FESE|袁志國院士：游離亞硝酸在可持續污水管理中的應用新視角

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

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

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

發表時間：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/抑制效應可應用于城市污水系統的多個單元，以提升污水系統的綜合管理水平。然而，為了產生所需濃度的FNA，目前需要同時添加亞硝酸鹽和酸，從而導致化學成本的升高。為了應對這一挑戰，袁志國院士及其團隊基于對新型耐酸氨氧化菌（Ammonia-oxidizing bacteria， AOB）的最新研究，探討了直接從污水中產生FNA的可能性，通過實現自我維持的原位FNA積累，有望推動下一代FNA技術的發展。

摘要圖

一、FNA的研究發展

FNA是亞硝酸鹽的質子化形態（NO2-+H+↔ HNO2），具有較強的生物滅活/抑制特性。對FNA的關注和研究大致經歷了3個階段（圖1）。早期關注FNA對污水處理系統的多種微生物功能活性構成威脅，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/抑制特性來優化污水綜合管理，包括減少污水管網腐蝕和惡臭問題、有選擇地滅活亞硝酸鹽氧化菌（NOB）以實現短程亞硝化，以及提高污泥處理單元的減量化和能源恢復等。然而，為了達到所需的mg/L水平的FNA濃度，需要外加亞硝酸鹽和鹽酸，這也增加了化學成本。最近的研究發現，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，這一發現提供了通過在酸性操作中運行污水和污泥處理裝置來實現原位FNA積累的可能性，為開展下一代FNA技術提供了新的機遇。

圖1 過去20年關于FNA的研究歷程

二、耐酸AOB和原位FNA積累

AOB包含多個菌種，不同菌種對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，活性就會顯著受到抑制；而Nitrosoglobus則表現出極高的FNA耐受能力，在FNA濃度高達29.5 mg HNO2–N/L時生物活性僅被抑制50%，同時，它還具有極強的耐酸性，能夠將污水pH降至2.2。基于這些特性，耐酸AOB在優化污水和污泥處理中具有應用潛力。例如最近研究運行了一個Nitrosoglobus為主導AOB菌種的酸性反應器（pH 4.5-5.0），其原位FNA積累水平穩定維持在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，從而實現長期的亞硝化過程（圖2左）。又如有研究利用Nitrosoglobus對厭氧消化污泥進行好氧處理，驅動氨氧化過程將污泥處理系統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將進一步下降至2.0，使得有毒金屬從污泥中析出而得以去除（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用

三、發展展望

耐酸性新型AOB驅動的原位FNA積累技術的開發具有廣泛的前景，有望為污水綜合管理帶來諸多優勢(圖3)。這不僅包括實現城市污水系統的短程硝化和污泥減量化，還可能直接應用于高氨氮廢水（如尿液和垃圾滲濾液）的原位處理。此外，這種技術還有望應用于微污染物去除、病毒滅活、膜系統清洗以及新型污水處理過程（如藻類處理系統）中。在未來，對這些領域的深入研究和相應技術的開發都是值得探索的方向。

圖3 原位積累FNA在可持續污水管理中的廣泛應用

袁志國 院士

香港城市大學能源與環境學院講座教授、杰出創科學人，澳大利亞技術與工程院院士、國際水協會杰出會士、澳大利亞桂冠學者，擔任Water Research X主編，入選科睿唯安高被引學者榜單，是三家生物技術企業的創始人。主要研究方向包括溫室氣體減排技術、下水道管理技術、污水污泥資源化技術、綜合城市水管理技術以及智能水務系統開發。在Nature、Science、Nature Microbiology、Nature Communications、 ISME J、Environmental Science & Technology、Water Research和Energy & Environmental Science等刊物上發表SCI論文超過550篇，引用超過50000次，H-index為120（2023年12月）。研究成果曾獲得2015年澳大利亞技術科學與工程院 Clunies Ross 獎和 2014 年國際水協會全球項目創新獎等多個獎項。

文稿 | 左志強，北京工業大學

編校 | 張 姣

審核 | 鄭 敏，新南威爾士大學，FESE青年編委

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本文內容來自FESE期刊2024年第18卷第2期發表的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袁志國院士和澳大利亞新南威爾士大學鄭敏副教授。

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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