A novel integrated thiosulfate-driven denitritation(TDD) and anaerobic ammonia oxidation(anammox) process for biological nitrogen removal

一種新型的硫代硫酸鹽驅動的反硝化(TDD)和厭氧氨氧化(anammox)集成工藝用于生物脫氮

來源：Biochemical Engineering Journal, Volume 139, 2018, Pages 68-73

《生化工程雜志》第139卷，2018年，第68-73頁

 

摘要

這篇論文研究了一種集成硫代硫酸鹽驅動的反硝化(TDD)和厭氧氨氧化(anammox)的工藝，用于高效生物脫氮(BNR)并減少氧化亞氮(N2O)排放。系統在35°C下運行，anammox貢獻了27%的氮去除。溫度從20°C升高到35°C時，anammox活性提高了四倍。35°C下N2O排放減少歸因于anammox的參與（anammox不產生N2O），而非高溫下N2O還原速率提高。anammox產生的硝酸鹽(NO3-)可被硫代硫酸鹽還原。該研究為誘導高氮降解活性、降低污泥產量、最小化溫室氣體排放和氮殘留提供了啟示。

 

研究目的

本研究旨在開發一種集成TDD和anammox的工藝，實現高效生物脫氮，同時減少N2O排放和污泥產量，并探索影響系統成功建立的因素，如溫度的作用。

 

研究思路

研究思路包括：首先，建立實驗室規模的UASB反應器，接種富含硫氧化細菌和anammox相關細菌的污泥；其次，在158天連續操作中，分四個階段調整參數（如溫度、pH、進水濃度），監測脫氮性能；然后，通過批次實驗驗證N2O還原速率和anammox活性在不同溫度下的變化；最后，分析系統性能，評估集成工藝的可行性。

 

測量的數據及研究意義

1 UASB反應器運行數據，來自圖1和表1，包括NO2-去除效率、S2O32-氧化、NH4+消耗和N2O排放。研究意義是展示集成工藝在35°C下實現高氮去除率（94.1%），并證實溫度升高促進anammox活性，減少N2O排放（從0.84%降至0.53%的NO2-負荷），為優化操作參數提供依據。

 

 

2 批次測試I的N2O還原數據，來自圖2和表2，顯示在20°C和35°C下，硫代硫酸鹽作為電子 donor 時N2O還原速率相似（15.3 vs 14.6 mg N/g MLVSS/h）。研究意義是證明溫度對TDD路徑的N2O還原影響較小，支持N2O減排主要源于anammox的參與。

 

 

3 批次測試II的anammox活性數據，來自圖3和表2，顯示35°C下anammox活性比20°C高四倍（NO2-還原速率從1.32升至5.61 mg N/g MLVSS/h）。研究意義是驗證高溫促進anammox建立，解釋集成系統中氮去除路徑的轉變。

 

 

結論

1 集成TDD和anammox系統在35°C下成功建立，anammox貢獻27%的氮去除，實現高效脫氮。

2 溫度是關鍵因素，anammox活性在35°C時顯著提高，而TDD活性保持穩定。

3 集成系統減少N2O排放29.6%，并確保出水硝酸鹽被有效還原，提高 effluent 質量。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense公司生產的N2O-100微傳感器探頭測量批次測試I中溶解N2O濃度數據，其研究意義在于能夠實時、原位監測N2O的動態變化，以高時間分辨率捕捉還原過程。具體地，該傳感器連續記錄N2O濃度隨時間降低的趨勢（圖2），證實硫代硫酸鹽驅動的N2O還原在140分鐘內完成，且速率不受溫度顯著影響。這提供了直接證據，排除高溫下N2O還原速率提高的可能性，從而將N2O減排歸因于anammox的引入。此外，微傳感器的精確測量支持了電子平衡計算，增強了數據可靠性，為評估溫室氣體排放控制策略提供了關鍵工具。