论文ID
原名：The successful integration of anammox to enhance the operational stability and nitrogen removal efficiency during municipal wastewater treatment
译名： 市政污水处理过程中厌氧氨氧化的成功整合提高了系统的运行稳定性和脱氮效率
通讯作者：Liang Zhang
作者单位：National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology
期刊：Chemical Engineering Journal
发表时间：2022
// 文章亮点 //
��� 稳定的厌氧氨氧化提高了脱氮稳定性。
��� 内源性反硝化和厌氧氨氧化的协同作用对87.1%的NRE至关重要。
��� AnAOB从4.25×106富集并保持在3.1±0.9×108 copes/g SS。
��� 尽管温度从28℃降至17℃厌氧氨氧化仍保持活性。
��� 在不同的碳氮比下，厌氧氨氧化对脱氮的贡献高于50%。
摘要✦
厌氧氨氧化（anammox）工艺是一种很有前景的节能减碳技术。然而，其在城市污水处理中的应用优势尚未完全实现。本研究通过直接整合稳定的厌氧氨氧化，在厌氧/好氧/缺氧（AOA）工艺中成功实现了稳定的脱氮。尽管温度下降（27.8-17.2°C）和碳氮（C/N）比波动（1.6-5.0），在超过200天的运行期间内，厌氧氨氧化菌的丰度(3.1±0.9×108copes/gSS）和厌氧氨氧化活性（0.32±0.07mgN/(gSS·h)）仍然很高。厌氧氨氧化活性补偿了低温和低碳氮比对硝化和反硝化的影响，该工艺成功地保持了87.1±2.5%的稳定脱氮效率。进一步分析发现，厌氧氨氧化占52.6%-57.5%的N2产生贡献，其余N2通过硝化-反硝化产生。稳定的厌氧氨氧化实现主要是由于氧气和碳源的限制以及内源反硝化对亚硝酸盐的稳定供应。这些研究结果证实，通过在适当条件下整合厌氧氨氧化可以提高城市废水中脱氮稳定性和效率。
摘要
研究背景✦
硝化和反硝化是高效、经济且广泛使用的废水生物脱氮工艺。然而，当硝化和/或反硝化速率受到抑制时（可能发生在低温和低碳氮比等不利条件下），会发生不稳定的脱氮。因此，在进水条件波动的情况下保持稳定的脱氮仍然是城市污水处理的瓶颈，为此研究人员提出了不同的策略来解决这个问题。
将厌氧氨氧化工艺整合到常规硝化和反硝化中是一种很有前景的方法，可以在低碳氮比的情况下提高废水中的脱氮效率。在厌氧氨氧化过程中，在不需要碳源和溶解氧的条件下，亚硝酸盐和铵被转化为N2。厌氧氨氧化与生物脱氮相结合，直接去除部分进水氮，提高脱氮效率。碳源节约可以进一步增强反硝化作用，以减轻低温和低碳氮比的不利影响。此外，厌氧氨氧化菌(AnAOB)逐渐适应低温冲击负荷并在15至30°C之间保持稳定。这表明在城市废水处理中整合厌氧氨氧化工艺实现稳定脱氮的可行性。
之前的一些研究已经证明了城市废水引入厌氧氨氧化工艺进一步脱氮的可行性。AnAOB在大型市政污水处理厂中普遍存在，反硝化结合厌氧氨氧化已证实是富集AnAOB的潜在策略，因为它可以规避亚硝酸盐氧化菌的不稳定抑制并改善氮的去除率。最近的研究表明，AnAOB和特定的反硝化菌（如糖原累积生物(GAO)）可能协同实现进一步脱氮。通过厌氧预处理，流入系统的有机物转化为细胞内碳源。然后，内源反硝化将硝酸盐还原为亚硝酸盐，并进一步经厌氧氨氧化处理，成功地改善了脱氮效果。然而，很少有研究评估内源反硝化与厌氧氨氧化的长期稳定性，特别是处理波动条件下的实际城市污水。此外，脱氮效果与厌氧氨氧化的富集、稳定性和贡献之间的联系尚未得到全面认识。
在这项研究中，厌氧/好氧/缺氧(AOA)系统用于处理城市废水。控制好氧区末端的残留铵，将厌氧氨氧化工艺整合进入系统，而无需接种厌氧氨氧化污泥。随着碳氮比的波动和温度的降低，作者在较长的运行周期内对系统的脱氮效率和稳定性进行了评估。该研究还调查了AnAOB和微生物群落的活性和丰度，并探讨了厌氧氨氧化对脱氮的贡献。最后，作者对系统内脱氮与厌氧氨氧化的相关性进行了综合评估。
结果✦
01
AOA系统的脱氮性能和微生物群落
整个系统的脱氮性能如图1所示。在AOA系统运行237天期间，好氧区残留氨氮控制在10 mg/L左右。由于季节变化，温度从27.8°C下降到17.2°C。随着进水水质的变化，碳氮比从1.6波动到5.0，平均为3.12。系统启动后大约10天，在12到108天之间实现了稳定的脱氮。在平均温度为26.8±0.4°C时，NH4+-N和TIN的去除效率分别为94.6±3.9%和79.2±4.2%。出水中的TIN浓度随着NH4+-N的增加而增加。随着温度的降低，TIN去除效率略微下降至70.7±4.2%。这是由于随着温度的降低，硝化作用减弱。该系统实现了高效的脱氮，温度为18.8±1.0°C时，NH4+-N和TIN去除效率分别为94.7±2.8%和87.1±2.6%。与室温(26.8±0.4°C)相比，低温(18.8±1.0°C)下的脱氮效率更高。此外，随着系统的运行，微生物多样性增加，表明更高的系统稳定性。
图1. AOA系统在运行237天期间的氮和有机碳去除性能（A：TIN，B：NH4+-N，C：COD）。
02
AOA系统不同区域的脱氮性能
在低温下测量了不同区域的变化（32次测量），以分析AOA系统中的脱氮性能。COD和硝酸盐浓度下降，表明硝酸盐还原通过反硝化作用发生。除了反硝化消耗的碳源外，COD降低了58.14mg/L。细胞内碳源浓度的增加表明碳储存是在厌氧区进行的。在缺氧区，COD浓度没有降低，结合GAOs的富集（图3（B）和图4（A）），确定硝酸盐的还原是通过内源反硝化进行的。磷浓度保持在5.96±0.36mg/L。据报道，反硝化除磷菌Candidatus Accumulibacter的相对丰度从0.22%降至0.04%。因此，没有考虑该菌的脱氮作用。值得注意的是，在缺氧区和厌氧区，硝酸盐和铵的浓度同时降低，铵去除可能是因为厌氧氨氧化。
图2. 不同区域的脱氮条件（A：低温（160-237天）不同区域氮的平均变化（32倍）。B：厌氧，好氧，缺氧和SST中的氮去除比例和室温和低温下进水和出水的氮含量比例）。
图2(B)显示了不同区域的平均TIN损失。在室温和低温下，脱氮主要在缺氧区完成（44-53%）。与室温相比，低温下出水中TIN的比例较低。缺氧区的TIN损失平均从35.62增加至29.46mg/L(p<0.05)。缺氧区的铵去除率从室温下的9.74mg/L增加到低温下的10.55mg/L。这表明脱氮量的增加主要是由于反硝化和厌氧氨氧化耦合作用的。
03
AOA系统中的厌氧氨氧化性能
��� AnAOB的丰富和维持
qPCR结果显示AnAOB在启动35天后在AOA系统中快速富集。AnAOB功能基因从4.25×106增加到1.75×108copes/gSS，hzsB功能基因从2.13×106增加到1.50×108copes/g SS（图4（A））。通过使用适合AnAOB生长的合成废水中，该系统实现了3-12天AnAOB的增殖。实际城市废水中AOA系统的AnAOB倍增时间更短，为9.16±0.73d。在长期运行阶段（35-233天），AnAOB和hzsB的平均丰度分别稳定在3.11±0.85×108和1.68±0.52×108 copies/g SS。这表明AnAOB在系统中保持稳定。Candidatus Brocadia是在系统中使用高通量测序检测到的唯一AnAOB属（图3(B)）。
��� 长期运行期间的厌氧氨氧化活性
缺氧区是主要的脱氮区。因此，作者对该区域的脱氮性能进行了长期研究。图4(B)显示稳定的铵去除。厌氧氨氧化活性以比铵去除率定义，为0.32±0.07mgN/(gSS·h)。
��� 厌氧氨氧化对脱氮的贡献
从第107天到第215天，作者进行了四批测试，以探索该系统中厌氧氨氧化脱氮的贡献。在厌氧和缺氧状态下的每批测试中都观察到铵和硝酸盐的同时去除。DO低于0.1mg/L，对照组（仅添加铵）的NH4+-N浓度没有下降。这表明铵不是由AOB转化的，而是由AnAOB转化的。根据NH4+-N和NO3--N浓度随时间变化的线性拟合计算特定去除率。图5(A)表明在厌氧状态下，比铵去除率最高，为0.36±0.08mgN/(gSS·h)。在这种状态下，厌氧氨氧化的最大脱氮率为0.12mgN/(L·d)，占TIN脱除量的49.13%。部分反硝化-厌氧氨氧化在缺氧状态下对脱氮的贡献最大，占71.86%。在该状态下，厌氧氨氧化的最大脱氮率为0.10mgN/(L·d)。在四个好氧批次测试中，NH4+-N浓度没有显着降低（p<0.05）。因此，厌氧氨氧化对好氧状态下脱氮的贡献不需要被考虑。
图3. AOA系统第1、133和233天的微生物群落分析（A：主要细菌门的比例（相对丰度高于0.1）；B：属水平上功能细菌的相对丰度）。
图4. AnAOB和GAOs的活性和丰度变化（A：AnAOB、hzsB和GAOs的丰度；B：厌氧状态下厌氧氨氧化结合内源反硝化的活性）。
��� 通过厌氧氨氧化增强脱氮
作者研究了厌氧状态下通过内源反硝化结合厌氧氨氧化脱氮的机制。图5(B)表明亚硝酸盐在不添加铵的情况下积累。引入厌氧氨氧化后，亚硝酸盐没有积累，比硝酸盐去除率和TIN损失增加。通过与厌氧氨氧化结合增加亚硝酸盐的去除，通过内源反硝化促进硝酸盐还原增强氮的去除。亚硝酸盐为电子受体，考虑到厌氧氨氧化后，内源反硝化作用的比亚硝酸盐去除率降低，但增加了额外硝酸盐的还原（由厌氧氨氧化产生），从而导致了脱氮效果的增强。结果再次表明，内源反硝化和厌氧氨氧化可以协同促进氮去除，并且在和内源反硝化对亚硝酸盐的竞争中具有优势。
图5. 比氮去除率（A：不同状态；B：缺氧状态）。
讨论✦
01
稳定的厌氧氨氧化提高了系统脱氮的稳定性和效率
在这项研究中，通过控制进入缺氧区的残留铵，将厌氧氨氧化系统整合到城市污水处理系统中。即使温度降低（27.8-17.2°C）和碳氮比波动（1.6-5.0），也可以实现长期稳定和高效的脱氮。同时，AnAOB的丰度、活性和脱氮均维持稳定。这种稳定的厌氧氨氧化性能是系统在脱氮方面维持较高稳定性和效率的关键。
首先，厌氧氨氧化是主要的脱氮途径，在该系统中的脱氮贡献占52.6%-57.5%。其次，厌氧氨氧化的整合减少了脱氮所需的碳源。此外，由于细胞内的碳源储存和内源性反硝化，GAOs能够在碳源充足的情况下储存过多的碳源，并在碳源不足的情况下利用它。因此，尽管C/N比存在波动，但通过厌氧氨氧化整合内源反硝化有利于维持系统的稳定性。最后，稳定的厌氧氨氧化补偿了低温下的氮去除。在低温下硝化作用的恶化是传统硝化反硝化系统中脱氮不足的主要原因。缺氧区通过厌氧氨氧化导致脱氮量的增加，再加上内源反硝化作用，提高了系统低温下的脱氮效率。
02
厌氧氨氧化富集与维持的潜在机制
活性污泥实现了AnAOB的快速富集和维持。为了维持部分硝化作用，采用了在好氧状态结束时控制铵残留的策略。AOA系统中溶解氧和有机物的长期限制为AnAOB生存空间提供了竞争优势。这是由于控制好氧区末端的残留铵和厌氧区的碳源储存。此外，与厌氧区反硝化相比，缺氧区内源反硝化与厌氧氨氧化贡献更高。较低的比内源反硝化速率可以使厌氧氨氧化更容易获得亚硝酸盐。这与先前研究的结果相似，在这些研究中，引入缓慢生物降解的有机物减缓了有机物的释放和反硝化作用，有利于厌氧氨氧化的整合。最后，与先前研究中的亚硝酸盐相比，与铵共存的硝酸盐引起了更高的厌氧氨氧化作用。以亚硝酸盐为电子受体，内源反硝化主要与厌氧氨氧化竞争亚硝酸盐还原。当硝酸盐和亚硝酸盐共存时，内源反硝化优先利用硝酸盐。整合厌氧氨氧化后，通过减少亚硝酸盐的积累，促进（内源反硝化作用的）硝酸盐还原，提高了脱氮效果。此外，AnAOB和GAO同时富集。这表明与竞争相比，厌氧氨氧化和内源反硝化在该系统中具有更大的协同作用，有利于促进厌氧氨氧化的进行。
结论✦
将厌氧氨氧化整合到AOA系统中处理市政污水，成功地提高了系统脱氮的稳定性和效率。通过稳定的厌氧氨氧化去除更多的氮补偿了在低温和低碳氮比下硝化和反硝化作用的有限能力。内源反硝化与厌氧氨氧化结合，提高了低温下的脱氮效果。控制好氧区末端的残留铵是在活性污泥中富集AnAOB而无需接种的有效策略。AnAOB的维持和稳定得益于AOA系统中溶解氧和有机碳的限制，以及与内源反硝化的协同作用。
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