Short and long term continuous hydroxylamine feeding in a granular sludge partial nitritation reactor  

顆粒污泥部分亞硝化反應(yīng)器中羥胺連續(xù)投加的短期與長(zhǎng)期效應(yīng)  

來(lái)源：Water Research, 209 (2022) 117945

《水研究》，第209卷 2022年，文章編號(hào)117945  

 

摘要內(nèi)容  

論文探究羥胺（NH?OH）作為氨氧化菌（AOB）代謝中間體對(duì)顆粒污泥部分亞硝化過(guò)程的影響。短期實(shí)驗(yàn)通過(guò)連續(xù)投加速率限制性羥胺（4.6-16.2 mg-N/gVSS/h），發(fā)現(xiàn)溶解氧（DO）是調(diào)控羥胺積累與N?O排放的關(guān)鍵因素：低DO（0.8-3.6 mg-O?/L）導(dǎo)致羥胺累積（最高1.42 mg-N/L）和N?O排放因子升高（最高21%），高DO（3.6-5.8 mg-O?/L）則提升銨消耗速率（最高19%）。長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)（118天）中羥胺投加使銨消耗速率降低，但亞硝酸鹽產(chǎn)量穩(wěn)定，表明羥胺優(yōu)先于銨被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽。微生物分析顯示Nitrosomonas sp.始終為優(yōu)勢(shì)菌（42±6%），羥胺暴露改變伴生菌群落結(jié)構(gòu)。  

 

研究目的  

闡明DO濃度對(duì)羥胺代謝路徑（積累、轉(zhuǎn)化及N?O排放）的調(diào)控機(jī)制。  

 

揭示連續(xù)羥胺投加對(duì)顆粒污泥長(zhǎng)期脫氮性能及微生物群落的影響。  

 

建立羥胺氧化動(dòng)力學(xué)模型，量化關(guān)鍵參數(shù)（最大消耗速率359±16 mg-N/L/d，半飽和系數(shù)0.015±0.006 mg-N/L）。  

 

研究思路  

短期實(shí)驗(yàn)：  

 

批次/恒化實(shí)驗(yàn)：對(duì)比純銨脈沖（B）與“銨脈沖+羥胺連續(xù)投加”（FB）的代謝差異（表1）。  

 

多參數(shù)監(jiān)測(cè)：DO、NH??、NO??、羥胺、N?O（Unisense電極，圖2B）。  

長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)：  

 

連續(xù)流反應(yīng)器（R2）：階段式增加羥胺負(fù)荷（57→135 mg-N/L），監(jiān)測(cè)脫氮性能（圖3）及微生物演變（圖4）。  

 

 

模型構(gòu)建：  

 

基于電子傳遞鏈（Mred/Mox）耦合AMO/HAO酶活性的動(dòng)力學(xué)模型（圖6），解釋DO依賴(lài)的代謝調(diào)控（圖7）。  

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

DO梯度數(shù)據(jù)（Unisense OX-100微電極，100μm分辨率）：  

 

來(lái)源：穿透顆粒測(cè)量DO剖面。  

 

意義：揭示低DO下羥胺積累與N?O排放的關(guān)聯(lián)機(jī)制。  

N?O溶解濃度（Unisense Clark電極）：  

 

來(lái)源：反應(yīng)器液相實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（圖2B）。  

 

意義：量化羥胺投加下N?O排放因子（最高21%，圖2B），驗(yàn)證低DO促進(jìn)硝化菌反硝化路徑。  

氮轉(zhuǎn)化速率：  

 

銨消耗速率（qNH??）：FB組達(dá)93.3 mg-N/gVSS/h（表1），證明高DO下羥胺提升銨氧化活性。  

 

羥胺積累量：低DO組最高1.42 mg-N/L（表1），支撐"電子載體再氧化受限"假說(shuō)。  

微生物群落（16S rRNA測(cè)序）：  

 

來(lái)源：長(zhǎng)期反應(yīng)器樣品（圖4）。  

 

意義：Nitrosomonas sp.豐度穩(wěn)定（42±6%），羥胺暴露促進(jìn)Acidovorax（6%→25%）等伴生菌演替。  

 

結(jié)論  

DO的核心作用：低DO（<3.6 mg-O?/L）觸發(fā)羥胺積累（1.42 mg-N/L）及高N?O排放（21%）；高DO（>3.6 mg-O?/L）抑制積累并提升銨氧化速率19%（圖1,2）。  

 

羥胺代謝偏好：長(zhǎng)期投加使銨消耗降低但亞硝酸鹽產(chǎn)量不變（圖3C），證實(shí)羥胺優(yōu)先于銨被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽。  

 

電子傳遞調(diào)控：羥胺作為額外電子供體，高DO下通過(guò)增加Mred提升銨氧化（圖7A），低DO下因Mox再生受限引發(fā)N?O排放（圖7B）。  

 

工程啟示：污水處理廠低DO工況易誘發(fā)羥胺積累，優(yōu)化曝氣策略可減少N?O排放。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)詳細(xì)研究意義  

空間分辨機(jī)制解析：  

 

50μm尖端微電極捕獲顆粒內(nèi)部DO躍變（如R3在375-550μm深度斜率-1.33 mV/μm），定位電子傳遞限制區(qū)（圖6），解釋羥胺在缺氧微區(qū)的累積機(jī)制。  

N?O實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)：  

 

液相N?O傳感器同步監(jiān)測(cè)顯示：投加羥胺后N?O濃度瞬升（>1 mg-N/L），證實(shí)羥胺轉(zhuǎn)化與N?O排放的動(dòng)力學(xué)偶聯(lián)。  

工藝優(yōu)化依據(jù)：  

 

DO>3.6 mg-O?/L時(shí)N?O排放因子<3%（圖2B），為污水處理廠曝氣控制提供臨界值參考。