Successful sulphide-driven partial denitrification: Efficiency, stability and resilience in SRT-controlled conditions  

硫化物驅動的部分反硝化成功實現：SRT控制條件下的效率、穩定性與恢復力  

來源：Chemosphere, Volume 295，2022, Article Number 133936  

《環境科學》，第295卷，2022年，文章編號133936  

 

摘要內容：  

摘要指出硫化物驅動的部分自養反硝化（PAD）是一種為厭氧氨氧化（Anammox）提供亞硝酸鹽（NO??）的解決方案。本研究通過選擇性控制進水S/N比（硫/氮比）和污泥停留時間（SRT），在連續攪拌釜反應器（CSTR）中實現了高效的NO??還原為NO??。結果表明：在SRT 23小時、S/N=0.58 gS/gN條件下，亞硝酸鹽轉化效率（NiCE）高達99%，且嚴格硫限制條件（S/N<0.8）下Thiobacillus取代Sulfurimonas成為優勢菌屬（83%）。呼吸計量測試顯示硝酸鹽攝取率穩定（90±10 mgN/gVSS/h），而亞硝酸鹽攝取率受環境影響顯著。初步評估表明高游離亞硝酸（FNA）可能導致N?O排放增加（2.0-2.4%）。

 

研究目的：  

最大化硫化物驅動的部分反硝化（NO??→NO??）效率。  

 

探究SRT和進水S/N比對亞硝酸鹽積累的協同影響。  

 

評估微生物群落動態、N?O排放及高NO??環境下的代謝響應。

 

研究思路：  

反應器設計與操作：采用2.5L CSTR反應器，以硫氧化細菌（SOB）富集污泥為接種物，控制SRT（40、23、13小時）和進水S/N比（0.5-1 gS/gN），維持嚴格硫限制條件（表1）。  

 

 

性能評估：監測硝酸鹽去除率（NRE）、亞硝酸鹽轉化效率（NiCE）及亞硝酸鹽積累效率（NiAE），通過硫/氮質量平衡驗證硫化物氧化路徑。  

 

呼吸計量測試：通過脈沖添加電子受體/供體（NO??、NO??、HS?），測定硝酸鹽/亞硝酸鹽攝取速率（NUR/NiUR）（表2，圖3）。  

 

 

微生物分析：通過16S rRNA測序分析SRT和S/N對菌群結構的影響（圖2）。  

 

N?O監測：采用丹麥Unisense N?O微傳感器測量反應器頂空N?O濃度。

 

測量數據及其研究意義：  

氮轉化效率（圖1b，表1）：  

 

NiCE達77±17%（SRT=13h）至95±7%（SRT=23h），證明SRT控制可優化亞硝酸鹽積累。  

 

意義：明確SRT≤23h和S/N≤0.8是實現高效PAD的關鍵參數。  

硫化物氧化路徑（圖1c）：  

 

硫酸鹽（SO?2?）產率>90%，表明硫化物完全氧化。  

 

意義：證實硫限制條件下無元素硫（S?）積累，避免電子傳遞抑制。  

微生物群落（圖2）：  

 

SRT 23h時Thiobacillus相對豐度達83%（初始<1%），嚴格硫限制促進高生物能量效率菌屬。  

 

意義：揭示Thiobacillus的膜結合硝酸鹽還原酶（Nar）在硫限制下的競爭優勢。  

呼吸計量數據（圖3）：  

 

NUR穩定（90±10 mgN/gVSS/h），不受高NO??（120 mgN/L）或FNA（4-5 μgN/L）抑制。  

 

意義：證實硝酸鹽還原步驟的魯棒性，為工藝設計提供動力學依據。  

N?O排放（正文）：  

 

估算排放因子2.0-2.4%（基于Unisense數據），FNA升高可能促進N?O生成。  

 

意義：警示需優化pH以抑制N?O排放。

 

結論：  

進水S/N<0.8 gS/gN和SRT≤23h可實現NiCE>95%，SRT控制提升系統抗擾動能力（如負荷突變后3天恢復）。  

 

硫限制條件驅動微生物群落從Sulfurimonas向Thiobacillus演替，后者Nar酶系統更適應能量限制環境。  

 

硝酸鹽還原速率（NUR）對高NO??/FNA不敏感，而亞硝酸鹽還原速率（NiUR）易受抑制，支撐亞硝酸鹽積累機制。  

 

需關注高FNA下N?O排放風險，建議pH調控緩解。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

在"1.1.5. Microbial community analysis"和"N?O emission"部分，使用Unisense N?O微傳感器監測反應器頂空氣體。其研究意義包括：  

精準量化溫室氣體：直接測定頂空N?O濃度（μmol/L級精度），避免傳統氣相色譜的采樣誤差。  

 

過程關聯分析：發現FNA>3 μgN/L時N?O排放升高，揭示高亞硝酸鹽環境可能刺激不完全反硝化。  

 

工藝優化依據：為降低PAD/A聯合工藝的碳足跡提供關鍵參數，指導pH調控策略抑制N?O還原酶（NosZ）抑制。  

 

該技術的高時空分辨率特性，使其成為評估脫氮工藝環境風險不可替代的工具。