背景介绍:部分亚硝化和厌氧氨氧化(PN-A)工艺被认为是一种很有前途的废水脱氮方法，目前正在开发中。与传统的脱氮工艺相比，PN-A工艺具有约62.5%的耗氧量减少、100%的外部碳源需求减少、90%的剩余污泥产量和零碳排放等优点。目前，超过80%的现有全尺寸厌氧氨氧化装置是一级PN-A，因为这种配置具有占地少、操作更简单、底物抑制少等显著优势。一级PN-A过程主要包括两条自养途径，其中氨氧化细菌(AOB)用氧气将铵(NH4+)氧化为亚硝酸盐(NO2–)，而厌氧氨氧化细菌(AnAOB)将剩余的NH4+和NO2–转化为氮气(N2)即使有大量的研究致力于启动PN-A过程，启动持续时间和性能各不相同，机制仍不清楚。有研究证实一氧化氮(NO)是亚硝化作用的确定和关键中间体以及厌氧氨氧化。PN-A系统中的N2O排放量甚至高于传统的硝化/反硝化系统。因此N2O排放是PN-A工艺的一个重要评价指标。尽管大量研究致力于PN-A工艺的启动和运行，但很少研究NO和N2O的产生。


本研究的目的是通过采用固定曝气率和较高初始AOB活性的预非曝气和后非曝气处理低铵废水来调节曝气时间来实现SBBR中PN-A工艺的快速启动。讨论了导致快速启动、长期稳定性能和增强的策略。此外使用unisense微剖面系统对典型循环中溶解的NO和溶解的N2O进行了监测和分析。本研究为含氨废水处理的PN-A工艺快速启动、强化和控制N2O排放提供了新的思路。


Unisense微电极研究系统的应用


使用丹麦Unisense微电极监测系统的NO微电极及N2O微电极在线监测溶解NO和N2O。Unisense微电极监测系统分析了来自进水和出水的水样中的溶解NO和N2O。在第1、3、10、30天循环监测溶解的NO。在stage2（稳定阶段）和stage3（增强阶段）氮转化包括NO和N2O。


实验结果


在固定曝气速率的SBBR中，通过利用不曝气前和缺氧后的时间和适当的排水比，建立AOB、NOB和AnAOB之间的协同作用，成功启动并强化了PN-A工艺。AOB和AnAOB协同形成的NO2-和NO的低积累有助于维持PN-A过程的稳定性，降低N2O排放。NO积累可作为协同作用的指标AOB和AnAOB的状态。一氧化氮可能在启动阶段诱导厌氧氨氧化细菌（AnAOB），并且可能是氨氧化细菌（AOB）和AnAOB之间协同状态的指标。获得了0.51%的较低的一氧化二氮排放因子。

图1、PN-A反应器示意图。

图2、PN-A工艺的启动和增强（TNLR表示总氮负荷率，ARR表示氨去除率，TNRR表示总氮去除率，ARE表示氨去除率，TNRE表示总氮去除率，NAR表示亚硝酸盐积累率,△NO3–-N/△NH4+-N表示除去氨后产生的硝酸盐。检测出水的pH值。DO浓度是循环氧化阶段的平均值。从图中可看出AOB活动一开始就保持在高位，ARE为98.4%。DO浓度增加而ARE减少结果表明，COD在一开始是有氧消耗的，而之后可能在生物膜内发生厌氧氨氧化或异养反硝化，NOB被部分抑制。

图3、NH4+-N、NO3–-N和NO2–-N、pH、DO、ORP、溶解NO和溶解N2O在稳定阶段典型循环中的变化（a）第31天（稳定阶段第1天）），（b）第60天（稳定阶段的第30天），（c）第120天（稳定阶段的第90天）。研究了PN-A工艺启动后AOB、NOB和AnAOB的协同状态，分析了典型实验循环中的氮转化率。从图3（b）、（c）可以看出，反应堆经历了大约2小时的饥饿，PN-A过程在第60天到第120天表现出极好的稳定性。

图4、NH4+-N、NO3–-N和NO2–-N、pH、DO、ORP、溶解NO和溶解N2O在强化阶段(a)第131天（强化第1天）的典型循环中的变化阶段），（b）第160天（增强阶段第30天），（c）第180天（增强阶段第50天）。

图5、参与PN-A过程的关键功能微生物的主要代谢过程和通讯。以下酶进行氮转化：Amo（氨单加氧酶）、Hao（羟胺氧化还原酶）、Nor（一氧化氮还原酶）、Cu-Nir（一种将NO氧化为亚硝酸盐的未知酶）、Nxr（亚硝酸盐氧化还原酶）、Nar（硝酸盐还原酶）；Nir（亚硝酸盐还原酶）、NOR（一氧化氮还原酶）、NosZ（一氧化二氮还原酶）、Hzs（肼合酶）、Hdh（肼脱氢酶）。功能菌：红色虚线框，AnAOB（Candidatus Kuenenia）；蓝色虚线框，AOB（亚硝化单胞菌）；粉红色虚线框，NOB（硝化螺）；绿色虚线框。


结论与展望


本研究中部分亚硝化和厌氧氨氧化(PN-A)过程在30天内在序批式生物膜反应器(SBBR)中通过采用预非曝气和后非曝气以固定曝气速率启动。研究人员使用unisense微电极系统对典型循环中溶解的NO和溶解的N2O进行了监测和分析。得出平均氨去除效率(ARE)、总氮去除效率(TNRE)分别为98.5±1.5%和89.5±1.6%。通过将曝气速率和搅拌速率加倍并采用预非曝气，TNRR从0.135±0.013 kg N·m-3·d-1提高到0.285±0.015 kg N·m-3·d-1，获得97.5±1.5%和85.5±2.6%的平均ARE和TNRE。一氧化氮可能在启动阶段诱导厌氧氨氧化细菌（AnAOB），并且可以作为氨氧化细菌（AOB）和AnAOB之间协同状态的指标。获得了0.51%的较低的一氧化二氮排放因子。AOB、AnAOB和亚硝酸氧化菌（NOB）的丰度分别占1.6%、19.3%和0.3%。