通过电容式铵富集作用强化主流厌氧氨氧化过程：提高氮转化效率并重塑PN/A微生物群落结构

《Biochemical Engineering Journal》：Mainstream anammox strengthened by capacitive ammonium enrichment: Enhanced nitrogen conversion and reorganization of the PN/A microbial community

　　

摘要

主流部分亚硝化-反硝化（PN/A）工艺受到生物底物需求与市政污水处理液中低浓度铵盐之间的根本性不匹配的限制。本研究在PN/A工艺上游安装了电容去离子化（CDI）装置，以在前生物转化过程中浓缩铵盐。通过响应面优化确定了实际的运行窗口，重复的电吸附-再生循环将${\text{NH}}_4^{+}?\text{N}$的浓度从50 mg L^-1提升至100.46–101.65 mg L^-1（富集系数为2.02 ± 0.01），同时从稀释流中去除了97.2 ± 0.6%的铵盐。与直接输入低浓度铵盐的方式相比，这种富集方法使铵盐去除率从48.72%提高到88.28%，总氮去除率从24.08%提高到67.03%；氮去除速率达到了0.224 kg N m^-3 d^-1，提高了5.9倍。性能的提升主要归因于微生物群体的重新组织，而非生物多样性的增加：α多样性变化不大，而Candidatus Kuenenia菌种的表达更加稳定，参与氮转化的微生物群体形成了更加紧密的共生关系。广泛的预测功能基本保持不变，表明富集过程促进了现有功能群体的稳定组织，而非整个微生物群落的完全替换。能量比较显示，CDI–PN/A和RO–PN/A的名义能耗分别为0.370 kWh m^-3和0.556 kWh m^-3，但由于未测量CDI的泵送能耗及文献中的不确定性，无法得出整体节能效果。因此，电化学预浓缩将PN/A工艺的部分控制从微生物选择转移到了上游的进料调节上，扩展了主流反硝化处理的可行操作范围。

引言

主流氮去除过程面临着工艺效率与进水特性之间的持续不匹配问题：基于反硝化的技术可以减少曝气和外部碳的需求，但随着市政污水温度降低和浓度降低，其稳定运行变得越来越困难[1]。因此，大多数污水处理厂（WWTPs）仍然依赖顺序硝化和异养反硝化来减少氮排放并缓解接收水体的富营养化[2]。在厌氧-缺氧-好氧（A2O）及相关活性污泥系统中，这些转化过程需要大量的曝气量和可生物降解的碳，导致高昂的能量和资源消耗[3]。厌氧铵氧化（anammox）提供了一种自养替代方案，可在无外加有机碳的情况下将铵盐和亚硝盐转化为氮气[4]。然而，稳定实现这种工艺仍具有挑战性[5]，主要是因为亚硝盐需要通过部分亚硝化或部分反硝化过程持续供应[6]。部分反硝化-反硝化（PDA）可以在无需严格控制硝化细菌（NOB）的情况下从硝酸盐生成亚硝盐[7]，但异养反硝化菌的过量繁殖可能会加剧对亚硝盐和生物量空间的竞争，从而限制反硝化菌（AnAOB）的生长[8]。部分亚硝化-反硝化（PNA）避免了外加碳的需求，但其主流运行仍易受低温、低氮负荷和亚硝盐供应不稳定性的影响[9]。市政污水中的NH4+?N浓度通常仅为30–50 mg/L[10]。在这种浓度范围内，体积转化率较低，维持铵氧化菌（AOB）和AnAOB的同时抑制NOB的生长空间十分有限。因此，在生物处理前预浓缩铵盐可以减少PNA稳定性对生物反应器内微生物选择的要求。

为了解决主流低浓度条件下PN/A工艺的限制，人们开发了几种策略，而不增加进水中的铵盐浓度。在反应器层面，颗粒污泥、生物膜和附着生长配置有助于减缓生长缓慢的AnAOB的流失，并为好氧氨氧化和反硝化转化提供空间差异化的微环境。结合低溶解氧或间歇曝气控制，这些配置可以在相对较低的铵盐浓度和温度下限制NOB的活性，从而维持氮的去除[11]。通过仔细控制生物量保留、氧气供应和反应器配置，已经实现了稳定的主流PN/A工艺，证实了低浓度铵盐并不会严重影响PN/A的运行。上游处理提供了一种补充手段，用于调整生物过程遇到的条件。碳分流过程可以减少进入PN/A的有机负荷，从而减少异养生物和自养氮转化菌群之间的竞争；而离子交换介质（如沸石）可以选择性捕获市政污水中的铵盐，并产生适合后续PN/A处理的富铵再生液[12]。这些方法代表了两种主流PN/A的工程策略：适应稀释进水或在前生物转化前对进水进行调节。电容去离子化（CDI）属于后者，因此在这里被视为一种替代的进料调节方法，而不仅仅是解决低浓度PN/A问题的唯一方案。

电容去离子化（CDI），也称为电吸附，提供了一种上游进料调节的方法。CDI是一种基于可逆离子捕获和释放的电化学分离过程[13]，已广泛应用于各种水和废水处理领域[14]。在施加电场的情况下，溶解的阳离子和阴离子向带有相反电极迁移并通过静电相互作用被捕获[15]，离子存储发生在电极-溶液界面的双层结构中[16]。再生过程释放被捕获的离子，当使用较小液体体积时，可将稀释进料转化为浓缩溶液。对于与PNA工艺的集成，CDI的关键输出不仅是净化后的水，还有再生液。其铵盐浓度、回收率、离子组成和生产成本共同决定了电化学分离是否能够改善氮处理负担，而不仅仅是简单的位置转移。以往的CDI研究主要关注吸附容量、去除效率或资源回收率等单独指标，较少关注再生液与下游生物过程的兼容性。因此，关键问题是CDI能否产生既满足PNA生物需求又符合主流处理经济要求的富铵溶液。

本研究探讨了CDI作为上游调节步骤在低浓度市政污水处理中的应用。研究了控制铵盐捕获和释放的运行条件，并设计了再生循环，以产生浓度约为原来的两倍的NH4+?N溶液，用于后续的生物转化。然后结合电化学性能和工艺经济性分析，确定进料浓度提升是否值得额外增加分离步骤。研究的根本观点是，主流PNA的局限性不必完全通过微生物控制来解决。通过将部分控制转移到上游的电化学单元，本研究探索了一种新的工艺架构，即根据污水特性调整生物过程，而不是让生物过程适应稀释的进水。

章节摘录

碳电极的制备

商业活性炭常被用作电吸附实验中最有效的吸附剂之一[17]。电极由活性炭粉（比表面积：1690 m2/g，500目，YP-50F，Kuraray Co., Ltd.）、聚偏二氟乙烯（PVDF，Jilin Materials Science and Technology Co., Ltd.）和炭黑（Super P Li，Cabot Corporation，USA）按8:1:1的质量比混合制成。首先，将PVDF溶解在NMP中制备5%的PVDF溶液

CDI促进低浓度废水转化为适用于PN/A的流程

CDI有效捕获了低浓度的NH4+?N，吸附性能主要受施加电压、水力停留时间、进水浓度和pH值的影响。电压从0.4 V升高到1.2 V后，铵盐去除率显著提高，表现为电导率降低、平均吸附速率（ARE）和吸附能力（AAR）升高。这种改进归因于强化的电双层结构和更大的离子迁移驱动力

结论

本研究的核心结论是，通过改进进水条件而非仅依赖严格的微生物控制，可以增强主流部分亚硝化-反硝化（PN/A）工艺。电容去离子化（CDI）能够将稀释液中的铵盐有效浓缩为适用于下游PN/A的再生液，使总氮去除率从24.08%提高到67.03%，氮去除速率达到0.224 kg N m^-3 d^-1

CRediT作者贡献声明

强：林寨：指导王金祥：指导朱雅楠：指导常明明：资金获取吕振宁：指导蒋淑婷：指导，方法学陈洁：指导陈庆辉：指导，数据整理，概念化刘洪强：指导韩洁：撰写 - 审稿 & 编辑，初稿撰写，验证，方法学，正式分析，概念化杨月涵：指导马永光：指导朱彤：项目协调

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系

致谢

本研究得到了中国宁夏自然科学基金（项目编号：2026AAC020078）和中华人民共和国国家自然科学基金青年科学家资助计划（编号：42407169）的支持，由常明明负责

无

Jie Han | Chen Qinghui | Jiang Shuting | He Shumin | Dang Xiaoyan | Ma Yongguang | Chang Mingdong | Zhu Yaonan | Wang Jinxiang | Lin Zhai | Yang Yuehan | Liu Hongqiang | Chen Jie | Lv Zhenning | Wang Youzhao | Zhu Tong