《ACS ES&T Engineering》：Poly(DMAPAA-co-DMAA) Hydrogel as a pH-Adjustable Immobilizing Carrier for Nitrifying Bacteria: An Innovative Approach for Enhanced Partial Nitrification
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本文提出了一种新型pH可调的固定化载体聚(DMAPAA-co-DMAA)超多孔水凝胶，用于选择性抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）并促进氨氧化细菌（AOB）活性，从而实现高效稳定的部分硝化（PN）过程。该研究为废水脱氮，特别是结合厌氧氨氧化（Anammox）的PN/A工艺，提供了一种创新的、具有潜在应用价值的解决方案。
引言：部分硝化的挑战与新策略
与传统脱氮方法相比，部分硝化（PN，氨氧化为亚硝酸盐）为废水处理过程中的氮去除提供了一种经济高效的解决方案。结合厌氧氨氧化（Anammox， AnAOB）的PN/A工艺是一种自养且节能的技术，无需额外电子供体。然而，实现稳定PN的主要挑战在于控制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）将亚硝酸盐转化为硝酸盐。在PN池中，AOB与NOB共存并竞争溶解氧（DO），导致亚硝酸盐积累失衡，进而抑制后续的Anammox反应。因此，需要一种长期高效的PN工艺来保证可靠的亚硝酸盐供应。
调控环境参数（如温度、DO、pH等）是实现稳定PN的常用策略。其中，调整pH尤为重要，因为碱性条件有利于抑制NOB。碱性环境会使氨/铵平衡向游离氨（FA）移动，而NOB对FA毒性比AOB更敏感，从而导致亚硝酸盐积累，有利于PN路径。此外，高pH会破坏NOB细胞的膜电位和酶活性。
生物质固定化技术可以显著推进PN在废水处理中的应用。凝胶包埋是最常用的固定化方法之一。与传统的活性污泥系统相比，固定化载体内部的DO梯度可以显著抑制NOB活性，同时不影响AOB，从而促进稳定PN。基于此，本研究旨在引入一种由聚（二甲基氨基丙基丙烯酰胺-共-二甲基丙烯酰胺）制成的离子载体凝胶，作为一种硝化细菌固定化系统。该共聚物的关键优势在于其结构中含有胺基团，这些胺基团可与水相互作用产生氢氧根离子，促进并维持凝胶内部的碱性环境。
实验部分
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水凝胶的合成
采用冷冻聚合法合成超多孔冷冻凝胶。单体N，N-二甲基氨基丙基丙烯酰胺（DMAPAA）和N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）与交联剂N，N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）、促进剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺（TEMED）以及引发剂过硫酸铵（APS）按一定比例混合，在-20°C下反应。所得凝胶经洗涤干燥后，其结构通过扫描电子显微镜（SEM）进行表征。通过改变DMAPAA单体的用量，成功制备了内部pH值分别为9.0、9.3、10.0和10.8的凝胶。SEM图像显示，制备的水凝胶具有连续的互连多孔结构，这种结构有利于高效传质和细菌附着。
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平衡吸附研究
研究了凝胶对亚硝酸根（NO2-）和硝酸根（NO3-）离子的平衡吸附。实验数据符合朗缪尔模型。结果表明，凝胶对亚硝酸根和硝酸根的最大吸附容量分别约为0.0387 mg/g（干凝胶）和0.0406 mg/g（干凝胶）。考虑到培养基中铵离子（NH4+）浓度为30-100 mg-N/L，而亚硝酸盐和硝酸盐水平通常高于1 mg-N/L，因此凝胶对亚硝酸盐和硝酸盐的吸附影响可以忽略不计。
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pH对部分硝化的影响
在批式培养中，研究了不同pH（9.5、10、10.5、11）对游离活性污泥中硝化活性的影响。在pH 11的极碱性条件下，氨氧化和亚硝酸盐、硝酸盐的形成均被最小化。在pH 10.5时，观察到部分氨氧化，伴随少量亚硝酸盐和硝酸盐生成。在中等碱性条件下（pH 9.5-10），氨氧化高效进行。有趣的是，亚硝酸盐积累在pH 10时最高，而硝酸盐生成在pH 9.5时更多。这表明，在游离污泥系统中，中等碱性条件可以选择性地支持AOB活性，促进亚硝酸盐积累，从而实现PN。
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批式培养与载体凝胶性能
使用不同内部pH（9, 9.3, 10, 10.8）的载体凝胶进行批式培养。结果显示，所有凝胶在24小时后均能氧化铵并产生亚硝酸盐。培养48小时后，内部pH≤10的凝胶中，几乎所有亚硝酸盐都被转化为硝酸盐，表明NOB活性未被抑制。相反，内部pH为10.8的凝胶不仅在24小时后继续产生亚硝酸盐，而且在75小时左右达到约80 mg-N/L的峰值，同时有效防止了NOB形成硝酸盐离子，其浓度在90小时后仍低于28 mg-N/L。这表明内部pH为10.8的凝胶能有效抑制NOB，促进亚硝酸盐积累。
值得注意的是，在内部pH为10.8的凝胶中，亚硝酸盐浓度在约75小时后呈下降趋势。这归因于批式培养中未更换培养基导致的铵浓度和培养基pH逐渐下降，从而降低了对NOB的抑制效果。因此，后续实验转向连续培养系统，以评估NOB抑制效果和PN的可持续性。
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连续培养与稳定部分硝化
在初始铵浓度为100和50 mg-N/L、水力停留时间（HRT）为16小时的条件下，进行了30天的连续培养。结果显示，与仅含活性污泥的系统相比，使用凝胶固定化硝化细菌的系统能显著降低硝酸盐积累，并提高亚硝酸盐积累。例如，在初始铵浓度为100 mg-N/L时，30天后，凝胶系统的亚硝酸盐浓度约为31.77 mg-N/L，而污泥系统仅为3.59 mg-N/L；凝胶系统的硝酸盐浓度约为14.57 mg-N/L，而污泥系统高达55.05 mg-N/L。
另一个关键发现是，对于初始铵浓度为100和50 mg-N/L的系统，硝酸盐浓度分别在连续培养20天和12天后几乎保持为零，而污泥系统中的硝酸盐水平从一开始就持续增加。这表明在凝胶系统中，AOB活跃地氧化铵为亚硝酸盐，而NOB活性被有效抑制，阻止了亚硝酸盐向硝酸盐的后续转化。
在初始铵浓度为30 mg-N/L、HRT分别为8小时和12小时的条件下进行测试。结果显示，HRT为8小时的系统比HRT为12小时的系统更早出现硝酸盐积累（分别在第9天和第16天）。这表明，频繁更换培养基可能加速了凝胶内部碱性氢氧根离子的流失，导致内部pH下降和NOB活化。因此，需要通过氢氧化钠溶液处理来再生凝胶，以防止内部pH下降。
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使用过的凝胶的再生
为了恢复因pH下降而减弱的NOB抑制能力，将含有固定化硝化细菌的凝胶浸入0.1 M NaOH溶液中处理，然后重新用于连续培养。再生后的凝胶在至少40天内几乎不积累硝酸盐，之后100天内仅有少量积累。这表明，通过氢氧化钠溶液处理，凝胶抑制NOB生长的能力得以恢复，从而能够维持长时间的PN。此外，第二和第三次循环的氨氧化速率比第一次更快，表明AOB在水凝胶中保持了活性。再生过程中，吸附的硝酸根阴离子被氢氧根基团取代，聚(DMAPAA-co-DMAA)凝胶的季铵基团得以刷新，从而维持其内部pH在碱性水平，抑制NOB生长。
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细菌菌群分析
通过16S rRNA基因测序分析微生物群落。在所有样品中，优势AOB和NOB属分别为Nitrosomonas和Nitrospira。分析表明，聚合物凝胶支撑的样品中，Nitrosomonas属的数量显著高于纯污泥样品，而Nitrospira属仅存在于连续培养30天后的凝胶样品（Gel-30d）、再生后培养20天的凝胶样品（Regel-20d）以及污泥样品中。这表明聚合物凝胶为Nitrosomonas属的生长创造了有利环境，同时抑制了Nitrospira属的增殖。然而，连续培养30天后，凝胶的抑制效果减弱，导致Nitrospira属开始生长。
Nitrosomonas和Nitrospira属的相对丰度。">
此外，使用氢氧化钠溶液再生凝胶显著影响了细菌种群，导致Nitrosomonas细菌增加，Nitrospira细菌显著减少。这可能是由于Nitrospira在内部pH升高的再生共聚物凝胶中受损所致。
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机理讨论
较高pH下，NH4+/NH3平衡向NH3移动，AOB能更有效地利用NH3作为氨单加氧酶（AMO）的底物。相反，NOB的关键酶——亚硝酸盐氧化还原酶（NXR）的活性随pH升高而降低。研究表明，AOB在中等碱性条件下通常保持较高的相对活性，而NOB则表现出更高的敏感性。此外，凝胶内部的碱性微环境可能通过增加FA毒性进一步促进选择性NOB抑制。空间上的pH和氧可用性变化也可能影响硝化菌的分布。在凝胶系统中，主体pH在8-9之间，而由于氨氧化消耗质子，凝胶内部pH预计更高。考虑到AOB通常偏好较高pH，而NOB在稍低pH下更活跃，部分硝化可能主要发生在凝胶表面附近，那里的pH条件和底物可用性有利于AOB生长。
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未来展望
长期运行中，NOB（特别是Nitrospira）可能在抑制条件下持续存在并随时间重新建立活性。这既可能是NOB的生理可塑性或适应性所致，也可能是环境条件（如pH）接近NOB活性的临界阈值，微小的波动就足以使其克服抑制。这强调了精确环境控制的重要性。此外，本研究使用合成废水以确保受控条件，但实际废水可能带来持续NOB入侵等挑战，可能影响长期稳定性。因此，未来需要使用实际废水进行研究，以验证该工艺的稳健性和可扩展性。
结论
本研究成功开发了一种由离子单体DMAPAA和非离子单体DMAA组成的固定化载体凝胶。通过冷冻聚合法合成的超多孔共聚物凝胶具有良好的传质特性。将内部pH设定为10.8的合成凝胶接种硝化细菌（AOB和NOB）后，抑制了NOB的增殖，同时促进了AOB在凝胶内的生长。在硝化过程中引入这些接种凝胶表明，与纯污泥系统相比，使用这些共聚物凝胶能有效减少硝酸盐离子的长期产生（在初始铵浓度为100、50和30 mg-N/L时，分别持续20、12和16天），并降低其在培养基中的积累。相反，亚硝酸盐离子水平增加，反映了NOB活性的显著降低和AOB性能的增强。尽管聚(DMAPAA-co-DMAA)水凝胶能有效抑制NOB并防止硝酸盐产生，但其可重用性可通过氢氧化钠溶液再生而延长。再生过程通过促进吸附的硝酸根离子与氢氧根离子的交换，提高了内部pH，从而恢复了凝胶的功能，使其至少能再使用40天。由此产生的碱性微环境促进了Nitrosomonas的活性，同时抑制了Nitrospira，从而恢复了亚硝酸盐的产生。这些发现表明，在凝胶基质内固定硝化细菌可提供有效的内部pH控制，选择性抑制NOB，并培育稳定的AOB主导群落，从而支持持续的PN过程。
