空间自组织与动力学平衡实现硫驱动厌氧氨氧化系统的高速自养脱氮

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Spatial Self-Organization and Kinetic Balancing Enable High-Rate Autotrophic Nitrogen Removal in a Sulfur-Driven Anammox System

　　

摘要

将单质硫（S⁰）驱动的同养脱氮与厌氧氨氧化（anammox）耦合，为一种低碳足迹的脱氮策略，但其更广泛应用受到微生物群间空间–功能耦合不足以及在高氮负荷率（NLR）下不稳定的限制。本研究证明，通过动力学–空间平衡，可在2.0? L序批式反应器中实现稳定、高速的完全自养脱氮，在氮负荷率为1.6–2.7? kg? N/m³/d条件下连续运行210 d。S⁰投加量主导了系统性能：5? g/L [1.9? g S⁰/(g NO₃^--N)/d]为最佳投加量，实现氮负荷率2.39? kg? N/m³/d，脱氮效率为92.5 ± 1.2%，沉降性能良好（SVI₅为31.7 ± 0.8? mL/g）。形成了壳–芯生物膜结构，Thiobacillus（7.2%）富集于外围，Candidatus Kuenenia（5.1%）富集于内部。相反，10? g/L的投加量引发了动力学解耦：硫酸盐积累和近零游离亚硝酸使亚硝酸盐竞争转向异养反硝化菌，anammox丰度降至< 1%，而出水水质得以维持。硫酸盐依赖的厌氧氨氧化（sulfammox）在NO₂^-受限条件下作为次要途径，贡献了3.2–12.3%的脱氮量。这些发现建立了一个动力学–空间平衡框架，其中S⁰供给决定了反应动力学和空间自组织，为高速自养脱氮系统的可持续设计提供了依据，需在更广泛的负荷范围和反应器构型中进行验证。

引言

高氨氮侧流废水（例如厌氧消化液、垃圾渗滤液和某些工业废水）中氨氮（NH₄⁺）与硝酸盐（NO₃^-）的共存对水资源回收设施构成了持久挑战。这些侧流通常含有100–1000? mg/L的NH₄⁺-N浓度和有限的生物可利用有机碳（C）；因此，传统异养反硝化需要外部补碳，产生了可观的化学成本（[12]；Ma等人，2015）。厌氧氨氧化（anammox）直接将NH₄⁺和亚硝酸盐（NO₂^-）转化为氮气（N₂），能耗低且不需要有机碳，已被确立为适用于这类富氮、碳受限侧流的节能工艺[15]，[27]，[30]。

然而，anammox对NO₂^-作为电子受体的严格化学计量依赖（NH₄⁺:NO₂^- = 1:1.32）仍然是一个根本性的操作制约[29]。通过部分硝化（例如SHARON工艺）或异养部分反硝化提供常规NO₂^-需要复杂的工艺控制，且易受环境扰动影响，通常在水质波动条件下损害稳定性[18]，[37]。将anammox与S驱动的同养脱氮耦合提供了一种替代方案，即一种完全自养的NO₂^-供给策略。在这种耦合方案中，S氧化菌（SOB）将NO₃^-还原为NO₂^-，随后被anammox菌（AnAOB）消耗；anammox副产物NO₃^-被循环回SAD工艺，理论上建立了一个闭环脱氮循环[32]，[5]。

SAD组成部分电子供体的选择是系统稳定性和效率的关键决定因素。可溶硫化物（S^2-）驱动的SOB优先将NO₂^-而非NO₃^-还原，使它们与AnAOB产生直接的底物竞争（[17]，[26]；Gong等人，2024）。相比之下，硫（S⁰）驱动的SOB表现出顺序代谢层级，先将NO₃^-还原为NO₂^-，然后再将NO₂^-进一步还原为N₂ [5]，[6]，[7]。这种顺序还原减轻了SOB和AnAOB之间对NO₂^-的直接竞争，并预计有利于稳定的互养共生关系。S⁰还提供了一些实际优势：成本低（50–100美元/吨）、化学稳定性好、在工程系统中使用的剂量下毒性极低，且低水溶性可在无需连续投加的情况下维持电子供体的释放[14]。

尽管存在这些优势，S⁰驱动SAD-anammox系统在高氮负荷率（NLR）下实施仍面临未解决的挑战。S⁰缓慢的溶解动力学限制了NO₂^-供给速率，可能造成底物瓶颈（Gong等人，2023）。调控SOB-AnAOB相互作用的机制，特别是S⁰可利用性如何控制从互利共生到竞争动态的转变，尚未得到充分表征。硫酸盐依赖的厌氧氨氧化（sulfammox）作为次要途径在这些系统中的定量贡献和潜在机制仍未得到验证[38]。此外，现有研究主要考察复合电子供体（例如黄铁矿耦合SAD）或低负荷条件；因此，纯S⁰在高NLR下的固有底物利用动力学仍了解不足[25]，[3]。由于S⁰不溶于水，其有效电子供给速率同时取决于粒径、比表面积、传质阻力、补充方式和颗粒保留或流失；因此，标称S⁰投加量（g/L）不应等同于电子供给速率。最近的研究已在确定的硫酸盐/NH₄⁺条件下解决了sulfammox动力学问题，激发了本文所采用的批次实验设计（第2.4节和S4节）。

本研究通过基于集成动力学–空间平衡框架的系统性研究来填补这些知识空白。假设S⁰投加量不仅仅是电子供体来源，而是一个同时调控三个相互依赖过程的生态杠杆：(i) SOB产生NO₃^- → NO₂^-与AnAOB消耗NO₂^-的动力学耦合；(ii) 通过资源驱动选择进行的微生物群落组装；和(iii) 通过生态位构建进行的空间自组织。测试了三个具体的、可证伪的假设：(H1) 存在最佳S⁰投加量，可将SOB的NO₂^-产生与AnAOB的NO₂^-消耗在动力学上进行耦合，防止NO₂^-限制和抑制；(H2) 这种最佳动力学状态促进了共生壳–芯空间组织，最小化种间扩散距离；和(H3) 过量S⁰破坏这种平衡，导致动力学解耦、SOB竞争性空间过度生长以及随后的脱氮性能恶化。为每个假设定义了证伪标准如下：H1：没有任何S⁰投加量产生相等的NO₂^-产生和消耗速率；H2：未观察到空间结构上的投加量依赖性差异；H3：过量S⁰未改变SOB/AnAOB平衡或脱氮性能。假设通过单个反应器的分阶段运行、批次浓度分布、16S rRNA基因丰度和SEM成像进行评价；所得的生态解释被提议作为需要验证的工作模型，需要在连续流系统的重复实验中通过原位直接方法（例如FISH）进行验证。

章节片段

实验装置和操作条件

一个工作容积为2.0? L的实验室规模序批式反应器（SBR）在黑暗、30 ± 1 °C、pH维持在7.5–8.0的严格厌氧条件下连续运行210 d。反应器接种了1:1 (v/v)的anammox颗粒污泥和硫自养脱氮富集污泥混合物（初始混合液悬浮固体(MLSS) = 3800 ± 200? mg/L，MLVSS/MLSS = 0.65 ± 0.03）。模拟高氨氮侧流废水的合成进水

S⁰投加量和氮负荷对长期脱氮性能的联合影响

集成SAD-anammox SBR在210 d内四个运行阶段表现出明显的脱氮模式差异（图1）。由于NLR、HRT和进水底物浓度在第I–II阶段同时调整，这些阶段的性能反映了氮负荷和S⁰投加量的联合效应；S⁰投加量的具体效应是通过在恒定NLR为2.7? kg? N/m³/d下进行的第II→III→IV阶段比较来隔离的。在初始驯化阶段（第I阶段，0–46天，5? g S

结论

本研究证明，S⁰投加量作为一个生态杠杆，在共生自养脱氮系统中同时调控底物动力学、微生物群落组装和空间自组织。在表现最佳的测试比例（1.9? g S⁰/g NO₃^--N/d）下，SOB产生NO₂^-和AnAOB消耗NO₂^-的动力学匹配维持了低NO₂^-稳态、最小化种间扩散距离的壳–芯生物膜，以及2.39? kg? N/m³/d的脱氮速率，脱氮效率为92.5%

缩写表

AnAOB：厌氧氨氧化菌（anammox）；ANOVA：方差分析；ARE：氨氮去除效率；OTU：操作分类单元；BTA：批次实验；DO：溶解氧；FISH：荧光原位杂交；HRT：水力停留时间；MLSS/MLVSS：混合液（挥发性）悬浮固体；NAE：亚硝酸盐积累效率；NCE：亚硝酸盐传递效率；NLR：氮负荷率；NOB：亚硝酸盐氧化菌；NRE：硝酸盐去除效率；NRR：

未引用参考文献

[9]，[10]，[20]

CRediT作者贡献声明

陈迪云： 撰写 – 审稿与编辑。崔明超： 方法论、资金获取、概念化。姚越： 可视化、方法论、调查研究、形式分析、数据整理。龚健： 撰写 – 审稿与编辑、方法论、资金获取、概念化。林灿源： 撰写 – 原稿、方法论、调查研究、数据整理、概念化。邹文轩： 可视化、方法论、调查研究、形式分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：42077321、41877464）的财务支持。

林灿源|邹文轩|姚越|龚健|陈迪云|崔明超

广州市水务环境与水质保护重点实验室，广州大学环境科学与工程学院，中国广州510006