《Journal of Water Process Engineering》：Substrate control and carrier bioaugmentation stabilize the electrocatalytic-Anammox process for sustainable nitrogen removal
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氮去除 | 電催化硝酸鹽還原 | 厭氧氨氧化 | 鐵基載體 | 生物膜穩定性
梁凱強|劉穎|吳曉娟|王海義|李健|李新林|嚴偉|馮江濤|王寧
中國西安交通大學環境科學與工程學院固體廢物回收與資源化利用重點實驗室，西安，710049
摘要
高強度硝酸鹽廢水處理受到傳統生物過程不穩定性和高碳強度的阻礙。將電催化硝酸鹽還原為氨（NitRR）與Anammox工藝結合，可以通過電化學方式調節還原后的氮化合物來實現低碳氮去除，但目前對于Anammox在NitRR衍生廢水中的長期穩定性仍了解不足。本研究開發了一種耦合的NitRR–Anammox系統，并比較評估了兩種工程相關的穩定策略：梯度馴化（R1）和基于鐵的載體生物強化（R2）。在全NitRR負荷下，R2實現了約80%的總氮去除率，顯著優于R1（約54%），同時保持了較低的出水硝酸鹽濃度（3.26 ± 2.17 mg/L），表明其工藝具有更好的穩定性。鐵強化系統形成了富含蛋白質且緊密結合的EPS，PN/PS比率更高（1.546 vs 1.353），從而增強了生物膜完整性和生物質保留能力。微生物分析顯示，R2中的AnAOB豐度更高（30.37% vs 28.13%），反硝化細菌也增加了五倍以上（47.77% vs 9.32%），這有助于減輕硝酸鹽積累并緩沖化學計量偏差。在高銨負荷下，Nitrosomonas的富集進一步提供了輔助亞硝酸鹽，而血紅素c的持續增加則增強了Anammox的活性。總體而言，基于鐵的載體生物強化被證明是一種有效的NitRR-Anammox集成穩定策略，使該系統從可行性階段邁向了穩定、低碳且可擴展的硝酸鹽廢水處理方向。
引言
多種行業會產生大量高強度硝酸鹽廢水，包括金屬加工、炸藥生產和化學制造等，其中NO3?-N濃度常常達到1000–10,000 mg/L，在極端情況下甚至超過30,000 mg/L（例如炸藥和核燃料再處理過程）[1]。直接排放此類廢水會引發嚴重的富營養化和飲用水污染問題，因此開發高效且低碳的氮去除技術成為環境工程中的關鍵研究課題[2]。
當前的處理方法包括生物反硝化、離子交換、膜分離和電化學還原[3]、[4]、[5]。其中，電化學技術因其緊湊的結構、快速啟動能力、自動化兼容性以及不依賴外部有機碳源而受到越來越多的關注[6]、[7]。特別是電催化硝酸鹽還原為氨（NitRR）作為一種有前景的轉化途徑，通過八電子轉移過程（NO3? + 9H+ + 8e? → NH3 + 3H2O）將NO3?轉化為NH3/NH4+[8]、[9]、[10]、[11]。當與下游分離單元結合使用時，該途徑可以實現氨的回收；然而，回收效率強烈依賴于整個系統的配置。
盡管具有這些優勢，獨立的NitRR系統仍存在固有局限性。出水通常含有殘留的NH4+和副產生的NO2?，導致二次氮污染，超出排放標準[12]。嘗試通過電化學生成的活性氯來氧化殘留的NH4+會帶來有毒副產物的形成和設備腐蝕問題，限制了其實際應用[13]、[14]、[15]。
生物氮去除技術具有更高的處理完整性和更低的碳足跡。其中，厭氧氨氧化（Anammox）被認為是最可持續的途徑之一[16]。Anammox細菌（AnAOB）在嚴格厭氧條件下以大約1:1.32的化學計量比利用NH4+和NO2?生成N2，無需通氧或添加外部碳源即可實現高達89%的理論氮去除效率[17]、[18]。然而，實際應用中穩定的亞硝酸鹽供應仍然是一個主要瓶頸[19]。
傳統的原位亞硝酸鹽生成策略，如部分硝化（PN）和部分反硝化（PD），通常與Anammox在完全生物系統中結合使用。然而，這兩種方法都依賴于生物介導的中間產物積累，本質上是不穩定的[20]、[21]。在PN中，需要持續抑制亞硝酸鹽氧化細菌，并在嚴格控制的氧氣水平下進行操作[22]；而在PD中，亞硝酸鹽僅作為短暫中間產物，容易被進一步還原[23]。因此，這兩種策略都難以確保下游Anammox過程所需的穩定和可控的亞硝酸鹽供應。
與生物介導的亞硝酸鹽調節不同，電催化硝酸鹽還原能夠對外部控制氮的形態進行調控。最新研究表明，催化劑組成、施加的電位、電解質環境和局部pH值可以顯著影響NH4+/NO2?的選擇性和最終產物分布[24]。雖然基于Cu、Fe和Ni的催化劑通常傾向于深度還原為NH4+[25]，但其他催化系統則促進部分還原路徑，同時增加NO2?的生成或控制中間產物的釋放[26]、[27]。因此，調節反應參數已成為調整氮中間產物和反應路徑的可行策略[28]、[29]。然而，大多數研究側重于催化活性和法拉第效率，而耦合系統中生成的NH4+/NO2?比的生物兼容性和穩定性尚未得到充分評估[30]。
這一空白激發了將NitRR與Anammox結合的興趣，以結合電化學底物調控和生物氮凈化[31]、[32]、[33]。然而，現有研究主要集中在可行性或短期性能上，對于Anammox在電化學廢水條件下的長期穩定性了解不足[34]、[35]。
一個關鍵但尚未充分探討的問題是，NitRR廢水在生物上并不中性。根據操作參數的不同，電化學硝酸鹽還原可能會引入較高的亞硝酸鹽、游離氨、殘留堿度、活性中間產物、氧化還原波動和離子強度擾動[36]、[37]。這些因素對生長緩慢且對環境敏感的AnAOB特別有害，可能破壞生物膜結構和代謝活性[38]、[39]。
在潛在的穩定策略中，基于鐵的材料尤為重要。鐵是Anammox代謝中的必需微量元素，是參與肼合成和氧化的含血紅素c酶的催化核心[40]。充足的鐵供應可以提高電子轉移效率，促進EPS的分泌，增強生物膜的緊湊性，并提高對亞硝酸鹽和游離氨的抵抗力[41]。此外，基于鐵的材料還有助于氧化還原緩沖[42]，有助于緩解電化學引起的微環境擾動。這些特性表明，負載鐵的載體可能在NitRR廢水條件下同時提供代謝支持和物理化學穩定性。
因此，盡管NitRR可以提供可控的底物供應，但穩定性導向的策略對于確保NitRR-Anammox系統的穩健和長期運行是不可或缺的。
基于此背景，本研究并非旨在進一步驗證NitRR-Anammox耦合的可行性，而是解決一個關鍵的實際問題：如何在處理NitRR廢水時穩定啟動和持續運行Anammox？為此，系統評估了兩種工程相關的生物強化策略。反應器R1采用基于Anammox顆粒污泥梯度馴化的傳統穩定途徑，而反應器R2則采用基于鐵的載體生物強化，以實現全NitRR負荷下的直接啟動。比較的重點是在相同的全負荷條件下的系統行為，而非啟動過程。本工作的創新之處在于三個方面：(i) 將研究重點從可行性導向的耦合轉向NitRR-Anammox系統的穩定性導向方法；(ii) 在相同的全NitRR負荷條件下系統地比較兩種實際的Anammox穩定策略；(iii) 使用綜合證據鏈而非單一性能指標來闡明過程穩定性。本研究旨在為處理高強度硝酸鹽廢水的NitRR-Anammox耦合系統的穩定和高效氮去除性能提供機制洞察和實際指導。
電化學硝酸鹽還原（NitRR）裝置及其原理
在常溫條件（25°C，1 atm）下，采用標準的三電極H型電池系統進行NitRR過程。工作電極為NiMoO4/CuO納米線改性的銅泡沫（NiMoO4/CuO NW/CF），該設計基于我們之前的催化劑設計策略[9]。這種設計利用了CuO在催化硝酸鹽還原為亞硝酸鹽（NO3? → NO2?）這一關鍵初始步驟方面的優勢[43]、[44]，同時NiMoO4的加入作為高效的氫供體
梯度馴化策略（R1）的氮去除性能
在階段I（第1-35天），R1僅輸入合成廢水。在早期馴化階段（第6-23天），氮去除性能出現短暫波動，表現為ARE的變化和NRE的短暫下降。第5天總氮去除效率（TNRE）略有下降，到第28天恢復到初始水平（圖1a）。同時，在TNRE降低期間觀察到硝酸鹽（NO3?-N）的積累，表明存在非Anammox途徑產生的氮
微生物群落結構及其與氮去除性能的關聯
通過高通量測序技術研究了不同穩定策略下的微生物群落動態，并解釋了它們與氮去除性能的關聯。樣本分別從反應器R1的第I-III階段（第35、49和66天）以及反應器R2的第I和III階段（第35和66天）收集。
結論
本研究通過電化學控制NH4+/NO2?的化學計量比，實現了NitRR衍生廢水上Anammox的持續運行，從而將電化學與Anammox的集成從可行性階段提升到了穩定性階段。
在相同的全NitRR負荷下，基于鐵的載體生物強化（R2）在穩定性和效率方面均優于梯度馴化（R1），實現了約80%的總氮去除率，同時出水硝酸鹽濃度較低（3.26 ± 2.17 mg/L），而R1則表現出明顯的硝酸鹽積累
CRediT作者貢獻聲明
梁凱強：撰寫——原始草稿，資源獲取，概念構思。劉穎：資源獲取，資金申請。吳曉娟：數據可視化，實驗研究。王海義：數據可視化。李健：數據整理。李新林：形式分析。嚴偉：項目管理。馮江濤：撰寫——審稿與編輯，方法學。王寧：撰寫——審稿與編輯，監督。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（22008188）、陜西省重點研發計劃（2024SF-YBXM-593）和西安市科學技術局（24GXFW0021）的支持。
