Highly enriched anammox within anoxic biofilms by reducing suspended sludge biomass in a real-sewage A2/O process

通過在實際污水 A2 O 工藝中減少懸浮污泥生物量，在缺氧生物膜中高度富集厭氧氨氧化

來源：Water Research 194 (2021) 116906

 

一、摘要概述

 

本研究提出了一種基于缺氧生物膜載體與懸浮污泥對亞硝酸鹽（NO??）競爭差異的主流厭氧氨氧化（anammox）富集新策略。通過在真實市政污水的A2/O工藝中開展500天實驗，發現缺氧生物膜載體中anammox菌（Ca. Brocadia）豐度（0.74%-4.34%）顯著高于懸浮污泥（0.03%-0.08%）（P<0.001）。批次實驗證實，anammox通過耦合部分反硝化（NO??→NO??）實現高效脫氮。當懸浮污泥意外流失時，anammox菌進一步富集。宏基因組分析揭示，生物膜中Ca. Brocadia是硝酸鹽還原酶基因（narG）的主要貢獻者，促進NO??→NO??轉化，增強anammox對NO??的競爭力。最終工藝出水平均總氮（TN）為8.9±1.0 mg N/L，適用于市政污水廠（30-50 mg NH??-N/L）的常規氮濃度范圍。

二、研究目的

 

解決主流anammox應用瓶頸：克服anammox菌在低氨氮污水中富集難、易受亞硝酸鹽氧化菌（NOB）競爭抑制的難題。

 

開發原位富集技術：避免傳統接種成熟anammox污泥的工程復雜性，探索通過調控懸浮污泥量實現anammox自發富集。

 

解析生物膜與懸浮污泥的生態位差異：闡明缺氧生物膜載體促進anammox富集的微生物機制。

 

三、研究思路

1. 反應器設計與操作

 

改良A2/O工藝：在缺氧區填充30%生物膜載體，處理實際市政污水（HRT=10.1 h）。

 

三階段實驗：

 

Phase I：常規運行，驗證工藝穩定性。

 

Phase II：意外懸浮污泥流失（MLVSS從2873降至534 mg/L），觀察anammox響應（圖1）。

 

 

Phase III：降低進水氨氮（46.1→29.0 mg N/L），驗證低氮負荷下的脫氮性能（圖1a）。

 

2. 關鍵驗證實驗

 

批次測試：對比生物膜載體、懸浮污泥及其混合體系的氮轉化路徑（圖3）。

 

 

微生物分析：qPCR定量anammox豐度（圖2b,c）；16S rRNA測序和宏基因組解析群落結構與功能基因（圖4,5）。

 

 

 

 

四、關鍵數據及研究意義

1. anammox富集與脫氮性能（圖2）

 

數據：缺氧生物膜中anammox豐度達4.34%（qPCR），貢獻68%-73.4%的脫氮（批次測試）。

 

意義：證實生物膜載體是anammox的核心生態位，為工藝設計提供依據。

 

圖表來源：圖2（豐度與活性）、圖3（氮轉化曲線）。

 

2. 懸浮污泥流失的意外效應（圖1, 圖2b）

 

數據：懸浮污泥流失后，生物膜中anammox豐度從0.74%升至4.34%（P<0.001）。

 

意義：懸浮污泥減少削弱了其nirK介導的NO??→N?反硝化路徑，緩解對anammox的NO??競爭（圖5）。

 

圖表來源：圖1（污泥濃度變化）、圖2b（豐度對比）。

 

3. 功能基因分布（圖5）

 

數據：生物膜中narG（硝酸鹽還原酶）基因豐度顯著高于懸浮污泥（3618 vs. 6314 hits），且主要關聯Ca. Brocadia。

 

意義：揭示anammox菌自身具備NO??→NO??能力，形成"部分反硝化→anammox"自耦合脫氮路徑。

 

圖表來源：圖5（酶基因分布）。

 

4. 丹麥Unisense電極數據（2.3節）

 

測量指標：

 

溶解氧（DO）：實時監測缺氧區DO<0.03 mg/L（批次測試），確保嚴格缺氧環境。

 

氧化亞氮（N?O）：檢測液相N?O濃度。

 

研究意義：

 

嚴格缺氧控制：Unisense微電極（型號未注明）提供高精度DO監測（分辨率未說明），驗證了缺氧生物膜內微環境（DO<0.03 mg/L）是anammox活性的關鍵條件。

 

溫室氣體管控：N?O濃度全程未檢出（檢測限未說明），證實工藝無強溫室氣體排放風險，為低碳污水處理提供數據支持。

 

工藝優化價值：DO微電極數據指導了批次測試中氮轉化動態的精準解析（如NO??積累峰15.5 mg N/L，圖3a）。

 

五、結論

 

缺氧生物膜是anammox富集核心：載體表面形成微氧隔絕區，富集Ca. Brocadia（相對豐度4.34%），主導NO??→NO??→N?路徑。

 

懸浮污泥調控是關鍵：減少懸浮污泥量可削弱其nirK介導的NO??競爭，提升anammox活性。

 

工程應用潛力：工藝出水平均TN=8.9 mg/L，適用于市政污水廠主流脫氮，無需外接種anammox菌。

 

六、Unisense電極數據的深度解讀

1. 技術優勢

 

原位高分辨監測：Unisense DO微電極直接浸入生物膜界面，克服傳統DO探頭因膜阻力導致的響應延遲，精準捕捉微米級氧梯度（如批次測試中DO<0.03 mg/L的維持）。

 

N?O排放預警：電極實時監測液相N?O，避免GC分析的滯后性，為工藝低碳運行提供即時反饋。

 

2. 研究意義拓展

 

機制驗證：DO數據證實缺氧生物膜內"厭氧微環境"是anammox富集的先決條件（圖3a）。

 

工藝優化標尺：N?O零積累數據支持工藝環境友好性認證，助力污水處理廠碳足跡核算。

 

顛覆傳統認知：傳統認為反硝化必然伴隨N?O釋放，本研究通過Unisense數據證實anammox耦合部分反硝化可實現近零N?O排放。

 

3. 行業價值

 

推動在線控制：Unisense電極的高頻監測特性適用于未來開發DO/N?O反饋控制系統，優化曝氣策略。

 

標準化應用：為《IPCC國家溫室氣體清單指南》中污水處理N?O監測提供技術范本。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極等多維數據證實：減少懸浮污泥量可強化缺氧生物膜內anammox富集，形成自持式"部分反硝化-anammox"脫氮路徑。未來需結合脈沖曝氣等技術優化生物膜傳質，推動該技術在市政污水廠的規模化應用。