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( 三 )

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图4 第Ⅲ阶段稳态时的微生物群落（第Ⅲ阶段）：由（A）全颗粒16S rRNA基因扩增子测序和（B）冷冻切片（颗粒7层）-16S rRNA基因扩增子测序揭示,图中列出相对丰度>1%的属。（C）7层微生物群落的PCA分析图（D）热图揭示主导微生物n-DAMO 古菌、n-DAMO 细菌和anammox细菌在颗粒表层和内部中的分布（第 1 层至第 7 层：从颗粒中心到表面）。（D）第Ⅱ阶段和（E）第Ⅲ阶段末期拍摄的颗粒的冷冻切片-FISH图像（绿色为Anammox细菌，蓝色为n-DAMO细菌，红色为n-DAMO古菌）。讨论
1 n-DAMO絮体、生物膜及颗粒的比较自2006年首次富集以来， n-DAMO微生物的研究已有十多年的历史。在最初的十年中，研究人员主要致力于阐明这些新微生物群体的代谢途径，并在自然和工程系统中检测它们的存在。在最近五年中，越来越多的研究开始将n-DAMO工艺用于污水和地下水处理。由于使用甲烷作为电子供体来还原亚硝酸盐/硝酸盐的独特优势， n-DAMO工艺已被认为同步脱氮及温室气体减排的良好选择。如表3中所总结的，不同的生物质类型（絮体、生物膜和颗粒）的n-DAMO微生物已被广泛富集。值得注意的是，由于易于操作，最初的富集通常是从絮状物开始。然而，悬浮的絮体在实际应用中具有很大的缺点，即沉降能力差。根据我们对本研究中使用的n-DAMO微生物絮体的测定，其SVI30高于200 mL/g ，污泥沉降性能较差。为了避免生物质流失，具有悬浮生物质的反应器必须以SRT显著较长的反应器中序批式运行。但是，这些系统的MLVSS仍然很低（0.5-1.5 mg/L），从而限制了氮的去除。因此，悬浮的絮状污泥不适合n-DAMO工艺的实际应用。在n-DAMO微生物的最新应用中，生物膜系统是一种较为流行的配置。迄今为止，已在各种污水流中（例如生活污水（主流）和厌氧消化液（侧流））实现了n-DAMO工艺生物膜系统的演示。由于生物膜完全附着在膜上，因此理论上生物质不会因冲洗流失。与悬浮的絮状污泥相比，生物膜系统由于充分截留了生物量，实现了可实用的脱氮率（高达1 kg N/m3/d），这是生物膜系统的主要优势之一。然而，微生物活性高度依赖于生物膜的厚度。尽管薄的生物膜会由于生物量不足而导致脱氮效果不佳，但生物膜过厚会带来传质受限等问题。实际上，生物膜厚度的管理对MBfR的稳定运行至关重要。在实际操作中，合适的生物膜厚度的维持需要谨慎操作，例如增加剪切力/曝气力度以及化学试剂（表面活性剂）投加等。此外， MBfR中的中空纤维膜不仅用作生物膜生长载体，同时承担甲烷传质的作用。一旦长期运行后老化的纤维膜发生泄漏，则需要先剥离生物膜后再更换新的纤维。这种操作可能会损伤反应器的性能，也将消耗额外的时间进行生物膜的重新附着。与絮体相比，颗粒系统具有更高的沉降能力， SVI30仅为23±5 mL/g 。因此，大多数生物质都可以留在反应器中，稳态下MLVSS浓度高达15.6±0.6 g/L 。在脱氮速率与生物膜处于同一水平的情况下（表3），颗粒污泥具有一些独特的优势。首先，由于不需要塑料载体，颗粒系统的建设成本相对较低。其二，颗粒污泥更有利于收集、储存以及用于新反应器的接种。其三，中空纤维膜的替换在现存的UASB中更容易替换。由于UASB中的中空纤维膜仅用于甲烷传质而没有生物质附着，替换时无需顾虑其对整体性能的影响。基于上述优点，一项研究的结果表明，颗粒系统在高强度废水中的脱氮性能可实现TN去除速率为1.0 kgN/m3/d和TN去除率为94.8％的高水平，具有高强度废水脱氮的实用价值。表3 不同生物质类型（絮体、生物膜及颗粒）之间的比较