功能化的生物膜载体增强了低温部分硝化/反硝化（PN/A）过程，从而有效去除市政污水中的氮

PN/A系统通过引入zeolite-HDPE和ZVI/GO-HDPE功能化载体，解决了低温下氨氧化细菌（AOB）与亚硝酸盐氧化细菌（NOB）竞争及厌氧氨氧化菌（AnAOB）富集活性不足的问题。实验表明，zeolite-HDPE载体通过吸附NH4+-N形成高浓度微环境，促进AOB生长并抑制NOB；ZVI/GO-HDPE载体通过Fe2?释放和电子转移增强AnAOB生物活性。在30℃至17℃低温条件下，TN去除率稳定达标（<15 mg/L），优于传统HDPE载体系统。

　　

李兆东|刘涛|乔森|陈硕|钱谢

工业生态与环境工程国家重点实验室（教育部），大连理工大学环境科学与技术学院，中国大连116024

摘要

部分硝化/反硝化（PN/A）是一种碳中性的氮去除工艺，用于处理主流废水。然而，其氮去除性能常常受到亚硝酸盐氧化菌（NOB）在PN阶段对氨氧化菌（AOB）的竞争以及反硝化阶段反硝化菌（AnAOB）富集和生物活性较低的限制，这是由于市政废水中NH₄⁺-N浓度较低和季节性温度波动所致。为了解决这些问题，本研究在PN/A系统中引入了两种功能化载体。首先，将沸石与高密度聚乙烯（HDPE）混合制备成沸石-HDPE载体，并将其应用于PN阶段。沸石-HDPE载体在其表面形成了富集NH₄⁺的微环境，与传统HDPE载体相比，这增加了AOB的数量并抑制了NOB的数量。其次，将零价铁（ZVI）和氧化石墨烯（GO）与HDPE混合制备成ZVI/GO-HDPE载体，并将其用于反硝化阶段。ZVI的释放促进了血红素c的合成，而GO增强了反硝化菌的细胞外电子传递能力，使得ZVI/GO-HDPE载体上的AnAOB数量和生物活性优于HDPE载体。在进水条件为40 mg/L COD和40 mg/L NH₄⁺-N的情况下，使用沸石-HDPE和ZVI/GO-HDPE载体的PN/A系统在30℃至17℃的宽温度范围内始终保持出水TN低于15.0 mg/L，符合中国排放标准（GB18918-2002）；而使用HDPE载体的PN/A系统在温度为25℃或更低时无法达到该标准。本研究展示了一种稳定运行主流PN/A系统的可行策略，突显了其在处理市政废水中的应用潜力。

引言

作为低碳节能的氮去除工艺，部分硝化/反硝化（PN/A）受到了广泛关注。与传统硝化/反硝化工艺相比，PN/A不需要外部有机碳，并且理论上可减少62.4%的曝气需求[1]，[2]。迄今为止，PN/A工艺已成功应用于处理含有高浓度NH₄⁺的废水，如垃圾填埋场渗滤液、消化废水和猪废水[3]，[4]，[5]。然而，PN/A在市政废水中的应用仍面临许多挑战，尤其是在温带和寒冷地区。主要挑战之一是在PN过程中选择性地富集AOB并抑制NOB[2]，[6]。市政废水中NH₄⁺-N的浓度较低，难以有效富集AOB并抑制NOB[6]。此外，低温会导致NOB的生长速率超过AOB的生长速率[2]，[7]，从而使得NOB在AOB上占据优势，导致NO₂^-被氧化为NO₃^-，不利于NO₂^-的有效积累。另一个挑战是反硝化过程中AnAOB的富集及其代谢活性的增强。NH₄⁺的有限可用性严重限制了AnAOB的生长，而低温显著降低了它们的生物活性（Chang等人，2024年；Wang等人，2022b年）。添加传统的HDPE载体通常被认为是保持AOB和AnAOB生物量的有效策略，因为它们可以提供有利的庇护所，减轻冲刷效应并维持高生物量[8]，[9]。为了进一步增强AOB和AnAOB的富集，一些改良的生物膜载体被开发出来。例如，我们之前的研究将聚季铵盐-10添加到HDPE载体中，使载体的ζ电位从负值变为正值，从而通过静电吸引增强带负电荷的AOB生物量的附着[10]。Zhang制备了装载N-酰基同型半胱氨酸内酯的载体，以刺激群体感应，从而促进AnAOB的富集[11]。然而，这些改良的载体通常不足以在低温下抑制NOB对AOB的竞争。此外，它们往往无法同时提高AnAOB的数量和代谢活性。因此，我们开发了两种功能化生物膜载体，一种旨在抑制NOB对AOB的竞争，另一种旨在在低温条件下增强AnAOB的富集和生物活性。

先前的研究表明，富集NH₄⁺的环境可以促进AOB的富集并抑制NOB的增殖[12]。高浓度的NH₄⁺为AOB的生长提供了充足的底物。同时，高浓度的NH₄⁺会产生游离氨（FA），由于NOB对FA的敏感性高于AOB，从而有效抑制NOB的生长和代谢[13]。传统的HDPE载体无法在液体中有效吸附NH₄⁺，导致载体表面的FA浓度接近液体中的浓度[14]。沸石作为一种选择性离子交换剂，具有很强的吸附NH₄⁺的能力[13]。Chen报告称，沸石吸附的NH₄⁺浓度是原废水中浓度的174.85倍[15]。这种显著的富集使得沸石上的FA浓度高达60 mg/L，远高于废水中的浓度。因此，将沸石添加到HDPE载体中预期可以创建一个富集NH₄⁺和FA的微环境，促进AOB的生长并抑制NOB的生长，从而促进NO₂^-的积累。

零价铁（ZVI）可以消耗废水中的溶解氧（DO），创造并维持反硝化菌代谢所需的厌氧条件[9]，[16]。ZVI还因其腐蚀作用持续释放Fe²⁺和Fe³⁺，为反硝化菌内涉及Fe-S簇和血红素c的关键辅酶的合成提供足够的生物可利用铁[16]，[17]。这些辅酶是亚硝酸盐还原酶（NIR）、肼合成酶（HZS）和肼脱氢酶（HDH）等关键酶的必需辅因子，参与反硝化菌的核心代谢过程。因此，ZVI被视为反硝化菌增殖和代谢的生物增强剂。此外，氧化石墨烯（GO）可以作为电子穿梭体，从反硝化菌的外膜接受细胞外电子[18]。这种细胞外电子传递（EET）过程可以增强GO与反硝化菌之间的生物亲和力，有利于反硝化菌的附着和生物活性的提高。此外，我们之前的研究发现，在进水TN浓度为250至500 mg/L的高浓度下，同时添加ZVI和GO可以协同促进反硝化菌的生长并增强其代谢活性[19]。因此，将ZVI和GO添加到HDPE载体中预期可以增强主流废水中的反硝化菌富集和生物活性。

本研究将沸石-HDPE载体引入PN阶段，将ZVI/GO-HDPE载体引入反硝化阶段，旨在提高低温下的PN/A氮去除性能。实验表明，沸石-HDPE载体增加了AOB的数量并抑制了NOB的数量，而ZVI/GO-HDPE载体不仅增加了更多的AnAOB，还提高了其生物活性。这两种功能化载体带来的细菌富集和生物活性提升使得PN/A系统在温度从30℃逐步降低到17℃的过程中表现出稳定且强大的氮去除性能。本研究展示了一种通过添加功能化生物膜载体来稳定运行PN/A系统的简单策略，突显了其在处理实际市政废水中的应用潜力。

载体制备

沸石-HDPE载体（图S1a）是通过将5.0 wt%的沸石粉末与HDPE载体混合制备的。ZVI/GO-HDPE载体（图S1b）是通过将5.0 wt%的ZVI和1.0 wt%的GO与HDPE载体混合制备的。ZVI和GO的比例依据我们之前的研究[19]确定。载体的密度应控制在0.94-0.97 g/cm³范围内，以保证其流化性能。选择5.0 wt%的沸石比例是为了保持适当的载体密度。详细信息

PN/A的启动和运行

两个平行反应器R1和R2在逐步降低的温度下运行了160天。整个运行过程分为四个阶段：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，对应不同的操作温度30℃、25℃、20℃和17℃。在阶段Ⅰ（第1天至第44天），温度保持在30℃。在此阶段，R1的进水NH₄⁺-N浓度为40.5±2.1 mg/L，出水NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N浓度分别为15.3±1.4、11.5±0.5和3.5±1.1 mg/L（图1a）。

结论

成功制备了沸石-HDPE和ZVI/GO-HDPE载体，以提高低温下处理主流废水的PN/A性能。在PN阶段，沸石-HDPE载体增加了AOB的相对数量，同时抑制了NOB的相对数量。AOB的优先增殖和NOB的抑制归因于沸石-HDPE载体创建的富集NH₄⁺的微环境。

CRediT作者贡献声明

陈硕：数据整理。乔森：正式分析、数据整理。钱谢：监督、资源管理。李兆东：撰写——原始草稿、正式分析、概念构思。刘涛：方法学、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家科技重大项目“水污染控制与治理”（编号2012ZX07202006）、辽宁振兴人才计划（XLYC1801003）和中央高校基本科研业务费（DUT19TD27、DUT25LAB102）的支持。