生物载体强化Dirammox处理高氨氮废水的效能机制：微生物群落调控与污泥特性优化

针对高浓度NH4+-N废水处理中微生物流失与污泥沉降性差的问题，研究人员通过引入椰壳（CS）和芬顿铁泥（FIM）生物载体，系统评估了Dirammox（直接氨氧化）技术的强化效果。结果表明，生物载体显著提升TN去除率（最高达64.90%）、缩短污泥恢复时间（SV30/SV5>0.9），并通过降低EPS分泌和增加微生物多样性优化了系统稳定性，为高负荷废水处理提供了创新策略。

　　

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论文解读

背景与挑战
氨氮（NH₄⁺-N）是工业废水和城市污水的典型污染物，浓度超过600 mg/L时即被定义为高浓度废水，其未经处理排放会引发水体富营养化、土壤酸化等环境问题。传统脱氮技术如硝化/反硝化（Nitrification/Denitrification）和厌氧氨氧化（Anammox）存在能耗高、碳源依赖或高负荷适应性差等瓶颈。Dirammox（直接氨氧化）作为一种新兴技术，能将NH₄⁺-N直接转化为N₂，大幅缩短脱氮路径，但微生物保留能力与污泥沉降性能的不足限制了其应用。

研究设计与方法
大连理工大学的研究团队通过序批式反应器（SBR）对比了无载体（R1）、芬顿铁泥（R2）和椰壳生物炭（R3）对Dirammox系统的强化效果。关键技术包括：

1. 水质分析：监测NH₄⁺-N、COD、TN、TP的去除效率；
2. 污泥特性评估：测定混合液悬浮固体（MLSS）、污泥体积指数（SVI）及胞外聚合物（EPS）含量；
3. 微生物群落分析：高通量测序解析载体对微生物多样性的影响；
4. 载体表征：扫描电镜（SEM）、比表面积分析（BET）和X射线光电子能谱（XPS）揭示载体结构与元素组成。

研究结果

1. 污染物去除效能

   • 在1000 mg/L NH₄⁺-N和10,000 mg/L COD的进水条件下，R3（椰壳）表现最优，TN去除率达64.90±3.74%，COD去除率97.66±0.70%，TP完全去除。
   • 生物载体显著缩短系统恢复时间，R3的SV₃₀/SV₅比值在10天内升至0.9以上，而R1（无载体）需30天仅达0.85。

2. 污泥特性优化

   • 载体添加降低EPS分泌（尤其是蛋白质类物质），减少污泥黏度，改善沉降性。
   • 芬顿铁泥（R2）因铁元素存在促进微生物附着，污泥浓度（MLVSS）较对照组提升15%。

3. 微生物群落响应

   • 载体组微生物α多样性指数（Shannon）提高20%，R3中脱氮功能菌（如Thauera）丰度增加；
   • 芬顿铁泥（R2）通过铁氧化还原循环富集了铁代谢相关菌群（如Geobacter）。

4. 载体特性解析

   • 椰壳生物炭（CS）的多孔结构（BET比表面积达312 m²/g）提供更多微生物附着位点；
   • 芬顿铁泥（FIM-A）经高温热解后形成Fe³⁺/Fe²⁺活性位点，增强电子传递能力。

结论与意义
该研究证实，生物载体通过物理吸附（增加比表面积）和化学调控（铁循环）双重机制，显著提升Dirammox系统的脱氮效率与运行稳定性。椰壳生物炭因其低成本与高孔隙率成为优选，而芬顿铁泥则实现了危险废物的资源化利用。成果发表于《Journal of Water Process Engineering》，为高氨氮废水处理提供了兼具环境友好性与工程可行性的解决方案，同时拓宽了生物载体在环境微生物领域的应用场景。