论文标题：Enhancing the efficiency of nitrogen removing bacterial population to a wide range of C:N ratio (1.5:1 to 14:1) for simultaneous C & N removal（新型生物脱氮系统Methammox可在宽C:N比条件下实现同步脱氮除碳）

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Shaswati Saha, Rohan Gupta, Shradhanjali Sethi, Rima Biswas

发表时间：15 Aug 2022

DOI： 10.1007/s11783-022-1522-y

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https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s1178-022-1522-y

文章出版：Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(8): 101

原文信息

题目：

Enhancing the efficiency of nitrogen removing bacterial population to a wide range of C:N ratio (1.5:1 to 14:1) for simultaneous C & N removal

作者：

Shaswati Saha, Rohan Gupta, Shradhanjali Sethi, Rima Biswas ()

作者单位：

CSIR-Human Resource Development Centre (CSIR-HRDC), India

通讯作者邮箱：

ra_biswas@neeri.res.in

关键词：

Methanogens（产甲烷菌）

Biological Nitrogen Removal (BNR)（生物脱氮）

Simultaneous（同步的）

Methammox（甲烷厌氧氨氧化）

C:N ratio（碳氮比）

文章亮点

新型生物脱氮系统Methammox可在宽C:N比（1.5:1-14:1）范围内实现同步脱氮除碳；

在高C:N比条件下，脱氮微生物体系由混合营养型转变为异养型，产酸菌可补偿自养脱氮菌减少造成的损失；

在高C:N比条件下，产甲烷菌可增加脱氮细菌（NRB）的适应性。

文章简介

与传统硝化-反硝化工艺相比，基于厌氧氨氧化（anammox）的生物脱氮（BNR）工艺更有利于降低有机碳成本、曝气成本、污泥处理成本和温室气体排放。基于anammox的BNR过程所需C:N比为0.5或更低。因此，实现氮和COD的同步去除将进一步扩大BNR工艺的经济效益和能源效益。自养的厌氧氨氧化菌与异养微生物合作，成为同步脱氮除碳的可持续策略。而在反硝化菌与自养微生物（如硝化菌）的组合工艺中，如同步硝化-反硝化（SND）、同步厌氧氨氧化-反硝化（SAD）和同步亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化（SNAD），较高的C:N比会破坏反硝化菌和自养菌之间的协同作用。维持C:N比小于1.57对维持稳定的SAD过程至关重要，将C:N比从1.5增加到3.0可提高厌氧氨氧化系统的反硝化活性。据报道，将反硝化细菌与厌氧氨氧化菌的种群比例保持在0.3和0.4之间可有助于SAD工艺维持稳定的脱氮效果。在高C:N比下（>3.0），在亚硝酸盐的竞争中反硝化菌比厌氧氨氧化菌更有优势，且厌氧氨氧化菌活性可能受底物的抑制。研究表明，C:N比是基于厌氧氨氧化和反硝化实现C、N同步去除的瓶颈。

本研究建立了一个新型复合微生物系统——Methammox，全面分析了产甲烷菌和NRB在单个系统中的功能特性，在不同C:N比（1.5:1-14:1）条件下探索该工艺同步脱氮除碳的可行性。结果表明，在低C:N比（≤2:1）和高C:N比（≥9:1）条件下实现了稳定的COD和氨去除率（55%~60%）。产甲烷菌的种群丰度相当稳定，但随着C:N比从低到高转变，脱氮微生物系统从混合营养型转变为异养型。在高C:N比下，自养NRB（氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和厌氧氨氧化菌）的减少可被能进行异养反硝化的发酵菌群所补偿。因此，Methammox系统的功能可塑性能够耐受较宽的C:N比。

文章摘要图

编委点评

在废水处理系统中，同步脱氮除碳一直是研究热点。如何低成本、高效率地去除污水中的COD和氮已经成为实际工程应用中亟待解决的科学问题。本研究阐明了在宽 C:N比条件下，厌氧产甲烷菌与脱氮细菌（NRB）的功能及协作关系，能在Methammox系统中实现C、N的同步去除。结果表明，在较低（≤2:1）和较高（≥9:1）C:N 比的条件下，COD和氨均取得良好且稳定的去除效果。本研究成果进一步丰富了同步脱氮除碳的技术路线和工艺类型。

编者|金仁村

点评|金仁村

致 谢

金仁村，杭州师范大学教授，FESE青年编委。主要研究方向为水污染控制工程，中国微生物学会环境微生物学专委会委员、中国生态学学会微生物生态学专委会委员、浙江省环境科学学会常务理事，浙江省“杰出青年基金”获得者，浙江省“万人计划”青年拔尖人才、浙江省“中青年学科带头人”、浙江省“151人才”、杭州市“131人才”（重点资助层次），曾获2017年浙江省科技进步二等奖。以第一发明人身份获发明专利授权70余件（成果转化12件）；以第一或通讯作者身份在Environ. Sci. & Technol., Water Res., Environ. Int., Chem. Eng. J., Renew. Sust. Energ. Rev.等国内外学术刊物上发表论文190余篇，其中SCI收录160余篇，TOP期刊140余篇。2020年和2021年连续入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单。

摘要

High C:N ratio in the wastewater limits biological nitrogen removal (BNR), especially in anammox based technologies. The present study attempts to improve the COD tolerance of the BNR process by associating methanogens with nitrogen removing bacterial (NRB) populations. The new microbial system coined as ‘Methammox’, was investigated for simultaneous removal of COD (C) and ammonia (N) at C:N ratio 1.5:1 to 14:1. The ammonia removal rate (11.5 mg N/g VSS/d) and the COD removal rates (70.6 mg O/g VSS/d) of Methammox was close to that of the NRB (11.1 mg N/g VSS/d) and the methanogenic populations (77.9 mg O/g VSS/d), respectively. The activities established that these two populations existed simultaneously and independently in ‘Methammox’. Further studies in biofilm reactor fetched a balanced COD and ammonia removal (55%–60%) at a low C:N ratio (≤2:1) and high C:N ratio (≥9:1). The population abundance of methanogens was reasonably constant, but the nitrogen removal shifted from mixotrophy to heterotrophy as the C:N ratio shifted from low (C:N≤2:1) to high (C:N≥9:1). The reduced autotrophic NRB (ammonia- and nitrite-oxidizing bacteria and Anammox) population at a high C:N ratio was compensated by the fermentative group that could carry out denitrification heterotrophically. The functional plasticity of the Methammox system to adjust to a broad C:N ratio opens new frontiers in biological nitrogen removal of high COD containing wastewaters.

期刊简介

《前沿》系列英文学术期刊

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