科研 | Water Research：厌氧氨氧化耦合n-DAMO微生物脱氮颗粒污泥的快速形成

导读颗粒污泥具有沉降速度快、负载率高以及抗抑制能力较强等特征，是培养生长缓慢及敏感性微生物（例如，厌氧氨氧化（anammox）细菌和亚硝酸盐/硝酸盐型厌氧甲烷氧化（n-DAMO）微生物）的理想平台。尽管anammox颗粒污泥已被广泛应用，但目前学界对如何加速n-DAMO微生物（生长速率较anammox菌更为缓慢）的颗粒化进程却知之甚少。在这项研究中，我们使用成熟的anammox颗粒污泥作为生物载体来包埋n-DAMO微生物，从而在6个月内获得了anammox细菌+ n-DAMO微生物的复合颗粒污泥。全颗粒的16S rRNA基因扩增子测序结果表明， anammox细菌、n-DAMO细菌和n-DAMO古菌共存于颗粒中。研究通过冷冻切片-16S rRNA基因扩增子测序进一步阐明了颗粒径向的微生物分层：n-DAMO古菌和anammox细菌分别在颗粒内层和外层占据主导地位。此外，冷冻切片-荧光原位杂交（FISH）图像验证了这种分层特征，揭示了微生物分层的动态演替。具体而言，最初n-DAMO细菌和n-DAMO古菌附着于anammox颗粒表面，于实验运行4个月后移至内层。 1.0 kg N/m3/d ，为利用甲烷碳源用于污水脱氮提供了新途径。论文ID

原名：Rapid formation of granules coupling n-DAMO and anammox microorganisms to remove nitrogen
译名：厌氧氨氧化耦合n-DAMO微生物脱氮颗粒污泥的快速形成
期刊：Water Research
IF：9.130
发表时间：2021.4.23
通讯作者：郭建华
通讯作者单位：澳大利亚昆士兰大学水管理高等研究中心
实验设计

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【科研 | Water Research：厌氧氨氧化耦合n-DAMO微生物脱氮颗粒污泥的快速形成】图1 实验设计与方法。

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图片摘要
结果
1 从厌氧氨氧化颗粒污泥到n-DAMO厌氧氨氧化复合颗粒污泥表1 长期实验中的运行方式

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图2 长期脱氮性能。（A）进水和出水中亚硝酸盐、铵和硝酸盐的浓度；（B）TN去除效率和氮转化速率（rAN: anammox细菌的亚硝酸盐去除速率、rDB: n-DAMO细菌的亚硝酸盐去除速率、rDA: n-DAMO古菌的硝酸盐去除速率）；（C）第Ⅱ阶段氮浓度的变化；（D）第Ⅱ阶段的氮转化速率。UASB自构建起在整个实验过程中共运行271天，涉及三个阶段（表1）。第Ⅰ阶段，未提供甲烷，获得成熟的anammox颗粒污泥。随着anammox细菌活性增加， HRT在第29天（图2 A）由2.0 d降至1.0 d 。出水TN浓度为173.2±25.3 mg N/L ，包含残余铵96.7±18.3 mg N/L、残余硝酸盐为75.1±18.8 mg N/L（图2 A）。同时，出水中的亚硝酸盐浓度一致维持在1.0 mg N/L以下。相应地，亚硝酸盐于铵的去除比为1.36±0.06 ，与厌氧氨氧化反应化学计量比相符（理论比为1.32）。总体上总氮去除率为83.5±2.4%（图2 B），与其他相同水平的厌氧氨氧化体系相一致。第100天时n-DAMO微生物接种于anammox颗粒污泥体系，通过中空纤维膜提供甲烷并手动添加储备溶液以补充铵和硝酸盐（第Ⅱ阶段）。如图2 C所示，每次补充储备液后，铵和硝酸盐浓度逐渐下降，亚硝酸盐浓度则立即低于1.0 mg N/L 。这一现象表明， n-DAMO古菌（将硝酸盐还原为亚硝酸盐）的活性是限制性步骤。与此同时，体系中的液相逐渐清澈，大部分在接种的n-DAMO生物量已附着于颗粒表面。对应这一现象， n-DAMO古菌的活性也从9.0 mg N/L/d（第100-104天）增加到34.0 mg N/L/d（第142-144天）（图2 D）。第145天，合成侧流污水以3.7 d（第Ⅲ阶段）的初始HRT连续注入系统， HRT根据第Ⅱ阶段末的硝酸盐去除速率决定。尽管亚硝酸盐和硝酸盐浓度均低于1.0 mg N/L ，出水的铵浓度于第146天暂时仅降至23.2mg N/L ，然后再第158天降至2.1 mg N/L（图2 A）。为进一步提高氮负荷， HRT在第159天降至2.8 d 。同样地，出水亚硝酸盐和硝酸盐浓度仍然很低，为1.0 mg N/L ，而铵浓度在第160天增加到18.2 mg N/L ，然后在第170天降至1.6 mg N/L 。当HRT在第175天降至2.2 d时，也观察到类似的现象。然而，当HRT在187天进一步下降到2.0 d ，不仅铵而且硝酸盐开始积累。 HRT为2.0 d时硝酸盐平均浓度为5.8 mg N/L（第187-198天），当HRT为1.8 d（第199-205天）和1.6 d（第206-216天）时，硝酸盐平均浓度上升到11.1 mg N/L和 24.7 mg N/L 。最后当HRT为1.0 d时，废水中的硝酸盐平均浓度为26.6 mg N/L 。与没有甲烷供应的第一阶段相比， TN去除效率从83.5±2.4%显著提高到94.8±2.4%（p < 0.01）（图2 B）。随着HRT从3.7 d逐步降至1.0 d ， TN去除率从第Ⅲ阶段的0.3 kgN/m3/d提高到1.0 kgN/m3/d 。根据三种微生物反应方程计算各反应的贡献，呈现于图2 B中。首先， anammox细菌的活性几乎比n-DAMO细菌和n-DAMO古菌高一个数量级，表明厌氧氨氧化过程促成了该颗粒污泥系统中大部分氮的去除。此外，随着HRT的缩短， anammox细菌的亚硝酸盐去除速率（rAN）逐步提高，显示该颗粒系统高效脱氮的能力。相比之下， n-DAMO细菌的亚硝酸盐去除速率（rDB）没有呈现明显的趋势，在平均值仅为11.5 mg N/L/d的低水平波动。与 HRT为1.0 d时的平均rAN（629.3 mg N/L/d）相比， n-DAMO 细菌仅贡献约 2.0%的亚硝酸盐去除，表明anammox细菌在亚硝酸盐的竞争中胜过n-DAMO细菌，与两种微生物动力学参数差异相符（亚硝酸盐亲和力常数方面， n-DAMO细菌为 0.1mg N/L ， anammox细菌为 0.05 mg N/L）。此外，虽然污水中的硝酸盐浓度逐渐积累（图2 A），但n-DAMO古菌的硝酸盐去除速率（rDA）的增加与HRT的缩短密切相关。具体而言， rDA从34.0 mg N/L/d（HRT为3.7 d）显著增加到97.3 mg N/L/d（HRT为1.0 d）（p < 0.01），表明n-DAMO古菌活性增强。2 颗粒的特征在UASB的底部可以看到红色的颗粒（图3），而在三相分离器（MLVSS < 0.01 g/L）上方的液相中几乎没有检测到悬浮的生物质，表明两者之间的溺水分离效果良好。表2总结了anammox颗粒（第Ⅰ阶段结束时样品）和anammox+n-DAMO复合颗粒（第Ⅲ阶段结束时样品）的特性。运行170天以上后， MLVSS从13.1±0.5 g/L增加到15.6±0.6 g/L 。 MLVSS与MLSS的比率在0.7-0.的范围内，与其他研究的颗粒处于同一水平。在第Ⅰ阶段和第Ⅲ阶段结束时，颗粒的中值直径分别为0.7±0.2和0.7±0.1 mm ，尺寸分布无明显变化（p> 0.05）。在实验结束时，直径大于0.6 mm的anammox+n-DAMO复合颗粒的百分占比约为80％以上。 Anammox+n-DAMO复合颗粒的沉降能力方面， SVI530530的比率在1.10-1.23之间，表明其具有良好的沉降能力。此外， anammox+n-DAMO颗粒的污泥比重确定为96±4 g VSSg VSS/L颗粒，与其他类型的颗粒相近（例如， anammox颗粒：91-120 g VSS/L颗粒，好氧颗粒：40-70 g VSS/L颗粒，厌氧颗粒：128-136 g VSS/L颗粒）。表2 颗粒的特征（标准偏差由三平行测算）