Влияние микроаэрации мешания на удаление азота в анаммокс-реакторе

Более эффективная очистка сточных вод

Современные фабрики и города производят сточные воды, насыщенные азотом и органическими загрязнителями, которые могут повреждать реки, озёра и прибрежные воды. Очистка такой воды дорого обходится, особенно потому, что традиционные методы требуют большого количества воздуха и добавляемых химикатов. В этом исследовании рассматривается более современный, энергосберегающий процесс — анаммокс — и ставится практический вопрос: можно ли добавлением лишь небольшого объёма воздуха в нижнюю часть анаммокс-танка улучшить очистку воды, не погубив при этом чувствительные к кислороду микробы, управляющие процессом?

Новый путь удаления азота

Анаммокс, сокращение от анаэробного окисления аммония, — это биологическая «короткая дорога» для удаления азота. Вместо обычного многоступенчатого процесса, требующего больших воздуходувок и дополнительных углеродистых реагентов, бактерии анаммокс напрямую превращают аммоний и нитрит в безвредный азотный газ в бескислородных условиях. Это делает их привлекательными для очистки промышленных сточных вод, например от соевого или фруктозного производства, где уровни азота высоки и важна экономия энергии. Однако в реальных сточных водах также содержатся органические вещества, измеряемые как химическое потребление кислорода (ХПК), которые могут поддерживать более быстрорастущие микробы, конкурирующие с анаммокс-бактериями и ослабляющие удаление азота.

Нежное перемешивание с крошечными объёмами воздуха

Исследователи собрали высокий акриловый колонный реактор, заполненный красновато-коричневыми гранулами анаммокс и реальными промышленными стоками. Они протестировали три очень низких скорости аэрации в нижней части резервуара: почти без мешания (1,5 л/ч), умеренная микроаэрация (12 л/ч) и относительно сильная аэрация (45 л/ч). Цель была двойной: помочь аэробным микробам у дна потреблять органические вещества и использовать поднимающиеся пузырьки как мягкий мешающий инструмент для перемешивания сточных вод и бактериальной прикамни, не превращая весь реактор в кислородонасыщённую среду. В течение недель стабильной работы они отслеживали ХПК, разные формы азота, растворённый кислород и активность ключевых анаммокс-бактерий.

Поиск золотой середины для воздуха

Умеренная микроаэрация оказалась самым эффективным компромиссом. При 12 л/ч реактор удалял около 63% ХПК и почти 73% общего азота, при этом более 92% этого удаления азота приходилось на сам анаммокс-путь. Удельная активность анаммокс-бактерий выросла примерно до 0,25 г азота, удаляемого на грамм биомассы в сутки, что означает, что основные микробы работали интенсивнее и эффективнее. Пузырьки одновременно поставляли ровно столько кислорода, сколько нужно аэробным бактериям для разложения органики, и служили внутренним перемешивающим элементом, улучшая контакт между загрязнителями и гранулированным илом. При слишком низкой аэрации органика накапливалась и подавляла анаммокс; при слишком высокой — кислород начинал повреждать чувствительное к нему сообщество анаммокс-бактерий.

Наблюдение за сменой микробного состава

Анализ ДНК показал, как менялся состав микробного сообщества при изменении аэрации. При оптимальной микроаэрации группа бактерий, непосредственно выполняющая анаммокс (внутри филума Planctomycetota, включая род Candidatus Brocadia), составляла значительную долю сообщества, что соответствовало сильному удалению азота в реакторе. Когда поток воздуха увеличили до 45 л/ч, эти полезные анаэробные бактерии почти исчезли, уступив место организму, предпочитающим кислород, таким как некоторые Bacillus и Proteobacteria. Хотя общее удаление ХПК осталось похожим, реактор стал полагаться меньше на анаммокс и больше на обычные кислородзависимые пути, которые менее энергоэффективны и снижают главное преимущество технологии.

Последствия для реальных очистных сооружений

Исследование показывает, что тщательно контролируемая микроаэрация — ровно столько воздуха, чтобы перемешивать и «полировать» органику, но недостаточно, чтобы затопить резервуар кислородом — может сделать анаммокс-реакторы более устойчивыми для промышленных сточных вод. Для неспециалиста посыл прост: лёгкое дыхание воздуха на правильном уровне помогает этим специализированным бактериям лучше выполнять свою работу, удаляя из сточных вод и углерод, и азот при меньшем энергопотреблении, чем в традиционных системах. Но слишком много воздуха нарушает равновесие, повреждает ключевые микробы и снижает эффективность. Поиск и поддержание этой «золотой середины» микроаэрации будут критичными при проектировании будущих энергосберегающих очистных сооружений, которые более устойчиво защищают водные экосистемы.

Цитирование: Yan, Z., Xu, Y., Yang, H. et al. Effect of micro-aeration stirring on nitrogen removal in anammox reactor. Sci Rep 16, 6561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37758-7

Ключевые слова: очистка сточных вод, анаммокс, микроаэрация, удаление азота, промышленные стоки