主流自养脱氮的可行性？低温低浓度条件下好氧颗粒污泥的短程硝化动力学和微生物特征研究
目前很多关于实现短程硝化和厌氧氨氧化的脱氮技术研究大多集中在一段式反应系统，例如CANON工艺（完全自养硝化反硝化- Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite)、OLAND工艺(低氧自养硝化反硝化-Oxygen-Limited Autotrophic Nitrification/Denitrification）等。但是这些系统在低温和低浓度进水的情况下，亚硝化反应在长期运行后都以失败告终。原因多为亚硝酸盐氧化菌（Nitrite Oxidizing Bacteria, NOB）的作用导致硝酸盐积累以及后续厌氧氨氧化工艺受到抑制。尽管有研究团队的结果显示，人工合成污水在单阶系统中能在10℃的条件下稳定运行，但是其氨氮转化率只有0.015g N/L/day。
两段式系统似乎是能解决以上问题的替代方案。西班牙巴塞罗那自治大学（Universitat Autònoma de Barcelona- UAB）的GENOCOV团队的研究显示使用颗粒污泥反应器能够在12.5℃的条件下实现稳定的半硝化反应(partial nitritation)，而荷兰代尔夫特理工大学的研究团队也曾在2014年发表文章报道厌氧氨氧化反应器能在10℃-20℃的温度间实现长期运行。两个团队的实验均使用低浓度污水，展示了实现主流自养脱氮的可行性。
事实上，无论是一段式还是两段式工艺，要实现成功的主流自养脱氮，关键都在于能否让半硝化反应长期稳定地进行。之前的一些研究结果显示，跟NOB菌相比，氨氧化菌AOB对温度更敏感，对此有很多研究通过不同的方案来支持AOB菌的富集。巴塞罗那自治大学GENOCOV研究团队希望展示好氧颗粒污泥反应器应对低温低浓度污水进行半硝化反应的长期稳定性，具体包括了三个方面的目标：
1.通过分析颗粒污泥反应器中的硝化生物质来深化对工艺的理解；
2.从微生物学和动力学的角度来鉴定在低温条件下的种群组成；
3.对生物质的特征和颗粒污泥反应器在低温下的硝化能力进行相关性分析。
实验设计的反应器和监控系统的设置如下。DO为溶解氧，TAN为总氨氮。
反应器的总体积为5.2升，下部反应导管和上部分离器部分的直径比为0.36，而反应器总长度和下部反应导管直径之比为16。DO值维持在0.5-2.5 mg O2/L。pH则维持在8.0 ± 0.1的水平，以此排除pH的变化对反应的影响。因为之前的研究结果显示，pH值介于7.5-8时对亚硝化作用影响减弱，所以反应pH值选择了8，温度则控制在10℃。另外，团队也对反应系统的动力学进行研究，以计算其AOB菌的生长速率。另外他们使用荧光原位杂交(FISH)和焦磷酸测序(Pyrosequencing)对反应系统的微生物进行分析鉴定。
下图展示了实验中好氧颗粒污泥气提式反应器连续运行250天的结果。其中图A为生物质浓度和颗粒尺寸；B为氮负荷率(NLR)和氨氮氧化速率(AOR)；图C为特定氮负荷率(specific nitrogen loading rate, sNLR)、特定氨氮氧化速率(specific ammonium oxidation rate, sAOR)和溶解氧浓度(DO)；D为各种含氮物在反应过程中的转变情况。
在第233天进行的荧光原位杂交(FISH)分析显示，92%的细菌为是AOB菌，NOB菌的量小于1±1%（尤其是Nitrobacter种群）。接种污泥的AOB含量为81± 12%，Nitrobacter种群则为1±1%，这说明尽管NOB菌一直存在反应器的生物质里，但AOB菌能在长期低温的环境下得到富集，而NOB菌则受到了有效的抑制。
另一方面，Nitrosospira spp. (属于AOB菌) 和 Nitrospira spp. (属于NOB菌) 都未被检测出。这与实验的假设是吻合的，因为它们一般被认作“k-对策者(k-strategist)”。根据生态学里的生态对策的定义，属于此种类型的物种“一般个体较大，寿命较长，繁殖力较小，死亡率较低，食性较为专一，活动能力较弱，其种群水平一般变幅不大，当种群数量一旦下降至平衡水平以下时，在短期内不易迅速恢复”。另外它们也不适合在这个实验设置的高氨氮浓度环境下生存。
而焦磷酸测序的结果则显示，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)是最主要的纲类。这跟预期是吻合的，毕竟β-变形菌纲(Betaproteobacteria)包含了许多自养硝化微生物，包括了AOB和NOB，甚至还有反硝化菌和其他能分解有机物的细菌。在第98天的样本里，Alphaproteobacteria为第二大纲，占了23%。但是在第233天的样本里，Alphaproteobacteria却下降到只占4%，Cytophagia则成为第二大纲（15%），而β-变形菌纲则升到68%。
在属(genus)的层面，亚硝化单胞菌（Nitrosomonas)是占主导的属，其是污水处理系统里最常见的AOB菌属。这跟动力学的实验结果是吻合的，例如生物群落的高生长速率，这是因为Nitrosomonas是“r-对策者（r-strategiest）'。但与FISH测试不同，焦磷酸测序检测出了Nitrosospira spp., ，并占了7%。研究团队解释说这是由于两种检测的原理有所不同导致的差别。而第233天的样本里Nitrosospira的含量降至不到0.5%。研究团队认为这显示此气提式反应器在长期运行过程中将Nitrosospira赶走了，同时反过来说明第98天的样本的Nitrosospira其实已经不活跃了，这也是解释了为什么FISH并没有把它检测出来。
除了发现AOB菌的富集外，从焦磷酸测序里，研究团队还获取了三点重要信息：
1.细菌种群的多样性随着时间的推移而减少（如下表所示）。
2.尽管进水没有有机碳源，样本还是存在了数量可观的异养细菌
3. 生物中群里存在耐寒微生物（psychrotolerant microorganisms)
在缺少有机碳源的环境下，硝化菌和异养菌依然可以共生。硝化菌能从衰败的微生物中生成有机物，而异养菌能从中进行新生代谢。曾有研究表明生物膜反应器中异养菌的存在与水力停留时间（HRT）是相互关联的，当HRT在2.5 ± 0.3 h时，可以保证硝化菌能产生足够的可溶性微生物代谢产物供异养菌生长。从生态学角度讲，这种协同机制对双方都是有利的。另外，研究团队通过防冻性的胞外聚合物确认了耐寒微生物的存在，这反过来提高了整个系统的抗冻能力，使得AOB菌能够存活并富集。
研究团队认为在一定条件下亚硝化菌能够适应低温低浓度的长期运行。对此他们给出了两个推测理由：
第一，AOB菌的新陈代谢在长期运行中得以调整，提高了在这样恶劣环境的亚硝化能力。
第二，颗粒污泥的形态促使了耐寒微生物的生长，为AOB菌提供更好的适应能力。
参考资料
Clara Reinoa, María Eugenia Suárez-Ojedaa, Julio Péreza, Julián Carreraa, Kinetic and microbiological characterization of aerobic granules performing partial nitritation of a low-strength wastewater at 10 ℃, Water Research 101 (2016), 147-156.