与序贯批次反应器相比，在以Comammox为主的连续流移动床生物膜反应器中，一氧化二氮的排放量有所降低

《Bioresource Technology》：Reduced nitrous oxide emissions in a comammox-dominated continuous-flow moving bed biofilm reactor compared to a sequencing batch reactor

氨氧化细菌富集与硝rous oxide排放影响因素研究。采用连续流MBBR和序批式SBR反应器，在寡营养（142.7 mg N/L/d）和富氧（>6.0 mg O?/L）条件下，实现comammox细菌占比97.4%-98.9%，显著降低N?O排放（0.06%-0.1%）。DO升高抑制NH?OH氧化途径，连续流MBBR因生物膜结构抑制异养反硝化，N?O排放较SBR低46.1%。

　　

赖鹏|何子轩|方琳川|刘艺文|徐一峰

教育部绿色利用关键非金属矿产资源重点实验室，武汉工业大学，中国武汉430070

摘要

完全氨氧化（comammox）细菌在废水生物脱氮过程中起着重要作用。然而，关于反应器运行模式对comammox细菌富集及其在不同溶解氧（DO）和铵浓度下的氮氧化物（N₂O）排放影响的信息有限。本研究采用移动床生物膜反应器（MBBR）和序批式反应器（SBR）在寡营养（约142.7 mg N/L/d）和富氧（> 6.0 mg O₂/L）条件下选择性富集comammox细菌。两种反应器均实现了稳定的铵去除率（>90%），comammox细菌的相对丰度为97.4–98.9%。在整个运行周期中，comammox主导的MBBR和SBR的N₂O排放因子分别为约0.06%和约0.1%。溶解氧对comammox主导的生物膜或絮状污泥产生的N₂O有显著影响，将溶解氧从0.35 mg O₂/L增加到6.0 mg O₂/L可显著降低N₂O排放（分别为0.5%降至0.04%和0.5%降至0.1%），主要是通过抑制非生物途径的NH₂OH氧化。序批式SBR中的非曝气沉淀和滗析阶段导致N₂O排放比连续流MBBR高46.1%，这可能是由于在氧气和有机碳有限的条件下，comammox主导的絮状污泥发生了异养反硝化作用。这些结果表明，以comammox主导的生物膜为驱动的连续流反应器在保持高效污染物去除的同时，具有减少N₂O排放的潜力。

引言

硝化作用在废水生物脱氮中起着重要作用。两步硝化过程已被广泛接受：氨氧化细菌（AOB）或氨氧化古菌（AOA）通过氨单加氧酶（AMO）和羟胺氧化还原酶催化，将铵（NH₄⁺）氧化为亚硝酸盐（NO₂^–）；亚硝酸盐氧化细菌（NOB）进一步将NO₂^–氧化为硝酸盐（NO₃^–（Massara等人，2017年）。完全氨氧化（comammox）细菌的发现为硝化过程提供了新的见解（van Kessel等人，2015年）。comammox细菌具备所有三种功能酶，可以直接将NH₄⁺氧化为NO₃^–。它们广泛分布于农业土壤（Tan等人，2022年）、湖泊沉积物（Xu等人，2020年）、饮用水处理系统（Ma等人，2023年）和废水处理系统（Zheng等人，2019年）中。检测到comammox细菌的amoA基因后发现，其在废水处理厂（WWTPs）中的转录水平高于AOB的amoA（Zheng等人，2019年），表明它们对硝化过程有重要贡献。

氮氧化物（N₂O）是城市WWTPs中的重要温室气体，其全球变暖潜力是CO₂的310倍。截至2019年，WWTPs的N₂O排放因子约为0.016 kg N₂O-N/kg总氮负荷（Song等人，2020年）。硝化是N₂O的主要来源，既可以通过生物途径（例如硝化菌反硝化和NH₂OH氧化）也可以通过非生物途径（例如NH₂OH disproportionation和NH₂OH nitrosation）产生（Vasilaki等人，2019年）。研究表明，目前已知的唯一纯培养的comammox细菌菌株缺乏一氧化氮（NO）还原酶，只能通过NH₂OH的化学转化产生N₂O（Kits等人，2019年），因此其N₂O产生潜力明显低于AOB。据报道，以comammox细菌为主的硝化过程可显著降低N₂O排放，比AOB主导的硝化过程低75.2–97.9%（Hou等人，2024年；Li等人，2021年；Ren等人，2024年）。N₂O的产生受底物浓度和操作条件的影响。例如，将溶解氧从0增加到6.0 mg O₂/L可显著降低comammox主导的生物膜（0.5%降至0.04%）和絮状污泥（0.5%降至0.1%）的N₂O排放。然而，关于溶解氧和铵对comammox细菌N₂O产生的协同影响的信息有限。

对纯培养物的宏基因组和动力学研究表明，comammox细菌具有高氨亲和力、高氧亲和力、高特定生长率以及偏好附着或聚集生长的生理特性（Sakoula等人，2021年；van Kessel等人，2015年）。在所有富集策略中，生物膜被认为是富集comammox细菌最有效的方法，尽管在活性污泥过程中也能有效富集comammox细菌（Hou等人，2024年）。鉴于AOB主导的生物膜和AOB主导的絮状污泥在N₂O减少方面的不同潜力（He等人，2023年；Sabba等人，2015年），以及常见的工艺配置（即连续流生物滤池和序批式活性污泥），推测生物质类型和反应器运行模式也会对comammox细菌的N₂O产生产生重要影响。

本研究的目的是通过采用连续移动床生物膜反应器（MBBR）和序批式反应器（SBR）在主流废水处理过程中高效富集comammox细菌。使用16S rRNA基因扩增子测序和定量实时聚合酶链反应（qPCR）等分子技术监测反应器内的微生物群落动态。同时测量了长期运行过程中的N₂O排放。评估了溶解氧（DO）和铵（NH₄⁺浓度对comammox主导的生物膜和絮状污泥N₂O产生的影响。这将为N₂O排放、操作条件与微生物生长模式之间的相互作用提供见解，阐明N₂O减排机制，并为氮去除过程开发碳减排策略。

反应器操作

构建了两个实验室规模的反应器用于富集comammox细菌。MBBR和SBR均接种了来自中国武汉某市政WWTP的活性污泥。4-L的MBBR填充了1600K1载体，填充比为40%，并以连续流模式运行。3.2-L的SBR在一个循环中更换约70%的废水。SBR的循环包括260分钟的好氧进料、30分钟的好氧反应、60分钟的沉淀和10分钟的滗析。

MBBR和SBR中的comammox细菌富集

根据图1所示的硝化性能，反应器运行分为启动期和稳定期。MBBR从第0天开始运行，而SBR在第135天接种并启动。在MBBR的启动期（0-74天）和SBR的启动期（135-212天），进水中提供了相对较高的COD（300 mg/L）和铵（100 mg N/L）浓度。在随后的稳定期，COD和铵浓度分别降至50 mg/L和50 mg N/L。

结论

本研究探讨了在不同溶解氧和铵浓度下，反应器运行模式（连续流与序批式）对comammox主导菌株N₂O排放的影响。comammox成为生物膜（MBBR）和絮状污泥（SBR）中的主要氨氧化菌，其相对丰度分别达到97.4%和98.9%。以comammox为主的连续流MBBR的N₂O排放因子相对较低（约0.06%）。

作者贡献声明

赖鹏：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。何子轩：撰写 – 初稿撰写，实验研究，数据分析。方琳川：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。刘艺文：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。徐一峰：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法学设计。

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所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：42477068）、深圳市科技计划（编号：JCYJ20230807121305010）、教育部长江水环境重点实验室基金（同济大学）（编号：YRWEF202302）、湖北省重点研发计划（编号：2022BCA067）和绍兴市科技计划（编号：2024A13008）对本研究的支持。