不同曝气策略下好氧颗粒污泥中氮和磷循环、微生物群落发展以及N2O排放的比较研究

《Bioresource Technology》：Comparative evaluation of nitrogen and phosphorus cycling, microbial community development, and N 2O emissions in aerobic granular sludge under different aeration strategies

硝化亚硝酸盐减排与曝气策略调控研究：通过长期运行双SBR系统（交替曝气SBR1与连续低DO曝气SBR2）对比，发现连续低DO促进同步硝化反硝化（SND）使N?O排放降低至2.1%，而交替曝气在EBPR崩溃期N?O排放升至7.9%，揭示了曝气策略对微生物群落及N?O生成路径的主导作用。

　　

Johanna Geesey|Benyamin Chahkandi|Bogna Sniata?a|Zehao Li|Jana Scheynen|Dorothee G?ttert|Ewa Zaborowska|Jacek M?kinia|Jan Dries

BioWAVE，生物化学废水资源化与工程研究，安特卫普大学应用工程学院，Groenenborgerlaan 171，2020安特卫普，比利时

摘要

好氧颗粒污泥（AGS）能够高效且节约资源地去除氮和磷，但其产生的温室气体一氧化二氮（N?O）排放仍是一个关键的可持续性问题。本研究考察了两种截然不同的曝气策略下AGS的长期运行性能，这两种策略通过不同的机制促进营养物质的去除。结果表明，曝气策略与长期N?O排放之间存在明确关联，这说明控制N?O排放的关键因素是曝气策略本身，而不仅仅是溶解氧（DO）浓度。在序贯好氧-厌氧条件下运行的SBR 1的N?O排放量（占进水氮的7.9±2.5%）高于适应低DO连续曝气条件的SBR 2（占进水氮的2.1±0.8%）。在磷去除不稳定的时期，SBR 1的N?O排放量显著增加，而在SBR 2中，颗粒的稳定性和捷径反硝化过程起到了关键作用。本研究首次明确了长期曝气管理在实现稳定、低排放的营养物质去除中的作用。

引言

好氧颗粒污泥（AGS）是一种新型技术，能够从废水中实现可持续的生物营养物质去除，相比传统活性污泥工艺，它对碳和曝气的需求更低（Pronk等人，2015年）。AGS通过同时硝化与反硝化（SND）过程有效去除氮（Nguyen Quoc等人，2021年），并通过多磷酸盐积累菌（PAOs）的增殖增强磷的去除效果（Diaz等人，2022年）。Zeng等人（2003年）首次培育出了能够同时进行硝化、反硝化和磷去除的多磷酸盐积累菌（dPAOs），但观察到这些菌会产生大量的一氧化二氮（N?O）。

一氧化二氮（N?O）排放已成为废水处理领域的主要挑战之一。它是仅次于二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）的第三大温室气体，其全球变暖潜能值在100年时间范围内为265至298个二氧化碳当量（IPCC，2019年）。在生物废水处理厂中，N?O往往占碳足迹的一半以上（Maktabifard等人，2022年）。目前关于AGS系统在实验室和试点规模上的N?O排放系数（EF）数据差异很大，范围从小于1%到超过20%的进水总氮（TN）负荷（Pan等人，2024年），这表明AGS中N?O的产生和排放机制尚未完全明了。

在氮去除过程中，N?O主要通过三种途径产生：硝化菌的反硝化（ND）、羟胺（NH?OH）氧化不完全（NN）以及异养反硝化（HD）（Wunderlin等人，2012年）。通常认为，好氧阶段由氨氧化菌（AOB）进行的ND是N?O排放的主要来源（Jia等人，2013年；Li等人，2019年；Zhang等人，2015年），而HD过程可能既是N?O的来源也可能是其汇（Conthe等人，2019年）。然而，在增强型生物磷去除（EBPR）系统中，内部储存聚合物（如聚羟基烷酸酯PHA）的缓慢消耗可能导致电子供应不足，从而在反硝化过程中增加N?O的产生（Marques等人，2018年）。

曝气控制是影响生物营养物质去除过程中N?O形成和排放的关键因素，因为溶解氧（DO）对编码N?O还原酶的nosZ基因的表达有显著影响（Suenaga等人，2018年）。较高的DO水平会促进AGS的N?O排放，因为氧气可以更深入地渗透到颗粒内部（Cavanaugh等人，2022年；Nguyen Quoc等人，2024年）。尽管已经研究了多种不同的DO设定点和曝气策略（连续/交替）对营养物质去除效果的影响（Izadi等人，2021年；Layer等人，2020年），但很少有研究关注N?O排放。Lochmatter等人（2013年）研究了不同操作策略（曝气和COD/N比）对N?O排放的影响，不过他们的实验是在小规模反应器（3.5升）中进行的，持续时间从几周到每种策略3个月不等，因此难以推广到实际应用。Magnus等人（2025年）最近评估了曝气和投加策略联合对N?O排放的影响。

然而，关于不同曝气策略对AGS系统N?O动态独立影响的研究仍然较少。为了填补这一知识空白，本研究旨在评估两种截然不同的曝气策略的长期营养物质去除和N?O排放性能：一种是交替的好氧和厌氧条件，促进序贯硝化和反硝化（SBR 1）；另一种是连续低DO曝气，促进SND（SBR 2）。研究结果有助于揭示不同N去除策略下N?O产生和排放的关键机制和途径，从而推动AGS技术的可持续发展。

实验设置

两个相同的双壁序批反应器（SBR），工作体积为12升，工作温度为24±1°C，运行时间为300天。每个SBR配备了顶部搅拌器、空气泵、盘式扩散器、排放阀和电磁计量投加泵，以及用于监测DO、温度和pH的传感器，如图1a所示。相关设备细节由G?ttert等人（2025年）详细描述。絮凝剂接种物来自市政废水。

反应器性能

两个系统的COD去除效率均达到96±1%（SBR 1）和97±1%（SBR 2），TN去除效率分别为93±2%（SBR 1）和94±2%（SBR 2）。研究期间分为三个阶段：基于SBR 1的EBPR性能，分别为启动阶段（第0-114天）、稳定阶段（第115-238天）和崩溃与恢复阶段（第239天及以后）。SBR 2的相应阶段也用于对比分析。

SBR 2中，EBPR过程迅速稳定，磷去除效果显著。

结论

在无碳限制的情况下，通过长期运行（超过300天）评估了两种曝气策略的性能。结果表明，在连续低DO曝气条件下（SBR 2）通过SND驱动的营养物质去除方式产生的N?O排放量明显低于序贯硝化、反硝化和EBPR过程（SBR 1）。SBR 2的优越性能归因于：(a) AOB产生的N?O较少；(b) 优异的颗粒化效果，使得SND过程中的亚硝酸盐转化迅速。

作者贡献声明

Johanna Geesey：撰写初稿、进行研究、进行数据分析、构建概念框架。Benyamin Chahkandi：撰写、审稿与编辑、构建概念框架。Bogna Sniata?a：撰写、审稿与编辑、进行研究、构建概念框架。Zehao Li：撰写、审稿与编辑、进行研究。Jana Scheynen：撰写、审稿与编辑、进行研究。Dorothee G?ttert：撰写、审稿与编辑、进行研究。Ewa Zaborowska：撰写、审稿与编辑、项目管理、构建概念框架。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究由安特卫普大学应用工程学院的BioWAVE研究小组完成，并得到了佛兰德斯研究基金会（FWO）的资助，项目编号为G000024N。