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的聯合效應對厭氧氨氧化富集顆粒污泥脫氮優化的重要性

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

《過程生物化學》，第51卷，2016年，第1274-1282頁

 

摘要

摘要指出，本研究調查了溶解氧（DO）和pH的聯合效應對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，表明其他氮轉化途徑如硝化和內源反硝化在系統中也活躍。最高SNRR出現在pH 6.5-8.5范圍內，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生理范圍內進行測試時，當銨和亞硝酸鹽幾乎完全去除時觀察到明顯的DO拐點，這證實了系統中耗氧細菌的氮去除作用。

 

研究目的

研究目的是評估溶解氧（DO）和pH的聯合效應對厭氧氨氧化富集顆粒污泥脫氮性能的影響，優化操作條件，并闡明氮轉化途徑，包括硝化、厭氧氨氧化和內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驗室規模序批式反應器（SBR）進行生物動力學測試，在不同DO濃度（0.0-1.0 mg O? L?1）和pH條件（6.0-10.5）下測量氮去除率。使用丹麥Unisense微電極在線監測氧化亞氮（N2O）濃度，以高分辨率跟蹤脫氮過程。應用Michaelis和Haldane模型描述pH效應，并通過測量銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度和氮轉化比來評估微生物途徑。污泥樣品來自全規模側流硝化/厭氧氨氧化系統，培養超過一年以形成顆粒污泥。

 

測量的數據及研究意義

1. 數據來自圖1：測量了不同DO濃度下NH4?-N和NO2?-N的歸一化濃度剖面、SNRRs和氮轉化比。研究意義是顯示DO對氮去除的抑制效應，但DO為0.5 mg O? L?1時SNRR增加，表明除厭氧氨氧化外，硝化和內源反硝化等途徑也貢獻氮去除，幫助優化DO控制以平衡多種微生物過程。

 

2. 數據來自圖3：測量了僅添加銨或亞硝酸鹽時不同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如何影響氮轉化途徑，例如在低DO下N2O生產表明自養反硝化存在，而高DO抑制該過程，強調DO在調節微生物群落中的作用。

 

3. 數據來自表3：測量了不同DO和亞硝酸鹽濃度下的特異性N2O生產率和N2O排放因子。研究意義是量化N2O排放，顯示DO和底物濃度對溫室氣體產生的影響，為減少N2O排放提供操作指導。

 

4. 數據來自圖4：測量了不同初始pH下NH4?-N和NO2?-N的歸一化濃度剖面、SNRRs和氮轉化比。研究意義是確認pH 6.5-8.5為最優范圍，此時低FA和FNA濃度最小化抑制，確保厭氧氨氧化主導氮去除，并顯示pH偏離導致途徑偏移。

 

5. 數據來自圖5：通過等高線圖顯示了FA和FNA對SNRR的共抑制區域。研究意義是可視化pH依賴性抑制，表明FNA比FA更具抑制性，幫助設定pH控制區間以維持高效脫氮。

 

6. 數據來自圖7：構建了DO和pH聯合效應下的SNRR等高線圖，顯示兩個峰值區域。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SNRR局部最大，指導多過程協同優化。

 

 

結論

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SNRR也較高（約0.8 gN gVSS?1 d?1），表明硝化和內源反硝化與厭氧氨氧化協同作用。

2. pH 6.5-8.5范圍內SNRR最優，低FA和FNA濃度減少抑制，厭氧氨氧化是主要途徑；pH偏離導致氮轉化比異常，如低pH時硝酸鹽生產增加。

3. DO和pH聯合效應顯示兩個SNRR峰值區域（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）更擬合數據（R2=0.93 vs. 0.84），強調FA和FNA抑制作用。

5. 系統中存在耗氧細菌，證據是pH生理范圍內的DO拐點，證實氮去除不限于厭氧過程。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極（型號N2O25）在線監測氧化亞氮（N2O）濃度，提供了高時間分辨率的實時數據，每30秒記錄一次。研究意義在于，這種測量允許精確捕捉N2O的動態積累和消耗模式，從而揭示脫氮途徑的細節。例如，在圖3中，電極數據顯示在DO為0.3和0.5 mg O? L?1時出現N2O峰值，表明自養反硝化由氨氧化細菌（AOB）在低氧條件下驅動，而高DO（2.0 mg O? L?1）時N2O幾乎檢測不到，證實DO對反硝化的抑制。這些數據幫助量化N2O排放因子（表3），如DO為0.5 mg O? L?1時排放因子為4.9%，評估了過程的環境影響。此外，N2O生產與亞硝酸鹽濃度相關，顯示底物可用性的作用，為優化操作以減少溫室氣體排放提供了實證基礎。總體而言，Unisense電極的數據增強了對厭氧氨氧化系統中微生物途徑的理解，支持了DO和pH聯合調控的策略。