Advanced nitrogen removal from mature landfill leachate via partial nitrification-Anammox biofilm reactor (PNABR) driven by high dissolved oxygen (DO): Protection mechanism of aerobic biofilm

高溶解氧驅動的部分硝化-厭氧氨氧化生物膜反應器(PNABR)深度去除垃圾滲濾液中的氮 好氧生物膜的保護機制

來源：Bioresource Technology 306 (2020) 123119

 

摘要核心發現

 

本研究開發了一種新型部分亞硝化-厭氧氨氧化生物膜反應器（PNABR），通過高溶解氧（DO=4.03±0.03 mg/L）結合預缺氧-好氧-缺氧運行模式（圖1），實現成熟垃圾滲濾液高效脫氮。關鍵突破包括：

 

1.生物膜分層保護機制：

 

好氧生物膜（厚1900 μm）屏蔽底層厭氧氨氧化菌免受高DO抑制（圖3）；

 

 

2.功能菌群調控：

 

AOB豐度達6.12×10?基因拷貝/(g干污泥)（生物膜中為絮體2倍）；

 

厭氧氨氧化菌占生物膜總菌2.39%，貢獻90%脫氮效率；

 

3.脫氮性能：

 

氮去除率（NRR）396.6 gN/(m3·d)，脫氮效率（NRE）96.1%。

 

研究目的

 

1.解決高DO矛盾：

平衡高DO對AOB活性的促進與對厭氧氨氧化菌的抑制；

 

2.抑制NOB增殖：

通過游離氨（FA）與缺氧交替抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）；

 

3.解析生物膜保護機制：

量化好氧生物膜對厭氧氨氧化菌的物理屏蔽效應。

 

研究思路

 

1. 反應器設計與運行

 

結構創新：

 

采用聚氨酯海綿載體（1 cm3）裝載厭氧氨氧化生物膜，外掛網殼固定于反應器內壁（圖1a）；

 

運行模式：

 

預缺氧（1h）-好氧（9h）-缺氧（13h）循環（圖1b），逐步提升DO（1.51→4.03 mg/L）。

 

2. 多尺度監測技術聯用

 

DO微梯度解析：

 

Unisense氧微電極（OX10）測量生物膜內部DO分布（圖3）；

 

功能菌群追蹤：

 

qPCR定量AOB/NOB/厭氧氨氧化菌，高通量測序鑒定菌屬（圖5-6）；

 

 

代謝路徑驗證：

 

典型周期內氮形態動態監測（圖4）。

 

關鍵數據及研究意義

1. DO生物膜分層（圖3）

 

數據：

 

DO在生物膜內呈梯度衰減：表層4.5 mg/L → 1850 μm深度降至0.38 mg/L（圖3f）；

 

好氧層厚度隨DO提升從625 μm（1.5 mg/L）增至1900 μm（4.5 mg/L）。

 

意義：首次量化好氧生物膜屏蔽效應，證實高DO下厭氧氨氧化菌存活機制。

 

2. 脫氮性能動態（圖2）

 

 

數據：

 

DO升至4.03 mg/L時，氨氧化速率（AOR）達25.8 mgNH??-N/(L·h)；

 

NRR隨DO提升持續增長至396.6 gN/(m3·d)（圖2c）。

 

意義：高DO顯著提升AOB活性，破解傳統PNA工藝低DO限制瓶頸。

 

3. 功能菌群演變（圖5-6）

 

數據：

 

AOB豐度增長607.5%（生物膜為主），NOB占比<0.2%（圖5c-d）；

 

厭氧氨氧化菌屬Candidatus Kuenenia占主導（圖6）。

 

意義：FA與缺氧交替有效抑制NOB，好氧生物膜成為AOB富集微生態位。

 

4. 代謝路徑貢獻（圖4）

 

數據：

 

好氧期厭氧氨氧化貢獻202.4 mg/L TN去除，占全周期90%；

 

預缺氧期反硝化僅去除3.6 mg/L TN。

 

意義：驗證厭氧氨氧化為核心路徑，顛覆依賴碳源的傳統脫氮模式。

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術突破性

 

 

微尺度分辨率：

 

100 μm尖端微電極精準解析生物膜氧滲透深度（圖3），揭示1900 μm好氧層形成機制；

 

動態監測能力：

 

實時捕捉DO梯度變化（如4.5 mg/L DO下氧耗盡深度從900→1850 μm），指導DO優化調控。

 

關鍵科學發現

 

1.好氧層厚度與DO的定量關系：

 

DO每提升1 mg/L，好氧層增厚~300 μm（圖3a-f），為生物膜載體設計提供理論依據；

2.厭氧氨氧化菌活性保護閾值：

 

殘留DO≤0.38 mg/L（1850 μm深度）時厭氧氨氧化活性不受抑制（圖3f）；

3.生物膜成熟度診斷：

 

好氧層形成速率從54.4 μm/d（初期）降至1.4 μm/d（成熟期），標志系統穩定（圖3注釋）。

 

工程應用意義

 

工藝優化指導：

 

基于微電極數據將DO設定于4.0 mg/L，平衡AOB活性與厭氧氨氧化菌保護；

 

抗沖擊負荷設計：

 

明確好氧層緩沖能力（耐受DO≤4.12 mg/L），保障高氨氮滲濾液處理穩定性；

 

技術普適性驗證：

 

為垃圾滲濾液（表1）、半導體廢水等高氮廢水提供高效脫氮范式。

 

結論

 

1.生物膜分層機制：

 

好氧生物膜（1900 μm）成功屏蔽高DO對厭氧氨氧化菌的抑制，NRR達396.6 gN/(m3·d)；

2.NOB抑制策略：

 

FA與缺氧交替將NOB豐度控制在<0.2%，保障亞硝酸鹽高效積累；

3.Unisense電極的核心作用：

 

微尺度DO分布數據為生物膜載體設計和DO精準控制提供直接依據。

 

應用方向：推廣至填埋場滲濾液全流程處理，結合膜技術進一步去除難降解COD。

 

圖示關聯：

 

 

圖1：PNABR反應器結構與運行模式

 

圖2：脫氮性能動態（DO/AOR/NRR）

 

圖3：Unisense微電極測量的生物膜DO梯度

 

圖4：典型周期氮代謝路徑

 

圖5-6：功能菌群定量與群落結構