悬浮载体强化MBR处理钨冶炼氨氮废水的性能及微生物响应

本研究利用悬浮载体MBR处理高盐钨冶炼废水，发现其COD和NH4+–N去除效率分别达93.98%和92.66%，优于传统MBR。盐胁迫下，NOx–N变化复杂，通过外源EPS分泌维持渗透压平衡，并借助悬浮载体保护菌群，提升系统适应性和稳定性。测序显示SM1A02和Nitrosomonas主导氨氮去除，Stappia等菌种减少亚硝酸盐积累，基因表达分析表明盐胁迫上调氨氧化基因并抑制反硝化基因，悬浮载体系统（R1）显著提升脱氮效率

　　

黄杜亮|黄林|叶金茂|张宇|杨青青|钟长明

江西科技大学资源与环境工程学院，赣州341000，中国

摘要

钨冶炼废水的特点是盐分高且碳氮比低，这限制了通过生物过程高效去除氮的能力。本研究探讨了在盐冲击条件下使用悬浮载体来增强膜生物反应器（MBR）中功能细菌的氮代谢效率。在盐梯度适应过程中，悬浮载体MBR的COD和NH₄⁺-N去除效率分别保持在93.98%和92.66%，优于传统MBR。NO_x^--N的变化受到盐分的复杂影响。具体而言，在低盐度（≤2%）条件下，NO₃^--N从26.91 mg/L下降到4.23 mg/L，而亚硝酸盐氧化菌（NOB）的敏感性导致NO₂^--N积累至30.22 mg/L。经过3%盐度适应后，NO₂^--N降至1.06 mg/L，TN去除效率上升至61.68%。盐胁迫诱导了细胞外蛋白质和多糖的分泌以维持渗透平衡，而悬浮载体介导的系统（R1）显著减轻了TB-EPS中蛋白质和多糖的损失，从而在盐条件下促进了更快的适应并增强了污泥的结构稳定性。高通量测序表明，在高盐度条件下，SM1A02和Nitrosomonas是负责NH₄⁺-N去除的主要属。此外，Stappia、Paracoccus和Denitratisoma通过减少NO₂^--N的积累有助于提高TN的去除效率。PICRUSt2分析显示，盐度增加上调了氨氧化基因（AmoA/B/C），同时下调了亚硝酸盐氧化（NxrA/B）和反硝化基因（NasA/NarG/H/I）。在高盐胁迫下，悬浮载体系统（R1）的氨氧化（AmoC）和反硝化（NasA/NarG/H/I）基因表达增强，提高了盐环境中的氮去除效率。

引言

钨作为一种重要的国家战略资源，因其高硬度、高熔点和耐腐蚀性等优异特性，在国防、航空航天、能源和医疗领域得到广泛应用[1]、[2]。中国占全球钨产量的84.52%，其中江西省赣南地区被誉为“世界钨之都”，拥有全国约79%的钨储量（截至2022年）[3]。大规模的采矿和冶炼活动产生了高盐度的废水，其中含有大量的氨氮（NH₄⁺-N）、有机化合物和微量金属元素（如As、Cu、Al）。这些污染物通过水体传播，对生态系统和人类健康构成直接和间接威胁[4]、[5]。随着环境法规的日益严格，钨冶炼废水的特性严重限制了该行业的可持续发展。生物处理方法因其较高的氮和碳去除效率以及较低的能耗而受到青睐，并被广泛用于大规模废水处理。然而，盐分被认为是限制生物脱氮效果的关键因素。对于钨冶炼废水而言，这一问题尤为突出，因为其不仅盐分高，还含有少量的重金属（如As、Cu、Al）。这些综合因素对微生物群的氮代谢造成了巨大压力。因此，实现这种特定废水的有效生物脱氮已成为一个关键且具有挑战性的研究焦点。

尽管如此，先前的研究表明，当盐度超过1%时，MBR中的硝化作用仍会受到抑制。虽然长期适应盐度梯度可以提高微生物的耐盐性，但高盐环境会破坏细胞内渗透压平衡并削弱代谢酶活性，从而降低系统的氮去除效率[6]、[7]。例如，Xu等人观察到，当盐度增加到1.5%（第58天）时，氨氮去除率下降到45.5%，并且无法恢复[8]。Pronk等人进一步报告称，NOB的耐盐阈值约为20 g/L NaCl[9]。Liu等人也证实，与其他氮代谢功能细菌相比，NOB对盐度更敏感。在高盐度条件下（>4%），这种敏感性容易导致游离亚硝酸的积累，从而协同抑制氨氧化和反硝化过程，导致氮去除性能恶化[10]。此外，Liu和Yin等人的后续研究强调了重金属及其与盐度共存对微生物反硝化性能的不利影响[11]、[12]。因此，钨冶炼废水的长期生物脱氮过程受到盐分和重金属共同作用的限制。特别是在高盐胁迫下，活性污泥可能会发生裂解和失活，可能导致氮代谢功能完全崩溃。

生物强化作为一种研究方向，因其能有效缓解环境压力（如盐抑制和重金属毒性）对微生物功能的负面影响而受到关注。例如，Gao等人证明，在MBR系统中添加耐盐菌株显著减轻了盐诱导的氮去除抑制[13]。然而，这种方法依赖于分离和纯化耐盐细菌，不仅增加了操作复杂性和成本，还可能损害微生物群落的多样性。另一种方法是污泥颗粒化，通过细胞外聚合物物质（EPS）形成的表面层为功能细菌提供保护屏障，但颗粒的生长速度通常较慢。虽然交替好氧-厌氧模式（AT-AGS）可以加速颗粒污泥的形成，但此类系统中相对较低的细菌丰度和简化的群落结构仍可能威胁长期运行稳定性[8]。相比之下，基于载体的生物膜（以悬浮载体为代表）为微生物附着和生长提供了栖息地。这促进了多样化功能细菌群的富集和共生，并利用EPS形成的保护屏障减少微生物对高盐度或重金属的直接暴露。此外，这种方法有助于维持高微生物多样性，从而增强系统稳定性和抗冲击性。例如，Chen等人报告称，在MBR中加入生物载体使氮去除效率提高了五倍，并缩短了启动时间[14]。同样，在处理高浓度尿液废水时，向MBR系统中添加载体可将启动时间缩短18%，并使硝化速率提高36%[15]。在高盐度环境中使用生物膜载体也被证实可以提高同时硝化和反硝化（SNDE）的效率，并减轻盐胁迫对系统性能的影响[16]、[17]。

然而，鉴于钨冶炼废水中高盐分和微量重金属的存在，这些特性对微生物群落结构的综合影响仍不甚清楚。关于盐胁迫对处理钨冶炼废水的悬浮载体复合MBR中微生物群落结构潜在影响的研究尤其匮乏。因此，本研究旨在使用悬浮载体复合MBR提高钨冶炼废水的氮去除效率。在不同盐度水平（0-3%）下，全面评估了该系统的同步硝化-反硝化性能、耐盐机制、微生物群落演替、细菌网络相互作用以及氮代谢基因的表达。研究结果有望为高效处理高盐度氨氮废水（如来自钨冶炼的废水）提供参考和技术支持。

部分摘录

源水和接种污泥

实验废水来自赣州市一家钨冶炼厂的均衡池（见表1中的特性）。原始废水被稀释至目标盐度水平，详细的稀释程序和化学加药方案见补充材料S1。先前的研究表明，在盐梯度下适应可以提高传统微生物联合体的适应性，1%的盐度被认为是关键阈值

有机物和氮对盐胁迫的响应

如图2-a和2b所示，在无盐条件下，R0和R1反应器的COD去除率均超过97.28%。随着盐度的增加，COD去除效率呈下降趋势，瞬时盐冲击的不利影响变得更加明显。值得注意的是，在盐胁迫的初始阶段，COD去除率暂时下降，但随后有效恢复。然而，当盐度提高到2%时，两者的COD去除性能均

结论

本研究表明，悬浮载体复合MBR（R1）在盐条件下显著提高了钨冶炼废水的氮去除效率。经过0-3%盐度梯度的适应后，R1在同步硝化-反硝化（SND：64.26%）和氮去除（ANR：94.41%；TNR：61.25%）方面的表现优于传统MBR（R0）。初始盐胁迫触发了

CRediT作者贡献声明

杨青青：验证、研究。黄杜亮：撰写——初稿、方法学、研究、数据管理、概念化。黄林：可视化、资源管理、数据管理。钟长明：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。叶金茂：方法学、研究。张宇：可视化、监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（21866014）的支持。