提高厌氧氨氧化（anammox）系统的启动和恢复效率：生物强化颗粒大小及铁离子投加量的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancing start-up and recovery of anammox systems: effects of bioaugmentation particle size and ferric iron dosing

氮去除效率及环境适应性研究；生物强化；完整颗粒；机械破碎颗粒；Fe3+投加

　　

杨志祥|李佳怡|西格弗里德·E·弗莱明克|尤作凯|闫静静|徐正和|魏东|李梦清|朱伟强

济南大学水利与环境学院，中国济南250022

摘要

厌氧氨氧化（anammox）工艺已成为一种具有成本效益的生物氮去除方法。然而，该工艺的应用受到厌氧氨氧化菌（AnAOB）对环境变化敏感以及需要足够活性生物量的限制。本研究比较了使用完整厌氧氨氧化颗粒（IAG）与机械破碎厌氧氨氧化颗粒（DAG）进行生物强化的效果，并探讨了添加三价铁（6 mg L^-1 Fe³⁺）的影响。两个运行效果不佳的序批反应器（SBRs）分别接受了生物强化：R1使用完整颗粒，R2使用机械破碎颗粒。这导致氮转化率立即显著提高，但随后活性逐渐下降，其中R2的下降速度最快。然而，添加三价铁后，厌氧氨氧化系统的氮去除性能得到恢复，R1和R2的总氮去除率（TNRR）分别从36.6 mg N L^-1 d^-1和6.8 mg N L^-1 d^-1提升至315.4 mg N L^-1 d^-1和320.3 mg N L^-1 d^-1。在停止添加三价铁后，两个系统的TNRR仍保持稳定，分别为466.2 mg N L^-1 d^-1和357.3 mg N L^-1 d^-1。主要的厌氧氨氧化菌属为“Candidatus Kuenenia”，其在三价铁存在下的相对丰度增加。本研究为恢复受抑制或速率受限的厌氧氨氧化系统提供了新的见解，有助于其实际应用。

引言

厌氧氨氧化（anammox）是一种有前景的氮去除工艺，具有显著优势，如对有机碳的需求低或无需有机碳、节省曝气能耗以及减少污泥产生（取决于操作条件[22]、[43]、[7]）。鉴于这些优势，厌氧氨氧化工艺在推动废水处理向更高效率、节能和资源回收方向发展方面受到了广泛关注，成为可持续水处理领域研究和应用的重点[11]、[31]、[33]。过去十年中，基于厌氧氨氧化的工艺已成功应用于处理富含氮的废水。

然而，厌氧氨氧化工艺中的关键菌株——厌氧氨氧化菌（AnAOB）在实际应用中容易受到环境变化的影响，包括溶解氧（DO）和重金属[23]、[46]、pH值突变[49]以及温度波动[35]等因素的干扰。因此，快速恢复AnAOB的活性对于维持该工艺的稳定性至关重要。此外，AnAOB的生长速度较慢，倍增时间较长，在适宜条件下可达11天[12]。因此，仅依靠自然富集和维持无法确保全年高水平的AnAOB污泥和稳定的氮去除效果。增加AnAOB生物量的最直接有效方法是生物强化，即通过向主流系统引入侧流产生的生物质来增强AnAOB[50]。一种新策略是储存夏季产生的多余污泥，用于冬季的生物强化，以提高氮去除效果[55]。

主流生物反应器与侧流生物反应器之间的环境差异可能阻碍接种污泥在生物强化后的适应，从而影响工艺效果。因此，确保接种污泥具有优异的氮去除性能至关重要。在絮体大小和形态方面，小絮体（通常为低密度絮体）和大絮体（通常为高密度颗粒）有所不同[34]，但大絮体具有更大的扩散限制和更低的表面积与体积比，可能导致反应动力学变慢。尽管生物强化已被证明能有效恢复受压的厌氧氨氧化系统[14]，但据我们所知，尚未有研究专门比较过AnAOB颗粒的完整性和大小对生物强化效果的影响。本研究通过比较完整厌氧氨氧化颗粒（IAG）与机械破碎厌氧氨氧化颗粒（DAG），探讨了颗粒完整性和尺寸对生物强化效果的影响。此外，机械破碎过程还模拟了颗粒在工程应用中可能经历的物理剪切作用，增强了研究的实际意义。

铁是废水中的常见金属，是AnAOB所需的必需微量元素（如含铁的关键酶和细胞色素），但过量铁会抑制其生长[16]。过去二十年里，关于铁在厌氧氨氧化工艺中的作用进行了大量研究。Feng等人[4]报告称，在15°C下添加4 mg L^-1亚铁（Fe²⁺可使特定厌氧氨氧化活性（SAA）显著提高至0.76 kg kg^-1 d^-1（增加了13.06%）。同样，三价铁（Fe³⁺也有显著效果：Hu等人[5]发现5 mg L^-1 Fe³⁺可促进“Candidatus Brocadia”的富集，并使氮去除率提高108%。Wang等人[41]指出，将Fe³⁺浓度从2.2 mg L^-1增加到5.6 mg L^-1可使特定厌氧氨氧化生长率从0.13 d^-1提高到0.17 d^-1。尽管Fe²⁺的研究更为广泛，但它极不稳定，容易被NO₃^--N氧化为Fe³⁺（这是厌氧氨氧化反应的副产物[4]），即使使用还原剂如Fe₃O₄或零价铁，环境中主要的铁形式仍然是Fe³⁺[10]。因此，本研究中选择6 mg L^-1 Fe³⁺是对现有研究[41]、[5]的合理延伸和实验验证。据作者所知，尽管关于Fe³⁺的研究越来越多，但其在生物强化后污泥中的应用仍尚未得到充分探索。

本研究的总体目标是探讨颗粒大小和三价铁对厌氧氨氧化生物强化的效果。为此，研究分为三个部分：（i）评估使用完整颗粒与机械破碎颗粒进行生物强化对氮去除性能和环境适应性的改善；（ii）评估添加三价铁（6 mg L^-1）对生物强化后性能恢复的影响；（iii）基于16S rRNA测序分析生物强化和三价铁添加过程中细菌群落的变化。本研究将有助于更快地恢复受抑制或容量受限的厌氧氨氧化系统，并促进基于厌氧氨氧化工艺的实际应用。

反应器设置

两个序批反应器（分别标记为R1和R2）接种了厌氧氨氧化污泥（见第2.4节），并加入合成废水（详见第2.3节）。每个反应器的有效体积为3.5 L，直径为120 mm，体积交换比为43%。反应器在室温（16.3–31.3℃）下运行，以模拟实际主流废水处理过程的特性。为减少大气氧的传递并维持适合厌氧氨氧化的低DO条件，采取了相应措施。

参数控制对受抑制的厌氧氨氧化系统影响有限

厌氧氨氧化系统的氮去除效果见图1和图2（分别为R1和R2）。在最初的18天内，R1和R2反应器中的NH₄⁺-N浓度稳定在66±6 mg N L^-1和68±5 mg N L^-1，总氮去除率分别为47.4±37.0 mg N L^-1 d^-1和31.8±27.0 mg N L^-1 d^-1。在此阶段，两个反应器的氮去除效果均较差。较低的亚硝酸盐/氨消耗比表明

结论

本研究表明三价铁（Fe³⁺能够恢复受抑制的AnAOB的活性。实验表明，将侧流中的AnAOB引入模拟主流条件的环境中（尽管氮浓度较高），仍能显著抑制其代谢活性。通过添加6 mg L^-1 Fe³⁺有效缓解了这种抑制作用。此外，使用完整颗粒（IAG）的系统表现出更强的环境抵抗力，系统稳定性更好

未引用参考文献

[19]

CRediT作者贡献声明

朱伟强：撰写 – 审稿与编辑、方法学、资金获取、数据分析。魏东：撰写 – 审稿与编辑。李梦清：撰写 – 审稿与编辑。徐正和：撰写 – 审稿与编辑、监督。尤作凯：撰写 – 审稿与编辑、资源获取。闫静静：撰写 – 审稿与编辑、资源管理。李佳怡：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析。西格弗里德·E·弗莱明克：撰写 – 审稿与编辑、资源管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了山东省泰山学者基金会[资助编号tsqnz20221147]和济南大学高级人才科学研究基金[资助编号511/1009520, 511/1011302]的支持。