通过调控亚硝酸盐氧化细菌的代谢方式，实现城市污水处理中快速硝化处理

《Bioresource Technology》：Formate modulation of nitrite-oxidizing bacteria metabolism for rapid nitritation in municipal wastewater treatment

硝化作用通过甲酸添加实现高效脱氮，稳定同位素示踪及转录组学分析表明硝化细菌代谢路径转变是关键机制，总氮去除率达93%。

　　

高欣杰|安泽明|邵白硕|范新生|彭永振

国家先进城市污水处理与回用技术工程实验室，北京工业大学工程研究中心，北京100124，中国

摘要

通过可持续的方法提高城市污水中氮的去除率对于缓解全球氮污染至关重要。在本研究中，通过添加甲酸，在8天内快速实现了城市污水中的亚硝化作用，亚硝酸盐积累率和总氮去除率分别稳定维持在76%和93%。相比之下，对照组虽然也添加了等量的乙酸，但未能实现亚硝化作用，尽管其亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的数量较低。此外，基于DNA的稳定同位素分析、氧气吸收率以及转录组分析表明，NOB在氧化甲酸时可能更倾向于使用氧气或硝酸盐。与其他碳源相比，甲酸的添加实现了更高的氮去除率，并且碳消耗量更低。总体而言，亚硝化作用为将厌氧铵氧化工艺结合起来，实现更可持续和更先进的城市污水氮去除提供了实用途径。

引言

过量向地表水排放污水是对环境的主要威胁，会损害水生生态系统和饮用水的安全（Gruber和Galloway 2008）。氮的过量主要来源于城市污水，导致了一系列环境问题，如富营养化（Komita等人，2024；Liu等人，2024）。提高污水中氮的去除效率是减少氮排放和缓解相关环境问题的有效方法（Gao等人，2024；Yu等人，2019）。厌氧铵氧化（anammox）是一种有前景的低碳工艺，可用于城市污水处理中的氮去除。在anammox过程中，亚硝酸盐和铵被转化为氮气（N₂），无需有机碳或溶解氧（DO）（Kuypers等人，2018）。然而，城市污水中通常缺乏亚硝酸盐，这限制了anammox细菌（AnAOB）的富集和anammox工艺的应用（Cao等人，2017）。

亚硝酸盐可以通过亚硝化作用或部分反硝化作用产生。在亚硝化过程中，亚硝酸盐由氨氧化细菌（AOB）生成，并通过抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）来防止其进一步氧化为硝酸盐。AOB和NOB的最佳条件在不同环境中有所不同，它们的适应性和恢复能力也各不相同（Cao等人，2017；Gholami-Shiri等人，2021）。目前实现亚硝化作用的策略包括创造不利于NOB生长的条件，例如调整各种操作参数（如污泥停留时间（SRT）或实时曝气（Bournazou等人，2013；Regmi等人，2014））、控制环境因素（如DO、pH值或温度（Cao等人，2018；Fu等人，2023；Gujer，2010），或添加抑制剂（如羟胺、氯化物或饥饿处理（Hynes和Knowles，1983；Wang等人，2020c；Zhou等人，2011））。与亚硝化作用类似，实现部分反硝化作用的策略也旨在通过调整水力停留时间（HRT）、pH值和控制碳源的类型和浓度来维持反硝化过程（Ma等人，2020；Zhang等人，2020）。然而，由于微生物的多样性和NOB的适应性（Vijayan等人，2021；Wang等人，2021b），这些策略在市政污水处理厂（WWTPs）中往往难以实施。

最近，人们发现了NOB惊人的多功能性。NOB可以在亚硝酸盐氧化和其他代谢途径之间切换（Daims等人，2016；Füssel等人，2017；Koch等人，2015；Pachiadaki等人，2017；Vijayan等人，2021）。研究表明，某些NOB菌株，如Nitrospira菌株、Nitrococcus菌株和Nitrobacter菌株可以通过甲酸氧化生长（Füssel等人，2017；Koch等人，2015；Ushiki等人，2017）。在充足的甲酸存在下，NOB可以通过甲酸氧化将硝酸盐还原为亚硝酸盐。这一过程可能受到关键酶亚硝酸盐氧化还原酶（NXR）的促进（Füssel等人，2017；Koch等人，2015）。此外，一些研究表明，添加甲酸后亚硝化作用的实现是由于抑制了nxrB（编码NXR亚基的基因）的转录（Wang等人，2023；Wang等人，2020a）。尽管这些发现表明甲酸诱导的亚硝酸盐积累是可行的，但尚未在实际污水处理系统中得到验证。特别是，在广泛使用的连续流系统中，甲酸添加促进亚硝酸盐积累的可行性和潜在机制仍需进一步研究。

本研究探讨了通过添加甲酸实现亚硝酸盐积累的可行性。通过批次实验确定了甲酸的添加剂量。在厌氧/好氧/缺氧（AOA）系统中使用原始城市污水进行了长期实验，以验证添加甲酸以增加亚硝酸盐产生的策略。通过基于DNA的稳定同位素分析（DNA-SIP）、宏转录组学和对比实验探讨了亚硝化作用的潜在机制。最后，讨论了通过添加甲酸实现城市污水中亚硝酸盐积累的策略的优势和局限性。

操作和设置

长期实验涉及两个独立的AOA系统：甲酸系统（实验系统）和乙酸系统（对照组）。两个系统的配置完全相同。图S1（补充信息（SI）显示了AOA系统的示意图。AOA系统包括一个AOA生物反应器和一个二次沉淀池（SST），工作体积分别为60.8升和23.3升。混合液体悬浮固体（MLSS）保持在4000±1000毫克/升。

通过添加甲酸实现亚硝酸盐积累的可行性

图1A显示了不同甲酸剂量下氮去除率的变化。在没有甲酸的情况下，NO₃^–-N的产生率高于NH₄⁺-N的去除率。此外，未观察到亚硝酸盐的积累。当添加50毫克COD/L的甲酸后，NH₄⁺-N的去除率与NO₃^–-N的产生率相等。然而，观察到亚硝酸盐浓度有所下降，这可能是由于同时发生了硝化作用和反硝化作用（SND）。

结论

本研究探讨了通过添加甲酸实现亚硝酸盐积累的可行性、潜在机制和剂量策略。高浓度的甲酸（150毫克COD/L）使NAR在8天内从1.8%增加到83.8%，并稳定维持在76.3±9.9%。NOB的代谢途径在添加甲酸后发生了变化，这被认为是亚硝酸盐积累的潜在机制。低浓度的甲酸（25毫克COD/L）提高了TIN的去除率。

未引用的参考文献

Wang等人（2015）。

CRediT作者贡献声明

高欣杰：撰写——原始草案、方法论、研究、概念化。安泽明：撰写——审阅与编辑、监督、研究。邵白硕：正式分析、数据管理。范新生：方法论、研究。彭永振：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52131004）和北京市自然科学基金（青年项目）（项目编号：8254050）的支持，以及北京国际科技合作基地在生物污水处理和工艺控制技术方面的支持。