餐厨垃圾衍生挥发性脂肪酸作为外源碳源强化污水脱氮：效能优化、微生物机制与工程经济评估

本文系统评估了餐厨垃圾厌氧发酵产生的挥发性脂肪酸(VFAs)作为替代碳源在污水脱氮中的综合效能。研究发现优化分段投加策略使总氮(TN)去除率达89.16%，其反硝化速率(7.36 mg N/(g VSS·h))和潜力(0.22 g N/g COD)优于甲醇和葡萄糖体系。微生物分析揭示了关键反硝化菌属(Azoarcus/Pseudomonas)的富集和代谢通路多样性。工程情景分析显示长期碳成本降低>70%，内部收益率达8.5%，蒙特卡洛模拟(n=100,000)证实了经济稳健性。

　　

Highlight

餐厨垃圾厌氧发酵产生的挥发性脂肪酸(VFAs)被系统评估为污水脱氮的替代外源碳源。优化分段投加策略显著提升VFA反硝化性能，实现89.16%的总氮去除率，展现卓越碳利用效率并最小化亚硝酸盐积累。

Substrate and inoculation

为保障实验期间进水组分稳定，采用明确化学成分配制合成污水。设置四种外源碳源：甲醇、乙酸钠、葡萄糖和VFAs。通过根据初始NO₃^--N浓度(约40 mg/L)调整碳源投加量，维持碳氮比(C/N)为6.0。同时补充磷酸盐、宏量营养素和微量元素。

Denitrification performance under continuous operation of different systems

图1和附表S4展示了四个碳源系统在不同运行阶段的出水水质。第一阶段(0-20天)未投加外源碳源时，所有反应器均出现显著NO₂^--N积累，出水TN浓度维持在19.87±2.11 mg/L，表明系统固有反硝化能力有限。

Conclusion

长期运行中VFA系统实现89.16%的TN去除效率，同时显著降低亚硝酸盐积累。动力学结果显示VFA系统的反硝化速率(7.36 mg N/(g VSS·h))和潜力(0.22 g N/g COD)超越甲醇和葡萄糖系统，与乙酸钠体系相当。微生物分析揭示了关键菌属(Pseudomonas, Azoarcus)的富集和代谢多样性增强(TCA循环等)。