背景介紹:部分亞硝化和厭氧氨氧化(PN-A)工藝被認為是一種很有前途的廢水脫氮方法，目前正在開發中。與傳統的脫氮工藝相比，PN-A工藝具有約62.5%的耗氧量減少、100%的外部碳源需求減少、90%的剩余污泥產量和零碳排放等優點。目前，超過80%的現有全尺寸厭氧氨氧化裝置是一級PN-A，因為這種配置具有占地少、操作更簡單、底物抑制少等顯著優勢。一級PN-A過程主要包括兩條自養途徑，其中氨氧化細菌(AOB)用氧氣將銨(NH4+)氧化為亞硝酸鹽(NO2–)，而厭氧氨氧化細菌(AnAOB)將剩余的NH4+和NO2–轉化為氮氣(N2)即使有大量的研究致力于啟動PN-A過程，啟動持續時間和性能各不相同，機制仍不清楚。有研究證實一氧化氮(NO)是亞硝化作用的確定和關鍵中間體以及厭氧氨氧化。PN-A系統中的N2O排放量甚至高于傳統的硝化/反硝化系統。因此N2O排放是PN-A工藝的一個重要評價指標。盡管大量研究致力于PN-A工藝的啟動和運行，但很少研究NO和N2O的產生。

本研究的目的是通過采用固定曝氣率和較高初始AOB活性的預非曝氣和后非曝氣處理低銨廢水來調節曝氣時間來實現SBBR中PN-A工藝的快速啟動。討論了導致快速啟動、長期穩定性能和增強的策略。此外使用unisense微剖面系統對典型循環中溶解的NO和溶解的N2O進行了監測和分析。本研究為含氨廢水處理的PN-A工藝快速啟動、強化和控制N2O排放提供了新的思路。

Unisense微電極研究系統的應用

使用丹麥Unisense微電極監測系統的NO微電極及N2O微電極在線監測溶解NO和N2O。Unisense微電極監測系統分析了來自進水和出水的水樣中的溶解NO和N2O。在第1、3、10、30天循環監測溶解的NO。在stage2（穩定階段）和stage3（增強階段）氮轉化包括NO和N2O。

實驗結果

在固定曝氣速率的SBBR中，通過利用不曝氣前和缺氧后的時間和適當的排水比，建立AOB、NOB和AnAOB之間的協同作用，成功啟動并強化了PN-A工藝。AOB和AnAOB協同形成的NO2-和NO的低積累有助于維持PN-A過程的穩定性，降低N2O排放。NO積累可作為協同作用的指標AOB和AnAOB的狀態。一氧化氮可能在啟動階段誘導厭氧氨氧化細菌（AnAOB），并且可能是氨氧化細菌（AOB）和AnAOB之間協同狀態的指標。獲得了0.51%的較低的一氧化二氮排放因子。

圖1、PN-A反應器示意圖。

圖2、PN-A工藝的啟動和增強（TNLR表示總氮負荷率，ARR表示氨去除率，TNRR表示總氮去除率，ARE表示氨去除率，TNRE表示總氮去除率，NAR表示亞硝酸鹽積累率,△NO3–-N/△NH4+-N表示除去氨后產生的硝酸鹽。檢測出水的pH值。DO濃度是循環氧化階段的平均值。從圖中可看出AOB活動一開始就保持在高位，ARE為98.4%。DO濃度增加而ARE減少結果表明，COD在一開始是有氧消耗的，而之后可能在生物膜內發生厭氧氨氧化或異養反硝化，NOB被部分抑制。

圖3、NH4+-N、NO3–-N和NO2–-N、pH、DO、ORP、溶解NO和溶解N2O在穩定階段典型循環中的變化（a）第31天（穩定階段第1天）），（b）第60天（穩定階段的第30天），（c）第120天（穩定階段的第90天）。研究了PN-A工藝啟動后AOB、NOB和AnAOB的協同狀態，分析了典型實驗循環中的氮轉化率。從圖3（b）、（c）可以看出，反應堆經歷了大約2小時的饑餓，PN-A過程在第60天到第120天表現出極好的穩定性。

圖4、NH4+-N、NO3–-N和NO2–-N、pH、DO、ORP、溶解NO和溶解N2O在強化階段(a)第131天（強化第1天）的典型循環中的變化階段），（b）第160天（增強階段第30天），（c）第180天（增強階段第50天）。

圖5、參與PN-A過程的關鍵功能微生物的主要代謝過程和通訊。以下酶進行氮轉化：Amo（氨單加氧酶）、Hao（羥胺氧化還原酶）、Nor（一氧化氮還原酶）、Cu-Nir（一種將NO氧化為亞硝酸鹽的未知酶）、Nxr（亞硝酸鹽氧化還原酶）、Nar（硝酸鹽還原酶）；Nir（亞硝酸鹽還原酶）、NOR（一氧化氮還原酶）、NosZ（一氧化二氮還原酶）、Hzs（肼合酶）、Hdh（肼脫氫酶）。功能菌：紅色虛線框，AnAOB（Candidatus Kuenenia）；藍色虛線框，AOB（亞硝化單胞菌）；粉紅色虛線框，NOB（硝化螺）；綠色虛線框。

結論與展望

本研究中部分亞硝化和厭氧氨氧化(PN-A)過程在30天內在序批式生物膜反應器(SBBR)中通過采用預非曝氣和后非曝氣以固定曝氣速率啟動。研究人員使用unisense微電極系統對典型循環中溶解的NO和溶解的N2O進行了監測和分析。得出平均氨去除效率(ARE)、總氮去除效率(TNRE)分別為98.5±1.5%和89.5±1.6%。通過將曝氣速率和攪拌速率加倍并采用預非曝氣，TNRR從0.135±0.013 kg N·m-3·d-1提高到0.285±0.015 kg N·m-3·d-1，獲得97.5±1.5%和85.5±2.6%的平均ARE和TNRE。一氧化氮可能在啟動階段誘導厭氧氨氧化細菌（AnAOB），并且可以作為氨氧化細菌（AOB）和AnAOB之間協同狀態的指標。獲得了0.51%的較低的一氧化二氮排放因子。AOB、AnAOB和亞硝酸氧化菌（NOB）的豐度分別占1.6%、19.3%和0.3%。