Metagenomics reveals a full-scale modified integrated fixed-film activated sludge process: Enhanced nitrogen removal and reduced sludge production  

宏基因組學(xué)揭示了一種全規(guī)模的改良集成固定膜活性污泥工藝：增強(qiáng)的氮去除和減少的污泥產(chǎn)量  

來源：Science of the Total Environment 841 (2022) 156666

《總環(huán)境科學(xué)》第841卷2022年 文章編號156666

 

摘要

描述了本研究通過全規(guī)模比較傳統(tǒng)活性污泥（CAS）工藝和高濃度粉末載體生物流化床（HPB）工藝，發(fā)現(xiàn)HPB工藝的總氮去除效率比CAS高10.86%，主要通過增加厭氧氨氧化（anammox）和同步硝化反硝化（SND）途徑實(shí)現(xiàn)。HPB工藝的出水總氮穩(wěn)定低于10 mg/L，且能更好地抵御工業(yè)廢水沖擊。同時，HPB工藝減少了污泥產(chǎn)量，因?yàn)楦嗄芰亢臀镔|(zhì)被用于載體附著和抵抗外部壓力以產(chǎn)生胞外聚合物（EPS），而非污泥增殖。對于一個10,000 m3/d的HPB污水處理廠，降低總氮和污泥產(chǎn)量可節(jié)省年運(yùn)營成本110,369.64美元。  

 

研究目的

通過比較全規(guī)模CAS和HPB工藝，揭示HPB工藝如何增強(qiáng)氮去除效率和減少污泥產(chǎn)量的機(jī)制，包括分析污泥結(jié)構(gòu)、溶解氧（DO）梯度、EPS、氮去除途徑和微生物群落變化，并評估其經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。  

 

研究思路

首先，在全規(guī)模污水處理廠進(jìn)行并行CAS和HPB工藝的長期比較監(jiān)測；其次，采集廢水、污泥樣本測量氮濃度、污泥特性（如大小、EPS）；然后，使用宏基因組學(xué)分析微生物群落和功能基因；接著，進(jìn)行批次測試量化不同氮去除途徑的貢獻(xiàn)；最后，通過DO梯度測量（使用丹麥Unisense微電極）解釋污泥結(jié)構(gòu)對性能的影響，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本分析。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

氮濃度數(shù)據(jù)（如NH??-N、TN的進(jìn)水與出水濃度）  

 

研究意義：評估工藝的氮去除性能和在工業(yè)廢水沖擊下的穩(wěn)定性，證明HPB的優(yōu)越性。  

 

來自圖2。  

 

微生物豐度和功能基因數(shù)據(jù)（如AOB、NOB、anammox細(xì)菌的相對豐度，以及反硝化酶基因的豐度）  

 

研究意義：解釋微生物群落如何影響氮去除效率，揭示HPB為何能富集更多硝化菌和anammox菌，增強(qiáng)抗沖擊能力。  

 

來自圖3（a）和（b）。  

 

污泥特性數(shù)據(jù)（如污泥大小、EPS含量、PN/PS比值）  

 

研究意義：分析污泥結(jié)構(gòu)變化如何促進(jìn)DO梯度形成和SND，并理解污泥產(chǎn)量減少的機(jī)制。  

 

來自圖4和圖6（EPS相關(guān)）。  

 

 

DO分布梯度數(shù)據(jù)（使用丹麥Unisense微電極測量）  

 

研究意義：量化污泥內(nèi)部的缺氧區(qū)大小，解釋SND速率差異的原因。  

 

來自圖5（a）。  

 

氮去除速率和途徑貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)（如anammox速率、SND速率及各途徑的貢獻(xiàn)百分比）  

 

研究意義：量化不同代謝路徑對氮去除的貢獻(xiàn)，比較CAS和HPB的效率差異。  

 

來自表1和圖5（b）。  

 

經(jīng)濟(jì)成本數(shù)據(jù)（如污泥產(chǎn)量、醋酸酸添加成本、年度節(jié)省）  

 

研究意義：評估HPB工藝的實(shí)際應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)可行性。  

 

來自文本計算結(jié)果部分。  

 

結(jié)論

HPB工藝顯著提高了總氮去除效率（從CAS的68.47%提升到79.33%），主要?dú)w因于anammox途徑貢獻(xiàn)增加（從CAS的2.18%到HPB的9.10%）和SND途徑增強(qiáng)（提升72.87%），這得益于更大的污泥尺寸和更緊湊的結(jié)構(gòu)形成更深缺氧區(qū)。  

 

HPB工藝減少了污泥產(chǎn)量（比CAS少12.79%），因?yàn)槟芰亢偷鞍踪|(zhì)更多用于載體附著和抵抗外部壓力以產(chǎn)生EPS（PN含量更高），而非生物增殖；同時，自養(yǎng)菌增多、捕食效應(yīng)和硝酸鹽呼吸也降低了污泥增殖率。  

 

HPB工藝在工業(yè)廢水沖擊下表現(xiàn)出更強(qiáng)穩(wěn)定性（出水NH??-N更低），且通過節(jié)省污泥處理和醋酸酸添加成本，每10,000 m3/d處理廠年節(jié)省110,369.64美元運(yùn)營成本，證明其作為改良IFAS工藝的可行性。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量的DO分布梯度數(shù)據(jù)（來自圖5（a））顯示，HPB工藝的污泥由于尺寸更大和結(jié)構(gòu)更緊湊，導(dǎo)致DO滲透更深，形成更大的缺氧區(qū)，這直接促進(jìn)了同步硝化反硝化（SND）的發(fā)生。研究意義在于，該數(shù)據(jù)量化了污泥內(nèi)部的微環(huán)境差異，解釋了為什么HPB的SND速率顯著高于CAS（例如在DO 0.5-1 mg/L條件下，HPB速率是CAS的258.40%-741.34%）。這支持了核心機(jī)制：污泥結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過創(chuàng)造缺氧條件增強(qiáng)氮去除，減少了對外部碳源的依賴，并提升了工藝的整體穩(wěn)健性。此外，這些測量幫助驗(yàn)證了宏基因組學(xué)分析中微生物功能的變化（如更高反硝化酶豐度），為HPB工藝的設(shè)計優(yōu)化提供了實(shí)證基礎(chǔ)。