Simultaneous nitrification and denitrification in a novel rotating self-aerated biofilm reactor for decentralized wastewater treatment  

用于分散式廢水處理的新型旋轉(zhuǎn)自曝氣生物膜反應(yīng)器中的同時(shí)硝化與反硝化  

來源：Bioresource Technology, 369 (2023) 128513

《生物資源技術(shù)》，第369卷，2023年，文章編號(hào)128513

 

摘要內(nèi)容

摘要指出農(nóng)村分散式廢水污染已成為嚴(yán)重環(huán)境問題，本研究開發(fā)了一種新型旋轉(zhuǎn)自曝氣生物膜反應(yīng)器（RSABR），用于無需曝氣設(shè)備的分散式廢水處理。經(jīng)過110天的長(zhǎng)期運(yùn)行，在最終階段實(shí)現(xiàn)了高去除效率：COD 96.06%、NH4-N 98.06%、TN 62.58%。在高溶解氧水平下，同時(shí)硝化反硝化（SND）比率穩(wěn)定在62.53%，反硝化速率超過28.37 mg/L/h。隨著有機(jī)負(fù)荷增加，關(guān)鍵氮功能菌群（如缺氧反硝化菌和好氧反硝化菌）顯著富集。微生物分析和氮代謝途徑表明，該反應(yīng)器通過硝化、反硝化和完全氨氧化（comammox）的協(xié)同作用，在單一反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)了SND過程。

 

研究目的

開發(fā)一種低能耗、無需曝氣設(shè)備的RSABR系統(tǒng)，用于分散式廢水處理；研究其在長(zhǎng)期運(yùn)行中的污染物去除性能、微生物動(dòng)力學(xué)和氮代謝機(jī)制；評(píng)估系統(tǒng)對(duì)有機(jī)負(fù)荷波動(dòng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

 

研究思路

通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室規(guī)模RSABR系統(tǒng)（工作體積7L，填充率45%的高密度聚乙烯懸浮載體），采用合成廢水進(jìn)行三個(gè)階段實(shí)驗(yàn)（階段I-III），逐步增加有機(jī)負(fù)荷率（OLR）和水力停留時(shí)間（HRT）。監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)（COD、NH4-N、TN等）、溶解氧分布、氣體排放；進(jìn)行典型周期實(shí)驗(yàn)和批處理實(shí)驗(yàn)分析動(dòng)力學(xué)；通過呼吸測(cè)試量化活性生物量；利用高通量測(cè)序和宏基因組學(xué)揭示微生物群落結(jié)構(gòu)及氮代謝途徑。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

污染物去除性能數(shù)據(jù)：包括COD、NH4-N、TN去除效率及SND比率。來源：圖1（整體性能趨勢(shì)）。研究意義：驗(yàn)證RSABR在無曝氣設(shè)備下的處理效能，證明系統(tǒng)在高有機(jī)負(fù)荷下的穩(wěn)定性（如TN去除率>62.58%），并確認(rèn)出水水質(zhì)達(dá)到農(nóng)村廢水排放標(biāo)準(zhǔn)（COD<20mg/L, NH4-N<0.4mg/L, TN<15mg/L），為分散式處理提供技術(shù)可行性依據(jù)。  

 

 

 

典型周期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：包括污染物濃度隨時(shí)間變化（如NH4-N、TN）和DO動(dòng)態(tài)。來源：圖2a-c和圖2d。研究意義：揭示系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)的去除動(dòng)力學(xué)（如TN在180分鐘內(nèi)快速下降），證明SND過程的發(fā)生（NO3-N生成量低于NH4-N消耗量），并確認(rèn)旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定DO環(huán)境（6-9 mg/L），支持無需外部曝氣的運(yùn)行模式。  

 

 

微生物動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)：包括氨氧化速率（AOR）、亞硝酸鹽氧化速率（NOR）、反硝化速率（DNR）及Monod動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如KN,AOB）。來源：圖3和表2。研究意義：量化功能菌活性（如DNB速率高達(dá)42.73 mg/L/h），解釋生物膜內(nèi)擴(kuò)散阻力變化（KN,AOB上升），并關(guān)聯(lián)系統(tǒng)脫氮效率提升（如μmaxNO3增加至15.02 mg/g MLSS/h），為優(yōu)化生物膜載體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。  

 

 

活性生物量數(shù)據(jù)：包括異養(yǎng)生物量（XH）和自養(yǎng)生物量（XA）比例及氧攝取率（OUR）。來源：表3。研究意義：量化生物膜中功能菌群分布（如XA占比最高11.26%），說明高異養(yǎng)生物主導(dǎo)碳代謝，而自養(yǎng)生物增長(zhǎng)支撐硝化性能，反映系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性。  

 

 

微生物群落數(shù)據(jù)：包括優(yōu)勢(shì)菌門（如Proteobacteria）及關(guān)鍵氮功能菌（如Thiothrix、Hydrogenophaga）豐度。來源：圖4a-b。研究意義：揭示SND的微生物機(jī)制（如缺氧反硝化菌富集至23.48%），并關(guān)聯(lián)環(huán)境因子（如DO與Pseudoxanthomonas正相關(guān)），解釋系統(tǒng)在好氧條件下實(shí)現(xiàn)反硝化的原因。  

 

 

 

氮代謝途徑數(shù)據(jù)：包括氮轉(zhuǎn)化基因（如amoABC、nirSK）和comammox菌（如Ca. N. nitrosa）豐度。來源：圖5。研究意義：通過宏基因組分析確認(rèn)反硝化為主導(dǎo)途徑（基因豐度高于初始兩倍），并發(fā)現(xiàn)comammox菌貢獻(xiàn)硝化效率，為SND的整合機(jī)制提供分子證據(jù)。  

 

 

結(jié)論  

RSABR系統(tǒng)在無曝氣設(shè)備下實(shí)現(xiàn)高效分散式廢水處理：COD和NH4-N去除率>96%，TN去除率62.58%，SND比率穩(wěn)定于62.53%；系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)維持高DO（6-9 mg/L），并利用生物膜內(nèi)氧梯度形成好氧/厭氧微區(qū)，支持SND發(fā)生；微生物分析顯示，Proteobacteria為主導(dǎo)菌門，關(guān)鍵功能菌（如Thiothrix和Hydrogenophaga）富集驅(qū)動(dòng)脫氮；宏基因組證實(shí)反硝化是主要代謝途徑，comammox菌提升硝化效率；動(dòng)力學(xué)表明反硝化速率（μmaxNO3）與脫氮效率正相關(guān)，系統(tǒng)對(duì)有機(jī)負(fù)荷波動(dòng)具強(qiáng)魯棒性，適用于農(nóng)村廢水處理。  

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量出來數(shù)據(jù)的研究意義  

丹麥Unisense電極用于原位測(cè)量生物膜內(nèi)DO濃度梯度分布（如從表層6.88 mg/L降至內(nèi)部-180μm處0.14 mg/L），該數(shù)據(jù)在研究中具有核心意義：通過高分辨率微電極技術(shù)（測(cè)量精度達(dá)μm級(jí)），揭示生物膜內(nèi)形成好氧（外層）和厭氧（內(nèi)層）微環(huán)境，為SND提供空間基礎(chǔ)（好氧區(qū)支持硝化，厭氧區(qū)支持反硝化）；量化DO梯度變化（如從6.88±0.18 mg/L降至0.14±0.01 mg/L），證明旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)有效創(chuàng)造氧傳質(zhì)，無需外部曝氣即維持功能菌活性；關(guān)聯(lián)微生物數(shù)據(jù)（如厭氧反硝化菌富集），解釋高DO條件下仍實(shí)現(xiàn)高效反硝化的機(jī)制；提供關(guān)鍵證據(jù)說明系統(tǒng)能耗降低原理（僅旋轉(zhuǎn)能耗替代傳統(tǒng)曝氣），支撐其在分散式處理中的可行性。