在低温条件下，由锰循环介导的同步细菌-藻类/厌氧氨氧化耦合反硝化系统：性能与机制

《Bioresource Technology》：Manganese cycle-mediated synchronous bacteria-algae/anammox coupled denitrification system under low-temperature conditions: Performance and mechanisms

氮磷同步去除|低温厌氧氨氧化|Mn@BC改性生物炭|微藻-细菌共生系统|微生物代谢通路解析

　　

于鹏飞|姜典琳|王丁|马星观|韩俊利|韩立尧|王敖|傅宇波|金星

沈阳建筑大学市政与环境工程学院，中国沈阳 110168

摘要

近年来，以高效、经济且环保的方式处理高氮复合废水受到了越来越多的关注。然而，反应速率缓慢仍然是其广泛应用的重要障碍。本研究探讨了添加Mn@BC来增强厌氧氨氧化（anammox）过程与反硝化作用的耐低温性能。结果表明，在17℃的条件下，添加Mn@BC后，平均氮去除效率提高了82%，比单独添加BC提高了9%。此外，Mn@BC促进了细胞外聚合物的分泌，并丰富了微生物群落结构。

微藻的引入形成了一个协同的微藻-细菌系统，该系统保持了50%的磷去除率，并减少了对外部有机碳的依赖，这一点通过TOC分析得到了证实。

通过宏基因组测序阐明了由功能基因（包括mtrC、nirS/K和c-Cyts）形成的内在和细胞外代谢途径。因此，开发一种能够同步微藻-细菌相互作用、克服低温抑制、增强微生物协同作用并减少碳源依赖的高效氮和磷去除过程，在处理高氮和低温废水方面具有实际应用价值，同时也为构建实现高效自养氮去除的微藻-细菌协同系统提供了理论支持。

引言

反硝化过程可以有效去除水体中的亚硝酸盐（NO₂^-）和硝酸盐（NO₃^-）。然而，传统的氮去除技术能耗高、成本高昂且可能产生二次污染，这与可持续发展目标不符。与典型的硝化-反硝化过程不同，厌氧氨氧化（anammox）技术既不需要额外的氧气也不需要外部碳源，同时可将温室气体排放量减少约90%（Ren等人，2022年）。该过程在厌氧条件下将铵（NH₄⁺）和亚硝酸盐（NO₂^-）转化为89%的氮气（N₂）和11%的硝酸盐（NO₃^-），表明在工程化系统中可以稳定利用NH₄⁺和NO₂^-（Zhao等人，2023年）。

微藻-细菌共生（MABS）技术是一种结合微藻和细菌的废水处理技术，可以提高处理效率。微藻需要大量的氮（N）和磷（P）来支持快速生长并合成细胞成分（如蛋白质和核酸）。通过同化作用，它们直接从系统中吸收溶解形式的NH₄⁺、NO₃^-和PO₄^3-，并将其转化为生物质（Montoya-Vallejo等人，2023年）。最近，Chen等人（2024年）将MABS系统与anammox过程相结合，利用光照促进反应器壁上的生物膜形成。这种整合不仅提高了废水的自养氮去除效率，还促进了反硝化细菌（DNB）和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）的富集，为低碳和节能的废水处理提供了理论支持。相关研究表明，在光序批反应器中结合微藻、氨氧化细菌（AOB）和AnAOB进行生物氮去除是可行的（Yang等人，2024年）。然而，光照条件可能导致MABS系统中的光抑制现象，这是一个需要解决的问题（Lu等人，2020年）。

然而，厌氧氨氧化细菌（AnAOB）生长缓慢且敏感性高，这对在低温废水下有效实施anammox过程构成了重大挑战（Huang等人，2024年）。尽管一些研究表明anammox可以在低温条件下实现氮去除（Li等人，2023年），但在低温环境中（如寒冷气候或冬季），AnAOB的代谢和繁殖功能会显著减弱（Li等人，2023年）。因此，在低温废水中通过anammox过程实现高效稳定的氮去除仍然是一个相当大的挑战（Huang等人，2024年）。

最近的研究表明，微生物可以在厌氧条件下驱动锰的氧化（Daye等人，2019年）。锰氧化还原对Mn(II)/Mn(III)/Mn(IV)的氧化还原电位梯度（?0.4至+0.8 V）正好位于典型氮化合物的氧化还原电位范围内（Wang等人，2023年）。这表明锰既可以作为氧化剂也可以作为还原剂参与微生物的氮代谢。最新研究表明，锰氧化物（MnOx）的还原与厌氧氨氧化（Mnammox）以及与反硝化作用（NDMO）相关的微生物锰氧化可能是新的高效氮去除途径（Zhu等人，2024年）。

本研究的目的是构建一种新型系统，该系统通过锰的氧化还原循环介导微藻-细菌的厌氧氨氧化与反硝化作用（Mn@BC-SAAD），在低温条件下实现同步处理。该系统解决了AnAOB和DNB在低温胁迫下生长缓慢、去除效率降低以及处理复杂废水的问题。首次使用二氧化锰和湿地中的香蒲（Typha）植物制备了改性生物炭，以研究其在低温下对氮去除的增强效果及其机制。同时，首次将微藻引入anammox耦合的反硝化系统中，建立了微藻与细菌之间的共生关系。通过快速的光合作用，微藻吸收大量的氮和磷，实现了碳、氮和磷的同时去除，同时减少了系统对外部有机碳的依赖。

反应器设置与操作

两个改良的上流式厌氧污泥毯（UASB）反应器R2（添加了BC）和R1（添加了Mn@BC）由有机玻璃制成。这些圆柱形反应器的总高度为1000毫米，有效高度为900毫米，内径为3厘米，体积为635毫升。在顶部安装了三相分离器以保留污泥。颗粒污泥段的外壁包裹了铝箔，以实现热传导并阻挡光线。

反应器的长期性能

图1和表1展示了两个反应器在添加BC和Mn@BC条件下的初步同步培养情况及其后续阶段的整体性能。在启动阶段（第一阶段），氮负荷率（NLR）为0.61±0.001 kg N/(m³·d)时，接种的成熟颗粒污泥仅需要短暂的适应期就表现出显著的去除效率。反应器R2的平均氮去除效率（NRE）达到93.13%，反应器R1的氮去除效率达到95.07%

结论

本研究成功建立了一种在低温条件下运行的锰氧化还原介导的UASB反应器，该反应器结合了微藻、厌氧氨氧化（anammox）和反硝化过程，实现了碳、氮和磷的协同去除。通过宏基因组分析，研究了参与Mn(IV)还原与AnAOB代谢以及Mn(II)氧化的相关微生物和潜在代谢途径

CRediT作者贡献声明

于鹏飞：撰写 – 审稿与编辑、数据分析、概念构建。姜典琳：撰写 – 初稿撰写、数据分析、概念构建。王丁：方法学研究、实验设计、概念构建。马星观：项目管理。韩俊利：。韩立尧：数据可视化、资源管理、项目管理。王敖：方法学研究、实验设计。傅宇波：方法学研究、实验设计。金星：软件应用、方法学研究、实验设计。

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的研究结果。