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替代方案：在增強工藝穩定性方面的進展  

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

《環境科學與技術》，第54卷，2020年，頁碼6353-6364  

 

摘要  

本研究評估了一種高效的替代方案，以替代當前基于亞硝化（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，經由PD耦合厭氧氨氧化（PD/A）工藝進行脫氮。盡管溫度波動頻繁（25.7–16.3°C），但獲得了優異的出水水質，總氮（TN）< 5 mg L?1。Thauera屬（負責PD）是優勢反硝化菌（36.4%–37.4%），并與Candidatus Brocadia（anammox菌；0.33%–0.46%）共存。高效的PD/A工藝與傳統硝化/反硝化工藝相比，可實現曝氣能耗降低50%，有機碳源需求減少80%，并且氧化亞氮（N?O）產量更低。研究表明，將anammox與靈活的NO??-N供應相結合，作為一種穩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證利用部分反硝化（PD）作為亞硝酸鹽（NO??-N）供應源，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、穩定性和效能。重點評估該工藝在環境溫度波動、進水水質變化下的脫氮性能、微生物群落結構演變、溫室氣體（N?O）排放特性，以及其相對于傳統工藝的環境和經濟效益。

 

研究思路  

1.  工藝構建與長期運行：建立兩個串聯的序批式反應器（SBR）系統。一個為硝化SBR（NF-SBR），負責將進水中的NH??-N完全氧化為NO??-N；另一個為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碳驅動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.  性能監測與評估：在195天的長期運行中，持續監測兩個SBR的進出水水質，包括NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN、COD等濃度，計算脫氮效率、負荷率等關鍵性能指標。

3.  微生物機理探究：

    ?   活性測試：定期進行批次實驗，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，分析不同運行階段污泥樣品中的微生物群落結構，特別是PD菌（如Thauera）和anammox菌（如Ca. Brocadia）的豐度和變化。

 

4.  環境影響評估：通過批次實驗，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N?O產生動態，量化其溫室氣體排放潛能。

5.  比較分析與優化：將PD/A工藝的性能（脫氮效率、能耗、碳源需求、污泥產量、N?O排放）與傳統硝化/反硝化工藝進行對比，評估其技術經濟性和環境可持續性。

 

測量的數據及研究意義  

1.  長期水質數據（來自圖1，表1）：監測了NF-SBR和PD/A-SBR進出水的NH??-N、NO??-N、NO??-N、TN、COD濃度。該數據直接證明了PD/A工藝在溫度波動和進水變化下，能持續實現高效脫氮（TN去除率>93.7%，出水TN<5 mg L?1）和有機物去除，展示了其卓越的穩定性和處理效果。

 

 

2.  微生物活性數據（來自圖2b）：通過批次實驗測定了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）和硝酸鹽轉化率（NTR），以及anammox的活性。該數據揭示了功能微生物的核心代謝能力，表明PD過程具有高且穩定的NO??-N積累能力（NTR >90%），且對溫度變化不敏感，這是PD/A工藝穩定運行的關鍵機理。

 

3.  典型周期轉化曲線（來自圖2a, 圖3）：展示了PD/A-SBR一個反應周期內氮化物（NH??-N, NO??-N, NO??-N）和有機物（COD, PHA）濃度的動態變化。該數據直觀揭示了“PD快速產生NO??-N”與“anammox同步消耗NH??-N和NO??-N”的耦合過程，以及內碳源（PHA）在后續反硝化中的作用，為理解工藝內在反應機制提供了時間序列證據。

 

4.  N?O產生動態數據（來自圖4，表2）：使用Unisense N?O微傳感器實時監測了不同外碳源投加條件下，批次試驗中溶解態N?O的濃度變化。該數據至關重要，它首次量化了PD/A工藝處理實際污水時的N?O排放特征，證明其N?O產量極低（峰值<0.31 mg N L?1，且迅速被還原），遠低于傳統工藝，評估了該工藝的溫室氣體排放風險。

 

 

5.  微生物群落結構數據（來自圖5）：通過高通量測序獲得了不同運行時間點污泥微生物群落在門水平和屬水平的組成。該數據表明Thauera（PD功能菌）和Ca. Brocadia（anammox菌）在整個運行過程中持續存在并成為關鍵功能菌屬，從微生物生態學角度解釋了工藝功能穩定性的原因。

 

結論  

1.  PD/A工藝是一種高效、穩定且靈活的主流城市污水處理技術。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），克服了傳統亞硝化（PN）工藝因亞硝酸鹽氧化菌（NOB）難以抑制而導致NO??-N供應不穩定的核心難題。

2.  該工藝對溫度波動（16.3–25.7°C）和進水水質變化展現出強大的抵抗力，能持續實現優異的脫氮效果（TN去除率>93.7%，出水TN<5 mg L?1）和有機物去除（COD去除率~75.8%）。

3.  微生物分析證實Thauera菌屬是驅動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）協同共生，實現高效的氮去除。

4.  與環境影響方面，PD/A工藝相較于傳統硝化/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.  該研究為現有污水處理廠的升級改造提供了一條極具潛力的新路徑，無需復雜的NOB抑制控制，僅通過優化硝化池出水和原污水的進水比例，即可實現穩定高效的脫氮。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

本研究中使用丹麥Unisense公司生產的N?O微傳感器（N?O microsensor，型號N?O-100）對PD/A工藝處理實際污水過程中的溶解態N?O濃度進行了實時、在線、連續監測（響應時間快，檢測限低至0.0028 mg N L?1），這一技術手段具有重要的研究意義：

1.  高時間分辨率與過程解析：傳統離線采樣方式無法捕捉N?O在反應過程中瞬時產生和消耗的動態細節。Unisense微傳感器提供了連續的數據曲線（圖4），能夠精確確定N?O積累的峰值、出現的時間點以及后續被還原的速率。這有助于識別N?O產生的高風險階段（如碳源不足時初期）。

2.  準確量化溫室氣體排放：實時監測的溶解態N?O濃度是計算該工藝N?O產率（N?O-N產生量/去除的N量）最直接、準確的數據基礎。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排放風險很小，這為其環境友好性提供了關鍵證據。

3.  揭示N?O產生與操作條件的關聯：通過關聯不同外碳源（乙酸）投加量（COD/NO??-N比）與N?O的動態曲線，發現當外碳源充足（COD/NO??-N ≥ 2）時，N?O幾乎不積累；而當碳源受限時，會出現短暫且低濃度的N?O峰值。這揭示了碳源充足是抑制PD/A工藝N?O產生的關鍵操作條件，為優化工藝運行、最小化溫室氣體排放提供了明確指導。

4.  評估工藝的環境可持續性：提供的高精度N?O數據是全面評估PD/A工藝環境效益（減少溫室氣體排放）不可或缺的一部分。這些數據強有力地支持了該工藝不僅節能降耗，還能顯著降低碳足跡的結論，是其相較于傳統工藝的一大優勢。

 

綜上所述，Unisense N?O微傳感器提供的高質量實時數據，不僅是證明PD/A工藝低N?O排放的關鍵證據，更是深入理解N?O產生機理、優化工藝控制以實現環境效益最大化的重要工具。