澳大利亚昆士兰科技大学刘洋课题组CEJ：增强垃圾渗滤液中生物溶解有机氮的去除——醋酸钠共代谢的作用

1. 反应器运行性能

反应器运行包括两个阶段。在进水NH ₄ ⁺ -N浓度为300至450 mg/L，DON浓度为50-100 mg/L的情况下，两个阶段的NH ₄ ⁺ -N去除效率均稳定在>99%。在投加COD的阶段I中，TIN去除效率为 94%，同时DON去除率约为45%。而在未投加COD的阶段II中，TIN去除效率大幅降低至约10%，DON的去除效率减少为-22%。相应的，阶段II中的凯式氮（TKN）以及总可溶性氮（TDN）去除效率明显低于阶段I。然而，阶段I中渗滤液COD去除率较阶段II中去除率略低。

图1 颗粒污泥反应器在有（阶段I）或无（阶段II）额外投加COD的情况下的运行性能。（a：进出水氨氮、亚硝氮和硝氮浓度；b：氨氮和无机氮去除效率；c：进出水可溶性有机氮浓度及其去除效率；d：进出水凯式氮浓度及其去除效率；e：进出水总可溶性氮浓度及其去除效率；f：进出水有机碳浓度及其去除效率）

2. 颗粒污泥沉降性能

阶段I中的生物质浓度较高，稳定在20-25 g/L。在阶段II中，生物质浓度逐渐减少，稳定在13 g/L左右。生物质浓度的降低可能是由于异养菌的流失和细胞死亡，这归因于缺乏足够的可生物降解COD来支持异养菌的生长。阶段I中的污泥体积指数（SVI ₃₀ ）较低，维持在5 mL/g。然而，在阶段II时，SVI ₅ 和SVI ₃₀ 分别逐渐增加至30和20 mL/g。污泥沉降性能的下降可能与缺乏COD后异养菌的减少以及胞外聚合物（EPS）的减少有关。

图2 两个阶段的污泥浓度以及颗粒污泥沉降性能

3.可溶性有机氮的转化

大多数检测到的DON属于木质素和富羧基脂环分子（CRAM）类，占总量的67-74%。在阶段I中，投加COD使DON种类略微减少，并有效去除了大多数含硫DON（CHONS）。而在未投加醋酸钠的阶段II中，DON分子式种类从160个增加到200个，增加的种类主要为蛋白质/氨基糖、木质素和CRAM类。在没有易生物降解碳源的情况下，生成了新的CHONS分子。然而有些有机化合物难以完全被颗粒污泥降解。

图3 两个阶段样品中检测到的可溶性有机氮（DON）的类别。（a：进水；b：阶段I（有COD补充）的出水样品；c：阶段II（无COD补充）的出水样品；d：韦恩图展示了阶段I和II中进水与出水间共享和特有的DON分子数量；e和f：阶段I和阶段II GSR处理中DON化合物的生成、持续和去除情况。

3.功能基因分析

阶段I中反硝化基因（ nirKS 、 norBC 、 nosZ ）的相对丰度更高，而阶段II中氨氧化基因和亚硝酸盐氧化基因（如 amoABC 、 hao 、 nxrAB ）较高。在含氮有机物降解过程中，蛋白酶相对丰度最高，脱羧酶次之，表明脱羧是主要的氨基酸降解途径。阶段I和II的蛋白酶丰度相似，但阶段I的脱氨酶更高，表明其有更强的含氮有机物降解能力。

图4 阶段I和阶段II中a：氮氧化和还原及b：有机物降解相关的功能基因相对丰度。

4.可溶性有机氮的降解机制分析

文献表明，在好氧条件下，DON通过水解反应生成氨，随后被用于硝化和反硝化；缺氧/厌氧条件下，DON主要通过水解分解成较小分子，如氨基酸，并发酵脱氨。本研究发现，有机氮的去除主要发生于缺氧阶段。阶段I中COD的添加上调了脱羧酶和脱氨酶等功能基因的表达，促使DON减少，特别是含硫DON分子。阶段II中，缺氧条件下的DON生成则可能因发酵反应不足，导致DON生成量超过去除量。因此，添加易生物降解的COD能通过促进共代谢，帮助分解蛋白质/氨基酸/糖和类脂CHONS，降低出水DON浓度。未来研究应探讨不同碳源对DON去除的效果，以优化大规模应用。

本研究探究了颗粒污泥反应器中COD投加对渗滤液中有机氮去除的影响，并揭示了其潜在机制。主要结论包括：

1. 在垃圾填埋场渗滤液脱氮的过程中，COD（醋酸钠）的投加显著提高了总无机氮（TIN）和可溶性有机氮（DON）的去除效率。TIN和DON的去除效率分别达到了94%和45%。

2. 本研究提出，COD的投加能够激发共代谢过程，从而增加难降解有机物的去除。这一过程可能通过刺激针对含氮和含硫化合物（CHONS）降解的胞外酶和次级代谢产物的分泌来实现。

3. COD的投加促进了氨基酸降解和有机物中氮释放相关酶（脱羧酶和脱氨酶）对应的基因表达，进而促进了有机氮的去除。

4. 此外，COD的投加还改善了污泥的沉降性能，这对于实现高效污水处理至关重要。