Short and long term continuous hydroxylamine feeding in a granular sludge partial nitritation reactor  

顆粒污泥部分亞硝化反應器中羥胺連續投加的短期與長期效應  

來源：Water Research, 209 (2022) 117945

《水研究》，第209卷 2022年，文章編號117945  

 

摘要內容  

論文探究羥胺（NH?OH）作為氨氧化菌（AOB）代謝中間體對顆粒污泥部分亞硝化過程的影響。短期實驗通過連續投加速率限制性羥胺（4.6-16.2 mg-N/gVSS/h），發現溶解氧（DO）是調控羥胺積累與N?O排放的關鍵因素：低DO（0.8-3.6 mg-O?/L）導致羥胺累積（最高1.42 mg-N/L）和N?O排放因子升高（最高21%），高DO（3.6-5.8 mg-O?/L）則提升銨消耗速率（最高19%）。長期實驗（118天）中羥胺投加使銨消耗速率降低，但亞硝酸鹽產量穩定，表明羥胺優先于銨被轉化為亞硝酸鹽。微生物分析顯示Nitrosomonas sp.始終為優勢菌（42±6%），羥胺暴露改變伴生菌群落結構。  

 

研究目的  

闡明DO濃度對羥胺代謝路徑（積累、轉化及N?O排放）的調控機制。  

 

揭示連續羥胺投加對顆粒污泥長期脫氮性能及微生物群落的影響。  

 

建立羥胺氧化動力學模型，量化關鍵參數（最大消耗速率359±16 mg-N/L/d，半飽和系數0.015±0.006 mg-N/L）。  

 

研究思路  

短期實驗：  

 

批次/恒化實驗：對比純銨脈沖（B）與“銨脈沖+羥胺連續投加”（FB）的代謝差異（表1）。  

 

多參數監測：DO、NH??、NO??、羥胺、N?O（Unisense電極，圖2B）。  

長期實驗：  

 

連續流反應器（R2）：階段式增加羥胺負荷（57→135 mg-N/L），監測脫氮性能（圖3）及微生物演變（圖4）。  

 

 

模型構建：  

 

基于電子傳遞鏈（Mred/Mox）耦合AMO/HAO酶活性的動力學模型（圖6），解釋DO依賴的代謝調控（圖7）。  

 

 

測量數據及研究意義  

DO梯度數據（Unisense OX-100微電極，100μm分辨率）：  

 

來源：穿透顆粒測量DO剖面。  

 

意義：揭示低DO下羥胺積累與N?O排放的關聯機制。  

N?O溶解濃度（Unisense Clark電極）：  

 

來源：反應器液相實時監測（圖2B）。  

 

意義：量化羥胺投加下N?O排放因子（最高21%，圖2B），驗證低DO促進硝化菌反硝化路徑。  

氮轉化速率：  

 

銨消耗速率（qNH??）：FB組達93.3 mg-N/gVSS/h（表1），證明高DO下羥胺提升銨氧化活性。  

 

羥胺積累量：低DO組最高1.42 mg-N/L（表1），支撐"電子載體再氧化受限"假說。  

微生物群落（16S rRNA測序）：  

 

來源：長期反應器樣品（圖4）。  

 

意義：Nitrosomonas sp.豐度穩定（42±6%），羥胺暴露促進Acidovorax（6%→25%）等伴生菌演替。  

 

結論  

DO的核心作用：低DO（<3.6 mg-O?/L）觸發羥胺積累（1.42 mg-N/L）及高N?O排放（21%）；高DO（>3.6 mg-O?/L）抑制積累并提升銨氧化速率19%（圖1,2）。  

 

羥胺代謝偏好：長期投加使銨消耗降低但亞硝酸鹽產量不變（圖3C），證實羥胺優先于銨被轉化為亞硝酸鹽。  

 

電子傳遞調控：羥胺作為額外電子供體，高DO下通過增加Mred提升銨氧化（圖7A），低DO下因Mox再生受限引發N?O排放（圖7B）。  

 

工程啟示：污水處理廠低DO工況易誘發羥胺積累，優化曝氣策略可減少N?O排放。  

 

Unisense電極數據詳細研究意義  

空間分辨機制解析：  

 

50μm尖端微電極捕獲顆粒內部DO躍變（如R3在375-550μm深度斜率-1.33 mV/μm），定位電子傳遞限制區（圖6），解釋羥胺在缺氧微區的累積機制。  

N?O實時關聯：  

 

液相N?O傳感器同步監測顯示：投加羥胺后N?O濃度瞬升（>1 mg-N/L），證實羥胺轉化與N?O排放的動力學偶聯。  

工藝優化依據：  

 

DO>3.6 mg-O?/L時N?O排放因子<3%（圖2B），為污水處理廠曝氣控制提供臨界值參考。