳源不足，TN去除率下降8%-17%，反硝化貢獻率降至3%  

 

N2O排放主因：高pCOD比例引發擴散限制與碳源短缺，N2O峰值達0.25 mg N/L；低碳氮比（COD/N=0.5）加劇N2O積累  

 

群落適應性：sCOD促使Thauera（33.1%）和Candidatus Kuenenia（1.3%）成為優勢菌，維持anammox活性