Fast start-up and enhancement of partial nitritation and anammox process for treating synthetic wastewater in a sequencing bath biofilm reactor: Strategy and function of nitric oxide

在測序浴生物膜反應器中處理合成廢水的部分硝化和厭氧氨氧化工藝的快速啟動和增強一氧化氮的策略和功能

來源：Bioresource Technology 335 (2021) 125225

 

1. 摘要核心內容

 

本研究在序批式生物膜反應器（SBBR）中實現了部分亞硝化-厭氧氨氧化（PN-A）工藝的30天快速啟動與強化。通過預缺氧-好氧-后缺氧的固定曝氣策略，獲得了98.5±1.5%的氨氮去除率（ARE）和89.5±1.6%的總氮去除率（TNRE）。通過倍增曝氣速率（0.2 L·min?1）和攪拌強度，總氮去除速率（TNRR）從0.135±0.013 kg N·m?3·d?1提升至0.285±0.015 kg N·m?3·d?1。研究發現一氧化氮（NO）可能誘導厭氧氨氧化菌（AnAOB）富集，并作為氨氧化菌（AOB）與AnAOB協同狀態的指示劑。系統實現低N?O排放因子（0.51%），微生物分析顯示AOB、AnAOB和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）豐度分別為1.6%、19.3%和0.3%。

2. 研究目的

 

解決PN-A工藝啟動慢、功能菌協同難的核心問題：

 

開發快速啟動策略（30天內），克服AnAOB倍增時間長（7-30天）、AOB/AnAOB環境需求差異大的瓶頸。

通過曝氣調控實現NOB抑制（豐度<0.3%）和AOB-AnAOB協同。

解析NO的功能（AnAOB誘導與協同指示）并控制N?O排放（溫室效應為CO?的265倍）。

 

3. 研究思路

 

采用三階段優化策略（圖2）：

 

啟動階段（1-30天）：

前10天：全曝氣（DO=1.5±0.5 mg·L?1）+ 投加COD（100 mg·L?1）促進生物膜形成（生物量保留率62%）。

后20天：預缺氧（120 min）/好氧（480 min）/后缺氧（100 min）模式，取消COD投加，誘導AnAOB富集。

穩態階段（31-130天）：延長曝氣至600 min，排水比提升至80%，TNLR增至0.160 kg N·m?3·d?1。

強化階段（131-180天）：曝氣速率倍增（0.2 L·min?1），攪拌強度加倍，縮短周期至6小時，TNLR達0.320 kg N·m?3·d?1。

 

4. 測量數據及研究意義

（1）關鍵測量指標

指標 數據來源 研究意義

液相NO/N?O濃度 圖3-4（Unisense電極） 量化NO作為AnAOB誘導劑的功能（啟動期峰值0.06 mg·L?1），驗證N?O減排效果（排放因子0.51%）。

 

 

氮化合物動態變化 圖3-4 揭示預缺氧階段提升FA（5.6~7.5 mg·L?1）抑制NOB，后缺氧促進AnAOB利用殘留NO??。

DO/ORP/pH 圖3-4 確認曝氣策略有效性：DO穩定于1.5±0.5 mg·L?1，ORP波動指示好氧/缺氧過渡。

AnAOB活性 批量試驗 量化生物膜功能：從0.013（初始）增至0.363 kg N·m?3·d?1（180天），支撐TNRR提升。

微生物群落 圖5 驗證策略效果：AnAOB（Candidatus Kuenenia）占19.3%，NOB（Nitrospira）僅0.3%。

 

 

（2）Unisense電極數據的核心意義

 

直接引用文檔："Dissolved NO and N?O were detected using a Danish Unisense NO-500-111 807,724 microelectrode online monitoring system."（2.4節）

 

NO作為協同狀態指示劑：

 

啟動期NO峰值（0.06 mg·L?1）出現在好氧初期（圖3b），對應AOB活躍產NO；穩態期NO穩定于0.015 mg·L?1（圖3c），標志AOB-AnAOB協同建立（AnAOB即時消耗NO）。

強化期曝氣倍增導致NO短暫升高（0.065 mg·L?1，圖4a），協同重建后回落（圖4b-c），證明NO動態可反映功能菌平衡狀態。

 

N?O減排機制解析：

 

N?O峰值（0.021 mg·L?1）出現在好氧初期（圖3b），源于NH?OH氧化路徑瞬時積累；

低背景N?O（<0.02 mg·L?1）歸因于：① 長時好氧（>300 min）抑制NH?OH路徑；② 協同作用維持低NO??（<3 mg·L?1），阻斷AOB反硝化路徑。

 

5. 核心結論

 

快速啟動與強化：

預缺氧（提升FA抑制NOB）+ 后缺氧（促進AnAOB）策略實現30天啟動，TNRR達0.285 kg N·m?3·d?1（180天）。

曝氣速率倍增（0.2 L·min?1）與攪拌強化使AnAOB活性提升27倍（0.013→0.363 kg N·m?3·d?1）。

NO功能與協同機制：

NO是AOB代謝中間體（NH?OH→NO→NO??），同時被AnAOB直接利用合成N?H?（圖6）。

 

NO動態可指示AOB-AnAOB協同狀態：穩態時NO穩定（~0.015 mg·L?1），失衡時驟升。

微生物群落優勢：

生物膜分層結構（AOB外層/AnAOB內層）實現功能菌空間協同，AnAOB豐度占19.3%（圖5b），NOB抑制至0.3%。

環境效益：

低N?O排放因子（0.51%）優于文獻值（0.98-4.5%），歸因于長時好氧與低NO??累積抑制關鍵路徑。

 

6. Unisense電極數據的詳細解讀

 

技術原理與優勢：

Unisense微電極通過高分辨率實時監測（圖3-4）解析PN-A過程的氮轉化機制：

 

NO監測揭示代謝途徑：

好氧初期NO峰值印證AOB的Hao酶將NH?OH氧化為NO（圖6），后缺氧期NO消耗證實AnAOB的Nir酶還原NO??為NO并用于N?H?合成。

N?O量化支撐減排設計：

識別N?O主產路徑（好氧初期NH?OH氧化），指導優化曝氣時序（延長好氧至>300 min）削減57%排放。

協同狀態動態診斷：

NO濃度波動（如強化期從0.065→0.015 mg·L?1）為工藝調控提供實時反饋，替代傳統經驗性DO控制。

 

工業應用價值：

 

"Unisense電極的動態監測證明PN-A系統中NO既是AOB代謝產物，又是AnAOB生長底物。通過NO濃度可預判功能菌失衡風險（如曝氣倍增時NO驟升），指導及時干預（調整缺氧時長），避免NOB爆發（△NO??/△NH??>14%）。"（正文3.5.1節）

 

注：所有結論均嚴格基于文檔數據，Unisense電極的核心價值在于揭示PN-A的氮代謝網絡，為工藝優化提供分子級監測依據。