来源：中国给水排水
研究亮点
1.单个反应器中集成PN/ANAMMOX/ DAMO（简称PNAM工艺）实现测流污水氮的高效去除；
2.成功在单个系统耦合好氧氨氧化细菌，厌氧氨氧化菌，n-DAMO细菌及n-DAMO古菌；
3.在1.5kg N/m3/d的高氮负荷下，平均总氮去除率达到了98%，出水总氮低于10mg N/L；
4.PNAM工艺具有低氧化亚氮（N2O）排放优势（排放系数仅为0.34％±0.01％）。
研究背景
2013年，昆士兰大学水管理高级研究中心（AWMC）联合澳大利亚生态基因组学研究中心（ACE）团队在Nature期刊上发表论文，首次揭示了厌氧甲烷氧化古菌的代谢机理。在随后的十五年间，从微生物代谢机理到污水生物脱氮的实际应用，AWMC在国际顶级期刊上发表多篇重要报道，其中包括一篇TheISME Journal，15篇Water Research和EnvironmentalScience & Technology。近期，团队首次成功将三种厌氧微生物（厌氧甲烷氧化细菌，厌氧甲烷氧化古菌和厌氧氨氧化细菌）和好氧微生物（好氧氨氧化细菌）成功耦合在一个生物膜反应器中，从而实现测流一段式完全脱氮。在进水氨氮浓度1000mg N/L的情况下，出水总氮在10 mg N/L左右。此研究历时两年时间，大致可以分为两个阶段：两段式完全脱氮和一段式完全脱氮。
研究介绍
1. 两段式完全脱氮
首先，研究人员在中空纤维膜反应器（MBfR）中接种了富集的厌氧甲烷氧化古菌（n-DAMO archaea）以及厌氧氨氧化细菌（anammox bacteria）。反应器在严格厌氧条件下运行，被用来处理模拟废水（短程硝化后的厌氧消化液）。在前180天，进水氨氮和亚硝态氮分别为500 mg N/L和530 mg N/L，而出水中亚硝态氮和硝态氮低于5 mg N/L，出水氨氮约为100 mgN/L。为了进一步降低出水氨氮的浓度，研究人员将进水氨氮和亚硝态氮的比例进行了调整（进水氨氮降为430 mgN/L，而亚硝态氮提高为600 mg N/L）。在接下来的180-400天，反应器脱氮效果进一步提高，总氮维持在10 mg N/L以下，去除率达到了99%。
Figure 1. 两段式完全脱氮效果：进出水三氮浓度（A）氮去除速率和去除效率（B）三种功能微生物的脱氮速率（C）
2. 一段式完全脱氮
在稳定实现两段式完全脱氮之后，研究人员在第420天左右向反应器中接种了富集的AOB种泥，与此同时进水改为未经短程硝化的厌氧消化液（仅含有氨氮1000mg N/L）。通过严格控制氧气传质速率，将反应器溶解氧浓度稳定维持在0.05-0.1 mg/L之间。在此条件下，AOB成功将部分氨氮转化为亚硝态氮，而转化生成的部分亚硝态氮与剩余氨氮被厌氧甲烷氧化细菌代谢去除。与此同时，在厌氧氨氧化过程中产生的硝态氮则被厌氧甲烷氧化古菌所去除。通过不同微生物间的协同工作，在进水1000mg N/L氨氮的情况下，出水总氮仅为10 mg N/L左右，成功实现了一段式完全脱氮。
Figure 2. 一段式完全脱氮效果：进出水三氮浓度（A）氨氮和总氮去除速率及效率（B）溶解氧浓度和曝气量
3. 微生物群落变化微生物种群结构
为了进一步确定功能微生物在反应器是否得到成功耦合富集，该研究对采集的生物膜样本进行了16SrRNA基因高通量测序。研究发现，在通过400天左右两段式完全脱氮运行，反应器内anammox，n-DAMO细菌和n-DAMO古菌三种功能微生物在生物膜当中占主要地位。而在低氧浓度下运行300天之后，好氧氨氧化细菌AOB成功与厌氧微生物耦合在一个生物膜当中。与此同时，通过严格控制溶解氧浓度，好氧亚硝酸盐氧化细菌NOB和好氧甲烷氧化细菌得到了成功抑制，丰度均在0.1%以下。
Figure 3. 微生物群落变化：两段式阶段（A）一段式阶段（B）
4. 氧化亚氮（N2O）释放
该研究中同时检测了脱氮过程中产生的N2O。研究人员发现，在两段式期间，并不能检测出N2O的释放。这与三种厌氧微生物的代谢途径吻合。而在一段式脱氮期间，N2O的释放因子大约为0.34%，在脱氮相关工艺当中处于较低的水平。这个现象可能与反应器当中较低的亚硝浓度（<1mgN/L）有关。
Figure 4. 一段式阶段N2O释放
5. 物料平衡
为了进一步证明多种好氧微生物和厌氧微生物在生物膜中的协同工作，研究人员进行了一系列的短期序批试验。在A组实验中，没有提供任何甲烷气体，DO控制在0.2 mg/L，证明了AOB和Anammox细菌的协同工作。在B组实验中， 仅提供DO和亚硝态氮，在一个小时内，仅有10%左右的亚硝态氮转化为硝态氮，进一步佐证了反应器内NOB的活性较低。在C组实验中，在未提供任何甲烷和氧气气体的条件下，反应器氨氮、亚硝态氮以1：1.3左右的比例同时被去除，并且生成了10%左右的硝态氮，证明了Anammox细菌的存在。在D组和E组实验中，研究人员观测到甲烷，亚硝态氮和硝态氮的同步去除，并且去除比例符合n-DAMO细菌和n-DAMO古菌的反应计量学。在最后一组实验F中，DO控制在0.2 mg/L，相比实验组A，研究人员发现氨氮被去除的同时，并没有硝态氮的生成，同时甲烷浓度逐渐下降，进一步证明甲烷的存在是硝酸盐去除的主要原因。
Figure 5. 不同条件下的短期批次试验: (A) NH4++O2;(B) NO2-+O2;(C) NH4++NO2-;(D) CH4+NO2-;(E) CH4+NO3-;(F) CH4+NH4++O2.
6. 微生物生态模型
基于以上结果，研究人员提出了一个微生物生态模型，其中耦合了五种不同功能微生物的协同与竞争。由于氨氮和氧气来源于液体，所以好氧微生（AOB,NOB）主要生长在生物膜的外侧。好氧微生物转化部分氨氮为亚硝态氮，并且消耗氧气，从而保护内部厌氧微生物不受氧气的抑制。由于甲烷的供给来自于中空纤维膜，因此厌氧甲烷氧化细菌和古菌生长在生物膜的内部，便于利用甲烷，通过和厌氧氨氧化细菌的协同工作，实现了接近100%的脱氮效果。
Figure 6. 微生物生态概念模型
研究总结与展望
1. 成功开发了一种新型污水生物脱氮技术-PNAM(Partial Nitritation (PN), Anammox andMethane-dependent nitrite/nitrate reduction reactions)
2.首次成功将厌氧甲烷氧化细菌和古菌与好氧微生物耦合在一个生物膜当中，实现了一段式完全脱氮
3. N2O释放因子约为0.34%在现有生物脱氮工艺中处于较低水平
4. 微生物群落分析和批次试验证明了功能微生物（AOB, anammox,n-DAMO 细菌和n-DAMO古菌）的协同工作
5. PNAM系统成功耦合了多种氮循环和甲烷循环微生物，可作为一个理想的环境微生物生态系统对微生物的互作和竞争进行深入研究。
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135419308310
Liu, Tao; Hu, Shihu; Yuan, Zhiguo; Guo, Jianhua*, High-levelnitrogen removal by simultaneous partial nitritation, anammox andnitrite/nitrate-dependent anaerobic methane oxidation. Water Research 2019,166, 115057.
