Enhanced shortcut nitrogen removal and metagenomic analysis of functional microbial communities in a double sludge system treating ammonium-rich wastewater

增強型短程脫氮及功能微生物群落的宏基因組分析在處理富銨廢水的雙污泥系統中

來源：Environmental Technology, Volume 41, 2020, Issue 14, Published online: 30 Nov 2018

《環境技術》第41卷第14期，2020年，在線出版日期：2018年11月30日

 

摘要

這篇論文研究了部分硝化-反硝化雙污泥系統處理合成富銨廢水的性能，通過宏基因組分析功能基因和代謝途徑，并評估了系統運行和氧化亞氮（N2O）排放。在硝化序批式反應器（SBRPN）中，銨氮去除率達到99.98%，亞硝化效率為93.24%，N2O排放因子為0.88%。在反硝化序批式反應器（SBRDN）中，出水幾乎無硝酸鹽和亞硝酸鹽，最大N2O排放為0.078 mg N/L。優勢氨氧化細菌為Nitrosomonas，反硝化菌以Thauera為主。宏基因組顯示amo基因主要分布在Nitrosomonas eutropha等物種中，Bacteroidetes門具有N2O還原潛力。

 

研究目的

本研究旨在通過雙污泥系統實現高效短程脫氮，減少N2O排放，并利用宏基因組技術分析功能微生物群落結構，揭示氮轉化機制，為優化富銨廢水處理提供理論依據。

 

研究思路

研究思路包括：首先，建立部分硝化（SBRPN）和反硝化（SBRDN）雙污泥系統，長期運行并逐步提高進水銨氮濃度；其次，監測系統性能（氮去除、N2O排放）和典型循環動態（如DO、pH、氮濃度）；然后，進行批量實驗探究有機碳（蛋白胨和淀粉）對反硝化及N2O排放的影響；最后，通過高通量測序和宏基因組分析微生物群落組成、功能基因豐度及代謝途徑。

 

測量的數據及研究意義

1 長期氮濃度動態數據，來自圖1，顯示SBRPN和SBRDN進出水氮變化。研究意義是驗證系統穩定運行，硝化效率隨銨氮負荷提高而增加，指導工藝優化。

 

2 微生物群落熱圖數據，來自圖2，展示SBRPN和SBRDN中優勢屬的相對豐度（如Nitrosomonas占13.6%，Thauera占14.6%）。研究意義是識別關鍵功能菌群，解釋高效脫氮的微生物基礎。

 

3 典型循環動態數據，來自圖3，包括SBRPN中銨氮、亞硝酸鹽、DO、pH變化。研究意義是揭示硝化過程機制，如DO控制（約1.0 mg/L）和FA/FNA動態影響亞硝化效率。

 

4 反硝化動力學和N2O生產數據，來自表1，顯示不同有機碳下NO2-N利用率及N2O轉化率（如混合碳時N2O轉化率14.62%）。研究意義是評估有機碳類型對反硝化路徑和N2O排放的影響，支持碳源管理。

 

5 功能基因豐度數據，來自圖5，如amo基因在Nitrosomonas物種中的分布（N. eutropha占38.3%）。研究意義是直接關聯基因表達與氮轉化功能，闡明微生物分子機制。

 

6 反硝化電子傳遞鏈基因數據，來自圖6，顯示nara、nirK、nosZ等基因豐度。研究意義是揭示電子傳遞過程，解釋N2O積累原因（如nosZ豐度較低）。

 

 

結論

1 雙污泥系統實現了高效短程脫氮，SBRPN銨氮去除率99.98%，亞硝化效率93.24%，SBRDN出水氮污染物幾乎完全去除。

2 N2O排放較低，硝化過程排放因子0.88%，反硝化過程最大排放0.078 mg N/L，系統通過控制DO和有機碳優化減排。

3 宏基因組分析揭示了功能微生物優勢（如Nitrosomonas）和代謝途徑，Bacteroidetes門具N2O還原潛力，為群落調控提供依據。

 

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微傳感器在線測量溶解N2O濃度數據，其研究意義在于能夠實時、高精度監測反硝化過程中N2O的動態變化，捕捉瞬時排放峰值。例如，在典型循環實驗中（數據關聯圖3和表1），該電極連續記錄N2O濃度，顯示反硝化初期因FNA抑制導致N2O積累（轉化率最高76.8%），后期還原階段濃度下降，直接驗證了電子競爭機制。這種原位測量避免了傳統采樣延遲，提高了數據可靠性，為評估溫室氣體排放和優化工藝參數（如有機碳投加策略）提供了關鍵工具，支持低碳廢水處理技術的發展。