背景介紹:部分亞硝化和厭氧氨氧化(PN-A)工藝被認(rèn)為是一種很有前途的廢水脫氮方法，目前正在開發(fā)中。與傳統(tǒng)的脫氮工藝相比，PN-A工藝具有約62.5%的耗氧量減少、100%的外部碳源需求減少、90%的剩余污泥產(chǎn)量和零碳排放等優(yōu)點。目前，超過80%的現(xiàn)有全尺寸厭氧氨氧化裝置是一級PN-A，因為這種配置具有占地少、操作更簡單、底物抑制少等顯著優(yōu)勢。一級PN-A過程主要包括兩條自養(yǎng)途徑，其中氨氧化細(xì)菌(AOB)用氧氣將銨(NH4+)氧化為亞硝酸鹽(NO2–)，而厭氧氨氧化細(xì)菌(AnAOB)將剩余的NH4+和NO2–轉(zhuǎn)化為氮氣(N2)即使有大量的研究致力于啟動PN-A過程，啟動持續(xù)時間和性能各不相同，機(jī)制仍不清楚。有研究證實一氧化氮(NO)是亞硝化作用的確定和關(guān)鍵中間體以及厭氧氨氧化。PN-A系統(tǒng)中的N2O排放量甚至高于傳統(tǒng)的硝化/反硝化系統(tǒng)。因此N2O排放是PN-A工藝的一個重要評價指標(biāo)。盡管大量研究致力于PN-A工藝的啟動和運(yùn)行，但很少研究NO和N2O的產(chǎn)生。

本研究的目的是通過采用固定曝氣率和較高初始AOB活性的預(yù)非曝氣和后非曝氣處理低銨廢水來調(diào)節(jié)曝氣時間來實現(xiàn)SBBR中PN-A工藝的快速啟動。討論了導(dǎo)致快速啟動、長期穩(wěn)定性能和增強(qiáng)的策略。此外使用unisense微剖面系統(tǒng)對典型循環(huán)中溶解的NO和溶解的N2O進(jìn)行了監(jiān)測和分析。本研究為含氨廢水處理的PN-A工藝快速啟動、強(qiáng)化和控制N2O排放提供了新的思路。

Unisense微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

使用丹麥Unisense微電極監(jiān)測系統(tǒng)的NO微電極及N2O微電極在線監(jiān)測溶解NO和N2O。Unisense微電極監(jiān)測系統(tǒng)分析了來自進(jìn)水和出水的水樣中的溶解NO和N2O。在第1、3、10、30天循環(huán)監(jiān)測溶解的NO。在stage2（穩(wěn)定階段）和stage3（增強(qiáng)階段）氮轉(zhuǎn)化包括NO和N2O。

實驗結(jié)果

在固定曝氣速率的SBBR中，通過利用不曝氣前和缺氧后的時間和適當(dāng)?shù)呐潘?，建立AOB、NOB和AnAOB之間的協(xié)同作用，成功啟動并強(qiáng)化了PN-A工藝。AOB和AnAOB協(xié)同形成的NO2-和NO的低積累有助于維持PN-A過程的穩(wěn)定性，降低N2O排放。NO積累可作為協(xié)同作用的指標(biāo)AOB和AnAOB的狀態(tài)。一氧化氮可能在啟動階段誘導(dǎo)厭氧氨氧化細(xì)菌（AnAOB），并且可能是氨氧化細(xì)菌（AOB）和AnAOB之間協(xié)同狀態(tài)的指標(biāo)。獲得了0.51%的較低的一氧化二氮排放因子。

圖1、PN-A反應(yīng)器示意圖。

圖2、PN-A工藝的啟動和增強(qiáng)（TNLR表示總氮負(fù)荷率，ARR表示氨去除率，TNRR表示總氮去除率，ARE表示氨去除率，TNRE表示總氮去除率，NAR表示亞硝酸鹽積累率,△NO3–-N/△NH4+-N表示除去氨后產(chǎn)生的硝酸鹽。檢測出水的pH值。DO濃度是循環(huán)氧化階段的平均值。從圖中可看出AOB活動一開始就保持在高位，ARE為98.4%。DO濃度增加而ARE減少結(jié)果表明，COD在一開始是有氧消耗的，而之后可能在生物膜內(nèi)發(fā)生厭氧氨氧化或異養(yǎng)反硝化，NOB被部分抑制。

圖3、NH4+-N、NO3–-N和NO2–-N、pH、DO、ORP、溶解NO和溶解N2O在穩(wěn)定階段典型循環(huán)中的變化（a）第31天（穩(wěn)定階段第1天）），（b）第60天（穩(wěn)定階段的第30天），（c）第120天（穩(wěn)定階段的第90天）。研究了PN-A工藝啟動后AOB、NOB和AnAOB的協(xié)同狀態(tài)，分析了典型實驗循環(huán)中的氮轉(zhuǎn)化率。從圖3（b）、（c）可以看出，反應(yīng)堆經(jīng)歷了大約2小時的饑餓，PN-A過程在第60天到第120天表現(xiàn)出極好的穩(wěn)定性。

圖4、NH4+-N、NO3–-N和NO2–-N、pH、DO、ORP、溶解NO和溶解N2O在強(qiáng)化階段(a)第131天（強(qiáng)化第1天）的典型循環(huán)中的變化階段），（b）第160天（增強(qiáng)階段第30天），（c）第180天（增強(qiáng)階段第50天）。

圖5、參與PN-A過程的關(guān)鍵功能微生物的主要代謝過程和通訊。以下酶進(jìn)行氮轉(zhuǎn)化：Amo（氨單加氧酶）、Hao（羥胺氧化還原酶）、Nor（一氧化氮還原酶）、Cu-Nir（一種將NO氧化為亞硝酸鹽的未知酶）、Nxr（亞硝酸鹽氧化還原酶）、Nar（硝酸鹽還原酶）；Nir（亞硝酸鹽還原酶）、NOR（一氧化氮還原酶）、NosZ（一氧化二氮還原酶）、Hzs（肼合酶）、Hdh（肼脫氫酶）。功能菌：紅色虛線框，AnAOB（Candidatus Kuenenia）；藍(lán)色虛線框，AOB（亞硝化單胞菌）；粉紅色虛線框，NOB（硝化螺）；綠色虛線框。

結(jié)論與展望

本研究中部分亞硝化和厭氧氨氧化(PN-A)過程在30天內(nèi)在序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)中通過采用預(yù)非曝氣和后非曝氣以固定曝氣速率啟動。研究人員使用unisense微電極系統(tǒng)對典型循環(huán)中溶解的NO和溶解的N2O進(jìn)行了監(jiān)測和分析。得出平均氨去除效率(ARE)、總氮去除效率(TNRE)分別為98.5±1.5%和89.5±1.6%。通過將曝氣速率和攪拌速率加倍并采用預(yù)非曝氣，TNRR從0.135±0.013 kg N·m-3·d-1提高到0.285±0.015 kg N·m-3·d-1，獲得97.5±1.5%和85.5±2.6%的平均ARE和TNRE。一氧化氮可能在啟動階段誘導(dǎo)厭氧氨氧化細(xì)菌（AnAOB），并且可以作為氨氧化細(xì)菌（AOB）和AnAOB之間協(xié)同狀態(tài)的指標(biāo)。獲得了0.51%的較低的一氧化二氮排放因子。AOB、AnAOB和亞硝酸氧化菌（NOB）的豐度分別占1.6%、19.3%和0.3%。