给水排水 |北工大彭永臻院士团队ES&T封面:自养-异养反硝化耦合脱氮工艺实现厌氧氨氧化处理低氨氮废水
发布时间:2022-11-14 09:41:55 来源:本站原创 作者:本站编辑 浏览次数:

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第一作者:李家麟

通讯作者:张亮 (zliang@bjut.edu.cn)

通讯单位:北京工业大学环生学部,城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室

论文DOI10.1021/acs.est.2c02920


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封面图

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成果简介
近日,北京工业工业大学彭永臻院士课题组在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Successful application of anammox using the hybrid autotrophic−heterotrophic denitrification process for low-strength wastewater treatment”的封面论文。Anammox技术直接应用于城市污水处理具有显著的经济效益和环境效益,但由于异养菌的竞争广泛存在,厌氧氨氧化菌(Anammox bacteria)难以稳定生长和持留。在本试验420天的运行中,采用前置厌氧段和后置低氧条件(0.32 ± 0.15mg-O2/L的策略,在进水COD/N3.1的条件下,实现了基于自养-异养反硝化耦合的高效脱氮总无机氮去除速率高达0.53 kg-N/(m3·d)。高通量测序结果表明,颗粒污泥内源反硝化异养菌Ca. Competibacter的显著增加(9.98%P ≤ 0.001)非内源型异养菌DenitratisomaThauera的相对丰度显著性降低(P ≤ 0.001)。FISH-CLSMqPCR结果表明Ca. Competibacter作为颗粒污泥内核,Nitrospira Ca.Brocadia在颗粒表层,该结果表明Anammox菌与内源型异养菌存在潜在的协同作用。原位小试试验进一步证实了系统内的亚硝酸盐来自两种不同的途径短程硝化和内源短程反硝化(PNEPDN),而多途径亚硝酸盐供给有利于Anammox菌的生长富集。该研究表明针对进水有机物优化调控,可以改变碳氮代谢途径和微生物群落结构及微生物分布特征,从而优化异养菌与Anammox菌的竞争与协同作用,为Anammox直接应用于城镇污水处理提供新的解决思路。

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引言
当进水含有机物时,异养反硝化反应引入Anammox系统中,通过自养菌与异养菌的协同作用,实现自养-异养反硝化耦合脱氮。这些工艺主要与两种不同的潜在生物氮转化途径有关。首先,在低氧环境下(DO=0.2-0.8 mg-O2/L),Anammox耦合同步硝化反硝化(SND)为SNAD工艺。其次,在缺氧环境下,Anammox耦合短程反硝化(PD)或内源短程反硝化(EPDN),即硝酸盐还原为亚硝酸盐,称为PD/AnammoxEPDN/Anammox工艺。自养-异养反硝化耦合脱氮工艺的理想氮去除性能取决于Anammox菌、硝化菌和异养菌之间稳定的协同作用。从工程应用角度来看,将Anammox直接应用于城镇污水处理,其易操作且便捷,通过自养-异养反硝化耦合脱氮工艺可以直接提高传统总无机氮去除效率。研究报道,通过生物强化方式将Anammox菌直接投入城镇污水处理系统中,试图强化自养脱氮途径,但脱氮性能改善不明显,其主要由于不可避免的Anammox菌的流失导致其无法有效的持留。在高有机物的条件下(COD/N比大于1.5),好氧异养菌与硝化菌竞争氧气,降低了氨氮转化为亚硝酸盐速率;此外,反硝化异养菌与Anammox菌竞争亚硝酸盐;或降低SRTs不可避免的恶性淘洗Anammox菌,进而抑制Anammox菌的生长富集。近期研究表明,在特定的运行策略下,在高COD/N比为3-3.5的模拟或实际城镇污水中实现Anammox菌的生长和持留。探索特定的运行策略是主流Anammox工艺设计、运行和应用的一个重要方面,也是进一步优化发展自养-异养反硝化耦合脱氮工艺的关键。
优化有机物管理是实现Anammox或耦合工艺高效稳定的脱氮性能的关键策略。目前,多数研究者主要集中在连续低氧的条件下探究有机物的优化管理,即在有机物好氧氧化或作为反硝化电子受体转化为二氧化碳。前置厌氧段是优化有机物管理的另一种可行运行策略,在厌氧段加强厌氧菌将有机物储存内碳源,随后在低氧条件下促进内源反硝化反应。优化有机物管理改变了微生物群落结构的组成、关键功能菌群之间的相互协同与竞争作用、微生物聚集体物理形态(颗粒、絮体污泥和载体生物膜)、微生物分布及碳和氮代谢途径。此外,不同异养菌的不同生长速率进一步影响工程运行参数(如SRTs、曝气速率等)。然而,目前研究中Anammox菌在处理高COD/N比城镇污水系统中不同有机物运行策略的作用机制尚不清楚。

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图文导读

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两个不同的运行策略:连续好氧氧阶段(阶段I)和前置厌氧/好氧阶段(阶段II)。


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运行420天,自养-异养反硝化耦合脱氮工艺中进水COD/N比、好氧段的总无机氮去除速率(NRR)和氨氮去除效率(ARR)的变化情况。


长期运行分为两个阶段:连续好氧阶段(阶段一:第1-210天)和前置厌氧/好氧阶段(阶段二:第211-420天)(图1和图2)。进水平均COD浓度维持在192.0 mg-O2/L。在阶段一,有机物被直接添加到反应器运行的好氧段初期(图1)。在第1-120天进水总无机氮从302.9 mg-N/L逐渐降至215.0 mg-N/L(图S1),同时COD/N比从0.3升至1.1,好氧段的总无机氮去除效率维持在0.81 kg-N/(m3·d)。当进水氨态氮降至77.3 mg-N/L(第121-210天),COD/N比增至2.7时,硝酸盐生成比从11.5%降至6.0%。总无机氮去除速率急剧下降至0.33 kg-N/(m3·d)和以氨氮为主的出水总无机氮升至37.2 mg-N/L,表明自养-异养反硝化耦合脱氮工艺不稳定性。
阶段二,SBR运行时添加前置厌氧段45 min,在前置厌氧/好氧/缺氧运行策略下。进水总无机氮和COD/N比分别维持在平均70.0 mg-N/L2.1-3.6(图2S1)。总之,添加前置厌氧段有利于提高有机物利用和提供足够的内碳源;同时,在好氧段,低氧环境下进行碳、氮同步去除。在好氧段,总无机氮去除速率逐渐增加,并在180天内维持在0.53 kg-N/(m3·d)


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运行420天,qPCR测定AnAOBamoA AOBamoA ComammoxNOBNitrobacterNitrospira),GAOsPAOs绝对丰度的变化情况。


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在阶段IDays 153208)和阶段IIDays 332393),颗粒和絮状污泥中属或以上水平的关键微生物的Wilcoxon rank-sum test柱状图(* 0.01<P≤0.05** 0.001 <P≤0.01*** P≤0.001)。

颗粒和絮体污泥中属或以上水平的核心微生物。对于自养菌方面,当COD/N比从0.3增至3.1时,amoA AOB的绝对丰度逐渐下降(图3),而AOB的最大活性也表现类似的结果(图S2)。此外,Anammox菌的绝对丰度也有相同趋势。当COD/N比增加至2.7day 207)时,amoA AOBAnammox菌绝对丰度的下降导致总无机氮去除速率和效率显著下降(图2S1)。阶段一中NitrobacterNitrospira的绝对丰度均较低。
阶段二,通过添加前置厌氧段,改变了有机物的代谢途径,尽管COD/N比与阶段一相同,但促进了自养菌的生长富集。amoA AOB的绝对丰度逐渐增加。阶段二,Nitrosomonas的相对丰度也有上升,从2.48%升至4.79%P= 0.035,图4)。但随着COD/N比的提高和NOB的竞争性增长,Anammox菌的绝对丰度不受NOB的影响,而时逐渐增加。与阶段一相比,阶段二中Anammox菌的绝对丰度较低;同时,颗粒污泥中Anammox菌属Ca.Brocadia的相对丰度从7.03%降至2.48%P = 0.001)和Ca. Kuenenia4.89%降至0.36%P = 0.002),同时絮体污泥中相对丰度极低(< 0.01%)。
阶段二,颗粒(P ≤ 0.001)和絮体污泥(P ≤ 0.001)中非内源型异养菌(DenitratisomaThauera)均急剧地减少,而内源型异养菌(Ca. CompetibacterDechloromonas)在颗粒中得到生长富集。因此,前置厌氧条件下确保了内源型异养菌将有机物储存为内碳源,避免在好氧条件与非内源型异养菌的竞争。此外,研究报道Dechloromonas为聚磷菌(Polyphosphate Accumulating OrganismsPAOs)和Ca.Competibacter为聚糖菌(Glycogen Accumulating OrganismsGAOs)相关的功能菌属且均为内源型异养菌,可以摄取乙酸盐和多聚磷酸盐,同时储存聚羟基烷酸酯(PolyhydroxyalkanoatesPHAs)。qPCR显示相似的结果。同时,这同样也解释了在厌氧/好氧/缺氧运行的典型周期中,出现磷酸盐和亚硝酸盐或硝酸盐的同步变化的情况(图S3S4)。


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原位小试Ia)在限氧条件下,分别外投加NO2--N02040 mg-N/LNO3--N02040 mg-N/L)的ARRtotal变化情况;原位小试III:在限氧条件下,进水无有机物ARRtotal∆NO3--N/∆NH4+-N ratios的变化情况

阶段二,前置厌氧段有利于乙酸钠吸收,外碳源转化为内碳源;在低氧条件下,该系统实现PN/Anammox耦合EPDN/Anammox反应(Simultaneous partial NitrificationAnammox and Endogenous DenitrificationSNAED)以实现碳、氮同步去除。在原位小试试验三(图5bS5,表S3),在进水无有机物的条件下,好氧段硝态氮的生成量从0逐渐升至14.1-14.4 mg-N/L,最终硝酸盐生成比维持在68.8%-69.7%左右。在低氧条件下,PN/Anammox反应只能去除约30%的总无机氮。产生的硝酸盐通过内源反硝化反应转化,并进一步耦合Anammox反应,阶段二提高总无机氮去除速率。在不含有机物的进水中,ARRtotal0.30 kg-N/(m3·d)逐渐增至0.50 kg-N/(m3·d)(图2),表明进水有机物对ARRtotal的抑制作用约为40%(图5b)。此外,在缺氧条件下(原位小试试验二,图S6),结果表明存在Anammox反应,其中通过AnammoxEPDN/Anammox分别去除约53.0%-61.9%41.1%-44.8%的氨态氮(表S4)。进一步表明,在缺氧条件下Anammox菌可以与内源反硝化菌竞争亚硝酸盐,提高脱氮性能。
在低氧条件下(原位小试试验一),亚硝态氮从0增至40 mg-N/L,亚硝酸盐直接转化为氮气,并未检测到硝态氮(图S7S8)。当外投加硝酸盐时也观察到类似的结果。在相同低氧条件下,添加亚硝态氮(40 mg-N/L)和硝态氮(40 mg-N/L)增强ARRtotal分别为2.06倍和1.69倍(图5a和表S5)。氨态氮和ARRtotalARRtotal = ARRAOB + ARRAnammox)的变化结果表明,ARRtotal的增加主要是由于Anammox菌活性的提高,因为ARRtotal与亚硝态氮和硝态氮投加的浓度一致(R2分别为0.9960.988)。这表明在该系统中亚硝酸盐的产生可能是Anammox和内源反硝化反应的限速步骤。

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6 a) 运行420天,混合污泥,颗粒污泥(粒径>200 μm)和絮体污泥(粒径<200 μm)的MLSS变化情况;b)在不同运行条件下(阶段III),颗粒和絮体污泥OUT水平的PCA和微生物多样性情况。

如图6所示,颗粒和絮体的MLSS分别从1.500 g/L增至3.200 g/L2.268 g/L增至7.235 g/L。即使控制絮体SRTs30天的条件下,絮体MLSS的生长速率是颗粒污泥的2.92倍。反之阶段二,絮体MLSS8.147 g/L)最初保持相对稳定,逐渐降至4.899 g/L,这可能是由于内源型异养菌(Ca. CompetibacterDechloromonas)的生长富集(图3),其生长速率与直接好氧乙酸盐的非内源型异养菌相比相对低。同时,颗粒MLSS逐渐增至4.160 g/L,颗粒MLSS百分比由24.8%升至46.1%。污泥的粒径分布也发生了变化也证明相似的结果。
根据优化调控策略(连续好氧阶段和厌氧前/好氧阶段)和不同污泥物理形态(颗粒和絮体)进行完全聚类,如PCA分析结果所示(图6b)。进一步的研究证实了,这两个参数都对微生物群落结构动态有显著的影响。此外,在不同优化调控策略下,颗粒污泥微生物群落的多样性、丰富度和均匀度的变化远低于絮体污泥(图6bS10),表明絮体污泥的微生物群落结构动态变化显著高于颗粒。因此,阶段二促进了污泥颗粒化和生物分离,有效地避免了絮体SRTs淘洗颗粒中生长速率缓慢的Anammox菌。

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自养-异养反硝化耦合脱氮工艺在420天的为微生物图像a)切片颗粒的FISH图, Anammox菌(红色),Nitrospira(绿色),和Nitrobacter(蓝色);bAnammox菌(红色),Ca.Competibacter (粉色)和Ca. Accumulibacter(绿色)。

颗粒切片显示颗粒结构由一些分散的NOBAOBAnammox菌组成,Anammox菌在外层,内部主要是的Ca. Competibacter和一小部分Ca. Accumulibacter(图7a)。其中Ca. Competibacter形成了颗粒的主要构架(图7b)。规则形状的Ca. Competibacter聚集体分别在颗粒中。此外,Anammox菌分布在Ca. Competibacter聚集体的周围(图7b),表明Anammox菌和内源型异养菌(反硝化GAOs)的协同作用。这一结果与PN/Anammox一体式工艺中典型的Anammox颗粒结构不一致,硝化菌在颗粒外层而Anammox菌在内层。在小的聚集体中(粒径100-200 μm),几乎未检测到Anammox菌,主要是Ca. Competibacter形成聚集体。
 
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作者简介
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彭永臻,山东省莱州市人、中国工程院院士、环境工程和污水处理专家、工学博士,北京工业大学环境学科首席教授、“城镇污水深度处理与资源化利用技术--国家工程实验室主任。先后获得全国模范教师国家教学名师全国优秀科技工作者全国劳动模范北京市人民教师等称号,及何梁何利科技进步奖。彭永臻教授在城市污水处理取得了多项突破性成果。获国家科技进步与国家技术发明二等奖4项、省部级一等奖8项。以第一或通讯作者发表SCI论文350余篇,其中一区IF >9.0260余篇,ESI在线高被引论文15篇。以第一发明人获发明专利230余项,并转让107项;出版专著9本。培养工学博士94人,有2人获全国百篇优秀博士学位论文4人获全国优秀博士学位论文提名。


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第一作者:李家麟,北京工业大学环生学部,彭永臻院士博士后,入选2022年博新计划,以本人唯一第一作者学术论文发表SCI论文6篇,发表于Water Research (1)Environmental Science & Technology (2)Bioresource Technology 等期刊;其中2篇为ESI高被引论文,以第二作者(导师第一)已授权国家发明专利3项;获2021年高廷耀奖学金国家奖学金,国家奖学金,北京市优秀毕业生,北京工业大学校长奖学金及博士创新奖等。

邮箱:jialinli1992@foxmail.com


Reference: Li, J. L.; Peng, Y. Z.; Yang, S. H.; Li, S.; Feng, W. Y.; Li, X. Y.; Zhang, Q.; Zhang, L., Successful Application of Anammox Using the Hybrid Autotrophic-Heterotrophic Denitrification Process for Low-Strength Wastewater Treatment. Environ. Sci. Technol., 11.


来源:环境人


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