污泥干燥过程中废气中的氧气含量和碳氮比降低，同时促进了膜生物膜反应器中的厌氧氨氧化（anammox）和反硝化作用，从而实现了对三甲胺和一氧化氮的协同生物净化

《Bioresource Technology》：Lower levels of oxygen content and carbon-to-nitrogen ratio in sludge drying off-gas balances simultaneous anammox and denitrification in a membrane biofilm reactor for synergistic bio-decontamination of trimethylamine and nitric oxide

可持续污泥干燥工艺产生的废气中含三甲基胺（TMA）和一氧化氮（NO），传统生物过滤难以同步高效去除。本研究采用同步厌氧氨氧化脱氮膜生物反应器（SADMBfR），通过调控C/N比（1.02）和O?含量（2%），实现TMA与NO的协同生物降解，去除效率分别达97%和93%，最终产物为无害的N?和CO?，验证了微生物群落（如Pseudomonas、Ca. Brocadia等）在电子传递与代谢途径中的协同作用机制。

　　

袁增|谭秀琴|孙璐璐|吴家华|杨汉彪|黄振山|陈谢军|魏在山

华南师范大学环境学院，广东省化学污染与环境安全重点实验室，教育部环境理论化学重点实验室，广州510006，中国

摘要

燃烧烟气加热污泥干燥（FGHSD）是一种可持续的策略，但可能会产生含有三甲胺（TMA）和一氧化氮（NO）的尾气。现有的TMA生物过滤技术无法完全去除氮。本研究通过一个同时具有厌氧氨氧化（anammox）功能的膜生物膜反应器（SADMBfR）来探究TMA和NO的协同生物净化效果。在2%的氧气含量和1.02的碳氮比（C/N）条件下，经过140天的运行后，TMA和NO的去除效率达到了97%。降解TMA的细菌（TDB）、厌氧氨氧化细菌（AnAOB）以及反硝化细菌（DNB），包括假单胞菌、芽孢杆菌、Brocadia、Ca. Kuenenia、Jettenia、Thauera、Paracoccus等，协同将TMA和NO转化为N₂。TMA作为初始供体，而NO和O₂作为最终受体，从而建立了生物氧化还原反应。在适当的碳氮比和氧气浓度下，通过氧气酶/脱氢酶的作用，在充足的氧气、底物和供体条件下，TMA的降解过程被有效激活；SAD过程在O₂和NO之间的电子竞争中保持平衡，促进了厌氧氨氧化反应，并消除了硝化菌。TMA的降解与SAD过程相互促进。TDB通过氧化和脱氢作用将TMA降解为DMA、MMA和NH₃；DNB在好氧反硝化过程中将TMA衍生的HCHO氧化为CO₂；AnAOB通过厌氧氨氧化作用将TMA衍生的NH₃和NO转化为N₂。最终，TMA和NO共同代谢为CO₂和N₂，实现了碳和氮的彻底去除。这一发现为FGHSD尾气的协同脱臭和脱硝提供了一种可行且更环保的解决方案。

引言

氮氧化物（NO_x）主要存在于固体废物/污泥焚烧产生的烟气中，会导致酸雨、光化学烟雾，并在全球范围内造成臭氧（O₃）的减少（Gholami等人，2020年）。其中，一氧化氮（NO）占烟气中氮氧化物的90–95%，其不溶于水，反应性较低，难以去除（Gholami等人，2020年）。三甲胺（TMA）是一种具有极低嗅觉阈值的恶臭物质（0.03 ppb），主要存在于污泥干燥过程中产生的尾气中（Raj等人，2020年）。污泥焚烧是一种经济的处理方法；而污泥干燥是降低其含水量并提高热值的必要预处理步骤。燃烧烟气加热污泥干燥（FGHSD）作为一种创新策略，旨在提高成本效益和能源效率。然而，这种策略可能会产生同时含有NO_x和TMA的新废气环境。目前，关于FGHSD尾气处理的研究非常有限。

生物技术是一种经济高效、低碳且环保的大气污染控制方法（Wu等人，2023年）。NO_x和TMA的生物过滤在研究和工程领域取得了显著进展（Cubides等人，2022年；Shang等人，2021年）。NO_x可以通过反硝化作用被还原为N₂，而TMA则依次降解为二甲胺（DMA）、单甲基胺（MMA）和NH₃，最终成为碳和氮的来源（Raj等人，2020年）。然而，这两种物质的同步生物去除尚未得到充分研究。

在以往的研究中，尽管TMA最终会被转化为CO₂，但中间的NH₃大多被吸收进了生物反应器中，导致TMA中的氮未能被完全去除。现有的TMA生物过滤方法无法完全消除氮。长期积累的NH₃可能导致生物量过度生长和堵塞。从化学角度来看，N₂是TMA和NO_x同步生物过滤的理想产物。NO_x可以通过反硝化作用被生物还原为N₂。降解TMA的细菌（TDB）和反硝化细菌（DNB）共享某些菌株（Raj等人，2020年），但两者之间的整合尚未得到验证。厌氧氨氧化（anammox）可以将NO₂^–和NH₃转化为N₂，为TMA衍生的NH₃提供了另一种转化途径。我们假设反硝化和厌氧氨氧化的整合可以实现TMA和NO的协同净化。理论上，DNB可以将TMA和NO转化为NH₃和N₂；厌氧氨氧化细菌（AnAOB）利用TMA衍生的NH₃进行厌氧氨氧化；最终，TMA和NO可以协同被净化为N₂。

TMA和NO的协同生物转化的关键在于实现DNB和AnAOB之间的功能协作。作为自养菌和厌氧菌，AnAOB在能量效率和养分获取方面可能会受到异养菌和好氧菌的竞争（Wang等人，2022年）；而DNB则可以在好氧或厌氧条件下自养或异养生长（Ji等人，2015年）。碳氮比（C/N）和溶解氧（DO）是调节厌氧氨氧化生物反应器的关键因素，因为较低的C/N和DO水平会限制异养菌和好氧菌的生长（Ren等人，2022年）。在废水处理生物反应器中，AnAOB在DO低于0.02 mg L^?1和C/N低于1.0的条件下表现出最佳生长性能（Wang等人，2022年）。根据过量空气系数（EAC：1.2–1.5）和燃烧效率，烟气中的氧气含量通常在4%到8%之间（Thabit等人，2022年）。废气中的TMA浓度范围为0.02至100 ppm（Raj等人，2020年；Santawee等人，2019年）；烟气中的NO浓度可达200–1000 ppm（Cubides等人，2022年）。因此，在FGHSD尾气中，适当的C/N和O₂水平有利于厌氧氨氧化反应的进行。我们假设基于反硝化和厌氧氨氧化的同步生物反应器（SAD）可以协同净化FGHSD尾气中的TMA和NO_x，将其转化为无害的N₂。

本研究的目的是通过基于反硝化和厌氧氨氧化的膜生物膜反应器（MBfR）来实现和理解TMA和NO在模拟废气中的同步生物过滤。在长期运行过程中，比较评估了不同碳氮比和氧气浓度下的生物过滤性能和模式，并分析了TMA的降解产物。通过16S rRNA基因测序和宏基因组学揭示了微生物群落和遗传功能基础。这一方法可以为TMA和NO的协同微厌氧生物转化提供多层次的见解。

实验设置和长期运行

SAD-MBfR由一个模拟尾气生成器、一个聚偏二氟乙烯中空纤维膜生物反应器、一个营养介质循环装置和一个尾气吸收器组成（示意图见图S1）。简而言之，由O₂/N₂携带的TMA和NO混合物被生成并进入MBfR进行净化。未接种微生物的膜反应器（MR）作为非生物对照组（详细信息见文本S1）。

SAD-MBfR在以下条件下进行了为期六阶段（140天）的长期运行：

MBfR对TMA和NO的同步生物过滤

去除性能如图1所示，在第一阶段，TMA和NO的去除率（REs）在最初的12–14天内逐渐增加，最终分别稳定在94±2%和88±3%。然而，MR中的去除率仅为4–9%（见图S2）。因此，非生物过程对总去除率的贡献很小。随着时间的推移，生物去除性能有所提高，表明微生物已适应了新环境。在第二阶段，当TMA的初始浓度翻倍时，TMA的去除率显著下降至74%，但随后又逐渐恢复到稳定水平。

讨论

协同生物氧化还原本研究验证了在SAD MBfR中TMA和NO协同转化为N₂和CO₂的现象，从微生物群落、功能和产物的角度进行了验证。TMA作为初始供体，NO和O₂作为最终受体，通过多种功能菌属的协作形成了一个整合的生物氧化还原反应。TMA中的-CH₃被假单胞菌、Paracoccus等细菌切割并转化为HCHO，同时向氧气酶或脱氢酶提供电子，从而实现了TMA的降解。

结论

SAD MBfR实现了TMA和NO的彻底协同净化。在适当的碳氮比和氧气浓度下，TDB、AnAOB和DNB协同作用，将大部分TMA和NO转化为无害的N₂。在2%的氧气含量和1.02的碳氮比条件下，MBfR表现出长期稳定性，TMA和NO的去除率达到了97%。N₂的生成率达到93%，表明SAD效果显著。最佳的碳氮比和氧气浓度可以匹配实际尾气条件。TDB通过氧化和脱氢作用将TMA降解为DMA、MMA和NH₃。

CRediT作者贡献声明

袁增：撰写初稿、监督、资源获取、方法设计、实验研究、数据分析。谭秀琴：撰写初稿、数据整理、概念构建。孙璐璐：数据可视化、实验研究。吴家华：数据可视化、实验研究。杨汉彪：数据可视化、方法设计、实验研究。黄振山：撰写初稿、软件应用、方法设计、实验研究、资金申请、数据分析、概念构建。陈谢军：审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（42307293）、中国博士后科学基金（2023 M741233）和广东省基础与应用基础研究基金（2026A1515012652）的财政支持。