Successful sulphide-driven partial denitrification: Efficiency, stability and resilience in SRT-controlled conditions  

硫化物驅(qū)動的部分反硝化成功實現(xiàn)：SRT控制條件下的效率、穩(wěn)定性與恢復力  

來源：Chemosphere, Volume 295，2022, Article Number 133936  

《環(huán)境科學》，第295卷，2022年，文章編號133936  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出硫化物驅(qū)動的部分自養(yǎng)反硝化（PAD）是一種為厭氧氨氧化（Anammox）提供亞硝酸鹽（NO??）的解決方案。本研究通過選擇性控制進水S/N比（硫/氮比）和污泥停留時間（SRT），在連續(xù)攪拌釜反應器（CSTR）中實現(xiàn)了高效的NO??還原為NO??。結(jié)果表明：在SRT 23小時、S/N=0.58 gS/gN條件下，亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化效率（NiCE）高達99%，且嚴格硫限制條件（S/N<0.8）下Thiobacillus取代Sulfurimonas成為優(yōu)勢菌屬（83%）。呼吸計量測試顯示硝酸鹽攝取率穩(wěn)定（90±10 mgN/gVSS/h），而亞硝酸鹽攝取率受環(huán)境影響顯著。初步評估表明高游離亞硝酸（FNA）可能導致N?O排放增加（2.0-2.4%）。

 

研究目的：  

最大化硫化物驅(qū)動的部分反硝化（NO??→NO??）效率。  

 

探究SRT和進水S/N比對亞硝酸鹽積累的協(xié)同影響。  

 

評估微生物群落動態(tài)、N?O排放及高NO??環(huán)境下的代謝響應。

 

研究思路：  

反應器設計與操作：采用2.5L CSTR反應器，以硫氧化細菌（SOB）富集污泥為接種物，控制SRT（40、23、13小時）和進水S/N比（0.5-1 gS/gN），維持嚴格硫限制條件（表1）。  

 

 

性能評估：監(jiān)測硝酸鹽去除率（NRE）、亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化效率（NiCE）及亞硝酸鹽積累效率（NiAE），通過硫/氮質(zhì)量平衡驗證硫化物氧化路徑。  

 

呼吸計量測試：通過脈沖添加電子受體/供體（NO??、NO??、HS?），測定硝酸鹽/亞硝酸鹽攝取速率（NUR/NiUR）（表2，圖3）。  

 

 

微生物分析：通過16S rRNA測序分析SRT和S/N對菌群結(jié)構(gòu)的影響（圖2）。  

 

N?O監(jiān)測：采用丹麥Unisense N?O微傳感器測量反應器頂空N?O濃度。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義：  

氮轉(zhuǎn)化效率（圖1b，表1）：  

 

NiCE達77±17%（SRT=13h）至95±7%（SRT=23h），證明SRT控制可優(yōu)化亞硝酸鹽積累。  

 

意義：明確SRT≤23h和S/N≤0.8是實現(xiàn)高效PAD的關(guān)鍵參數(shù)。  

硫化物氧化路徑（圖1c）：  

 

硫酸鹽（SO?2?）產(chǎn)率>90%，表明硫化物完全氧化。  

 

意義：證實硫限制條件下無元素硫（S?）積累，避免電子傳遞抑制。  

微生物群落（圖2）：  

 

SRT 23h時Thiobacillus相對豐度達83%（初始<1%），嚴格硫限制促進高生物能量效率菌屬。  

 

意義：揭示Thiobacillus的膜結(jié)合硝酸鹽還原酶（Nar）在硫限制下的競爭優(yōu)勢。  

呼吸計量數(shù)據(jù)（圖3）：  

 

NUR穩(wěn)定（90±10 mgN/gVSS/h），不受高NO??（120 mgN/L）或FNA（4-5 μgN/L）抑制。  

 

意義：證實硝酸鹽還原步驟的魯棒性，為工藝設計提供動力學依據(jù)。  

N?O排放（正文）：  

 

估算排放因子2.0-2.4%（基于Unisense數(shù)據(jù)），F(xiàn)NA升高可能促進N?O生成。  

 

意義：警示需優(yōu)化pH以抑制N?O排放。

 

結(jié)論：  

進水S/N<0.8 gS/gN和SRT≤23h可實現(xiàn)NiCE>95%，SRT控制提升系統(tǒng)抗擾動能力（如負荷突變后3天恢復）。  

 

硫限制條件驅(qū)動微生物群落從Sulfurimonas向Thiobacillus演替，后者Nar酶系統(tǒng)更適應能量限制環(huán)境。  

 

硝酸鹽還原速率（NUR）對高NO??/FNA不敏感，而亞硝酸鹽還原速率（NiUR）易受抑制，支撐亞硝酸鹽積累機制。  

 

需關(guān)注高FNA下N?O排放風險，建議pH調(diào)控緩解。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

在"1.1.5. Microbial community analysis"和"N?O emission"部分，使用Unisense N?O微傳感器監(jiān)測反應器頂空氣體。其研究意義包括：  

精準量化溫室氣體：直接測定頂空N?O濃度（μmol/L級精度），避免傳統(tǒng)氣相色譜的采樣誤差。  

 

過程關(guān)聯(lián)分析：發(fā)現(xiàn)FNA>3 μgN/L時N?O排放升高，揭示高亞硝酸鹽環(huán)境可能刺激不完全反硝化。  

 

工藝優(yōu)化依據(jù)：為降低PAD/A聯(lián)合工藝的碳足跡提供關(guān)鍵參數(shù)，指導pH調(diào)控策略抑制N?O還原酶（NosZ）抑制。  

 

該技術(shù)的高時空分辨率特性，使其成為評估脫氮工藝環(huán)境風險不可替代的工具。