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利用厌氧氨氧化和甲烷氧化反硝化反应在生物膜反应器中对废水进行脱氮处理
摘要：这项工作首次证明了在生物膜反应器（MBfR）中利用厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）微生物的协同作用来进行脱氮的可行性。反应器进水为含有硝酸盐和铵的合成废水。甲烷从生物膜反应器的中空纤维内部扩散到生长在纤维外壁上的生物膜上。运行24个月后，硝酸盐和铵的去除速率分别达到了约190 mgN L-1 d-1（或86 mgN m-2 d-1，其中m2指生物膜表面积）和60 mgN L- 1 d -1（27 mgN m-2 d-1）。而在这一过程中没有观察到亚硝酸盐的积累。荧光原位杂交（FISH）分析表明DAMO细菌（20-30％）、DAMO古细菌（20-30％）和厌氧氨氧化菌（20-30％）共同控制着微生物群落。基于对这些微生物的已知代谢、质量平衡和同位素研究，我们推测当甲烷作为电子供体时DAMO古细菌通过外部进料和厌氧氨氧化将硝酸盐转化为亚硝酸盐。当铵和甲烷作为电子供体时，厌氧氨氧化菌和DAMO细菌共同去除产生的亚硝酸盐。该工艺具有用于含有铵和硝酸盐/亚硝酸盐的废水中厌氧除氮的潜在性。
导论
实现废水中高含量脱氮和碳足迹最小化的要求是水行业面临的严峻挑战。厌氧氨氧化工艺是一种节能高效的脱氮工艺，与传统的反硝化工艺不同，它不需要有机碳。这个工艺已经成功地全面实施。然而，这一过程需要一个特定的亚硝酸盐与铵的比例（摩尔比为1.32：1），并且不会除去最初存在于废水中或由厌氧氨氧化反应产生的硝酸盐。
甲烷是一种廉价且广泛可用的碳源，它也可以通过厌氧污泥消化在污水处理厂（WWTP）现场产生。最近的研究表明，甲烷可以厌氧氧化，为反硝化作用提供电子，这避免了对昂贵的电子供体如甲醇或乙醇的需求。这些过程被称为反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）过程，涉及的生物称为DAMO微生物。被报道的微生物包括一个与候选分子NC10有关的细菌群和一个与厌氧甲烷营养古细菌（ANME）有关的古老的组织。通过组装完整的细菌基因组，命名为“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”，Ettwig 等人揭示了M. oxyfera将亚硝酸盐还原成一氧化氮，然后通过原位产生的氧气实现甲烷氧化一氧化氮对氧和氮的歧化。通过类似的方法，Haroon等人在DAMO过程中证实了一种古老的作用，并提出了一种名为“Candidatus Methanoper-edens nitroreducens”的方法。硝酸还原酶使用来自甲烷的电子将硝酸盐还原为亚硝酸盐。与采用有氧甲烷氧化途径的M. oxyfera相反，M. nitroreducens通过氧化甲烷反向产甲烷，这是一个先前假设但直到最近才被证实的途径。这些最近的发现为甲烷作为电子给体从废水中去除硝酸盐/亚硝酸盐提供了机会。
最近在实验室研究中已经研究了使用厌氧氨氧化和DAMO微生物的共培养物从废水中去除氮。Luesken等报道了连续间歇式反应器（SBR）中连续用CH4冲洗的厌氧氨氧化菌和DAMO细菌富集亚硝酸盐和铵态氮的共培养物。亚硝酸盐转化率达到100 mgN L-1 d-1，厌氧氨氧化细菌占亚硝酸盐消耗量的77％。但是，如果铵过量喂养，厌氧氨氧化细菌可能会超出DAMO细菌，因为它们是竞争亚硝酸盐作为电子受体。此外，厌氧氨氧化产生的硝酸盐在没有除去的情况下留在了反应器中。在饲料中添加了铵和硝酸盐的情况下，Haroon等人在生物反应器中富集了DAMO古细菌和厌氧氨氧化细菌的共培养物，CH4间歇冲入顶空。硝酸盐和铵的去除率均约为15 mgN L-1 d-1。DAMO古细菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐，然后通过厌氧氨氧化细菌去除亚硝酸盐。
尽管有这些成功的尝试，但在实践中将DAMO工艺用于废水处理之前需要解决几个问题。首先，甲烷是一种具有低水溶性的易燃气体。在以前的实验室研究中，甲烷被直接喷射到反应器中，这需要大量的能量，并且可能导致工业应用中的甲烷释放。用于输送氢气进行反硝化的气体膜可以为甲烷的安全和有效供应提供解决方案。由于甲烷直接通过无泡膜供应，其转移可以增强，并可通过调节压力进行控制.其次，厌氧氨氧化菌和DAMO微生物的缓慢生长需要高生物量保留，这可通过培养在生物膜中得到保证。就像在氢气支持反硝化的情况下一样，膜表面也会支持生物膜的生长，这种生物膜能够保持缓慢生长的DAMO和厌氧氨氧化生物。
本研究的目的是通过在膜生物膜反应器中结合厌氧氨氧化和DAMO过程来研究同时去除硝酸盐和铵的可行性。为此，用DAMO和厌氧氨氧化微生物的共培养物接种生物膜反应器，并且从中空纤维内部供应甲烷，并且在中空纤维外直接在液相中使用硝酸盐和铵。测量硝酸盐和铵的浓度以监测生物膜反应器的性能。在操作的中间和结束时进行各种废水成分（NO3- NH4 ，NO2- NH4 ，NO2-和NO3-）的批量测试以验证反应，并确定系统处理含不同氮组分的废水。使用荧光原位杂交反应证实厌氧氨氧化和DAMO微生物的存在，并通过15N标记批次试验研究它们的活性。
材料和方法反应器配置为此研究建立了膜生物膜反应器（图1）。膜组件的总体积为1150mL，其中包括400mL中空纤维材料，300mL用于供气的内部空间以及450mL用于液体的纤维外部空间。膜的总表面积为1平方米。中空纤维的内部连接到进料气瓶。通过蠕动泵（Masterflex，USA）将液体通过溢流瓶（150mL液体体积）再循环以提供混合。支持信息（SI）中介绍了该设置的更多详细信息。
接种
生物膜反应器用来自反应器的污泥接种，其中DAMO和厌氧氨氧化微生物都在悬浮相中富集。用荧光原位杂交反应进行的微生物分析显示接种物由与ANME-2d（40％）和厌氧氨氧化菌（40％）密切相关的古细菌占优势，但也含有其他微生物（20%）。NC10细菌是已知的关键DAMO之一，用荧光原位杂交反应检测不到。但是，他们不能排除低丰度的存在。见支持信息以获得接种物的进一步细节。
运行条件和反应堆监测
该反应器连续运行约24个月，由两个阶段组成，即一个启动阶段和一个阶段序批式反应器（SBR）阶段。
在启动阶段（第0天至第290天）开始时，将300mL接种物和300mL培养基添加到系统中。为防止生物质被冲洗掉，在启动阶段没有改变介质。然而，浓缩硝酸盐（80 gN L-1）和铵（48 gN L-1）溶液每周供应，导致理论硝酸盐和铵浓度均为200 mgN L-1，每次喂养后。这些初始浓度也被应用于采用接种物的生物反应器中，以避免一周内的底物限制，并且还降低底物抑制的风险。液体的循环速度保持在50 mL min-1。气体每周两次通过气体调节器（BOC）手动补充，当压力降至1.2个大气压时，内部中空纤维再加压至1.5个大气压。每天服用液体样品测量硝酸盐，亚硝酸盐和铵的浓度。根据饲料之间的测量曲线确定此期间的铵和硝酸盐去除率。通过仅考虑生物膜反应器（450mL）的液体体积（即，不考虑生物膜反应器中的气体体积或溢流瓶的液体体积）来计算体积转化率。通过将质量转换率除以膜表面积（1m 2）计算生物膜的面积比率。
从第290天起，生物膜反应器作为SBR运行，包括两个阶段，即阶段1（第290天至第420天）和第2阶段（第471天至第730天）。在两个阶段中，SBR的运行周期为一天。在每个循环开始时，再循环泵停止5分钟，其中150mL新鲜培养基通过蠕动泵进料并从溢流瓶排出150mL的流体。进料系统导致SBR中的水力停留时间（HRT）为3天（不考虑溢流瓶的液体体积）。在这个阶段，内部中空纤维始终与压力缸相连。用气体调节器维持在1.3个大气压。再把循环速率提高到600 mL / min以改善反应器中的混合条件。在每个循环结束时每天采集样品以监测硝酸盐、亚硝酸盐和铵的浓度。在阶段2中，饲料中的铵和硝酸盐浓度从初始水平200 mgN L-1逐渐增加，同时MBfR性能得到改善（参见结果部分）。作为概念验证研究，饲料组合物不模拟特定的废水。
批量测试
进行质量和电子平衡测试以验证系统中的反应（阶段1结束时的批次测试A-1和阶段2结束时的A-2）。为了测量甲烷的消耗，生物膜反应器从气瓶断开以停止甲烷供应。新鲜制备的培养基用混合气体喷射30分钟，流速为500 mL min-1，这确保了培养基被甲烷饱和（21 mg L-1）。然后将中空纤维的内部和生物膜反应器的液相连接到溢流瓶并用这种甲烷饱和的液体介质填充。在测试过程中液相连续循环。自动溢流点被锁定，使得溢流瓶中的顶部空间成为整个系统的唯一气相，并且可以测量甲烷的消耗量。在12小时平衡期后，批量测试A-1在批处理模式下运行30小时，在此期间采集八个气体和八个液体样品。由于阶段2中的速率显着增加，批次测试A-2仅运行3小时，在此期间采集了七种气体和七种液体样品。分析了铵、硝酸盐、亚硝酸盐浓度，硝基和甲烷气体分压。使用亨利定律从气相数据确定液相中的甲烷和氮气浓度。在测试的开始，中间和结束时取三个液体样品以测量溶解的N2O浓度。在批次测试A-2中，将15N富含硝酸盐（99％15N，Sigma Aldrich）和非标记硝酸盐一起加入到15％的最终百分比17％。采用膜入口质谱仪（MIMS）连续监测液相和气相中28N2,29N2和30N2的浓度。
批次试验B-1和B-2分别在批次试验A-1和A-2后进行，以研究该系统处理仅含有硝酸盐，仅含有亚硝酸盐，亚硝酸盐和铵的废水的能力，如表2.在每次试验开始时，将新鲜培养基加入反应器中。然后加入浓缩的储备溶液，在批次试验B-1中产生初始硝酸盐，亚硝酸盐和/或铵浓度在10至50之间，在批次试验B-2中产生100-200mgN L-1。在所有测试中通过保持1.3atm的压力通过中空纤维供应甲烷。每个测试持续8小时，在此期间取出5个液体样品以确定添加的底物的消耗速率。
在第460天进行批量试验C，持续6小时，以研究较高液体循环率（1200 mL min-1）对氮去除率的影响。取五个液体样品进行化学分析以获得硝酸盐和铵的浓度分布。其他时间避免了高的再循环率，因为在该再循环率下观察到生物膜分离，除了在生物膜采样的第415天和第470天以外。
化学和微生物分析。 NH4 -N，NO3 - -N，NO2 -- N液相和气相CH4和N2用Hu等人先前报道的方法测量。配备电子俘获检测器（ECD）的Agilent 7890A气相色谱仪，用于测量溶解的甲烷和溶解的一氧化二氮浓度，后者在氮转化过程中可能是副产品。在第415天和第730天，暂时提高再循环率（600 mL min-1至1200 mL min-1）以收获分离的生物膜用于微生物群落分析。如Ettwig等所述将样品固定、储存并杂交。所用的探针在支持信息中描述。
反应速率的确定。基于NH4 、NO3-和CH4消耗数据和微生物群落数据，假设以下反应（忽略生物质生产）：
这个测试确定了分别表示为rNH4 ，rNO2-，rNO3-，rCH4，rN2的铵，亚硝酸盐，硝酸盐和甲烷消耗速率和氮气生产速率。
通过在批次测试期间测量的各自浓度分布的线性回归。为了验证上述假设的反应是否可以充分描述所有的实验数据，我们从rNH4 ，rNO2-和rNO3-数据计算r1，r2和r3，如SI所述。然后，我们使用计算得出的r1，r2和r3预测氮气和甲烷消耗率（如SI所述），并将估算的比率与测量的rN2和rCH4进行比较。使用Thamdrup和Dalsgaard26描述的方法（总结在SI中）分析从批量测试A-2（具有15N-NO3-添加）获得的同位素数据以进一步验证上述假设的反应。
结果
长期反应堆性能。在整个研究过程中，生物膜反
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