Quick start-up and stable operation of a one-stage deammonification reactor with a low quantity of AOB and ANAMMOX biomass

低量AOB和ANAMMOX生物質的一級脫氨反應器的快速啟動和穩定運行

來源：Science of the Total Environment, Volume 654, 2019, Pages 933-941

《總體環境科學》，第654卷，2019年，第933-941頁

 

摘要

本研究成功實現了固定化好氧氨氧化細菌（AOB）和厭氧氨氧化細菌（ANAMMOX）在上流式反應器（IAAR）中的一級脫氨過程的快速啟動。通過凝膠層固定，AOB和ANAMMOX細菌具有優異的空間分布，滿足同步好氧和厭氧氨氧化過程的溶解氧需求。結果表明，含有0.4 g-VSS L?1固定化生物質的IAAR在僅10天運行后達到氮去除率（NRR）0.53 kg-N m?3 d?1，隨后最大NRR達3.73 kg-N m?3 d?1。使用微電極測量DO和pH的微剖面，幫助理解凝膠層內微生物過程的分層，FISH分析驗證了微生物分布，與DO和pH剖面一致，實現了低生物量下的快速適應和穩定運行。

 

研究目的

本研究旨在探究使用低濃度固定化AOB和ANAMMOX細菌的新型一級反應器（IAAR）去除氨氮的可行性，分析固定化技術對脫氨過程啟動時間和穩定性的影響，并通過微電極和FISH分析揭示微生物空間分布與反應性能的關系。

 

研究思路

研究開發了固定化AOB和ANAMMOX細菌的IAAR系統，通過短期實驗（7天）比較不同生物量濃度（0.4-1.2 g-VSS L?1）下固定化與非固定化系統的氮去除性能，并進行長期實驗（94天）評估在不同氮負荷率（NLR）和DO條件下的穩定性。使用丹麥Unisense微電極測量凝膠層內DO和pH的深度分布，結合FISH分析微生物群落空間分布，以驗證分層結構對過程優化的作用。

 

測量的數據及研究意義

1 氮去除率（NRR）和單位生物量氮去除率（BNRR）數據，來自Fig.3和Fig.4。研究意義：短期實驗顯示IAAR系統在低生物量（0.4 g-VSS L?1）下7天內NRR達0.5 kg-N m?3 d?1，BNRR為1.25 g-N g-VSS?1 d?1，高于非固定化系統，證明固定化技術能增強生物活性，實現快速啟動，減少接種污泥量。

 

 

2 DO和pH微剖面數據，來自Fig.5。研究意義：微電極測量顯示DO從AOB層（0-1200μm）的3.0 mg L?1降至ANAMMOX層（1200-2400μm）的0.3 mg L?1以下，pH在7.14-8.37間變化，證實凝膠層形成理想氧梯度，確保AOB和ANAMMOX在各自最佳條件下工作，避免DO抑制和底物競爭。

 

3 微生物群落分布數據，來自Fig.6的FISH。研究意義：三維圖像顯示AOB（綠色）主要分布在凝膠下層，ANAMMOX（紅色）在上層，與DO剖面匹配，驗證空間分層促進協同作用，提高系統穩定性。

 

4 長期運行性能數據，來自Fig.4和Table 1。研究意義：IAAR在94天內適應NLR從0.6升至4.1 kg-N m?3 d?1，NRRmax達3.73 kg-N m?3 d?1，而非固定化系統啟動慢且波動大，表明固定化技術提升負荷耐受性和操作韌性。

 

 

結論

1 IAAR系統使用低生物量（0.4 g-VSS L?1）可在10天內快速啟動脫氨過程，NRR達3.73 kg-N m?3 d?1，優于傳統非固定化系統。

2 凝膠固定化創造分層微環境，DO和pH梯度優化AOB和ANAMMOX代謝條件，減少抑制，提升氮去除效率。

3 微電極和FISH分析證實微生物空間分布與反應動力學一致，為一級脫氨工藝的工程應用提供設計依據。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究使用丹麥Unisense微電極（型號Ox-10和pH電極，尖端直徑10μm）在線測量凝膠層內溶解氧（DO）和pH的深度分布。研究意義在于：微電極提供高分辨率（步長100μm）實時數據，精確揭示AOB和ANAMMOX菌層的氧和pH梯度。如Fig.5所示，DO從AOB層表面3.0 mg L?1降至ANAMMOX層0.3 mg L?1以下，pH變化反映硝化和厭氧氨氧化產酸/堿過程，直接驗證了凝膠分層結構的有效性。這些數據證實低DO滲透保護ANAMMOX菌活性，避免好氧抑制，同時確保AOB充分硝化。Unisense電極的精準測量量化了微生物生態位分化，為優化反應器設計和操作參數（如DO控制）提供了關鍵證據，支撐了IAAR系統的高效穩定運行。