Anammox granular sludge in low-ammonium sewage treatment: Not bigger size driving better performance

低氨氮污水處理中厭氧氨氧化顆粒污泥：并非更大尺寸驅動更好性能

來源：Water Research, Volume 142, 2018, Pages 147-158

《水研究》，第142卷，2018年，第147-158頁

 

摘要

摘要部分闡述了該研究通過綜合調查，記錄了在處理低強度氨氮加載污水的上升流厭氧污泥床反應器中，厭氧氨氧化細菌的高豐度、活性和多樣性，并顯示優化厭氧氨氧化顆粒污泥尺寸（0.5-0.9毫米）可以減輕不良的氧化亞氮排放。增強的厭氧氨氧化細菌豐度、活性和特異性厭氧氨氧化速率在0.5-0.9毫米顆粒尺寸下實現，具有多種“Jettenia”、“Brocadia”和“Anammoxoglobus”物種。緊密結合的胞外聚合物是厭氧氨氧化顆粒污泥中的主要EPS層，其中多糖起重要結構作用。超過這個顆粒尺寸，厭氧氨氧化細菌豐度和活性沒有顯著下降，但氧化亞氮排放顯著增加。高通量測序和生態網絡展示了厭氧氨氧化及其共生細菌的模式，以及氧化亞氮生產者和還原者功能基因的可用性。不完全反硝化和碳源不足主要導致顆粒污泥中氧化亞氮生產，分層分析結果支持這一點。

 

研究目的

研究目的是調查不同厭氧氨氧化顆粒尺寸下厭氧氨氧化細菌的豐度、活性和群落結構，以確定在低氨氮污水處理中的最佳顆粒尺寸，特別關注氧化亞氮生產。通過這種方式，優化厭氧氨氧化過程，提高氮去除效率，同時減少溫室氣體排放。

 

研究思路

研究思路首先通過實驗室規模的上升流厭氧污泥床反應器培養厭氧氨氧化顆粒污泥，使用低強度合成污水，在厭氧條件下運行約200天，包括啟動階段和穩定階段。然后，篩選不同顆粒尺寸的污泥，分析其氮去除性能、氧化亞氮排放、微生物群落結構和胞外聚合物組成。方法包括化學分析、微生物學技術（如定量PCR、高通量測序）、網絡分析和分層熒光特性研究，以全面評估顆粒尺寸的影響。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了氮去除性能，包括銨氮、亞硝酸鹽氮和總氮的去除速率，數據來自Fig.3。研究意義是評估不同顆粒尺寸對厭氧氨氧化效率的影響，表明0.5-0.9毫米尺寸具有最高氮去除速率，為優化反應器操作提供依據。

 

2 測量了氧化亞氮積累速率，使用丹麥Unisense微傳感器在線監測溶解氧化亞氮，數據來自Fig.3。研究意義是量化溫室氣體排放，揭示顆粒尺寸增大導致氧化亞氮增加，強調環境可持續性考慮。

3 測量了厭氧氨氧化細菌豐度，通過定量PCR檢測hzsB功能基因，數據來自Fig.4。研究意義是了解微生物豐度與顆粒尺寸的關系，顯示0.5-0.9毫米尺寸下豐度最高，支持高活性。

 

4 測量了微生物群落結構，通過高通量測序和網絡分析，數據來自Fig.5。研究意義是揭示厭氧氨氧化細菌多樣性及其與其它細菌的共生模式，表明最佳尺寸下多樣性最高，有助于群落穩定性。

 

5 測量了胞外聚合物分層組成，包括蛋白質、多糖和DNA含量，數據來自Fig.6。研究意義是分析顆粒結構，表明緊密結合胞外聚合物層主導，多糖對維持結構重要，影響顆粒形成和穩定性。

 

6 測量了污泥尺寸分布和形態特性，通過濕篩法和顯微鏡觀察，數據來自Fig.2。研究意義是跟蹤顆粒化過程，顯示顆粒尺寸演變，為反應器設計提供參數。

 

結論

1 厭氧氨氧化顆粒污泥在0.5-0.9毫米尺寸下表現出最佳氮去除性能和最低氧化亞氮排放，是低氨氮污水處理的理想選擇。

2 顆粒尺寸增大不會顯著改變厭氧氨氧化豐度，但會增加氧化亞氮生產，主要由于不完全反硝化和碳源不足。

3 微生物群落分析顯示厭氧氨氧化細菌與多種細菌共生，網絡分析揭示了正負相互作用，影響過程穩定性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧化亞氮微傳感器測量溶解氧化亞氮數據的研究意義在于精確量化厭氧氨氧化過程中的溫室氣體排放動態，從而評估該技術的環境友好性。氧化亞氮是一種強效溫室氣體，其全球變暖潛能遠高于二氧化碳，因此在廢水處理中控制其排放至關重要。在本研究中，傳感器實時監測顯示，在顆粒尺寸超過0.9毫米時，氧化亞氮積累速率顯著增加，最高達5.6毫克氮/克揮發性懸浮固體·小時，這占總體氮轉化率的一定比例。這種測量幫助識別了氧化亞氮生產的熱點，并關聯到微生物機制，如不完全反硝化和碳源限制。通過這種高精度數據，研究能夠驗證厭氧氨氧化過程在最佳尺寸下的低排放優勢，為實際應用提供減排策略，同時支持過程優化以減少二次污染風險。此外，傳感器數據與微生物分析結合，證實了氧化亞氮主要來自異養反硝化而非硝化途徑，增強了我們對氮循環機制的理解。