Effective restoration of partial nitritation and anammox biofilm process by short-term hydroxylamine dosing: Mechanism and microbial interaction

通過短期羥胺給藥有效恢復(fù)部分硝化和厭氧氨氧化生物膜過程 ： 機(jī)制和微生物相互作用

來源：Bioresource Technology 341 (2021) 125910

 

一、摘要概述

 

本研究通過短期羥胺（NH?OH）投加成功恢復(fù)了因硝酸鹽積累而惡化的單級部分亞硝化-厭氧氨氧化（PN-A）生物膜工藝。在連續(xù)曝氣的序批式生物膜反應(yīng)器（SBBR）中，投加10 mg N·L?1羥胺后，5天內(nèi)PN-A工藝完全恢復(fù)，硝酸鹽產(chǎn)生/銨去除比（ΔNO??-N/ΔNH??-N）從28.5%降至11%以下。羥胺通過促進(jìn)一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N?O）的生物合成抑制硝酸鹽氧化菌（NOB），并揭示了羥胺和NO在好氧氨氧化菌（AOB）與厭氧氨氧化菌（AnAOB）間的代謝互作機(jī)制（圖5b）。

 

二、研究目的

 

解決PN-A工藝惡化問題：針對因過度曝氣導(dǎo)致的NOB增殖和硝酸鹽積累，探索羥胺短期投加的恢復(fù)效果。

 

闡明羥胺作用機(jī)制：解析羥胺如何通過代謝中間體（如NO）抑制NOB，并促進(jìn)AOB與AnAOB的協(xié)同作用。

 

驗(yàn)證工藝可行性：評估羥胺投加對生物膜結(jié)構(gòu)、氮轉(zhuǎn)化路徑及溫室氣體（N?O）排放的影響。

 

三、研究思路

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

 

反應(yīng)器配置：6 L SBBR反應(yīng)器，內(nèi)置環(huán)形生物膜載體，連續(xù)曝氣（DO=1.2±0.4 mg·L?1），溫度30±2℃（2.1節(jié)）。

 

六階段操作（表1）：

 

階段I（基準(zhǔn)期）：穩(wěn)定運(yùn)行，TNRE=88.5±1.5%。

 

階段II（惡化誘導(dǎo)）：縮短反應(yīng)時間→NH??積累（TNRE↓至67.0%）。

 

階段III（過度曝氣）：曝氣量提升3倍→NOB增殖（ΔNO??-N/ΔNH??-N↑至25.5%）。

 

階段IV（羥胺恢復(fù)）：每周期投加10 mg N·L?1羥胺→5天內(nèi)TNRE恢復(fù)至88.5%（圖1）。

 

階段V（停加驗(yàn)證）：停用羥胺→NOB恢復(fù)（TNRE↓至78.4%）。

 

階段VI（曝氣優(yōu)化）：降低曝氣量（DO=1.6 mg·L?1）→TNRE穩(wěn)定至89.2%。

 

2. 數(shù)據(jù)監(jiān)測

 

常規(guī)指標(biāo)：NH??-N、NO??-N、NO??-N、pH、DO、ORP（日監(jiān)測）。

 

氣體監(jiān)測：溶解態(tài)NO和N?O（丹麥Unisense微電極秒級在線監(jiān)測）（2.3節(jié)）。

 

微生物活性：AOB、NOB、AnAOB活性批式測試（表2）。

 

生物膜形態(tài)：SEM觀察投加羥胺前后生物膜結(jié)構(gòu)變化（2.4節(jié)）。

 

3. 機(jī)制驗(yàn)證

 

羥胺代謝路徑：通過批式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證AnAOB直接代謝羥胺生成NO（圖5a）。

 

NO抑制NOB：證實(shí)NO是羥胺抑制NOB的關(guān)鍵介質(zhì)（3.2.3節(jié)）。

 

四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 氮去除性能（圖1）

 

數(shù)據(jù)：階段IV投加羥胺后，ΔNO??-N/ΔNH??-N從28.5%降至8.3%，TNRE從63%升至88.5%。

 

意義：證明羥胺可快速逆轉(zhuǎn)NOB增殖，為工藝恢復(fù)提供實(shí)操方案。

 

2. 微生物活性（圖2）

 

數(shù)據(jù)：羥胺投加后，NOB活性從0.167 kg·m?3·d?1降至0.056 kg·m?3·d?1，AnAOB活性從0.421升至0.532 kg·m?3·d?1。

 

意義：揭示羥胺選擇性抑制NOB，同時增強(qiáng)AnAOB活性，維持AOB-AnAOB協(xié)同。

 

3. 氮轉(zhuǎn)化與氣體排放（圖3, 圖4）

 

 

 

數(shù)據(jù)：投加羥胺后，溶解NO峰值達(dá)0.15 mg·L?1（圖4），N?O排放比降至0.96%（表3）。

 

意義：證實(shí)羥胺通過促進(jìn)NO生成抑制NOB，并降低N?O排放（減排約80%）。

 

4. AnAOB代謝機(jī)制（圖5a）

 

數(shù)據(jù)：投加羥胺后，AnAOB的NO??消耗速率加快，NO??產(chǎn)量減少64%（10.5→3.6 mg·L?1）。

 

意義：首次證明AnAOB直接代謝羥胺生成NO，挑戰(zhàn)了“AnAOB僅依賴NO??”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

 

5. 生物膜結(jié)構(gòu)（SEM）

 

數(shù)據(jù)：羥胺投加后生物膜表面形成多孔結(jié)構(gòu)（3.4節(jié)），內(nèi)部仍保持致密。

 

意義：多孔結(jié)構(gòu)改善傳質(zhì)效率，但需調(diào)控曝氣防止深層AnAOB氧抑制。

 

五、結(jié)論

 

工藝恢復(fù)有效性：短期羥胺投加（10 mg N·L?1）可在5天內(nèi)恢復(fù)惡化的PN-A工藝，ΔNO??-N/ΔNH??-N穩(wěn)定低于11%。

 

核心機(jī)制：

 

羥胺被AOB/AnAOB氧化生成NO，通過毒性抑制NOB（圖5b）。

 

NO作為關(guān)鍵介質(zhì)，促進(jìn)AOB與AnAOB代謝互作，減少硝酸鹽積累。

 

溫室氣體減排：羥胺降低N?O排放至1.16%（表3），優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。

 

應(yīng)用潛力：結(jié)合曝氣調(diào)控，羥胺可作為PN-A工藝惡化的高效恢復(fù)策略。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀

1. 技術(shù)原理與部署

 

原位監(jiān)測：Unisense NO-500微電極浸沒于液相，實(shí)時監(jiān)測溶解態(tài)NO和N?O（分辨率0.01 μM）（2.3節(jié)）。

 

動態(tài)響應(yīng)：秒級數(shù)據(jù)捕捉羥胺投加后的瞬態(tài)氣體變化（圖4）。

 

2. 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

 

NO瞬態(tài)峰（圖4）：羥胺投加后60秒內(nèi)NO濃度飆升至0.15 mg·L?1，直接證實(shí)羥胺→NO的快速生物轉(zhuǎn)化，推翻“NO僅由化學(xué)氧化產(chǎn)生”假說。

 

N?O排放特征：N?O峰值滯后NO約30秒，表明N?O是NO還原的次級產(chǎn)物（非直接化學(xué)路徑），為N?O減排策略提供靶點(diǎn)。

 

抑制機(jī)制驗(yàn)證：NO濃度>0.1 mg·L?1時，NOB活性受抑制（圖3），明確NO是NOB抑制的關(guān)鍵介質(zhì)。

 

代謝互作證據(jù)：AnAOB批式實(shí)驗(yàn)中，NO累積與NO??產(chǎn)量負(fù)相關(guān)（圖5a），證實(shí)NO直接參與AnAOB代謝，支持“AOB-AnAOB通過NO互作”假說。

 

3. 行業(yè)貢獻(xiàn)

 

機(jī)制革新：Unisense數(shù)據(jù)首次揭示羥胺在真實(shí)生物膜系統(tǒng)中的瞬態(tài)代謝路徑，推動PN-A工藝優(yōu)化。

 

監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)：高分辨率氣體數(shù)據(jù)為反硝化模型校準(zhǔn)提供黃金標(biāo)準(zhǔn)，助力工藝精準(zhǔn)調(diào)控。

 

總結(jié)

 

本研究通過Unisense電極揭示：羥胺投加通過促進(jìn)NO生成抑制NOB，并激活A(yù)nAOB代謝，實(shí)現(xiàn)PN-A工藝高效恢復(fù)。該策略不僅降低硝酸鹽積累和N?O排放，還為污水處理廠提供了一種操作簡便的惡化應(yīng)對方案。未來研究可聚焦羥胺投加頻次優(yōu)化及長期生物膜群落穩(wěn)定性評估。