乙醇与甲醇作为耦合部分反硝化-厌氧氨氧化二级处理MBBR工艺碳源的比较研究

《Journal of Environmental Management》：Comparison of ethanol and methanol as carbon sources for coupled partial denitrification-anammox secondary treatment with MBBR technology

　　

研究人员成功将PNA生物膜在处理真实废水的条件下于20天内适应为PdNA工艺。乙醇性能优于甲醇，体现在氮去除率和厌氧氨氧化贡献上。在20?°C下，乙醇比甲醇实现了高25%的氮去除率。甲醇选择性富集了Hyphomicrobium_A，抑制了厌氧氨氧化。乙醇在15?°C下仍维持82%的氮去除效率，表现出耐冷性。

可持续污水处理日益依赖于A-B工艺配置，其中B阶段采用自养厌氧氨氧化（anammox）工艺脱氮。然而，anammox代谢固有地产生NO₃^?，使总无机氮（TIN）去除率理论上限仅约89%，实际传统工艺通常仅为80%–87%。残余的TIN（11%–20%）排放至受纳水体可诱发富营养化，欧盟新修订的城市污水处理指令因此收紧了氮排放限值。为去除这部分残余氮，可将部分反硝化（PdN）与anammox耦合为PdNA（部分反硝化-厌氧氨氧化）工艺，利用外加少量碳源将NO₃^?部分还原为NO₂^?，再由anammox与NH₄⁺共同去除。相比完全反硝化，PdNA可节省约60%外源碳（COD_EXO），具有显著经济和减碳优势。碳源类型是影响PdNA性能的关键因素：现有研究表明乙酸效果最佳（NRE 82%–97%），甘油有效（NRE 76.6%），而甲醇表现较差（NRE约59%–60%），原因是甲醇会选择性富集甲基营养反硝化菌，使完全反硝化路径增强并抑制anammox活性。乙醇具有比甲醇更高的反硝化速率，且比化石基甲醇更具可持续性，但此前尚无研究使用真实市政废水长期评估乙醇驱动PdNA，其热力学化学计量也未被定义。这些知识空白阻碍了乙醇在工程中的应用。因此，本研究在移动床生物膜反应器（MBBR）中以真实市政废水长期运行，系统评估乙醇基PdNA的可行性，并与相同条件下的甲醇基PdNA进行对比。
研究人员在实验室构建了两台平行MBBR（总容积5?L，工作容积2?L），接种来自瑞典Ekeby WWTP的Anita? Mox工艺的K5生物膜载体；废水由Klagshamn WWTP二级活性污泥出水与Sj?lunda WWTP消化液按NO₃/NH₄≈1.32混合配制，共三个批次（Feed1–3）。实验历时156天，分为启动期和五个运行阶段，依次改变进水批次、有机负荷和温度（20?°C降至15?°C），两反应器始终以相同COD_EXO/NO₃投配比进料。研究人员每日监测氮素与COD浓度，通过物料衡算计算氮去除速率（NRR）和效率（NRE）及anammox贡献率（AMX%）；采用McCarty热力学电子当量模型（TEEM）推导PdN化学计量比；开展五轮ex-situ批次试验测定比活性；并在第0、127、156天采集生物膜进行16S rRNA基因扩增测序（Oxford Nanopore平台）分析微生物群落。结果表明：乙醇基PdNA在20?°C下获得0.54?gN·m^?2·d^?1的NRR和76%的NRE，分别比甲醇高25个百分点和15个百分点；AMX%达80%，而甲醇体系仅57%。在15?°C下，当负荷降低50%后，乙醇体系仍维持82%的NRE和70%的AMX%；甲醇体系NRE为67%，AMX%仅49%。化学计量分析显示，乙醇体系在20?°C实现53%的碳源节省，接近理论最大值；基于校准化学计量模型的预测值与实验值高度吻合（NRR预测R2=0.99）。微生物测序表明，甲醇反应器中富集了Hyphomicrobium_A（11.3%）等甲基营养完全反硝化菌，导致Brocadiaceae丰度降至13.2%；乙醇反应器中Hyphomicrobium_A几乎检测不到，Brocadiaceae丰度保持16.3%，反硝化菌群落更多样，从而减弱了对anammox的NO₂^?竞争。
3.1 长期PdNA工艺性能
3.1.1 启动与生物膜适应
在启动期（0–20天），两反应器以低NLR（0.35?gN·m^?2·d^?1）和逐步升高的COD_EXO/NO₃（0.80→1.70）运行。尽管发生数次硬件故障，两系统均在20天内完成适应，NRR从0.06–0.08升至0.20–0.25?gN·m^?2·d^?1，NRE从16%–22%升至58%–73%，表明生物膜具有快速驯化能力。
3.1.2 20?°C稳态性能（Phase 1–3）
在20?°C下，当进料改为三种真实废水批并维持目标负荷和COD_EXO/NO₃≈2.1–2.2时，乙醇反应器的NRR（0.54?±?0.06?gN·m^?2·d^?1）、NRE（76%?±?7%）和AMX%（80%?±?7%）均显著高于甲醇反应器（NRR 0.43?±?0.06，NRE 61%?±?6%，AMX% 57%?±?9%）（p?3.1.3 15?°C性能（Phase 4–5）
温度降至15?°C后，保持原负荷时两系统性能均下降，但乙醇反应器仍保持更高NRR和AMX%（p?≤?0.002）。将NLR降低约50%后，乙醇反应器NRE回升至82%?±?4%，AMX%为70%?±?7%；甲醇反应器NRE为67%?±?8%，AMX%仅49%?±?5%。批次活性试验证实生物膜在30?°C时仍保留较高内在活性，说明性能恢复可行。
3.1.4 碳源节省与化学计量分析
通过校准K值（能量传递效率）得到PdN化学计量系数：甲醇1.71、乙醇1.65?gCOD/gN-NO₃，与Heijnen方法独立计算一致。将PdN与anammox耦合后，优化投配比为NO₃/NH₄≈1.00，COD_EXO/NO₃≈2.06–2.10。与完全反硝化相比，乙醇体系实验碳源节省达53%?±?7%（20?°C），接近理论值56%；甲醇体系仅44%?±?7%。模型对乙醇体系NRR、AMX%的预测值与实测值高度相关（R2=0.99）。
3.2 微生物群落分析和批次试验
16S rRNA基因测序显示，初始PNA生物膜中Brocadiaceae占20.5%。运行127天后，Proteobacteria成为两反应器最丰富门类（甲醇32.9%、乙醇24.5%）。甲醇反应器中甲基营养菌Hyphomicrobium_A（11.3%）、Methylotenera_A（2.1%）和Pseudomethylobacillus（1.9%）大量增殖，Brocadiaceae降至13.2%；乙醇反应器中这些菌几乎不存在，Brocadiaceae为16.3%，且Gammaproteobacteria中的Desulfobacillus等反硝化菌多样性更高。批次试验显示甲醇系统硝酸盐和亚硝酸盐还原速率更高，但anammox比活性相对较低，与连续实验观察到的AMX%下降一致。碳源而非时间是驱动群落分化的主导因素（反应器间Bray-Curtis距离0.22–0.26，大于同一反应器随时间的转变0.13–0.15）。
3.3 工程意义和未来展望
研究表明甲醇在长期运行中会通过富集完全反硝化菌而削弱anammox活性，工程上应优先选择乙醇等非甲基营养碳源。乙醇基PdNA的碳源节省优势有助于满足欧盟新指令的严格氮排放限值；单级MBBR配置简化了控制，且可直接利用现有Anita Mox载体的PNA生物膜进行改造。未来需开展中试验证，结合自动配比控制（COD_EXO/NO₃和NO₃/NH₄），评估低于15?°C的低温性能，量化N₂O排放，并进行不同碳源的技术经济与碳足迹比较。
讨论与结论：
讨论部分指出，甲醇通过促进甲基营养完全反硝化菌生长，强化了与anammox对NO₂^?的竞争，长期运行会抑制anammox活性；乙醇则维持了anammox在生物膜中的较高丰度，群落结构更稳定。乙醇的碳源节省效果接近理论极限，且对温度波动具有较好耐受性，具有全规模应用潜力。研究结论为：在156天的真实市政废水处理中，乙醇作为单级PdNA MBBR系统的碳源优于甲醇，表现为更高的氮去除速率（0.54?gN·m^?2·d^?1）、更高的去除效率（76% vs. 61%）和更高的anammox贡献率（80% vs. 57%）；在15?°C冬季条件下，乙醇系统在降低负荷后仍可维持82%的NRE。乙醇基PdNA相比完全反硝化可实现53%的碳源节省。甲醇系统富集了完全反硝化菌，而乙醇系统维持了更高的anammox丰度。两套系统均展现出对三种废水成分变化和多次运行干扰的稳健恢复能力。