Importance of the combined effects of dissolved oxygen and pH on optimization of nitrogen removal in anammox-enriched granular sludge

溶解氧和pH的聯(lián)合效應(yīng)對(duì)厭氧氨氧化富集顆粒污泥脫氮優(yōu)化的重要性

來源：Process Biochemistry, Volume 51, 2016, Pages 1274-1282

《過程生物化學(xué)》，第51卷，2016年，第1274-1282頁

 

摘要

摘要指出，本研究調(diào)查了溶解氧（DO）和pH的聯(lián)合效應(yīng)對(duì)厭氧氨氧化富集顆粒污泥脫氮的影響。在非曝氣條件下觀察到最高比氮去除率（SNRR）（1.1 gN gVSS?1 d?1），氮去除效率達(dá)81.6%。盡管曝氣條件下氮去除易受抑制，但在DO濃度為0.5 mg O? L?1時(shí)SNRR增加，這與厭氧氨氧化過程中DO的定向抑制相反，表明其他氮轉(zhuǎn)化途徑如硝化和內(nèi)源反硝化在系統(tǒng)中也活躍。最高SNRR出現(xiàn)在pH 6.5-8.5范圍內(nèi)，該范圍以低游離氨（FA）和游離亞硝酸（FNA）濃度為特征。在最佳pH生理范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，當(dāng)銨和亞硝酸鹽幾乎完全去除時(shí)觀察到明顯的DO拐點(diǎn)，這證實(shí)了系統(tǒng)中耗氧細(xì)菌的氮去除作用。

 

研究目的

研究目的是評(píng)估溶解氧（DO）和pH的聯(lián)合效應(yīng)對(duì)厭氧氨氧化富集顆粒污泥脫氮性能的影響，優(yōu)化操作條件，并闡明氮轉(zhuǎn)化途徑，包括硝化、厭氧氨氧化和內(nèi)源反硝化等過程的相互作用。

 

研究思路

研究思路包括使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模序批式反應(yīng)器（SBR）進(jìn)行生物動(dòng)力學(xué)測(cè)試，在不同DO濃度（0.0-1.0 mg O? L?1）和pH條件（6.0-10.5）下測(cè)量氮去除率。使用丹麥Unisense微電極在線監(jiān)測(cè)氧化亞氮（N2O）濃度，以高分辨率跟蹤脫氮過程。應(yīng)用Michaelis和Haldane模型描述pH效應(yīng)，并通過測(cè)量銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度和氮轉(zhuǎn)化比來評(píng)估微生物途徑。污泥樣品來自全規(guī)模側(cè)流硝化/厭氧氨氧化系統(tǒng)，培養(yǎng)超過一年以形成顆粒污泥。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 數(shù)據(jù)來自圖1：測(cè)量了不同DO濃度下NH4?-N和NO2?-N的歸一化濃度剖面、SNRRs和氮轉(zhuǎn)化比。研究意義是顯示DO對(duì)氮去除的抑制效應(yīng)，但DO為0.5 mg O? L?1時(shí)SNRR增加，表明除厭氧氨氧化外，硝化和內(nèi)源反硝化等途徑也貢獻(xiàn)氮去除，幫助優(yōu)化DO控制以平衡多種微生物過程。

 

2. 數(shù)據(jù)來自圖3：測(cè)量了僅添加銨或亞硝酸鹽時(shí)不同DO濃度（0.3、0.5和2.0 mg O? L?1）下氮化合物的行為，包括N2O積累。研究意義是揭示DO如何影響氮轉(zhuǎn)化途徑，例如在低DO下N2O生產(chǎn)表明自養(yǎng)反硝化存在，而高DO抑制該過程，強(qiáng)調(diào)DO在調(diào)節(jié)微生物群落中的作用。

 

3. 數(shù)據(jù)來自表3：測(cè)量了不同DO和亞硝酸鹽濃度下的特異性N2O生產(chǎn)率和N2O排放因子。研究意義是量化N2O排放，顯示DO和底物濃度對(duì)溫室氣體產(chǎn)生的影響，為減少N2O排放提供操作指導(dǎo)。

 

4. 數(shù)據(jù)來自圖4：測(cè)量了不同初始pH下NH4?-N和NO2?-N的歸一化濃度剖面、SNRRs和氮轉(zhuǎn)化比。研究意義是確認(rèn)pH 6.5-8.5為最優(yōu)范圍，此時(shí)低FA和FNA濃度最小化抑制，確保厭氧氨氧化主導(dǎo)氮去除，并顯示pH偏離導(dǎo)致途徑偏移。

 

5. 數(shù)據(jù)來自圖5：通過等高線圖顯示了FA和FNA對(duì)SNRR的共抑制區(qū)域。研究意義是可視化pH依賴性抑制，表明FNA比FA更具抑制性，幫助設(shè)定pH控制區(qū)間以維持高效脫氮。

 

6. 數(shù)據(jù)來自圖7：構(gòu)建了DO和pH聯(lián)合效應(yīng)下的SNRR等高線圖，顯示兩個(gè)峰值區(qū)域。研究意義是揭示DO和pH的交互作用，例如在DO 0.5-0.6 mg O? L?1和pH 7.5-8.5時(shí)SNRR局部最大，指導(dǎo)多過程協(xié)同優(yōu)化。

 

 

結(jié)論

1. 非曝氣條件下獲得最高SNRR（1.1 gN gVSS?1 d?1），但DO為0.5 mg O? L?1時(shí)SNRR也較高（約0.8 gN gVSS?1 d?1），表明硝化和內(nèi)源反硝化與厭氧氨氧化協(xié)同作用。

2. pH 6.5-8.5范圍內(nèi)SNRR最優(yōu)，低FA和FNA濃度減少抑制，厭氧氨氧化是主要途徑；pH偏離導(dǎo)致氮轉(zhuǎn)化比異常，如低pH時(shí)硝酸鹽生產(chǎn)增加。

3. DO和pH聯(lián)合效應(yīng)顯示兩個(gè)SNRR峰值區(qū)域（DO 0.0-0.1 mg O? L?1和pH 7-8；DO 0.5-0.6 mg O? L?1和pH 7.5-8.5），需維持這些條件以優(yōu)化多過程脫氮。

4. 模型比較表明Haldane模型（考慮底物抑制）比Michaelis模型（僅pH效應(yīng)）更擬合數(shù)據(jù)（R2=0.93 vs. 0.84），強(qiáng)調(diào)FA和FNA抑制作用。

5. 系統(tǒng)中存在耗氧細(xì)菌，證據(jù)是pH生理范圍內(nèi)的DO拐點(diǎn)，證實(shí)氮去除不限于厭氧過程。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極（型號(hào)N2O25）在線監(jiān)測(cè)氧化亞氮（N2O）濃度，提供了高時(shí)間分辨率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每30秒記錄一次。研究意義在于，這種測(cè)量允許精確捕捉N2O的動(dòng)態(tài)積累和消耗模式，從而揭示脫氮途徑的細(xì)節(jié)。例如，在圖3中，電極數(shù)據(jù)顯示在DO為0.3和0.5 mg O? L?1時(shí)出現(xiàn)N2O峰值，表明自養(yǎng)反硝化由氨氧化細(xì)菌（AOB）在低氧條件下驅(qū)動(dòng)，而高DO（2.0 mg O? L?1）時(shí)N2O幾乎檢測(cè)不到，證實(shí)DO對(duì)反硝化的抑制。這些數(shù)據(jù)幫助量化N2O排放因子（表3），如DO為0.5 mg O? L?1時(shí)排放因子為4.9%，評(píng)估了過程的環(huán)境影響。此外，N2O生產(chǎn)與亞硝酸鹽濃度相關(guān)，顯示底物可用性的作用，為優(yōu)化操作以減少溫室氣體排放提供了實(shí)證基礎(chǔ)。總體而言，Unisense電極的數(shù)據(jù)增強(qiáng)了對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)中微生物途徑的理解，支持了DO和pH聯(lián)合調(diào)控的策略。