解锁厌氧氨氧化潜力：通过策略性硝酸盐引入和微生物协同作用强化市政污水脱氮

《Bioresource Technology》：Unlocking the potential of anaerobic ammonia oxidation: Enhancing nitrogen removal in municipal wastewater through strategic nitrate introduction and microbial synergy

本研究提出在厌氧/好氧/缺氧(Anoxic)的厌氧氨氧化(Anammox)工艺中，于缺氧阶段引入硝酸盐(NO3–)的新策略，成功耦合部分硝化(PN)与内源部分反硝化(EPD)，显著提升了总无机氮(TIN)去除效率(达97.6%)和Anammox贡献率(至58.9%)，并促进了Candidatus Brocadia等厌氧氨氧化菌(AnAOB)与反硝化聚糖菌(DGAOs)的协同作用，为主流污水可持续脱氮提供了新途径。

　　

Highlight

反应器设置与运行

一个实验室规模的序批式反应器(SBR)被用于长期运行。接种污泥来自一个在AOA条件下运行的SBR的闲置悬浮污泥。进水为来自北京某高校宿舍区化粪池的实际市政污水，其水质特征如下：NH₄⁺-N 70.9 ± 5.0 mg/L, COD 190.7 ± 26.0 mg/L, NO₂^–-N 0.2 ± 0.1 mg/L, NO₃^–-N 0.3 ± 0.1 mg/L, PO₄^3--P 6.8 ± 1.2 mg/L。SBR每天运行两个周期，每个周期11小时。

反应器长期营养物去除性能

在长期运行期间，生物反应器采用AOA模式运行，在初始厌氧阶段投加实际市政污水。反应器运行超过200天，并根据是否在缺氧阶段引入硝酸盐分为两个阶段。

第一阶段（第1-134天）的脱氮性能不尽如人意，TIN去除效率为77.0 ± 3.8%。具体而言，出水以NH₄⁺-N为主。

硝酸盐引入增强厌氧氨氧化系统脱氮的机制

硝酸盐的引入将脱氮过程从部分硝化-厌氧氨氧化(PNA)转变为部分硝化/内源部分反硝化-厌氧氨氧化(PNEPDA)，从而实现了优异的脱氮性能。长期运行中观察到的TIN去除效率的快速提升表明，硝酸盐引入有效激发了潜在的内源部分反硝化(EPD)途径。针对混合电子受体（NO₂^– 和 NO₃^–）的批次测试进一步证明，硝酸盐引入瞬时促进了系统性能。

结论

本研究通过在实际市政污水处理中，向基于厌氧氨氧化的AOA工艺的缺氧阶段引入硝酸盐，实现了深度脱氮。硝酸盐引入后，来自双重部分途径（部分硝化PN和内源部分反硝化EPD）的亚硝酸盐供应增强了厌氧氨氧化性能，其贡献占TIN去除的58.9%。尽管硝酸盐引入使氮负荷率(NLR)增至87.7 ± 1.4 g N/m³/d，但系统仍实现了97.6%的优异脱氮效率。如此高的脱氮性能归因于厌氧氨氧化菌(AnAOB)与反硝化聚糖菌(DGAOs)之间成功的微生物协作。宏基因组分析揭示了关键基因ackA和acs的上调，支持了DGAOs的内源碳储存和利用。这种AnAOB和DGAOs之间的合作为将厌氧氨氧化整合到主流及硝酸盐废水处理中提供了潜力，为可持续营养物管理铺平了道路。