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IBB: 张永明教授团队利用豆制品加工废水作为电子供体实现反硝化
2024年1月26日国际期刊International Biodeterioration & Biodegradation (IBB)在线发表了上海师范大学环境工程系张永明教授团队的最新研究成果：Soybean-processing wastewater as an electron donor for denitrification (豆制品加工废水作为电子供体的反硝化)。豆制品加工废水中含有较高的有机氮浓度，通常人们不会利用其作为反硝化的电子供体，主要是担心用其进行反硝化后，出水中的总氮浓度不降反升。论文详细介绍了该团队是如何利用豆制品加工废水作为电子供体实现反硝化的，并探讨了相关机理。International Biodeterioration & Biodegradation是环境科学与生态学领域的国际知名期刊，目前WOS分区等级为1区。
Highlights:
● Soybean-process wastewater (SPW) was the electron donor for denitrification.
●Alternating denitrification and nitrification achieved nearly complete TN removal.
● Amino acids in SPW also supply sufficient electron donor to drive denitrification.
● Dechloromonas and Brooklawnia likely utilized soluble COD for denitrification.
●Paludibacter and Christehsenellaceaue likely utilized solid COD for denitrification.
摘要·看点
污水脱氮是当今污水处理领域中的重点和难点。其中，反硝化反应是脱氮的关键。目前大多数污水处理厂都是通过额外添加有机碳源以应对日益严苛的污水排放标准。这无疑增加了污水处理成本。另一方面，豆制品加工废水中含有大量的有机碳源却没有得到有效利用。在本项研究中，张永明教授团队通过反硝化+硝化的两轮交替，可以使出水总氮浓度小于5 mgN/L以下。本研究的意义在于为利用豆制品加工废水提供电子供体实现深度脱氮提供了理论和实验依据。因为以往豆制品加工废水几乎都是当作一般的废水进行生物处理，这既需要消耗大量的能量，还浪费了蕴藏于该废水中宝贵的电子供体。该研究结果对于“双碳战略”的实施具有重要的理论和现实意义。
特点·原理
本论文的研究过程中，采用豆浆来模拟豆制品加工废水。通过反硝化和硝化的交替进行，针对初始浓度为30 mgN/L硝酸盐氮浓度的废水按照C/N比为5的浓度，加入豆制品废水作为电子供体进行反硝化。在随后的硝化过程中，将反硝化过程中释放的氨氮进行氧化，第一轮反硝化/硝化结束后，总氮浓度降低至6 mgN/L左右。随后再进行第二轮的反硝化/硝化，经过两轮反硝化/硝化，最终出水中的总氮浓度小于5 mgN/L。总氮去除过程如图1所示。
图1. 两轮反硝化/硝化过程中总氮的去除规律。
在研究中发现，豆制品加工废水中同时包含溶解性和固体有机碳源。这两种有机碳源在提供电子供体进行反硝化时，其反硝化速率有较大的差别。当溶解性有机碳源作为电子供体驱动反硝化时，其速率比固体有机碳源要快55%。这是因为固体有机碳源作为电子供体时，需要先经过微生物降解后再释放出电子供体。
图2. 分别用溶解性和固体有机碳源进行反硝化时的比较。
进一步的研究发现，通过对废水中氨基酸的氮平衡计算，发现豆制品加工废水在作为电子供体时，所释放的氨氮几乎全部来自于水中的氨基酸。再经过对氨基酸的理论分析，发现氨基酸本身也具有足够的电子供体，除满足自身总氮的还原之外，还有足够的电子供体供外源硝酸盐的还原。本论文中以谷氨酸(Glutamate)和赖氨酸(Lysine)为例进行了计算，结果如图3所示。从图中可以看出，理论上谷氨酸和赖氨酸中可以提供其自身72%和64%的电子供体还原外源的硝酸盐氮，而仅利用自身的28%和36%的电子供体就可以还原其内源的硝酸盐氮。根据理论计算和实验结果，豆制品完全可以作为有机碳源为反硝化提供电子供体。该项研究成果开辟了一条废水资源化的新途径。
图3. 豆制品中氨基酸的在反硝化过程中降解和提供电子供体的规律。
综上所述，豆制品加工废水(以豆浆模拟)作为电子供体进行反硝化的机理如图4所示。从图中可以看出，经过反硝化和硝化的交替，利用豆制品中的电子供体可以很好地实现总氮的去除。
图4. 豆制品加工废水作为电子供体进行反硝化时的作用及机理
-HAPPY NEW YEAR-
新年快乐
本论文得到国家自然科学基金(52300058)的资助。上海师范大学环境科学与工程专业2021级博士研究生马悦和2020级博士研究生谭冲同学为论文共同第一作者，张永明教授和李默博士为共同通讯作者，合作者包括国际著名环境工程专家，斯德哥尔摩水奖获得者，美国工程院院士Bruce E. Rittmann教授。
