Robustness of anammox granular sludge treating low-strength sewage under various shock loadings:Microbial mechanism and little N2O emission

不同沖擊負荷下厭氧氨氧化顆粒污泥處理低強度污水的穩(wěn)健性微生物機制和低N2O排放

來源：JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCES 86 (2019) 141–153

 

論文總結(jié)

研究系統(tǒng)評估了厭氧氨氧化（anammox）顆粒污泥在處理低強度市政污水時，對各種水力沖擊負荷的魯棒性，并深入揭示了其微生物機制和N2O排放特征。以下是對論文的詳細總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，隨著anammox技術(shù)在高強度工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用增加，其在市政污水處理中的潛力日益受到關(guān)注。污泥顆粒化有助于富集和保留anammox細菌。本研究通過實驗證明，anammox顆粒污泥在上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器中處理低強度污水（NH4+ ~30 mg/L）時表現(xiàn)出優(yōu)異性能：anammox比活性高達0.28 kg N/kg VSS/天，抗沖擊負荷能力達187.2 L/天。N2O積累率在液相中（<0.01 kg N/kg VSS/天）比氣相高7倍，主要歸因于不完全反硝化和碳源不足，但僅少量N2O逃逸到大氣中。高通量測序和網(wǎng)絡(luò)分析揭示了細菌群落的多樣性和結(jié)構(gòu)，表明其對負荷沖擊的潛在抵抗力。胞外聚合物（EPS）分析顯示，緊密結(jié)合的EPS（TB-EPS）中多糖是關(guān)鍵功能組分，掃描電鏡（SEM）顯示顆粒間隙抑制污泥上浮，確保沉降和保留。

研究目的

本研究旨在探究以下核心問題：

 

評估anammox顆粒污泥在處理低強度市政污水時，對連續(xù)變化的水力沖擊負荷（如流量波動）的魯棒性（robustness）。

揭示其背后的微生物機制，包括群落結(jié)構(gòu)、代謝活性和相互作用。

量化N2O排放特征，并理解其產(chǎn)生和消耗途徑。

 

分析顆粒污泥的物理化學(xué)特性（如EPS組成和結(jié)構(gòu)）如何貢獻于系統(tǒng)穩(wěn)定性。

 

研究思路

研究采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹胺磻?yīng)器操作-多參數(shù)監(jiān)測-機制分析”思路：

 

實驗設(shè)計：使用Lab-scale UASB反應(yīng)器（6.0 L），接種預(yù)富集的anammox顆粒污泥，處理合成低強度污水（NH4+ 29.8 mg/L, NO2- 33.4 mg/L）。實驗分為多個階段：啟動期（Run 1, 11天）、穩(wěn)定運行期（Run 2, 40天）和沖擊負荷期（Runs 3-6, ~200天），模擬市政污水的真實流量波動（振幅57.6-144.0 L/天，頻率1-8 cycle/天）。

參數(shù)監(jiān)測：定期測量氮去除效率（NH4+, NO2-, TN）、溶解氣體（dH2, dCH4, dH2S）、N2O排放、微生物豐度（qPCR）和群落結(jié)構(gòu)（高通量測序）。

高級分析：使用丹麥Unisense微電極原位測量溶解N2O（dN2O）濃度；通過EPS分層提取（Slime, LB-EPS, TB-EPS）和SEM分析顆粒特性；構(gòu)建分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)揭示微生物互作。

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：將性能數(shù)據(jù)與微生物、化學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)，解析魯棒性機制。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)、其來源（圖表編號）及研究意義：

 

氮去除性能數(shù)據(jù)（來源：Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3）

 

 

 

數(shù)據(jù)：在穩(wěn)定期（Run 2），NH4+和NO2-去除效率分別達93.5%和96.9%，TN去除率82.3%。在沖擊負荷期（Runs 4-6），系統(tǒng)能快速適應(yīng)流量波動，恢復(fù)高去除率（>90%），適應(yīng)時間隨頻率增加而延長（最高60天）。

 

研究意義：這些數(shù)據(jù)直接證明anammox顆粒污泥具有卓越的魯棒性，能有效處理低強度污水 even under severe hydraulic shocks，為市政應(yīng)用提供實證支持。

 

溶解氣體與N2O排放數(shù)據(jù)（來源： Fig. 4）

 

數(shù)據(jù)：沖擊負荷下，溶解H2（dH2）和CH4（dCH4）濃度降低（dH2 -43%, dCH4 -30%），而溶解H2S（dH2S）在喂食后2.5小時峰值增加63%。N2O積累率在液相（0.29 mg N/L/hr）比氣相（0.05 mg N/hr）高7倍，但N2O在底物不足時被完全消耗。

 

研究意義：dH2S增加表明硫還原作為競爭性氫匯，分流H2 from methanogenesis，減少CH4排放。N2O動態(tài)揭示其產(chǎn)生于不完全反硝化，但被后續(xù)還原，最小化溫室氣體排放。

 

微生物豐度與群落數(shù)據(jù)（來源： Fig. 6）

 

數(shù)據(jù)：qPCR顯示anammox細菌（hzsB基因）豐度達5.09×10^11 copies/g VSS，占總細菌30.7%。高通量測序揭示主導(dǎo)門為Chloroflexi（36.7%）、Planctomycetes（27.2%，含anammox菌）、Proteobacteria（14.7%）。網(wǎng)絡(luò)分析顯示73.8%的微生物相互作用為負相關(guān)（競爭）。

 

研究意義：高anammox豐度確保核心功能；群落多樣性和負相互作用增強穩(wěn)定性與抗干擾能力，適應(yīng)沖擊負荷。

 

EPS組成與顆粒結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（來源：Fig. 5）

 

數(shù)據(jù)：TB-EPS是主要EPS層（153.3 mg EPS/g VSS, 73.3%總EPS），其中多糖占47.6%，蛋白質(zhì)占39.0%。SEM顯示顆粒呈“花椰菜”狀，有間隙結(jié)構(gòu)。沉降速度達57.5 m/hr。

 

研究意義：多糖豐富的TB-EPS提供結(jié)構(gòu)完整性；顆粒間隙允許N2釋放，抑制上浮，確保良好沉降和污泥保留，這是魯棒性的物理基礎(chǔ)。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

anammox顆粒污泥在處理低強度市政污水時表現(xiàn)出高魯棒性，能抵抗高達187.2 L/天的水力沖擊負荷，保持高氮去除率（TN >80%）。

N2O排放主要發(fā)生在液相，但由于后續(xù)還原作用，僅少量逃逸到大氣，表明anammox過程環(huán)境友好。

微生物群落以高多樣性和競爭性互作為特征，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

EPS中的多糖和顆粒間隙結(jié)構(gòu)是維持物理穩(wěn)定性和沉降性的關(guān)鍵。

 

總體，anammox顆粒污泥是處理低強度市政污水的可行且可持續(xù)技術(shù)，具有低能耗和低溫室氣體排放潛力。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense微電極原位測量溶解N2O（dN2O）濃度的數(shù)據(jù)（Fig. 4）具有至關(guān)重要的作用，其研究意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

提供高分辨率、實時的N2O動態(tài)數(shù)據(jù)：Unisense微電極是一種高精度傳感器，能直接插入液體中測量dN2O，避免傳統(tǒng)氣相色譜的采樣延遲和誤差。數(shù)據(jù)顯示，dN2O積累率在液相（0.29 mg N/L/hr）遠高于氣相（0.05 mg N/hr），且峰值出現(xiàn)在反應(yīng)初期。這直接捕獲了N2O產(chǎn)生的瞬時動態(tài)，揭示了其產(chǎn)生階段和消耗軌跡。

揭示N2O產(chǎn)生與消耗機制：實時數(shù)據(jù)表明，N2O主要產(chǎn)生于不完全反硝化（由于碳源不足），并在底物（NO2-）耗盡時被逐漸還原為N2。這種“產(chǎn)生-消耗”動態(tài)解釋了為何最終N2O排放量低（僅0.1% TN轉(zhuǎn)化率）。Unisense電極的高時間分辨率使研究者能精準(zhǔn)定位這些代謝窗口，為優(yōu)化操作（如碳源添加）以減少N2O提供依據(jù)。

評估環(huán)境 impact：通過定量區(qū)分液相和氣相N2O，研究證實大部分N2O被保留和消耗在系統(tǒng)內(nèi)，而非逃逸到大氣。這挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)觀點（認為anammox不產(chǎn)N2O），強調(diào)即使在anammox主導(dǎo)系統(tǒng)中，旁路反硝化可能產(chǎn)N2O，但系統(tǒng)設(shè)計可最小化排放。Unisense數(shù)據(jù)為此提供了直接證據(jù)，支持anammox技術(shù)的環(huán)保優(yōu)勢。

 

技術(shù)支持機制研究：Unisense電極的原位測量能力避免了樣品處理帶來的擾動，確保了數(shù)據(jù)真實性。結(jié)合其他參數(shù)（如NO2-濃度），它幫助建立了“底物不足→不完全反硝化→N2O產(chǎn)生”的因果關(guān)系，增強了機制闡釋的可信度。

 

總之，丹麥Unisense微電極在本研究中作為關(guān)鍵工具，提供了不可替代的實時dN2O數(shù)據(jù)，不僅揭示了N2O代謝的動態(tài)細節(jié)，還驗證了anammox系統(tǒng)的環(huán)境友好性，為可持續(xù)污水處理技術(shù)的發(fā)展提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐。