一体化部分反硝化/厌氧氨氧化生物滤器中氯酸盐介导的亚硝酸盐积累与氮去除调控

《Environmental Research》：Chlorite-mediated regulation of nitrite accumulation and nitrogen removal in integrated partial denitrification/anammox biofilter

　　

• •
  ClO₂^?的添加使一体化PD/A系统的总氮去除率从62.74%提升至85.27%。
• •
  ClO₂^?减少了电子浪费，将亚硝酸盐累积率（NAR）提升至81.77%，厌氧氨氧化贡献率超过98%。
• •
  ClO₂^?提高了nar/nir基因比值，从分子水平上阻断了NO₂^?-N的进一步还原。
• •
  ClO₂^?改变了Thauera亚簇结构，使hdh丰度提高了27.5%，增强了厌氧氨氧化潜力。

引言

厌氧氨氧化（anammox）因其无需曝气、有机碳需求极低、能耗低以及几乎不产生剩余污泥等优势，被公认为具有重大工程应用潜力的可持续脱氮技术（Ma等，2017）。目前，厌氧氨氧化通常与部分亚硝化（PN/A）工艺耦合，主要用于处理高浓度氨氮废水（Jiang等，2024）。为将厌氧氨氧化技术应用到低浓度氨氮废水的处理中，部分反硝化（PD）已成为一种极具前景的耦合策略，其将硝酸盐（NO₃^?-N）部分还原为亚硝酸盐（NO₂^?-N），从而为厌氧氨氧化提供稳定的底物（Du等，2019）。

目前，PD/A工艺主要分为两种运行模式：两级式和一体化系统。尽管两级式系统便于分段控制运行，但反应池间的NO₂^?-N传递极易受环境波动影响，常常导致底物供需不匹配，以及因异养反硝化菌过度还原而造成底物浪费。此外，两级式系统无法原位利用厌氧氨氧化产生的副产物NO₃^?-N，从而限制了总氮去除效率（Han等，2021）。为克服空间分离带来的缺陷，一体化PD/A系统应运而生。通过在单一反应器内实现NO₂^?-N的原位生成与即时消耗，一体化系统不仅增强了部分反硝化菌与厌氧氨氧化菌（AnAOB）之间的代谢耦合，还通过原位还原NO₃^?-N副产物提高了总氮去除速率。同时，NO₂^?-N的及时清除有效缓解了底物累积对微生物群落造成的反馈抑制，确保了系统的动态平衡、高效性和稳定性（Liu等，2023）。

然而，一体化PD/A工艺仍受限于底物竞争问题。从机理上讲，异养反硝化菌既充当NO₂^?-N的"供应者"，又是"竞争者"（Du等，2024）。由于其生长速率更快且电子亲和力更高，常规反硝化菌往往会绕过部分反硝化阶段，导致生成的亚硝酸盐被内源消耗。数据显示，在未调控的系统中，亚硝酸盐累积率（NAR）通常低于40%–60%，导致AnAOB底物匮乏（Zhuang等，2022）。虽然已有调节水力停留时间（HRT）（Zhang等，2020a）、pH（Shi等，2019）、碳源（Liao等，2023；Zhang等，2020b）或添加抑制剂（如羟胺）等策略被提出（Jenni等，2014），但其在全尺度污水处理厂（WWTPs）中的应用常因进水波动和经济效益问题而受到阻碍。

近年来，亚氯酸盐（ClO₂^?）在环境系统中的多重调控作用引起了关注。研究表明，ClO₂^?可改变土壤微生物结构，并在再生水入渗过程中诱导亚硝酸盐累积。例如，在NO₃^?-N浓度约为10 mg/L的环境中，ClO₂^?的存在会导致地下水中NO₂^?-N显著累积（Wei等，2023），表明其促进硝酸盐还原的同时抑制亚硝酸盐还原。这一现象为减少对严格运行条件的依赖提供了潜在策略。尽管ClO₂^?诱导的亚硝酸盐累积已在土壤中观察到，但其在连续流一体化系统（具有更大工程潜力）中的可行性及调控机制仍有待深入探索。

本研究探讨了利用ClO₂^?作为生物调节剂在一体化PD/A系统中驱动亚硝酸盐累积的可行性。首先，运行了四组平行连续流一体化PD/A生物滤池，系统评估不同ClO₂^?浓度梯度下的脱氮性能，并确定最佳运行投加量。随后，利用合成废水开展长期连续流运行及HRT调控实验，验证ClO₂^?对脱氮性能的增强作用。通过¹⁵N同位素示踪、宏基因组分析和对比实验进一步探究其增强的主要机理。最后，讨论了该策略在实际废水条件下实现稳定脱氮性能的优势和 application 潜力。

章节摘要

实验装置与操作步骤

由于碳源不足，市政污水处理厂（WWTPs）厌氧-缺氧-好氧（AAO）工艺的二级出水中氮浓度通常在20 mg/L左右，主要以硝酸盐（NO₃^?-N）形式存在（Luo等，2024）。本研究采用一体化PD/A工艺处理此类出水，以在最小化碳消耗的前提下实现深度脱氮。因此，进水NO₃^?-N浓度维持在约20 mg/L。

在本

不同亚氯酸盐浓度下一体化PD/A系统的脱氮性能

图1展示了在COD/NO₃^?-N（C/N）比为3的条件下，不同亚氯酸盐浓度下氮去除效率的变化情况。在未添加亚氯酸盐的情况下，系统的氮去除效率有限，仅为62.74% ± 1.38%，出水中的NO₃^?-N浓度相对较高，而NH₄⁺-N去除率适中（图1a）。这一差异表明，部分反硝化（PD）过程中的底物供应不足以维持强劲的

结论

本研究证实，亚氯酸盐（0-1.0 mg/L）可有效增强一体化部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）系统，在C/N比为3的条件下，将总氮去除效率从62.74%提升至85.27%。在投加量为0.5 mg/L时，耦合系统在HRT为5-12 h的范围内表现出优异的水力冲击负荷耐受性，总氮去除效率始终保持在80%以上。从机理上讲，ClO₂^?促进了亚硝酸盐累积（62.24%→81.77%），并且

CRediT作者贡献声明

Yue Yue：撰写——初稿。Haiyan Liu：数据管理。Zhansheng Ma：正式分析。Linkai Cai：调查研究。Zhaoying Liu：软件操作。Gang Liu：验证。Xiaochun Cui：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Yue Yue|Haiyan Liu|Zhansheng Ma|Linkai Cai|Zhaoying Liu|Gang Liu|Xiaochun Cui