Effective restoration of partial nitritation and anammox biofilm process by short-term hydroxylamine dosing: Mechanism and microbial interaction

通過短期羥胺給藥有效恢復部分硝化和厭氧氨氧化生物膜過程 ： 機制和微生物相互作用

來源：Bioresource Technology 341 (2021) 125910

 

一、摘要概述

 

本研究通過短期羥胺（NH?OH）投加成功恢復了因硝酸鹽積累而惡化的單級部分亞硝化-厭氧氨氧化（PN-A）生物膜工藝。在連續曝氣的序批式生物膜反應器（SBBR）中，投加10 mg N·L?1羥胺后，5天內PN-A工藝完全恢復，硝酸鹽產生/銨去除比（ΔNO??-N/ΔNH??-N）從28.5%降至11%以下。羥胺通過促進一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N?O）的生物合成抑制硝酸鹽氧化菌（NOB），并揭示了羥胺和NO在好氧氨氧化菌（AOB）與厭氧氨氧化菌（AnAOB）間的代謝互作機制（圖5b）。

 

二、研究目的

 

解決PN-A工藝惡化問題：針對因過度曝氣導致的NOB增殖和硝酸鹽積累，探索羥胺短期投加的恢復效果。

 

闡明羥胺作用機制：解析羥胺如何通過代謝中間體（如NO）抑制NOB，并促進AOB與AnAOB的協同作用。

 

驗證工藝可行性：評估羥胺投加對生物膜結構、氮轉化路徑及溫室氣體（N?O）排放的影響。

 

三、研究思路

1. 實驗設計

 

反應器配置：6 L SBBR反應器，內置環形生物膜載體，連續曝氣（DO=1.2±0.4 mg·L?1），溫度30±2℃（2.1節）。

 

六階段操作（表1）：

 

階段I（基準期）：穩定運行，TNRE=88.5±1.5%。

 

階段II（惡化誘導）：縮短反應時間→NH??積累（TNRE↓至67.0%）。

 

階段III（過度曝氣）：曝氣量提升3倍→NOB增殖（ΔNO??-N/ΔNH??-N↑至25.5%）。

 

階段IV（羥胺恢復）：每周期投加10 mg N·L?1羥胺→5天內TNRE恢復至88.5%（圖1）。

 

階段V（停加驗證）：停用羥胺→NOB恢復（TNRE↓至78.4%）。

 

階段VI（曝氣優化）：降低曝氣量（DO=1.6 mg·L?1）→TNRE穩定至89.2%。

 

2. 數據監測

 

常規指標：NH??-N、NO??-N、NO??-N、pH、DO、ORP（日監測）。

 

氣體監測：溶解態NO和N?O（丹麥Unisense微電極秒級在線監測）（2.3節）。

 

微生物活性：AOB、NOB、AnAOB活性批式測試（表2）。

 

生物膜形態：SEM觀察投加羥胺前后生物膜結構變化（2.4節）。

 

3. 機制驗證

 

羥胺代謝路徑：通過批式實驗驗證AnAOB直接代謝羥胺生成NO（圖5a）。

 

NO抑制NOB：證實NO是羥胺抑制NOB的關鍵介質（3.2.3節）。

 

四、關鍵數據及研究意義

1. 氮去除性能（圖1）

 

數據：階段IV投加羥胺后，ΔNO??-N/ΔNH??-N從28.5%降至8.3%，TNRE從63%升至88.5%。

 

意義：證明羥胺可快速逆轉NOB增殖，為工藝恢復提供實操方案。

 

2. 微生物活性（圖2）

 

數據：羥胺投加后，NOB活性從0.167 kg·m?3·d?1降至0.056 kg·m?3·d?1，AnAOB活性從0.421升至0.532 kg·m?3·d?1。

 

意義：揭示羥胺選擇性抑制NOB，同時增強AnAOB活性，維持AOB-AnAOB協同。

 

3. 氮轉化與氣體排放（圖3, 圖4）

 

 

 

數據：投加羥胺后，溶解NO峰值達0.15 mg·L?1（圖4），N?O排放比降至0.96%（表3）。

 

意義：證實羥胺通過促進NO生成抑制NOB，并降低N?O排放（減排約80%）。

 

4. AnAOB代謝機制（圖5a）

 

數據：投加羥胺后，AnAOB的NO??消耗速率加快，NO??產量減少64%（10.5→3.6 mg·L?1）。

 

意義：首次證明AnAOB直接代謝羥胺生成NO，挑戰了“AnAOB僅依賴NO??”的傳統認知。

 

5. 生物膜結構（SEM）

 

數據：羥胺投加后生物膜表面形成多孔結構（3.4節），內部仍保持致密。

 

意義：多孔結構改善傳質效率，但需調控曝氣防止深層AnAOB氧抑制。

 

五、結論

 

工藝恢復有效性：短期羥胺投加（10 mg N·L?1）可在5天內恢復惡化的PN-A工藝，ΔNO??-N/ΔNH??-N穩定低于11%。

 

核心機制：

 

羥胺被AOB/AnAOB氧化生成NO，通過毒性抑制NOB（圖5b）。

 

NO作為關鍵介質，促進AOB與AnAOB代謝互作，減少硝酸鹽積累。

 

溫室氣體減排：羥胺降低N?O排放至1.16%（表3），優于傳統工藝。

 

應用潛力：結合曝氣調控，羥胺可作為PN-A工藝惡化的高效恢復策略。

 

六、丹麥Unisense電極數據的深度解讀

1. 技術原理與部署

 

原位監測：Unisense NO-500微電極浸沒于液相，實時監測溶解態NO和N?O（分辨率0.01 μM）（2.3節）。

 

動態響應：秒級數據捕捉羥胺投加后的瞬態氣體變化（圖4）。

 

2. 關鍵發現與意義

 

NO瞬態峰（圖4）：羥胺投加后60秒內NO濃度飆升至0.15 mg·L?1，直接證實羥胺→NO的快速生物轉化，推翻“NO僅由化學氧化產生”假說。

 

N?O排放特征：N?O峰值滯后NO約30秒，表明N?O是NO還原的次級產物（非直接化學路徑），為N?O減排策略提供靶點。

 

抑制機制驗證：NO濃度>0.1 mg·L?1時，NOB活性受抑制（圖3），明確NO是NOB抑制的關鍵介質。

 

代謝互作證據：AnAOB批式實驗中，NO累積與NO??產量負相關（圖5a），證實NO直接參與AnAOB代謝，支持“AOB-AnAOB通過NO互作”假說。

 

3. 行業貢獻

 

機制革新：Unisense數據首次揭示羥胺在真實生物膜系統中的瞬態代謝路徑，推動PN-A工藝優化。

 

監測標準：高分辨率氣體數據為反硝化模型校準提供黃金標準，助力工藝精準調控。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極揭示：羥胺投加通過促進NO生成抑制NOB，并激活AnAOB代謝，實現PN-A工藝高效恢復。該策略不僅降低硝酸鹽積累和N?O排放，還為污水處理廠提供了一種操作簡便的惡化應對方案。未來研究可聚焦羥胺投加頻次優化及長期生物膜群落穩定性評估。