来源:Frontiers of Environmental Science & Engineering 发布时间:2024/1/5 11:24:44
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FESE|袁志国院士:游离亚硝酸在可持续污水管理中的应用新视角

论文标题:New perspectives in free nitrous acid (FNA) uses for sustainable wastewater management(游离亚硝酸在可持续污水管理中的应用新视角)

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者:Zhiqiang Zuo, Min Zheng, Tao Liu, Yongzhen Peng, Zhiguo Yuan

发表时间:30 Oct 2023

DOI: 10.1007/s11783-024-1786-5

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游离亚硝酸(Free Nitrous Acid, FNA)的生物杀灭/抑制效应可应用于城市污水系统的多个单元,以提升污水系统的综合管理水平。然而,为了产生所需浓度的FNA,目前需要同时添加亚硝酸盐和酸,从而导致化学成本的升高。为了应对这一挑战,袁志国院士及其团队基于对新型耐酸氨氧化菌(Ammonia-oxidizing bacteria, AOB)的最新研究,探讨了直接从污水中产生FNA的可能性,通过实现自我维持的原位FNA积累,有望推动下一代FNA技术的发展。

摘要图

一、FNA的研究发展

FNA是亚硝酸盐的质子化形态(NO2-+H+↔ HNO2),具有较强的生物灭活/抑制特性。对FNA的关注和研究大致经历了3个阶段(图1)。早期关注FNA对污水处理系统的多种微生物功能活性构成威胁,从而降低污水处理性能随后的研究逆向利用FNA的生物灭活/抑制特性来优化污水综合管理,包括减少污水管网腐蚀和恶臭问题、有选择地灭活亚硝酸盐氧化菌(NOB)以实现短程亚硝化,以及提高污泥处理单元的减量化和能源恢复等。然而,为了达到所需的mg/L水平的FNA浓度,需要外加亚硝酸盐和盐酸,这也增加了化学成本。最近的研究发现,具有耐酸特性的新型耐酸AOB可以自行降低污水pH值至5以下,从而显著提高了FNA浓度水平,这一发现提供了通过在酸性操作中运行污水和污泥处理装置来实现原位FNA积累的可能性,为开展下一代FNA技术提供了新的机遇。

图1 过去20年关于FNA的研究历程

二、耐酸AOB和原位FNA积累

AOB包含多个菌种,不同菌种对FNA的耐受性具有显著差异。普通的AOB(如Nitrosomonas),在FNA浓度小于1 mg HNO2-N/L时,活性就会显著受到抑制;而Nitrosoglobus则表现出极高的FNA耐受能力,在FNA浓度高达29.5 mg HNO2N/L时生物活性仅被抑制50%,同时,它还具有极强的耐酸性,能够将污水pH降至2.2。基于这些特性,耐酸AOB在优化污水和污泥处理中具有应用潜力。例如最近研究运行了一个Nitrosoglobus为主导AOB菌种的酸性反应器(pH 4.5-5.0),其原位FNA积累水平稳定维持在3.0 ± 1.4 mg HNO2N/L。该浓度FNA可完全抑制NOB活性,而保持高的耐酸性AOB活性,从而实现长期的亚硝化过程(图2左)。又如有研究利用Nitrosoglobus对厌氧消化污泥进行好氧处理,驱动氨氧化过程将污泥处理系统pH降低至4.8±0.2,伴随FNA原位积累至8.5±1.8 mg HNO2N/L。如此高的FNA水平可显著减少污泥量,污泥pH将进一步下降至2.0,使得有毒金属从污泥中析出而得以去除(图2右)。

图2 耐酸AOB原位积累FNA在污水和污泥处理中的潜在应用

三、发展展望

耐酸性新型AOB驱动的原位FNA积累技术的开发具有广泛的前景,有望为污水综合管理带来诸多优势(图3)。这不仅包括实现城市污水系统的短程硝化和污泥减量化,还可能直接应用于高氨氮废水(如尿液和垃圾渗滤液)的原位处理。此外,这种技术还有望应用于微污染物去除、病毒灭活、膜系统清洗以及新型污水处理过程(如藻类处理系统)中。在未来,对这些领域的深入研究和相应技术的开发都是值得探索的方向。

图3 原位积累FNA在可持续污水管理中的广泛应用

袁志国 院士

香港城市大学能源与环境学院讲座教授、杰出创科学人,澳大利亚技术与工程院院士、国际水协会杰出会士、澳大利亚桂冠学者,担任Water Research X主编,入选科睿唯安高被引学者榜单,是三家生物技术企业的创始人。主要研究方向包括温室气体减排技术、下水道管理技术、污水污泥资源化技术、综合城市水管理技术以及智能水务系统开发。在Nature、Science、Nature Microbiology、Nature Communications、 ISME J、Environmental Science & Technology、Water Research和Energy & Environmental Science等刊物上发表SCI论文超过550篇,引用超过50000次,H-index为120(2023年12月)。研究成果曾获得2015年澳大利亚技术科学与工程院 Clunies Ross 奖和 2014 年国际水协会全球项目创新奖等多个奖项。

文稿 | 左志强,北京工业大学

编校 | 张 姣

审核 | 郑 敏,新南威尔士大学,FESE青年编委

阅读原文请点击“New perspectives in free nitrous acid (FNA) uses for sustainable wastewater management”

本文内容来自FESE期刊2024年第18卷第2期发表的Perspectives文章 “New perspectives in free nitrous acid (FNA) uses for sustainable wastewater management”。通讯作者为香港城市大学袁志国院士和澳大利亚新南威尔士大学郑敏副教授。

引用格式:Zhiqiang Zuo, Min Zheng, Tao Liu, Yongzhen Peng, Zhiguo Yuan. New perspectives in free nitrous acid (FNA) uses for sustainable wastewater management. Front. Environ. Sci. Eng., 2024, 18(2): 26

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