Quick start-up and stable operation of a one-stage deammonification reactor with a low quantity of AOB and ANAMMOX biomass

低量AOB和ANAMMOX生物質(zhì)的一級(jí)脫氨反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行

來源：Science of the Total Environment, Volume 654, 2019, Pages 933-941

《總體環(huán)境科學(xué)》，第654卷，2019年，第933-941頁

 

摘要

本研究成功實(shí)現(xiàn)了固定化好氧氨氧化細(xì)菌（AOB）和厭氧氨氧化細(xì)菌（ANAMMOX）在上流式反應(yīng)器（IAAR）中的一級(jí)脫氨過程的快速啟動(dòng)。通過凝膠層固定，AOB和ANAMMOX細(xì)菌具有優(yōu)異的空間分布，滿足同步好氧和厭氧氨氧化過程的溶解氧需求。結(jié)果表明，含有0.4 g-VSS L?1固定化生物質(zhì)的IAAR在僅10天運(yùn)行后達(dá)到氮去除率（NRR）0.53 kg-N m?3 d?1，隨后最大NRR達(dá)3.73 kg-N m?3 d?1。使用微電極測(cè)量DO和pH的微剖面，幫助理解凝膠層內(nèi)微生物過程的分層，F(xiàn)ISH分析驗(yàn)證了微生物分布，與DO和pH剖面一致，實(shí)現(xiàn)了低生物量下的快速適應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行。

 

研究目的

本研究旨在探究使用低濃度固定化AOB和ANAMMOX細(xì)菌的新型一級(jí)反應(yīng)器（IAAR）去除氨氮的可行性，分析固定化技術(shù)對(duì)脫氨過程啟動(dòng)時(shí)間和穩(wěn)定性的影響，并通過微電極和FISH分析揭示微生物空間分布與反應(yīng)性能的關(guān)系。

 

研究思路

研究開發(fā)了固定化AOB和ANAMMOX細(xì)菌的IAAR系統(tǒng)，通過短期實(shí)驗(yàn)（7天）比較不同生物量濃度（0.4-1.2 g-VSS L?1）下固定化與非固定化系統(tǒng)的氮去除性能，并進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)（94天）評(píng)估在不同氮負(fù)荷率（NLR）和DO條件下的穩(wěn)定性。使用丹麥Unisense微電極測(cè)量凝膠層內(nèi)DO和pH的深度分布，結(jié)合FISH分析微生物群落空間分布，以驗(yàn)證分層結(jié)構(gòu)對(duì)過程優(yōu)化的作用。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 氮去除率（NRR）和單位生物量氮去除率（BNRR）數(shù)據(jù)，來自Fig.3和Fig.4。研究意義：短期實(shí)驗(yàn)顯示IAAR系統(tǒng)在低生物量（0.4 g-VSS L?1）下7天內(nèi)NRR達(dá)0.5 kg-N m?3 d?1，BNRR為1.25 g-N g-VSS?1 d?1，高于非固定化系統(tǒng)，證明固定化技術(shù)能增強(qiáng)生物活性，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，減少接種污泥量。

 

 

2 DO和pH微剖面數(shù)據(jù)，來自Fig.5。研究意義：微電極測(cè)量顯示DO從AOB層（0-1200μm）的3.0 mg L?1降至ANAMMOX層（1200-2400μm）的0.3 mg L?1以下，pH在7.14-8.37間變化，證實(shí)凝膠層形成理想氧梯度，確保AOB和ANAMMOX在各自最佳條件下工作，避免DO抑制和底物競(jìng)爭(zhēng)。

 

3 微生物群落分布數(shù)據(jù)，來自Fig.6的FISH。研究意義：三維圖像顯示AOB（綠色）主要分布在凝膠下層，ANAMMOX（紅色）在上層，與DO剖面匹配，驗(yàn)證空間分層促進(jìn)協(xié)同作用，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

4 長(zhǎng)期運(yùn)行性能數(shù)據(jù)，來自Fig.4和Table 1。研究意義：IAAR在94天內(nèi)適應(yīng)NLR從0.6升至4.1 kg-N m?3 d?1，NRRmax達(dá)3.73 kg-N m?3 d?1，而非固定化系統(tǒng)啟動(dòng)慢且波動(dòng)大，表明固定化技術(shù)提升負(fù)荷耐受性和操作韌性。

 

 

結(jié)論

1 IAAR系統(tǒng)使用低生物量（0.4 g-VSS L?1）可在10天內(nèi)快速啟動(dòng)脫氨過程，NRR達(dá)3.73 kg-N m?3 d?1，優(yōu)于傳統(tǒng)非固定化系統(tǒng)。

2 凝膠固定化創(chuàng)造分層微環(huán)境，DO和pH梯度優(yōu)化AOB和ANAMMOX代謝條件，減少抑制，提升氮去除效率。

3 微電極和FISH分析證實(shí)微生物空間分布與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一致，為一級(jí)脫氨工藝的工程應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究使用丹麥Unisense微電極（型號(hào)Ox-10和pH電極，尖端直徑10μm）在線測(cè)量凝膠層內(nèi)溶解氧（DO）和pH的深度分布。研究意義在于：微電極提供高分辨率（步長(zhǎng)100μm）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，精確揭示AOB和ANAMMOX菌層的氧和pH梯度。如Fig.5所示，DO從AOB層表面3.0 mg L?1降至ANAMMOX層0.3 mg L?1以下，pH變化反映硝化和厭氧氨氧化產(chǎn)酸/堿過程，直接驗(yàn)證了凝膠分層結(jié)構(gòu)的有效性。這些數(shù)據(jù)證實(shí)低DO滲透保護(hù)ANAMMOX菌活性，避免好氧抑制，同時(shí)確保AOB充分硝化。Unisense電極的精準(zhǔn)測(cè)量量化了微生物生態(tài)位分化，為優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作參數(shù)（如DO控制）提供了關(guān)鍵證據(jù)，支撐了IAAR系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。