黄铁矿在不同水力停留时间下对厌氧氨氧化（anammox）系统氮去除作用的影响：系统性能、关键酶活性及微生物群落演替

《Journal of Water Process Engineering》：The role of pyrite on nitrogen removal of anammox system at different hydraulic retention time: System performance, key enzyme activity and microbial community succession

硫铁矿辅助厌氧氨氧化系统在12小时水力停留时间下氮去除效率超过90%，通过促进电子传递、微生物聚集及反硝化途径实现性能提升，并富集Candidatus Brocadia等关键菌群，同时检测到适应短期HRT的Candidatus Kuenenia。

　　

王斌|谭西北|王宏宇|刘涛泽|苏俊峰|周道|张倩

武汉大学土木工程学院，中国武汉，430072

摘要

本研究通过比较传统反应器（R1）和黄铁矿辅助反应器（R2）中的氮去除效率、酶活性、EPS分泌以及微生物群落动态，系统地研究了水力停留时间（HRT）对厌氧氨氧化（Anammox）性能的影响。研究发现，当HRT为12小时时，黄铁矿增强系统的氮去除效率最高（>90%），这一时间点对两种反应器均是最优的。黄铁矿的添加有助于促进电子转移过程、微生物聚集和生物膜形成，并增强反硝化作用，从而提升系统性能。微生物群落分析表明，黄铁矿的添加丰富了群落的丰富度和多样性，Candidatus Brocadia（厌氧氨氧化细菌）、OLB13和Denitratisoma（反硝化细菌）被确定为关键的功能性微生物。值得注意的是，在较短HRT下，Candidatus Kuenenia（一种具有高环境适应性的细菌）仅在黄铁矿辅助反应器中被检测到，这表明该群落能够适应外部压力。群落组装分析显示，R2系统表现出更强的选择性模式和更合作的微生物网络结构。总体而言，黄铁矿的添加有助于在HRT变化条件下建立更加稳定和功能更强的微生物生态系统。本研究为优化废水处理中的Anammox系统以高效去除氮提供了新的见解。

引言

来自市政、工业和农业源的含氮污染物排放量不断增加，对水生生态系统和公共卫生构成了严重威胁[1]。因此，包括污水处理厂在内的点源排放氮的监管变得更加严格[2]。自20世纪90年代末发现厌氧氨氧化（Anammox）技术以来，该技术引起了广泛的研究兴趣[3]，并被认为是一种高效且先进的废水生物技术。Anammox细菌可以在厌氧条件下直接利用铵作为电子供体、亚硝酸盐作为电子受体生成氮气，与传统技术相比，可分别减少58%的氧气需求和90%的化学需氧量（COD）[4]。

尽管Anammox技术具有理论优势，但其实际应用和大规模运行仍面临诸多挑战，如启动周期长、稳定性低以及由于Anammox细菌生长缓慢和对环境因素（如溶解氧浓度和系统温度）的敏感性[5]。迄今为止，已有许多尝试通过添加功能性离子和矿物来促进Anammox细菌生长和快速启动[6],[7],[8]，而成功启动后的稳定运行至关重要，但仍易受到毒性冲击、溶解氧浓度变化和水力停留时间（HRT）变化等干扰。最近，外源性材料增强被证明是一种有效策略，可以改善Anammox系统的启动、氮去除和运行稳定性。研究表明，生物炭[9]、沸石[10]和铁基材料[11]等功能性载体能够促进Anammox细菌生长和氮去除。最近的研究发现，天然矿物黄铁矿（FeS?）在Anammox系统中具有积极作用，可作为颗粒支撑、电子供体和Fe(II)来源，加速颗粒形成、促进细胞外电子转移，并促进AnAOB的生长和代谢[7],[12]。此外，黄铁矿还能刺激铁-硫-氮循环，促进自养反硝化，从而扩展Anammox系统的氮去除途径[13],[14]。Feng等人发现，在高底物冲击负荷（3.86 kg N m?3 d?1）的长期运行中，添加黄铁矿可使氮去除率提高52%，其机制在于硝酸盐依赖的Fe(II)氧化和基于S的反硝化作用加速了代谢酶间的电子转移[14]。Sui等人报告称，黄铁矿可通过刺激EPS分泌、促进Anammox颗粒形成和富集与氮和硫代谢相关的基因来加速Anammox过程的启动[15]。

水力停留时间（HRT）是影响生物反应器性能的关键因素，因为它同时影响生物量保留和底物暴露时间，从而显著影响微生物生长、颗粒结构及微生物群落[16]。不适当的水力停留时间可能导致生长缓慢的Anammox细菌大量流失，并被竞争性微生物种群占据生态位，进而抑制系统的反硝化和运行。先前的研究表明，在较低的HRT下，总氮（TN）去除率显著下降，出水TN浓度升高[17],[18]，不同HRT下的微生物群落变化也有研究总结[17],[18]。然而，现有研究主要集中在通过添加黄铁矿来加速Anammox系统的启动和提升氮去除效率，而对于黄铁矿增强系统在外部冲击条件下的性能比较和机制理解仍较为缺乏。实际上，了解增强型Anammox工艺的氮去除性能以及功能性材料（如黄铁矿）在调节外部冲击中的作用对于Anammox基废水处理的应用和调控具有重要意义。因此，本研究旨在通过系统探究氮去除率、关键酶活性和微生物群落结构，明确HRT对黄铁矿增强型Anammox系统的影响。具体而言，本研究调查了不同HRT下Anammox反应器的反硝化性能，并系统比较了黄铁矿辅助Anammox的EPS分泌、氮代谢相关关键酶及电子转移速率，以阐明HRT变化过程中黄铁矿的作用。此外，利用高通量16S rRNA测序详细比较了微生物多样性和分类组成，并通过统计分析量化了核心微生物物种和群落结构的变化。这些发现有望为稳定运行Anammox系统的微生物机制和调控策略提供新的见解。

实验部分

接种污泥和进水废水

购买了粒径为200 μm的黄铁矿粉末，并在遮荫条件下储存。X射线衍射（XRD）分析证实该黄铁矿粉末具有高纯度的FeS?晶体结构（图S1），实验开始时将黄铁矿以4 g/L的浓度加入Anammox反应器中。本研究使用的其他化学品均为分析级。接种污泥来自武汉江夏污水处理厂的二次沉淀池，污泥经过N?处理

不同水力停留时间下的氮去除性能

图2展示了在不同水力停留时间（HRT）（分别为18小时、12小时和6小时）下，R1（传统Anammox）和R2（黄铁矿增强型Anammox）反应器中各种氮物种的出水浓度变化及总氮去除效率。在初始HRT为18小时时，两种反应器的总氮（TN）去除效率均从80%逐渐上升至85%，随后趋于稳定

结论

本研究通过比较不同水力停留时间（HRT）下传统反应器（R1）和黄铁矿辅助反应器（R2）的氮去除性能、酶活性及微生物群落动态，全面研究了水力停留时间（HRT）对Anammox系统的影响。结果表明，黄铁矿辅助型Anammox系统的氮去除效率（>90%）高于传统系统，其中12小时的HRT对两种反应器均是最优的。

作者贡献声明

王斌：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析。谭西北：初稿撰写、软件使用、方法学设计、实验研究、数据管理。王宏宇：撰写——审稿与编辑、实验监督、资源协调、项目管理、资金筹措。刘涛泽：资源协调、实验研究、数据分析。苏俊峰：资源协调、项目管理、实验研究、资金筹措。周道：实验监督

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52370048、52170049）和湖北省科技创新计划重点研发项目（项目编号：2023BCB102）的财政支持。