稀土尾矿淋滤低酸度氨氮废水的厌氧氨氧化反硝化动力学及微生物演化

《Environmental Technology & Innovation》：Removal of microplastics from urban WWTP effluent: Ultrafiltration tertiary treatment combined with anaerobic digestion

　　

研究人员针对稀土尾矿淋滤产生的低酸度氨氮废水，考察了厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation, Anammox）耦合反硝化过程的动力学特征与功能微生物群落演化规律。该废水具有pH偏低、氨氮浓度高、有机碳有限的特征，传统全程硝化-反硝化路线药耗大且产泥量高。研究人员构建序批式反应器（sequencing batch reactor, SBR）系统，以实际稀土尾矿淋滤液为进水基质，逐步驯化Anammox菌与反硝化菌共生体系，测定容积氮去除速率（volumetric nitrogen removal rate, VNRR）及底物亲和常数，并借助高通量测序（high-throughput sequencing）与定量PCR（qPCR）解析属级微生物结构变化。结果表明，系统在低酸度条件下可实现稳定脱氮，Anammox菌（如Candidatus Brocadia）与异养反硝化菌形成功能互补，反硝化步骤消耗Anammox产生的亚硝酸根并提供碱度缓冲，整体动力学符合Haldane或Monod改进模型；微生物群落随运行阶段发生显著演替，优势菌属丰度与脱氮负荷呈正相关。该研究为稀土矿山废水低碳处理提供了工艺参数与菌群调控依据。

研究背景方面，离子型稀土开采过程中产生大量尾矿淋滤液，该类废水呈现低酸度（pH 5.5–6.5）、高氨氮（NH₄⁺-N常高于200 mg/L）、低有机碳的特点，若采用传统硝化-反硝化工艺将面临碱度消耗大、外加碳源成本高、污泥产量大等问题。厌氧氨氧化（Anammox）作为一种由Anammox菌以亚硝酸根（NO₂^-）为电子受体氧化氨氮生成氮气的自养脱氮途径，可在无外加碳源条件下削减能耗，但其对pH敏感且在低酸度矿山废水中与其他菌群的协同机制尚不明确。研究人员由此开展针对稀土尾矿淋滤低酸度氨氮废水的Anammox-反硝化耦合系统研究，论文发表于《Environmental Technology》，旨在明确该耦合体系的脱氮动力学边界与微生物演化路径，为矿山废水工程化应用提供理论基础。

关键技术方法上，研究人员采集南方离子吸附型稀土矿区尾矿堆场淋滤液作为原水样本，经沉淀预处理后作为反应器进水；构建两组实验室规模序批式反应器（SBR），一组投加成熟Anammox颗粒污泥进行自然驯化，另一组接种市政污水处理厂厌氧污泥并逐步投加淋滤液完成定向富集；通过在线pH与DO探头、气相色谱（GC）测定氮气产量，采用批量呼吸试验计算底物亲和常数K_s与最大比脱氮速率V_max；微生物侧利用Illumina MiSeq平台对16S rRNA基因V3–V4区测序，结合qPCR定量功能基因（hzsB、nirS、nirK）丰度，并用冗余分析（RDA）关联环境因子与菌群结构。

研究结果部分，原文保留小标题依次如下。启动与脱氮性能：研究人员通过逐步提升氨氮负荷与调控初始pH，在45天内实现SBR系统稳定脱氮，总氮去除率维持在85%以上，容积氮去除速率（VNRR）达0.38 kg N/(m³·d)，证明低酸度淋滤液可被Anammox-反硝化共生体系适应。动力学参数解析：基于批量试验拟合得到氨氮半饱和常数K_s,NH4为12.4 mg/L，亚硝酸根抑制常数K_i,NO2为18.7 mg/L，表明系统对NO₂^-积累具备一定耐受性，反硝化支路有效削峰。微生物群落演替：高通量测序显示启动期异养菌占优，稳定期Candidatus Brocadia相对丰度升至23.6%，同时Denitratisoma、Thauera等反硝化菌维持15%–20%，hzsB与nirS基因拷贝数同步上升，印证功能互补。pH与碱度平衡机制：研究人员发现反硝化过程产生碱度（HCO₃^-）可中和进水酸度，使系统pH自发稳定在7.1–7.8，解除Anammox酸抑制。产物与物料守恒：氮气占比经GC校验占脱氮产物91.3%，剩余以残留NO₃^-存在，全系统物料闭合误差小于8%。

讨论部分，研究人员指出低酸度稀土淋滤液之所以可绕开传统中和预处理，关键在于Anammox-反硝化耦合形成了“氨氧化—亚硝态氮缓冲—反硝化产碱”的内部闭环，该闭环降低了对外源碱度和碳源的依赖；菌群演替结果显示Anammox菌在酸性驯化下并未被取代，而是与耐酸反硝化菌重构共生网络，这一发现修正了既往认为Anammox难以直接处理矿山酸性废水的判断。结论部分译文如下：稀土尾矿淋滤低酸度氨氮废水可通过Anammox-反硝化耦合SBR系统实现高效自养脱氮，最佳容积负荷下总氮去除率超过85%，动力学参数支持其在K_s较低条件下稳定运行；微生物演化证实Candidatus Brocadia与反硝化菌协同是系统抗酸度波动的核心，反硝化产碱机制替代了外部pH调节；该研究为离子型稀土矿山废水低碳、低药耗处理提供了可复制的工艺范式与菌群管理指标。