研究连续流式藻菌反应器中协同氨氧化的关键特征和代谢机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Investigating the key features and metabolic mechanisms of synergistic ammonia oxidation in a continuous-flow algal-bacterial reactor

连续流藻菌系统通过厌氧-缺氧-好氧耦合与沉淀池实现市政污水高效处理，COD去除91.72%，NH4+?-N去除98.05%，总无机氮去除74.03%。氨氮去除以同化（55.21%）和硝化-反硝化（44.79%）为主，系统需氧量仅为传统活性污泥系统的57.14%。微生物测序显示异养硝化途径占主导，羟基胺氧化还原酶丰度显著高于氨单氧化酶，表明暗光条件下通过谷氨酸同化与异养硝化协同完成氨氧化。

　　

杨秋云|王家乐|高明朗|余倩宁|陈伟|吴晓辉|赞飞跃

武汉科技大学（WUST）水与废水工程系，中国武汉，430065

摘要

连续流式藻菌系统因其在低曝气条件下高效去除废水中氮的潜力而受到越来越多的关注。然而，藻菌联合体在废水处理过程中协同去除氮的机制仍不清楚。本研究开发了一种连续流式藻菌系统，该系统结合了厌氧-缺氧-好氧工艺和矩形沉淀池，用于市政废水处理。结果表明，该系统对化学需氧量（COD）的去除效率达到91.72%，对NH₄⁺-N的去除效率达到98.05%，对总无机氮的去除效率达到74.03%。氨的去除主要通过同化作用（55.21%±0.11%）和硝化-反硝化作用（44.79%±0.11%）实现。该系统的曝气需求仅为活性污泥系统的57.14%。在硝化过程中，培养的微生物在黑暗条件下以3.10 mg/N/(g MLSS·h)的速率，在4500勒克斯光照条件下以3.71 mg/N/(g MLSS·h)的速率高效地将NH₄⁺-N氧化为NO₃^--N（浓度分别为50.00 mg/L和100%）。然而，微生物测序分析显示，氨单加氧酶（amo）的丰度较低，而羟胺氧化还原酶（hao）的丰度较高，这支持了异养硝化途径。因此，我们认为连续流式藻菌系统中NH₄⁺-N的氧化可能不仅仅依赖于amo基因；相反，氧化过程可能涉及将其同化为谷氨酸，随后通过异养硝化完成转化。本研究为构建连续流式藻菌系统提供了指导，阐明了协同氨氧化的代谢机制，并指出了藻菌系统高效去除氮的未来发展方向。

引言

传统的生物脱氮过程涉及硝化和反硝化这两个能耗较高的步骤。在有氧条件下，NH₄⁺-N通过NO₂^--N氧化为NO₃^--N。然而，在缺氧条件下，NO₃^--N会被还原为N₂。硝化-反硝化过程需要曝气和碳源。曝气占污水处理厂能耗的60.00%-80.00%，因此其减少是工艺优化的关键所在[1]。

新的结构和技术可以提升废水处理效率并降低能耗。最近，藻菌系统（ABS）作为一种低碳、节能且环保的市政废水处理方案，吸引了越来越多的研究和工业关注[2]。与传统的活性污泥系统（0.8-1.2 kWh/m³）[3]和藻菌SBRs（0.4-0.6 kWh/m³）[4]相比，本研究中开发的AAO-ABS实现了更高的氮去除效率（98.05% NH₄⁺-N去除），且曝气需求显著降低（0.3-0.5 kWh/m³）。虽然已有异养硝化途径的报道[5]，但利用鲍曼不动杆菌（Acinetobacter）进行非氨依赖性氨氧化的连续流式AAO-ABS系统尚未得到充分研究。例如，一些学者[6]研究了一种无需曝气的推流式细菌和藻类生物膜系统，该系统能够以低成本高效去除灰水中的有机物和氮。在ABS中，藻类的光合作用产生O₂并去除CO₂，从而支持细菌的代谢活动[7]。功能性细菌，如氨氧化细菌（AOB）、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）和反硝化细菌（DNB），在营养物质去除中起关键作用[8]。然而，硝化细菌对光照的敏感性可能会影响氨单加氧酶的代谢[9]，从而降低氨的去除效率[10]。因此，在ABS中维持硝化与反硝化过程的平衡至关重要。尽管ABS在实验室规模的序批反应器（SBRs）中表现出良好的氮去除效果，但将其放大到实际废水处理规模以保持硝化-反硝化协同作用仍然具有挑战性[11]。

与SBRs相比，连续流式反应器由于安装成本较低、维护和控制简便以及利用率较高，更常用于试点和工业应用[12]。然而，多项研究表明，连续流式ABS中的氮去除机制取决于具体的反应条件。例如，在一个串联多个SBR的连续流式ABS中，氮的去除效率主要通过硝化-反硝化、厌氧铵氧化和其他途径实现[13]。在一个处理养殖海水的固定生物膜ABS中，超过90%的氮通过异养硝化-好氧反硝化去除[14]。尽管连续流式ABS在废水处理中的氮去除应用日益增多，但对于厌氧-缺氧-好氧（AAO）-ABS中的污染物去除和氮代谢的研究仍然有限。

本研究探讨了AAO-ABS在废水处理中的节能潜力及其生物脱氮过程。此外，还评估了AAO-活性污泥（AAO-AS）和AAO-ABS的污染物去除性能和氮去除贡献。分析了ABS在光照和黑暗条件下的活性变化，包括特定氧消耗率（SOUR）、氨氧化率和硝酸盐去除率。通过微生物群落结构分析和关键酶活性预测，确定了参与氨氮去除的关键途径和基因。研究结果为AAO-ABS中的协同氨氧化途径提供了宝贵的见解，并强调了其在高效市政废水处理中的潜力。

实验设计与操作

如图S1所示，该系统由一个连续的AAO反应器（三个腔室分别为0.80 L、1.60 L和3.20 L）和一个矩形沉淀池（1.33 L）组成。相邻腔室通过开放式隔板连接，以避免混合。当回流比为100%时，污泥通过蠕动泵从矩形沉淀池底部回流到生物反应器前端；当回流比为300%时，硝化液从好氧池输送

COD去除性能

图1显示了连续流式反应器中COD、NH₄⁺-N、总无机氮（TIN）的去除性能以及稳定过程中的DO分布和空间氮变化。运行结果表明，连续流式ABS的COD去除效率与活性污泥（AS）相当。经过70天的培养后，第0阶段的出水COD稳定在23.40 mg/L。在第1、2和3阶段，出水COD分别稳定在26.23 mg/L、27.30 mg/L和23.91 mg/L

结论

本研究利用连续流式反应器中培养的活性污泥（AS）和藻菌系统（ABS）研究了氮的转化途径。研究结果提供了关于ABS中氨氧化机制的见解。主要发现如下：（1）ABS中氨的去除通过连续流式稀释-同化（55.21%±0.11%）和硝化-反硝化（44.79%±0.11%）实现。（2）ABS中的异养硝化反应得到了显著的支持

未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

余倩宁：验证、方法学研究。高明朗：验证、数据分析。王家乐：撰写 – 审稿与编辑、验证、研究。杨秋云：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据分析、数据管理。赞飞跃：撰写 – 审稿与编辑、指导、概念设计。吴晓辉：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理、验证。陈伟：撰写 – 审稿与编辑、指导、概念设计。

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

本研究得到了华中科技大学第23批研究生创新基金（YCJJ20252316）的资助。研究在华中科技大学环境科学与工程学院的环境研究设施公共服务平台上进行。同时，我们也感谢华中科技大学分析测试中心的支持。