Flexible Nitrite Supply Alternative for Mainstream Anammox: Advances in Enhancing Process Stability  

用于主流厭氧氨氧化的靈活亞硝酸鹽供應(yīng)替代方案：在增強(qiáng)工藝穩(wěn)定性方面的進(jìn)展  

來源：Environmental Science & Technology, Volume 54, 2020, Pages 6353-6364  

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》，第54卷，2020年，頁碼6353-6364  

 

摘要  

本研究評(píng)估了一種高效的替代方案，以替代當(dāng)前基于亞硝化（nitritation）的主流厭氧氨氧化（anammox）工藝，該方案通過在主流條件下利用部分反硝化（PD；NO??-N → NO??-N）來提供亞硝酸鹽（NO??-N）。將部分氨氮（NH??-N）氧化為硝酸鹽（NO??-N）后，通過將硝化出水與原污水（NH??-N 57.87 mg L?1, COD 176.02 mg L?1）混合，經(jīng)由PD耦合厭氧氨氧化（PD/A）工藝進(jìn)行脫氮。盡管溫度波動(dòng)頻繁（25.7–16.3°C），但獲得了優(yōu)異的出水水質(zhì)，總氮（TN）< 5 mg L?1。Thauera屬（負(fù)責(zé)PD）是優(yōu)勢(shì)反硝化菌（36.4%–37.4%），并與Candidatus Brocadia（anammox菌；0.33%–0.46%）共存。高效的PD/A工藝與傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝相比，可實(shí)現(xiàn)曝氣能耗降低50%，有機(jī)碳源需求減少80%，并且氧化亞氮（N?O）產(chǎn)量更低。研究表明，將anammox與靈活的NO??-N供應(yīng)相結(jié)合，作為一種穩(wěn)定高效的主流污水處理工藝具有巨大潛力。

 

研究目的  

本研究旨在探索和驗(yàn)證利用部分反硝化（PD）作為亞硝酸鹽（NO??-N）供應(yīng)源，與厭氧氨氧化（anammox）耦合（PD/A），用于處理主流城市污水的可行性、穩(wěn)定性和效能。重點(diǎn)評(píng)估該工藝在環(huán)境溫度波動(dòng)、進(jìn)水水質(zhì)變化下的脫氮性能、微生物群落結(jié)構(gòu)演變、溫室氣體（N?O）排放特性，以及其相對(duì)于傳統(tǒng)工藝的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

 

研究思路  

1.  工藝構(gòu)建與長期運(yùn)行：建立兩個(gè)串聯(lián)的序批式反應(yīng)器（SBR）系統(tǒng)。一個(gè)為硝化SBR（NF-SBR），負(fù)責(zé)將進(jìn)水中的NH??-N完全氧化為NO??-N；另一個(gè)為PD/A-SBR，接收NF-SBR的出水和部分原污水，利用原污水中的有機(jī)碳驅(qū)動(dòng)PD過程（將NO??-N還原為NO??-N），并為anammox提供底物（NO??-N和剩余的NH??-N）。

2.  性能監(jiān)測與評(píng)估：在195天的長期運(yùn)行中，持續(xù)監(jiān)測兩個(gè)SBR的進(jìn)出水水質(zhì)，包括NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN、COD等濃度，計(jì)算脫氮效率、負(fù)荷率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

3.  微生物機(jī)理探究：

    ?   活性測試：定期進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn)，測定PD菌的比硝酸鹽還原速率（SNO3,red）、比亞硝酸鹽積累速率（SNO2,acc）和硝酸鹽轉(zhuǎn)化率（NTR），以及anammox菌的比活性。

 

    ?   群落分析：通過高通量16S rRNA基因測序和qPCR技術(shù)，分析不同運(yùn)行階段污泥樣品中的微生物群落結(jié)構(gòu)，特別是PD菌（如Thauera）和anammox菌（如Ca. Brocadia）的豐度和變化。

 

4.  環(huán)境影響評(píng)估：通過批次實(shí)驗(yàn)，使用Unisense微傳感器精確測量PD/A工藝在不同外碳源投加量（COD/NO??-N比）下的溶解態(tài)N?O產(chǎn)生動(dòng)態(tài)，量化其溫室氣體排放潛能。

5.  比較分析與優(yōu)化：將PD/A工藝的性能（脫氮效率、能耗、碳源需求、污泥產(chǎn)量、N?O排放）與傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境可持續(xù)性。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1.  長期水質(zhì)數(shù)據(jù)（來自圖1，表1）：監(jiān)測了NF-SBR和PD/A-SBR進(jìn)出水的NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN、COD濃度。該數(shù)據(jù)直接證明了PD/A工藝在溫度波動(dòng)和進(jìn)水變化下，能持續(xù)實(shí)現(xiàn)高效脫氮（TN去除率>93.7%，出水TN<5 mg L?1）和有機(jī)物去除，展示了其卓越的穩(wěn)定性和處理效果。

 

 

2.  微生物活性數(shù)據(jù)（來自圖2b）：通過批次實(shí)驗(yàn)測定了PD過程的比硝酸鹽還原速率（SNO3,red）、比亞硝酸鹽積累速率（SNO2,acc）和硝酸鹽轉(zhuǎn)化率（NTR），以及anammox的活性。該數(shù)據(jù)揭示了功能微生物的核心代謝能力，表明PD過程具有高且穩(wěn)定的NO??-N積累能力（NTR >90%），且對(duì)溫度變化不敏感，這是PD/A工藝穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵機(jī)理。

 

3.  典型周期轉(zhuǎn)化曲線（來自圖2a, 圖3）：展示了PD/A-SBR一個(gè)反應(yīng)周期內(nèi)氮化物（NH??-N, NO??-N, NO??-N）和有機(jī)物（COD, PHA）濃度的動(dòng)態(tài)變化。該數(shù)據(jù)直觀揭示了“PD快速產(chǎn)生NO??-N”與“anammox同步消耗NH??-N和NO??-N”的耦合過程，以及內(nèi)碳源（PHA）在后續(xù)反硝化中的作用，為理解工藝內(nèi)在反應(yīng)機(jī)制提供了時(shí)間序列證據(jù)。

 

4.  N?O產(chǎn)生動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（來自圖4，表2）：使用Unisense N?O微傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測了不同外碳源投加條件下，批次試驗(yàn)中溶解態(tài)N?O的濃度變化。該數(shù)據(jù)至關(guān)重要，它首次量化了PD/A工藝處理實(shí)際污水時(shí)的N?O排放特征，證明其N?O產(chǎn)量極低（峰值<0.31 mg N L?1，且迅速被還原），遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝，評(píng)估了該工藝的溫室氣體排放風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

5.  微生物群落結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（來自圖5）：通過高通量測序獲得了不同運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)污泥微生物群落在門水平和屬水平的組成。該數(shù)據(jù)表明Thauera（PD功能菌）和Ca. Brocadia（anammox菌）在整個(gè)運(yùn)行過程中持續(xù)存在并成為關(guān)鍵功能菌屬，從微生物生態(tài)學(xué)角度解釋了工藝功能穩(wěn)定性的原因。

 

結(jié)論  

1.  PD/A工藝是一種高效、穩(wěn)定且靈活的主流城市污水處理技術(shù)。它通過部分反硝化（PD）為厭氧氨氧化（anammox）可靠地提供亞硝酸鹽（NO??-N），克服了傳統(tǒng)亞硝化（PN）工藝因亞硝酸鹽氧化菌（NOB）難以抑制而導(dǎo)致NO??-N供應(yīng)不穩(wěn)定的核心難題。

2.  該工藝對(duì)溫度波動(dòng)（16.3–25.7°C）和進(jìn)水水質(zhì)變化展現(xiàn)出強(qiáng)大的抵抗力，能持續(xù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的脫氮效果（TN去除率>93.7%，出水TN<5 mg L?1）和有機(jī)物去除（COD去除率~75.8%）。

3.  微生物分析證實(shí)Thauera菌屬是驅(qū)動(dòng)PD功能的核心菌群，并能與低豐度（0.33-0.46%）但高活性的anammox菌（Ca. Brocadia）協(xié)同共生，實(shí)現(xiàn)高效的氮去除。

4.  與環(huán)境影響方面，PD/A工藝相較于傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝，可顯著降低曝氣能耗（約50%）、外部碳源需求（約80%），并大幅減少溫室氣體N?O的排放。

5.  該研究為現(xiàn)有污水處理廠的升級(jí)改造提供了一條極具潛力的新路徑，無需復(fù)雜的NOB抑制控制，僅通過優(yōu)化硝化池出水和原污水的進(jìn)水比例，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的脫氮。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

本研究中使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的N?O微傳感器（N?O microsensor，型號(hào)N?O-100）對(duì)PD/A工藝處理實(shí)際污水過程中的溶解態(tài)N?O濃度進(jìn)行了實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)監(jiān)測（響應(yīng)時(shí)間快，檢測限低至0.0028 mg N L?1），這一技術(shù)手段具有重要的研究意義：

1.  高時(shí)間分辨率與過程解析：傳統(tǒng)離線采樣方式無法捕捉N?O在反應(yīng)過程中瞬時(shí)產(chǎn)生和消耗的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)。Unisense微傳感器提供了連續(xù)的數(shù)據(jù)曲線（圖4），能夠精確確定N?O積累的峰值、出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)以及后續(xù)被還原的速率。這有助于識(shí)別N?O產(chǎn)生的高風(fēng)險(xiǎn)階段（如碳源不足時(shí)初期）。

2.  準(zhǔn)確量化溫室氣體排放：實(shí)時(shí)監(jiān)測的溶解態(tài)N?O濃度是計(jì)算該工藝N?O產(chǎn)率（N?O-N產(chǎn)生量/去除的N量）最直接、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本研究測得的最大N?O積累量極低（<0.31 mg N L?1），且能被完全還原，表明PD/A工藝的N?O排放風(fēng)險(xiǎn)很小，這為其環(huán)境友好性提供了關(guān)鍵證據(jù)。

3.  揭示N?O產(chǎn)生與操作條件的關(guān)聯(lián)：通過關(guān)聯(lián)不同外碳源（乙酸）投加量（COD/NO??-N比）與N?O的動(dòng)態(tài)曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外碳源充足（COD/NO??-N ≥ 2）時(shí)，N?O幾乎不積累；而當(dāng)碳源受限時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短暫且低濃度的N?O峰值。這揭示了碳源充足是抑制PD/A工藝N?O產(chǎn)生的關(guān)鍵操作條件，為優(yōu)化工藝運(yùn)行、最小化溫室氣體排放提供了明確指導(dǎo)。

4.  評(píng)估工藝的環(huán)境可持續(xù)性：提供的高精度N?O數(shù)據(jù)是全面評(píng)估PD/A工藝環(huán)境效益（減少溫室氣體排放）不可或缺的一部分。這些數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地支持了該工藝不僅節(jié)能降耗，還能顯著降低碳足跡的結(jié)論，是其相較于傳統(tǒng)工藝的一大優(yōu)勢(shì)。

 

綜上所述，Unisense N?O微傳感器提供的高質(zhì)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不僅是證明PD/A工藝低N?O排放的關(guān)鍵證據(jù)，更是深入理解N?O產(chǎn)生機(jī)理、優(yōu)化工藝控制以實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益最大化的重要工具。