由于农业施肥的不合理使用和生活污水、工业污水、养殖污水、农田径流的直接排放，大量氮、磷等营养物质被排入自然水体，对水生生态系统的结构和功能构成严重威胁。目前，污水处理厂被认为在控制污染和改善水质方面起着举足轻重的作用。然而，经过生物处理后的污水处理厂废液中仍有约10-15 mgL−1的氮残留，如果不经任何深度处理直接排放，可能导致富营养化。因此，迫切需要有效的污水处理厂废液深度脱氮技术。本文以新型生物高分子3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物（PHBV）和PHBV-锯末共混合体为载体，构建了固相反硝化系统，通过中试试验对污水处理厂（WWTPs）废液进行深度脱氮，并通过宏基因组测序分析共混物碳源对微生物群落结构、功能和代谢途径的影响。与PHBV系统相比，PHBV-锯末共混物系统的反硝化处理效果更优：NO3−-N去除率更高（96.58%）、DOC释放量（9.00±4.16 mgL−1）和NH4+-N积累量（0.37±0.32 mgL−1）更低。宏基因组分析证实了两个系统间微生物群落结构存在显著差异，并发现了四种厌氧氨氧化菌的存在。与PHBV系统相比，PHBV-锯末共混物系统的利用降低了产NH4+-N相关酶编码基因的相对丰度，增加了参与厌氧氨氧化相关酶编码基因的相对丰度，这有助于降低废液中的NH4+-N的含量。另外，在PHBV-锯末共混物系统中，产生电子的糖酵解代谢过程的酶编码基因的相对丰度更高。在PHBV-锯末共混物系统中，多种木质纤维素酶编码基因显著富集，保证了该系统的稳定供碳和连续运行。本研究结果有望为固相反硝化技术的推广提供理论依据和数据支持。
论文ID
原名：Metagenomic analyses of microbial structure and metabolic pathway in solid-phase denitrification systems for advanced nitrogen removal of waste water treatment plant effluent: Apilot-scale study
译名：固相反硝化系统中微生物结构及代谢途径的宏基因组分析：基于污水处理厂废水深度脱氮的中试研究
期刊：Water Research
IF：9.130
发表时间：2021.3.17
通讯作者：吴为中
通讯作者单位：北京大学环境科学与工程学院环境科学系
实验设计
本研究在宁波南区污水处理厂，以PHBV和PHBV-锯末共混合物为生物膜载体和碳源，构建固相反硝化系统。具体构建方法为：PHBV和PHBV-锯末共混合体分别与8-10 mm的陶粒以3:7的体积比混合均匀，将混合后的基质填充于高100 cm的多孔支撑盘上，以此建立了两个直径20 cm、高140 cm的圆柱形聚氯乙烯固相反硝化系统。该系统启动阶段，将污水处理厂废液与二沉池活性污泥混合后，以1:1的体积比进入固相反硝化系统，进行生物膜培养。之后每天对固相反硝化系统的水质进行分析，5天后，废液中的NH4+-N和NO3−-N浓度分别低于1.0和2.0 mgL−1时，标志着固相反硝化系统正式启动。该系统共计连续运行150天，1-76天固相脱氮系统的水力停留时间（HRT）为3h，77-150天将HRT降至1.5h，以评估脱氮性能的持久性。测得污水处理厂废液的溶解氧（DO）和pH值分别为4.1-8.0 mgL−1和5.68-6.95。
每两天采集一次进水和出水水样。通过0.45μm醋酸纤维素膜过滤后，分别对水样中的NH4+-N、NO3−-N、NO2−-N、溶解有机碳（DOC）等水质指标进行分析。
在系统稳定运行150天时，分别从PHBV和PHBV-锯末共混物系统中的5个采样点采集生物膜样品，每个采样点取2g均匀混合成一个样本，分别命名为P和PS。每个样本有三个生物学重复。提取相应样品的DNA进行宏基因组测序及分析，以进行微生物群落结构和代谢途径的研究。
结论
以PHBV-锯末共混物为载体的中试规模的固相脱氮系统成功地实现了污水处理厂废液的深度脱氮，其负面影响小于PHBV系统。宏基因组分析表明，在PHBV-锯末共混物系统中，调节NH4+-N产生的编码基因丰度相对减少，而调节厌氧氨氧化作用的编码基因丰度相对增加，最终导致系统出水中NH4+-N积累减少。与PHBV相比，PHBV-锯末共混物系统中GAPDH（EC 1.2.1.59）编码基因的相对亲和力显著提高，促进了微生物的反硝化作用。PHBV-锯末共混物系统中木质纤维素酶编码基因的显著富集表明木质纤维素酶的降解更为活跃，从而保证了碳源的持久供应和固相反硝化系统的稳定运行。本研究首次以PHBV-锯末共混物为载体构建固体反硝化系统，通过中试试验对污水处理厂废液进行深度脱氮，并对该系统中微生物代谢机理进行了研究，为天然生物材料的高效利用以及生物共混合碳源对氮代谢的影响提供了新的思路。
