Constraining nitrification by intermittent aeration to achieve methane-driven ammonia recovery of the mainstream anaerobic effluent

通過間歇曝氣限制硝化作用， 以實現主流厭氧污水的甲烷驅動氨回收

來源：Journal of Environmental Management 295 (2021) 113103

 

一、摘要概述

 

本研究提出了一種基于甲烷氧化菌（MOB）同化作用的厭氧出水氨回收新策略。通過380天的長期實驗發現，采用間歇曝氣模式（DO: 0.1–1.6 mg·L?1）可有效抑制氨氧化菌（AOB）活性，同時富集MOB（如Methylomonas屬，占比20.7%），實現厭氧出水中氨氮的近乎完全去除（100%）。MOB通過同化作用將氨轉化為菌體蛋白（含量達35.5%），驗證了甲烷驅動的氨回收與蛋白質生產的可行性。間歇曝氣通過調控溶解氧（DO）濃度，解決了傳統硝化-反硝化路徑的氮損失問題，為厭氧出水資源化提供了新思路。

二、研究目的

 

解決厭氧工藝瓶頸：針對主流厭氧處理產生的低品質沼氣（CH?含量低）和溶解甲烷排放問題，探索甲烷資源化利用路徑。

 

實現氨回收：將厭氧出水中的氨（10–50 mg·N·L?1）轉化為高附加值菌體蛋白，替代傳統脫氮工藝的氮氣排放。

 

調控微生物競爭：通過DO控制抑制AOB活性，促進MOB對氨的同化吸收。

 

三、研究思路

1. 反應器設計與操作

 

四階段長期實驗（圖1）：

 

Phase 1（批式啟動）：接種污泥預培養。

 

Phase 2（連續流，DO<0.2 mg·L?1）：低氧環境富集MOB（Methylomagnum）。

 

Phase 3（連續曝氣，DO=2–4 mg·L?1）：高氧激活AOB，導致硝酸鹽積累。

 

Phase 4（間歇曝氣）：0.5 h/d（Phase 4a）和1 h/d（Phase 4b）曝氣，DO=0.1–1.6 mg·L?1，抑制AOB并富集Methylomonas。

 

血清瓶驗證實驗：對比添加CH?組與無CH?組，證實MOB同化作用主導氨去除（圖4）。

 

 

2. 微生物機制解析

 

競爭調控：低DO下MOB對氧的親和力高于AOB，抑制硝化作用（4.2節）。

 

同化路徑：MOB通過氧化氨→亞硝酸鹽→同化還原途徑吸收氨（pmoAB、hao、nirB基因高表達，圖5B）。

 

 

四、關鍵數據及研究意義

1. 長期實驗性能（圖2）

 

數據：Phase 4b氨氮去除率100%，總氮去除速率5.84±0.05 mg·N·L?1·d?1。

 

意義：間歇曝氣模式下DO動態變化（圖3）創造AOB抑制窗口（17.4 h/d的DO<0.2 mg·L?1），為工藝優化提供關鍵參數。

 

圖表來源：圖2（氮濃度變化）、圖3（DO曲線）。

 

2. 血清瓶實驗（圖4）

 

數據：添加CH?組氨氮去除率顯著高于對照組（蛋白含量35.5% vs. 23.3%），無硝態氮積累。

 

意義：直接證實MOB同化是氨去除主要途徑，且碳氮同化比（1:0.15）符合MOB代謝特征。

 

圖表來源：圖4A-E（氮轉化與氣體消耗）。

 

3. 微生物群落與功能（圖5）

 

數據：Phase 4中Methylomonas相對豐度20.7%，氮同化基因（nasA、nirB）高表達。

 

意義：揭示MOB主導的氨同化分子機制，解釋間歇曝氣對AOB的抑制效應（Ellin6067豐度降至0.7%）。

 

圖表來源：圖5A（屬水平群落）、圖5B（氮代謝通路）。

 

4. 丹麥Unisense電極數據（2.3節）

 

測量指標：溶解氧（DO）濃度實時監測。

 

數據意義：

 

高精度DO控制：Unisense DO微電極（型號DO25）提供秒級分辨率數據（圖3），精準捕捉間歇曝氣期間的DO動態（0.1–1.6 mg·L?1）。

 

抑制AOB的關鍵依據：證實低氧時段（DO<0.2 mg·L?1占全天72.5%）是抑制AOB活性的核心條件（圖3）。

 

工藝優化價值：為間歇曝氣時長（0.5 h/d vs. 1 h/d）的優化提供實時數據支持，推動工程化應用。

 

五、結論

 

間歇曝氣的核心作用：通過調控DO抑制AOB，促進MOB富集（Methylomonas），實現厭氧出水氨氮100%去除。

 

甲烷驅動氨回收：MOB同化作用將氨轉化為菌體蛋白（含量35.5%），驗證了“氨→蛋白”資源化路徑的可行性。

 

應用潛力：為厭氧出水處理提供低能耗（無需額外碳源）、高附加值（蛋白生產）的新技術，間歇曝氣策略可推廣至實際工程。

 

六、Unisense電極數據的深度解讀

1. 技術優勢

 

原位實時監測：Unisense DO微電極直接浸入液相，避免傳統DO探頭因膜阻力導致的響應延遲，精準反映生物膜微環境氧動態。

 

抑制窗口量化：數據證實DO<0.2 mg·L?1的持續時間占比（72.5%）是抑制AOB的關鍵閾值（圖3），為工藝控制提供量化標準。

 

2. 研究意義拓展

 

機制驗證工具：結合微生物數據（圖5），明確低DO下MOB與AOB的競爭關系，推翻“高氧促進硝化”的傳統認知。

 

工藝放大基石：秒級DO數據為反應器流態設計（如生物膜厚度、曝氣周期）提供理論依據，降低中試試錯成本。

 

3. 行業價值

 

推動在線控制：Unisense電極的高頻監測特性支持未來開發DO反饋式曝氣控制系統，提升工藝穩定性。

 

溫室氣體管控：實時DO數據優化可減少N?O潛在排放（本研究通過GC驗證無N?O積累），助力碳中和目標。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極精準捕捉DO動態，揭示了間歇曝氣通過低氧窗口抑制AOB、激活MOB同化氨的機制，為厭氧出水的甲烷驅動氨回收提供了技術與理論支撐。未來需進一步優化曝氣模式（如高頻脈沖曝氣）并探索蛋白產物的資源化應用路徑。