Simultaneous nitrification and denitrification in a novel rotating self-aerated biofilm reactor for decentralized wastewater treatment  

用于分散式廢水處理的新型旋轉自曝氣生物膜反應器中的同時硝化與反硝化  

來源：Bioresource Technology, 369 (2023) 128513

《生物資源技術》，第369卷，2023年，文章編號128513

 

摘要內容

摘要指出農村分散式廢水污染已成為嚴重環境問題，本研究開發了一種新型旋轉自曝氣生物膜反應器（RSABR），用于無需曝氣設備的分散式廢水處理。經過110天的長期運行，在最終階段實現了高去除效率：COD 96.06%、NH4-N 98.06%、TN 62.58%。在高溶解氧水平下，同時硝化反硝化（SND）比率穩定在62.53%，反硝化速率超過28.37 mg/L/h。隨著有機負荷增加，關鍵氮功能菌群（如缺氧反硝化菌和好氧反硝化菌）顯著富集。微生物分析和氮代謝途徑表明，該反應器通過硝化、反硝化和完全氨氧化（comammox）的協同作用，在單一反應器中實現了SND過程。

 

研究目的

開發一種低能耗、無需曝氣設備的RSABR系統，用于分散式廢水處理；研究其在長期運行中的污染物去除性能、微生物動力學和氮代謝機制；評估系統對有機負荷波動的適應性和穩定性。

 

研究思路

通過構建實驗室規模RSABR系統（工作體積7L，填充率45%的高密度聚乙烯懸浮載體），采用合成廢水進行三個階段實驗（階段I-III），逐步增加有機負荷率（OLR）和水力停留時間（HRT）。監測水質參數（COD、NH4-N、TN等）、溶解氧分布、氣體排放；進行典型周期實驗和批處理實驗分析動力學；通過呼吸測試量化活性生物量；利用高通量測序和宏基因組學揭示微生物群落結構及氮代謝途徑。

 

測量數據及研究意義

污染物去除性能數據：包括COD、NH4-N、TN去除效率及SND比率。來源：圖1（整體性能趨勢）。研究意義：驗證RSABR在無曝氣設備下的處理效能，證明系統在高有機負荷下的穩定性（如TN去除率>62.58%），并確認出水水質達到農村廢水排放標準（COD<20mg/L, NH4-N<0.4mg/L, TN<15mg/L），為分散式處理提供技術可行性依據。  

 

 

 

典型周期實驗數據：包括污染物濃度隨時間變化（如NH4-N、TN）和DO動態。來源：圖2a-c和圖2d。研究意義：揭示系統在短時間內的去除動力學（如TN在180分鐘內快速下降），證明SND過程的發生（NO3-N生成量低于NH4-N消耗量），并確認旋轉設計實現穩定DO環境（6-9 mg/L），支持無需外部曝氣的運行模式。  

 

 

微生物動力學數據：包括氨氧化速率（AOR）、亞硝酸鹽氧化速率（NOR）、反硝化速率（DNR）及Monod動力學參數（如KN,AOB）。來源：圖3和表2。研究意義：量化功能菌活性（如DNB速率高達42.73 mg/L/h），解釋生物膜內擴散阻力變化（KN,AOB上升），并關聯系統脫氮效率提升（如μmaxNO3增加至15.02 mg/g MLSS/h），為優化生物膜載體設計提供依據。  

 

 

活性生物量數據：包括異養生物量（XH）和自養生物量（XA）比例及氧攝取率（OUR）。來源：表3。研究意義：量化生物膜中功能菌群分布（如XA占比最高11.26%），說明高異養生物主導碳代謝，而自養生物增長支撐硝化性能，反映系統對負荷變化的適應性。  

 

 

微生物群落數據：包括優勢菌門（如Proteobacteria）及關鍵氮功能菌（如Thiothrix、Hydrogenophaga）豐度。來源：圖4a-b。研究意義：揭示SND的微生物機制（如缺氧反硝化菌富集至23.48%），并關聯環境因子（如DO與Pseudoxanthomonas正相關），解釋系統在好氧條件下實現反硝化的原因。  

 

 

 

氮代謝途徑數據：包括氮轉化基因（如amoABC、nirSK）和comammox菌（如Ca. N. nitrosa）豐度。來源：圖5。研究意義：通過宏基因組分析確認反硝化為主導途徑（基因豐度高于初始兩倍），并發現comammox菌貢獻硝化效率，為SND的整合機制提供分子證據。  

 

 

結論  

RSABR系統在無曝氣設備下實現高效分散式廢水處理：COD和NH4-N去除率>96%，TN去除率62.58%，SND比率穩定于62.53%；系統通過旋轉設計維持高DO（6-9 mg/L），并利用生物膜內氧梯度形成好氧/厭氧微區，支持SND發生；微生物分析顯示，Proteobacteria為主導菌門，關鍵功能菌（如Thiothrix和Hydrogenophaga）富集驅動脫氮；宏基因組證實反硝化是主要代謝途徑，comammox菌提升硝化效率；動力學表明反硝化速率（μmaxNO3）與脫氮效率正相關，系統對有機負荷波動具強魯棒性，適用于農村廢水處理。  

 

使用丹麥Unisense電極測量出來數據的研究意義  

丹麥Unisense電極用于原位測量生物膜內DO濃度梯度分布（如從表層6.88 mg/L降至內部-180μm處0.14 mg/L），該數據在研究中具有核心意義：通過高分辨率微電極技術（測量精度達μm級），揭示生物膜內形成好氧（外層）和厭氧（內層）微環境，為SND提供空間基礎（好氧區支持硝化，厭氧區支持反硝化）；量化DO梯度變化（如從6.88±0.18 mg/L降至0.14±0.01 mg/L），證明旋轉設計有效創造氧傳質，無需外部曝氣即維持功能菌活性；關聯微生物數據（如厭氧反硝化菌富集），解釋高DO條件下仍實現高效反硝化的機制；提供關鍵證據說明系統能耗降低原理（僅旋轉能耗替代傳統曝氣），支撐其在分散式處理中的可行性。