Advanced nitrogen removal from mature landfill leachate via partial nitrification-Anammox biofilm reactor (PNABR) driven by high dissolved oxygen (DO): Protection mechanism of aerobic biofilm

高溶解氧驅(qū)動(dòng)的部分硝化-厭氧氨氧化生物膜反應(yīng)器(PNABR)深度去除垃圾滲濾液中的氮 好氧生物膜的保護(hù)機(jī)制

來(lái)源：Bioresource Technology 306 (2020) 123119

 

摘要核心發(fā)現(xiàn)

 

本研究開(kāi)發(fā)了一種新型部分亞硝化-厭氧氨氧化生物膜反應(yīng)器（PNABR），通過(guò)高溶解氧（DO=4.03±0.03 mg/L）結(jié)合預(yù)缺氧-好氧-缺氧運(yùn)行模式（圖1），實(shí)現(xiàn)成熟垃圾滲濾液高效脫氮。關(guān)鍵突破包括：

 

1.生物膜分層保護(hù)機(jī)制：

 

好氧生物膜（厚1900 μm）屏蔽底層厭氧氨氧化菌免受高DO抑制（圖3）；

 

 

2.功能菌群調(diào)控：

 

AOB豐度達(dá)6.12×10?基因拷貝/(g干污泥)（生物膜中為絮體2倍）；

 

厭氧氨氧化菌占生物膜總菌2.39%，貢獻(xiàn)90%脫氮效率；

 

3.脫氮性能：

 

氮去除率（NRR）396.6 gN/(m3·d)，脫氮效率（NRE）96.1%。

 

研究目的

 

1.解決高DO矛盾：

平衡高DO對(duì)AOB活性的促進(jìn)與對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制；

 

2.抑制NOB增殖：

通過(guò)游離氨（FA）與缺氧交替抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）；

 

3.解析生物膜保護(hù)機(jī)制：

量化好氧生物膜對(duì)厭氧氨氧化菌的物理屏蔽效應(yīng)。

 

研究思路

 

1. 反應(yīng)器設(shè)計(jì)與運(yùn)行

 

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：

 

采用聚氨酯海綿載體（1 cm3）裝載厭氧氨氧化生物膜，外掛網(wǎng)殼固定于反應(yīng)器內(nèi)壁（圖1a）；

 

運(yùn)行模式：

 

預(yù)缺氧（1h）-好氧（9h）-缺氧（13h）循環(huán)（圖1b），逐步提升DO（1.51→4.03 mg/L）。

 

2. 多尺度監(jiān)測(cè)技術(shù)聯(lián)用

 

DO微梯度解析：

 

Unisense氧微電極（OX10）測(cè)量生物膜內(nèi)部DO分布（圖3）；

 

功能菌群追蹤：

 

qPCR定量AOB/NOB/厭氧氨氧化菌，高通量測(cè)序鑒定菌屬（圖5-6）；

 

 

代謝路徑驗(yàn)證：

 

典型周期內(nèi)氮形態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（圖4）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. DO生物膜分層（圖3）

 

數(shù)據(jù)：

 

DO在生物膜內(nèi)呈梯度衰減：表層4.5 mg/L → 1850 μm深度降至0.38 mg/L（圖3f）；

 

好氧層厚度隨DO提升從625 μm（1.5 mg/L）增至1900 μm（4.5 mg/L）。

 

意義：首次量化好氧生物膜屏蔽效應(yīng)，證實(shí)高DO下厭氧氨氧化菌存活機(jī)制。

 

2. 脫氮性能動(dòng)態(tài)（圖2）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

DO升至4.03 mg/L時(shí)，氨氧化速率（AOR）達(dá)25.8 mgNH??-N/(L·h)；

 

NRR隨DO提升持續(xù)增長(zhǎng)至396.6 gN/(m3·d)（圖2c）。

 

意義：高DO顯著提升AOB活性，破解傳統(tǒng)PNA工藝低DO限制瓶頸。

 

3. 功能菌群演變（圖5-6）

 

數(shù)據(jù)：

 

AOB豐度增長(zhǎng)607.5%（生物膜為主），NOB占比<0.2%（圖5c-d）；

 

厭氧氨氧化菌屬Candidatus Kuenenia占主導(dǎo)（圖6）。

 

意義：FA與缺氧交替有效抑制NOB，好氧生物膜成為AOB富集微生態(tài)位。

 

4. 代謝路徑貢獻(xiàn)（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

 

好氧期厭氧氨氧化貢獻(xiàn)202.4 mg/L TN去除，占全周期90%；

 

預(yù)缺氧期反硝化僅去除3.6 mg/L TN。

 

意義：驗(yàn)證厭氧氨氧化為核心路徑，顛覆依賴碳源的傳統(tǒng)脫氮模式。

 

丹麥Unisense電極的核心價(jià)值

技術(shù)突破性

 

 

微尺度分辨率：

 

100 μm尖端微電極精準(zhǔn)解析生物膜氧滲透深度（圖3），揭示1900 μm好氧層形成機(jī)制；

 

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力：

 

實(shí)時(shí)捕捉DO梯度變化（如4.5 mg/L DO下氧耗盡深度從900→1850 μm），指導(dǎo)DO優(yōu)化調(diào)控。

 

關(guān)鍵科學(xué)發(fā)現(xiàn)

 

1.好氧層厚度與DO的定量關(guān)系：

 

DO每提升1 mg/L，好氧層增厚~300 μm（圖3a-f），為生物膜載體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；

2.厭氧氨氧化菌活性保護(hù)閾值：

 

殘留DO≤0.38 mg/L（1850 μm深度）時(shí)厭氧氨氧化活性不受抑制（圖3f）；

3.生物膜成熟度診斷：

 

好氧層形成速率從54.4 μm/d（初期）降至1.4 μm/d（成熟期），標(biāo)志系統(tǒng)穩(wěn)定（圖3注釋）。

 

工程應(yīng)用意義

 

工藝優(yōu)化指導(dǎo)：

 

基于微電極數(shù)據(jù)將DO設(shè)定于4.0 mg/L，平衡AOB活性與厭氧氨氧化菌保護(hù)；

 

抗沖擊負(fù)荷設(shè)計(jì)：

 

明確好氧層緩沖能力（耐受DO≤4.12 mg/L），保障高氨氮滲濾液處理穩(wěn)定性；

 

技術(shù)普適性驗(yàn)證：

 

為垃圾滲濾液（表1）、半導(dǎo)體廢水等高氮廢水提供高效脫氮范式。

 

結(jié)論

 

1.生物膜分層機(jī)制：

 

好氧生物膜（1900 μm）成功屏蔽高DO對(duì)厭氧氨氧化菌的抑制，NRR達(dá)396.6 gN/(m3·d)；

2.NOB抑制策略：

 

FA與缺氧交替將NOB豐度控制在<0.2%，保障亞硝酸鹽高效積累；

3.Unisense電極的核心作用：

 

微尺度DO分布數(shù)據(jù)為生物膜載體設(shè)計(jì)和DO精準(zhǔn)控制提供直接依據(jù)。

 

應(yīng)用方向：推廣至填埋場(chǎng)滲濾液全流程處理，結(jié)合膜技術(shù)進(jìn)一步去除難降解COD。

 

圖示關(guān)聯(lián)：

 

 

圖1：PNABR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式

 

圖2：脫氮性能動(dòng)態(tài)（DO/AOR/NRR）

 

圖3：Unisense微電極測(cè)量的生物膜DO梯度

 

圖4：典型周期氮代謝路徑

 

圖5-6：功能菌群定量與群落結(jié)構(gòu)