FESE|袁志國(guó)院士：游離亞硝酸在可持續(xù)污水管理中的應(yīng)用新視角

論文標(biāo)題：New perspectives in free nitrous acid (FNA) uses for sustainable wastewater management（游離亞硝酸在可持續(xù)污水管理中的應(yīng)用新視角）

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

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

發(fā)表時(shí)間：30 Oct 2023

DOI： 10.1007/s11783-024-1786-5

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游離亞硝酸（Free Nitrous Acid, FNA）的生物殺滅/抑制效應(yīng)可應(yīng)用于城市污水系統(tǒng)的多個(gè)單元，以提升污水系統(tǒng)的綜合管理水平。然而，為了產(chǎn)生所需濃度的FNA，目前需要同時(shí)添加亞硝酸鹽和酸，從而導(dǎo)致化學(xué)成本的升高。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，袁志國(guó)院士及其團(tuán)隊(duì)基于對(duì)新型耐酸氨氧化菌（Ammonia-oxidizing bacteria， AOB）的最新研究，探討了直接從污水中產(chǎn)生FNA的可能性，通過(guò)實(shí)現(xiàn)自我維持的原位FNA積累，有望推動(dòng)下一代FNA技術(shù)的發(fā)展。

摘要圖

一、FNA的研究發(fā)展

FNA是亞硝酸鹽的質(zhì)子化形態(tài)（NO2-+H+↔ HNO2），具有較強(qiáng)的生物滅活/抑制特性。對(duì)FNA的關(guān)注和研究大致經(jīng)歷了3個(gè)階段（圖1）。早期關(guān)注FNA對(duì)污水處理系統(tǒng)的多種微生物功能活性構(gòu)成威脅，從而降低污水處理性能。隨后的研究逆向利用FNA的生物滅活/抑制特性來(lái)優(yōu)化污水綜合管理，包括減少污水管網(wǎng)腐蝕和惡臭問(wèn)題、有選擇地滅活亞硝酸鹽氧化菌（NOB）以實(shí)現(xiàn)短程亞硝化，以及提高污泥處理單元的減量化和能源恢復(fù)等。然而，為了達(dá)到所需的mg/L水平的FNA濃度，需要外加亞硝酸鹽和鹽酸，這也增加了化學(xué)成本。最近的研究發(fā)現(xiàn)，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，從而顯著提高了FNA濃度水平，這一發(fā)現(xiàn)提供了通過(guò)在酸性操作中運(yùn)行污水和污泥處理裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)原位FNA積累的可能性，為開(kāi)展下一代FNA技術(shù)提供了新的機(jī)遇。

圖1 過(guò)去20年關(guān)于FNA的研究歷程

二、耐酸AOB和原位FNA積累

AOB包含多個(gè)菌種，不同菌種對(duì)FNA的耐受性具有顯著差異。普通的AOB（如Nitrosomonas），在FNA濃度小于1 mg HNO2-N/L時(shí)，活性就會(huì)顯著受到抑制；而Nitrosoglobus則表現(xiàn)出極高的FNA耐受能力，在FNA濃度高達(dá)29.5 mg HNO2–N/L時(shí)生物活性?xún)H被抑制50%，同時(shí)，它還具有極強(qiáng)的耐酸性，能夠?qū)⑽鬯畃H降至2.2�；�于這些特性，耐酸AOB在優(yōu)化污水和污泥處理中具有應(yīng)用潛力。例如最近研究運(yùn)行了一個(gè)Nitrosoglobus為主導(dǎo)AOB菌種的酸性反應(yīng)器（pH 4.5-5.0），其原位FNA積累水平穩(wěn)定維持在3.0 ± 1.4 mg HNO2–N/L。該濃度FNA可完全抑制NOB活性，而保持高的耐酸性AOB活性，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的亞硝化過(guò)程（圖2左）。又如有研究利用Nitrosoglobus對(duì)厭氧消化污泥進(jìn)行好氧處理，驅(qū)動(dòng)氨氧化過(guò)程將污泥處理系統(tǒng)pH降低至4.8±0.2，伴隨FNA原位積累至8.5±1.8 mg HNO2–N/L。如此高的FNA水平可顯著減少污泥量，污泥pH將進(jìn)一步下降至2.0，使得有毒金屬?gòu)奈勰嘀形龀龆�得以去除（圖2右）。

圖2 耐酸AOB原位積累FNA在污水和污泥處理中的潛在應(yīng)用

三、發(fā)展展望

耐酸性新型AOB驅(qū)動(dòng)的原位FNA積累技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有廣泛的前景，有望為污水綜合管理帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)(圖3)。這不僅包括實(shí)現(xiàn)城市污水系統(tǒng)的短程硝化和污泥減量化，還可能直接應(yīng)用于高氨氮廢水（如尿液和垃圾滲濾液）的原位處理。此外，這種技術(shù)還有望應(yīng)用于微污染物去除、病毒滅活、膜系統(tǒng)清洗以及新型污水處理過(guò)程（如藻類(lèi)處理系統(tǒng)）中。在未來(lái)，對(duì)這些領(lǐng)域的深入研究和相應(yīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)都是值得探索的方向。

圖3 原位積累FNA在可持續(xù)污水管理中的廣泛應(yīng)用

袁志國(guó) 院士

香港城市大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院講座教授、杰出創(chuàng)科學(xué)人，澳大利亞技術(shù)與工程院院士、國(guó)際水協(xié)會(huì)杰出會(huì)士、澳大利亞桂冠學(xué)者，擔(dān)任Water Research X主編，入選科睿唯安高被引學(xué)者榜單，是三家生物技術(shù)企業(yè)的創(chuàng)始人。主要研究方向包括溫室氣體減排技術(shù)、下水道管理技術(shù)、污水污泥資源化技術(shù)、綜合城市水管理技術(shù)以及智能水務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。在Nature、Science、Nature Microbiology、Nature Communications、 ISME J、Environmental Science & Technology、Water Research和Energy & Environmental Science等刊物上發(fā)表SCI論文超過(guò)550篇，引用超過(guò)50000次，H-index為120（2023年12月）。研究成果曾獲得2015年澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院 Clunies Ross 獎(jiǎng)和 2014 年國(guó)際水協(xié)會(huì)全球項(xiàng)目創(chuàng)新獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

文稿 | 左志強(qiáng)，北京工業(yè)大學(xué)

編校 | 張 姣

審核 | 鄭 敏，新南威爾士大學(xué)，F(xiàn)ESE青年編委

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本文內(nèi)容來(lái)自FESE期刊2024年第18卷第2期發(fā)表的Perspectives文章 “New perspectives in free nitrous acid (FNA) uses for sustainable wastewater management”。通訊作者為香港城市大學(xué)袁志國(guó)院士和澳大利亞新南威爾士大學(xué)鄭敏副教授。

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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