《Journal of Water Process Engineering》：Substrate control and carrier bioaugmentation stabilize the electrocatalytic-Anammox process for sustainable nitrogen removal
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氮去除 | 电催化硝酸盐还原 | 厌氧氨氧化 | 铁基载体 | 生物膜稳定性
梁凯强|刘颖|吴晓娟|王海义|李健|李新林|严伟|冯江涛|王宁
中国西安交通大学环境科学与工程学院固体废物回收与资源化利用重点实验室，西安，710049
摘要
高强度硝酸盐废水处理受到传统生物过程不稳定性和高碳强度的阻碍。将电催化硝酸盐还原为氨（NitRR）与Anammox工艺结合，可以通过电化学方式调节还原后的氮化合物来实现低碳氮去除，但目前对于Anammox在NitRR衍生废水中的长期稳定性仍了解不足。本研究开发了一种耦合的NitRR–Anammox系统，并比较评估了两种工程相关的稳定策略：梯度驯化（R1）和基于铁的载体生物强化（R2）。在全NitRR负荷下，R2实现了约80%的总氮去除率，显著优于R1（约54%），同时保持了较低的出水硝酸盐浓度（3.26 ± 2.17 mg/L），表明其工艺具有更好的稳定性。铁强化系统形成了富含蛋白质且紧密结合的EPS，PN/PS比率更高（1.546 vs 1.353），从而增强了生物膜完整性和生物质保留能力。微生物分析显示，R2中的AnAOB丰度更高（30.37% vs 28.13%），反硝化细菌也增加了五倍以上（47.77% vs 9.32%），这有助于减轻硝酸盐积累并缓冲化学计量偏差。在高铵负荷下，Nitrosomonas的富集进一步提供了辅助亚硝酸盐，而血红素c的持续增加则增强了Anammox的活性。总体而言，基于铁的载体生物强化被证明是一种有效的NitRR-Anammox集成稳定策略，使该系统从可行性阶段迈向了稳定、低碳且可扩展的硝酸盐废水处理方向。
引言
多种行业会产生大量高强度硝酸盐废水，包括金属加工、炸药生产和化学制造等，其中NO3?-N浓度常常达到1000–10,000 mg/L，在极端情况下甚至超过30,000 mg/L（例如炸药和核燃料再处理过程）[1]。直接排放此类废水会引发严重的富营养化和饮用水污染问题，因此开发高效且低碳的氮去除技术成为环境工程中的关键研究课题[2]。
当前的处理方法包括生物反硝化、离子交换、膜分离和电化学还原[3]、[4]、[5]。其中，电化学技术因其紧凑的结构、快速启动能力、自动化兼容性以及不依赖外部有机碳源而受到越来越多的关注[6]、[7]。特别是电催化硝酸盐还原为氨（NitRR）作为一种有前景的转化途径，通过八电子转移过程（NO3? + 9H+ + 8e? → NH3 + 3H2O）将NO3?转化为NH3/NH4+[8]、[9]、[10]、[11]。当与下游分离单元结合使用时，该途径可以实现氨的回收；然而，回收效率强烈依赖于整个系统的配置。
尽管具有这些优势，独立的NitRR系统仍存在固有局限性。出水通常含有残留的NH4+和副产生的NO2?，导致二次氮污染，超出排放标准[12]。尝试通过电化学生成的活性氯来氧化残留的NH4+会带来有毒副产物的形成和设备腐蚀问题，限制了其实际应用[13]、[14]、[15]。
生物氮去除技术具有更高的处理完整性和更低的碳足迹。其中，厌氧氨氧化（Anammox）被认为是最可持续的途径之一[16]。Anammox细菌（AnAOB）在严格厌氧条件下以大约1:1.32的化学计量比利用NH4+和NO2?生成N2，无需通氧或添加外部碳源即可实现高达89%的理论氮去除效率[17]、[18]。然而，实际应用中稳定的亚硝酸盐供应仍然是一个主要瓶颈[19]。
传统的原位亚硝酸盐生成策略，如部分硝化（PN）和部分反硝化（PD），通常与Anammox在完全生物系统中结合使用。然而，这两种方法都依赖于生物介导的中间产物积累，本质上是不稳定的[20]、[21]。在PN中，需要持续抑制亚硝酸盐氧化细菌，并在严格控制的氧气水平下进行操作[22]；而在PD中，亚硝酸盐仅作为短暂中间产物，容易被进一步还原[23]。因此，这两种策略都难以确保下游Anammox过程所需的稳定和可控的亚硝酸盐供应。
与生物介导的亚硝酸盐调节不同，电催化硝酸盐还原能够对外部控制氮的形态进行调控。最新研究表明，催化剂组成、施加的电位、电解质环境和局部pH值可以显著影响NH4+/NO2?的选择性和最终产物分布[24]。虽然基于Cu、Fe和Ni的催化剂通常倾向于深度还原为NH4+[25]，但其他催化系统则促进部分还原路径，同时增加NO2?的生成或控制中间产物的释放[26]、[27]。因此，调节反应参数已成为调整氮中间产物和反应路径的可行策略[28]、[29]。然而，大多数研究侧重于催化活性和法拉第效率，而耦合系统中生成的NH4+/NO2?比的生物兼容性和稳定性尚未得到充分评估[30]。
这一空白激发了将NitRR与Anammox结合的兴趣，以结合电化学底物调控和生物氮净化[31]、[32]、[33]。然而，现有研究主要集中在可行性或短期性能上，对于Anammox在电化学废水条件下的长期稳定性了解不足[34]、[35]。
一个关键但尚未充分探讨的问题是，NitRR废水在生物上并不中性。根据操作参数的不同，电化学硝酸盐还原可能会引入较高的亚硝酸盐、游离氨、残留碱度、活性中间产物、氧化还原波动和离子强度扰动[36]、[37]。这些因素对生长缓慢且对环境敏感的AnAOB特别有害，可能破坏生物膜结构和代谢活性[38]、[39]。
在潜在的稳定策略中，基于铁的材料尤为重要。铁是Anammox代谢中的必需微量元素，是参与肼合成和氧化的含血红素c酶的催化核心[40]。充足的铁供应可以提高电子转移效率，促进EPS的分泌，增强生物膜的紧凑性，并提高对亚硝酸盐和游离氨的抵抗力[41]。此外，基于铁的材料还有助于氧化还原缓冲[42]，有助于缓解电化学引起的微环境扰动。这些特性表明，负载铁的载体可能在NitRR废水条件下同时提供代谢支持和物理化学稳定性。
因此，尽管NitRR可以提供可控的底物供应，但稳定性导向的策略对于确保NitRR-Anammox系统的稳健和长期运行是不可或缺的。
基于此背景，本研究并非旨在进一步验证NitRR-Anammox耦合的可行性，而是解决一个关键的实际问题：如何在处理NitRR废水时稳定启动和持续运行Anammox？为此，系统评估了两种工程相关的生物强化策略。反应器R1采用基于Anammox颗粒污泥梯度驯化的传统稳定途径，而反应器R2则采用基于铁的载体生物强化，以实现全NitRR负荷下的直接启动。比较的重点是在相同的全负荷条件下的系统行为，而非启动过程。本工作的创新之处在于三个方面：(i) 将研究重点从可行性导向的耦合转向NitRR-Anammox系统的稳定性导向方法；(ii) 在相同的全NitRR负荷条件下系统地比较两种实际的Anammox稳定策略；(iii) 使用综合证据链而非单一性能指标来阐明过程稳定性。本研究旨在为处理高强度硝酸盐废水的NitRR-Anammox耦合系统的稳定和高效氮去除性能提供机制洞察和实际指导。
电化学硝酸盐还原（NitRR）装置及其原理
在常温条件（25°C，1 atm）下，采用标准的三电极H型电池系统进行NitRR过程。工作电极为NiMoO4/CuO纳米线改性的铜泡沫（NiMoO4/CuO NW/CF），该设计基于我们之前的催化剂设计策略[9]。这种设计利用了CuO在催化硝酸盐还原为亚硝酸盐（NO3? → NO2?）这一关键初始步骤方面的优势[43]、[44]，同时NiMoO4的加入作为高效的氢供体
梯度驯化策略（R1）的氮去除性能
在阶段I（第1-35天），R1仅输入合成废水。在早期驯化阶段（第6-23天），氮去除性能出现短暂波动，表现为ARE的变化和NRE的短暂下降。第5天总氮去除效率（TNRE）略有下降，到第28天恢复到初始水平（图1a）。同时，在TNRE降低期间观察到硝酸盐（NO3?-N）的积累，表明存在非Anammox途径产生的氮
微生物群落结构及其与氮去除性能的关联
通过高通量测序技术研究了不同稳定策略下的微生物群落动态，并解释了它们与氮去除性能的关联。样本分别从反应器R1的第I-III阶段（第35、49和66天）以及反应器R2的第I和III阶段（第35和66天）收集。
结论
本研究通过电化学控制NH4+/NO2?的化学计量比，实现了NitRR衍生废水上Anammox的持续运行，从而将电化学与Anammox的集成从可行性阶段提升到了稳定性阶段。
在相同的全NitRR负荷下，基于铁的载体生物强化（R2）在稳定性和效率方面均优于梯度驯化（R1），实现了约80%的总氮去除率，同时出水硝酸盐浓度较低（3.26 ± 2.17 mg/L），而R1则表现出明显的硝酸盐积累
CRediT作者贡献声明
梁凯强：撰写——原始草稿，资源获取，概念构思。刘颖：资源获取，资金申请。吴晓娟：数据可视化，实验研究。王海义：数据可视化。李健：数据整理。李新林：形式分析。严伟：项目管理。冯江涛：撰写——审稿与编辑，方法学。王宁：撰写——审稿与编辑，监督。
利益冲突声明
作者声明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
本研究得到了国家自然科学基金（22008188）、陕西省重点研发计划（2024SF-YBXM-593）和西安市科学技术局（24GXFW0021）的支持。
