UV-激活的过氧单硫酸盐辅助异养铵吸收用于高盐度渗滤液处理：机理与性能评估

《Environmental Research》：UV–activated peroxymonosulfate assisted heterotrophic ammonium assimilation for high–salinity leachate treatment: Mechanism and performance evaluation

UV/PMS与异养氨同化耦合系统高效处理高盐食品废料渗滤液，实现84.04%的NH4+-N和90.74%的COD去除率。预处理重塑微生物群落结构，功能菌属Halomonas、Pseudomonas富集，氨同化基因（gdhA/glnA/gltB）显著上调，污泥EPS蛋白含量提升促进微生物聚集，网络分析显示协同机制增强。

　　这项研究探讨了一种创新的处理策略，将紫外光/过硫酸氢盐（UV/PMS）高级氧化预处理与好氧异养氨同化（HAA）工艺相结合，以提高微生物对氮的同化能力和有机物的去除效率。研究重点在于解决食品废弃物渗滤液处理过程中遇到的复杂问题，包括难降解有机物、高盐度以及氨氮浓度高等因素。食品废弃物渗滤液是一种高强度废水，其特性使得传统处理方法难以有效应对，因此需要一种更为高效和可持续的解决方案。

食品废弃物在大型城市中每年的产生量超过6000万吨，然而实际的每日处理能力却不足14000吨，导致处理效率仅为5.25%。这种低效的处理能力使得大量未经处理的食品废弃物渗滤液进入环境，造成污染。渗滤液中含有高浓度的有机物，化学成分复杂，盐度高，甚至可能含有重金属和病原体，对环境和人类健康构成威胁。因此，开发一种能够高效处理高盐度渗滤液并实现氮资源回收的工艺显得尤为重要。

目前，处理高盐度渗滤液的方法主要包括膜处理、物理化学处理和生物处理。膜处理技术虽然能够有效去除大部分污染物，但膜污染和高浓度母液的问题降低了其成本效益。物理化学处理方法如混凝、吸附和固化等，往往只是将污染物从一个相转移到另一个相，未能从根本上解决污染问题。而传统的生物处理方法，如自养硝化和反硝化，以及厌氧氨氧化等，虽然在某些条件下表现出良好的效果，但在高有机浓度和高盐度环境下容易受到抑制，难以实现稳定的氮去除。

为了克服这些挑战，研究团队引入了一种基于海盐环境的异养氨同化微生物处理工艺（HAA），该工艺能够在高盐度条件下有效降解渗滤液中的有机物，并将氮转化为可回收的有机氮。然而，HAA工艺在面对难降解有机物时仍面临一定的挑战，因此需要结合预处理工艺来提高其处理效果。高级氧化工艺（AOP）因其能够产生高活性的自由基，被广泛应用于难降解有机物的处理，但其处理效果受多种因素影响，如氧化剂种类、反应条件和废水特性等。

在本研究中，团队选择将UV/PMS作为预处理工艺，与HAA相结合。PMS是一种绿色氧化剂，具有较低的成本和良好的环境耐受性。通过能量输入和电子转移，PMS可以生成羟基自由基（•OH）和硫酸根自由基（SO?^•?），这些自由基能够有效去除渗滤液中的难降解有机物，提高其生物可降解性。此外，UV/PMS预处理具有操作简便、无二次污染等优点，与传统热或金属阳离子活化方法相比更具优势。

然而，研究也发现，高盐度对UV/PMS预处理的效果有一定影响。高浓度的氯离子（Cl?）可能会削弱自由基的反应活性，导致有机物的降解不完全。因此，UV/PMS预处理后需要进一步结合生物处理工艺，以实现对难降解有机物的彻底去除，并确保氮资源的有效回收。通过将UV/PMS预处理与HAA相结合，研究团队成功构建了一个高效的耦合系统，该系统在长期运行中表现出显著的处理效果。

在实验中，团队首先进行了批次测试，以评估UV/PMS预处理对有机物降解的影响。测试结果显示，随着PMS浓度的增加，有机物的去除效率显著提高，尤其是在0.2至3 mM的浓度范围内。然而，当PMS浓度超过4 mM时，去除效率略有下降，这可能与自由基的自淬灭效应有关。因此，确定最佳的PMS浓度和反应时间对于提高预处理效果至关重要。

接下来，团队对UV/PMS预处理后的渗滤液进行了长期运行测试，以评估其对HAA工艺的影响。结果显示，UV/PMS预处理显著提高了氨氮和化学需氧量（COD）的去除效率，分别达到了84.04%和90.74%。这表明，预处理不仅能够有效去除难降解有机物，还能改善微生物的生长环境，从而促进其对氮的同化作用。此外，研究还发现，预处理后的渗滤液中，微生物的胞外聚合物（EPS）含量增加，结构更加紧密，这有助于提高污泥的稳定性，减少污泥流失，增强系统的抗干扰能力。

在微生物群落分析方面，研究团队发现UV/PMS–HAA系统显著增强了微生物的多样性。功能菌群如Halomonas、Pseudomonas和Thauera在该系统中得到了富集，这些菌群在高盐度环境下表现出较强的适应性和代谢能力。进一步的网络分析和系统稳定性分析表明，UV/PMS–HAA系统中的微生物合作更加紧密，系统对环境扰动的敏感性降低，整体处理能力更强。这些结果表明，UV/PMS预处理不仅能够改变微生物的结构，还能促进其功能的优化，从而提高系统的处理效率。

研究还对微生物的代谢基因进行了分析，发现氨氮同化相关基因（如gdhA、glnA和gltB）在UV/PMS–HAA系统中显著上调，而硝化相关基因（如amoA和hao）则几乎不表达。这一结果表明，系统主要依赖异养微生物进行氨氮的同化，而非传统的硝化过程。异养微生物通过将氨氮转化为有机氮，实现了氮资源的回收，同时减少了氮的损失。此外，酶活性分析进一步支持了这一结论，显示系统中GS（谷氨酰胺合成酶）和GOGAT（谷氨酸-γ-半醛转氨酶）的活性显著提高，细胞内的谷氨酸（Glu）、谷氨酰胺（Gln）和三甲胺（TAA）水平也有所增加，这些物质的积累表明了微生物对氮的高效利用。

研究还探讨了预处理对微生物群落相互作用的影响。通过网络分析，团队发现UV/PMS–HAA系统中的微生物之间存在更强的正向相互作用，这种相互作用有助于维持系统的稳定性和提高处理效率。此外，系统对环境变化的敏感性降低，表明其具有较强的鲁棒性，能够在不同条件下保持良好的处理效果。这些结果表明，UV/PMS预处理不仅能够改善废水的物理化学性质，还能促进微生物群落的优化，使其更适应高盐度环境，从而提高整体的处理能力。

从实际应用的角度来看，UV/PMS–HAA耦合系统为高盐度废水的处理提供了一种新的思路。该系统不仅能够有效去除难降解有机物，还能实现氮资源的回收，减少了氮的损失，提高了资源的利用率。此外，该系统具有操作简便、无二次污染等优点，符合当前可持续发展的需求。在实际应用中，还需要进一步优化预处理条件，以确保其在不同水质和处理规模下的适用性。

研究团队还强调了该系统的环保意义。在处理高盐度渗滤液时，传统的处理方法往往伴随着较高的能耗和资源消耗，而UV/PMS–HAA系统则能够在降低能耗的同时，实现高效的污染物去除和资源回收。这种工艺的推广和应用，不仅有助于改善水环境质量，还能为资源回收和循环利用提供新的途径。

总体而言，这项研究通过将UV/PMS预处理与HAA工艺相结合，成功构建了一个高效的高盐度废水处理系统。该系统在长期运行中表现出优异的处理效果，不仅提高了氨氮和COD的去除效率，还增强了微生物的多样性和稳定性，促进了氮资源的回收。研究结果为高盐度废水的处理提供了新的方法和思路，具有重要的理论和应用价值。未来的研究可以进一步探索该系统的优化和扩展，以适应更多类型的高盐度废水处理需求。