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

研究系統評估了厭氧氨氧化（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。

 

摘要概括

摘要指出，隨著anammox技術在高強度工業廢水處理中的應用增加，其在市政污水處理中的潛力日益受到關注。污泥顆?；兄诟患捅Ａ鬭nammox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）反應器中處理低強度污水（NH4+ ~30 mg/L）時表現出優異性能：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。高通量測序和網絡分析揭示了細菌群落的多樣性和結構，表明其對負荷沖擊的潛在抵抗力。胞外聚合物（EPS）分析顯示，緊密結合的EPS（TB-EPS）中多糖是關鍵功能組分，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，包括群落結構、代謝活性和相互作用。

量化N2O排放特征，并理解其產生和消耗途徑。

 

分析顆粒污泥的物理化學特性（如EPS組成和結構）如何貢獻于系統穩定性。

 

研究思路

研究采用嚴謹的“反應器操作-多參數監測-機制分析”思路：

 

實驗設計：使用Lab-scale UASB反應器（6.0 L），接種預富集的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）。

參數監測：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）和群落結構（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?。⊿lime, LB-EPS, TB-EPS）和SEM分析顆粒特性；構建分子生態網絡揭示微生物互作。

 

數據關聯：將性能數據與微生物、化學參數關聯，解析魯棒性機制。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖表編號）及研究意義：

 

氮去除性能數據（來源：Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3）

 

 

 

數據：在穩定期（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），系統能快速適應流量波動，恢復高去除率（>90%），適應時間隨頻率增加而延長（最高60天）。

 

研究意義：這些數據直接證明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，為市政應用提供實證支持。

 

溶解氣體與N2O排放數據（來源： Fig. 4）

 

數據：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動態揭示其產生于不完全反硝化，但被后續還原，最小化溫室氣體排放。

 

微生物豐度與群落數據（來源： Fig. 6）

 

數據：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門為Chloroflexi（36.7%）、Planctomycetes（27.2%，含anammox菌）、Proteobacteria（14.7%）。網絡分析顯示73.8%的微生物相互作用為負相關（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定性與抗干擾能力，適應沖擊負荷。

 

EPS組成與顆粒結構數據（來源：Fig. 5）

 

數據：TB-EPS是主要EPS層（153.3 mg EPS/g VSS, 73.3%總EPS），其中多糖占47.6%，蛋白質占39.0%。SEM顯示顆粒呈“花椰菜”狀，有間隙結構。沉降速度達57.5 m/hr。

 

研究意義：多糖豐富的TB-EPS提供結構完整性；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。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

anammox顆粒污泥在處理低強度市政污水時表現出高魯棒性，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排放主要發生在液相，但由于后續還原作用，僅少量逃逸到大氣，表明anammox過程環境友好。

微生物群落以高多樣性和競爭性互作為特征，增強系統穩定性。

EPS中的多糖和顆粒間隙結構是維持物理穩定性和沉降性的關鍵。

 

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

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

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

 

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

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

評估環境 impact：通過定量區分液相和氣相N2O，研究證實大部分N2O被保留和消耗在系統內，而非逃逸到大氣。這挑戰了傳統觀點（認為anammox不產N2O），強調即使在anammox主導系統中，旁路反硝化可能產N2O，但系統設計可最小化排放。Unisense數據為此提供了直接證據，支持anammox技術的環保優勢。

 

技術支持機制研究：Unisense電極的原位測量能力避免了樣品處理帶來的擾動，確保了數據真實性。結合其他參數（如NO2-濃度），它幫助建立了“底物不足→不完全反硝化→N2O產生”的因果關系，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鍵工具，提供了不可替代的實時dN2O數據，不僅揭示了N2O代謝的動態細節，還驗證了anammox系統的環境友好性，為可持續污水處理技術的發展提供了堅實的數據支撐。