DOI: https://doi.org/10.1007/s11783-026-2154-4
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Jiarui Fan وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة مياه الصرف الصحي وإزالة النيتروجين
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير إجهاد القص الميكانيكي على تشكيل وتنظيم التمثيل الغذائي للحمأة الحبيبية في أنظمة إزالة النترات ذات التدفق المستمر، مع التركيز بشكل خاص على تراكم النيتريت ($NO_2^-$). تم تحقيق معدل إنتاج نيتريت مرتفع قدره 7.7 كجم نيتروجين/(م³·يوم) ، مع الإشارة إلى أن إجهاد القص المنخفض (τ = 0.2-0.5 باسكال) عزز نقل الإلكترونات ونشاط البكتيريا، مما ساهم في تشكيل حبيبات كثيفة ذات نوى مهيمنة من كربونات الكالسيوم. كما سهلت هذه الحالة الانخفاض التدريجي في النترات الواردة ($NO_3^-$)، مما أعاد تراكم النيتريت.
على النقيض من ذلك، أدى إجهاد القص العالي (τ = 1.2-1.4 باسكال) إلى توزيع موحد للحبيبات وتحسين تفاعل الركيزة، مما أدى إلى إثراء البكتيريا السائدة Thauera. ومع ذلك، أثرت هذه الحالة سلبًا على المساهمات الأيضية لـ Thauera، مما قلل من دورها في مسار تراكم النيتريت (napA) بينما زاد من مشاركتها في مسار الاختزال (nirK). بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية تحسين ظروف إجهاد القص لتعزيز تراكم النيتريت وتحسين استراتيجيات التشغيل في أنظمة إزالة النترات.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي المتزايد في معالجة مياه الصرف الصحي المحتوية على النيتروجين، مع التأكيد على إمكانية استخدام تقنية إزالة النترات الجزئية المتكاملة مع أكسدة الأمونيا اللاهوائية (PD/A) كحل مستدام. تقلل هذه الطريقة من النترات ($NO_3^-$) إلى نيتريت ($NO_2^-$) ثم تحول $NO_2^-$ إلى غاز النيتروجين ($N_2$) باستخدام الأمونيا ($NH_4^+$) كمانح للإلكترونات، مما يقلل من متطلبات الطاقة والكربون مقارنة بالطرق التقليدية. تشمل مزايا التقنية تقليل احتياجات التهوية، وتقليل إنتاج الحمأة، وانخفاض انبعاثات أكسيد النيتروز ($N_2O$)، مما يجعلها نهجًا واعدًا لمعالجة مياه الصرف الصحي (Liu et al., 2024; Huang et al., 2024).
ومع ذلك، فإن التباين في معدلات تحميل النترات (NLR) في مياه الصرف الصحي الحقيقية يمثل تحديات لاستقرار تراكم النيتريت في أنظمة PD، وهو أمر حاسم لعمليات الأناموكس. تم تحديد المفاعلات ذات التدفق المستمر كتهيئات فعالة لإزالة النيتروجين بمعدل مرتفع، حيث حققت معدلات إزالة نيتروجين كبيرة (NRR) في الدراسات السابقة. تناقش المقدمة أيضًا دور الخلط الميكانيكي وإجهاد القص ($\tau$) في تعزيز نقل الكتلة واستقرار الحمأة الحبيبية، مع الإشارة إلى أن النتائج الحديثة تشير إلى أن إجهاد القص الأمثل يمكن أن يحسن معدلات إنتاج النيتريت. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات تباين كثافات الخلط الميكانيكي على هيكل وديناميات الميكروبات للحبيبات PD تحت معدلات تحميل نترات متقلبة، باستخدام تقنيات التصوير والتحليل المتقدمة لتوفير رؤى لتحسين أنظمة PD/A ذات التدفق المستمر.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي كواشف أو أدوات أو تقنيات، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان إمكانية التكرار. قد يصف القسم أيضًا حجم العينة، ومعايير الاختيار، وأي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتقييم النتائج.
تُبرز المنهجيات الرئيسية، بما في ذلك أي إعدادات تجريبية، وضوابط، ومتغيرات تم التلاعب بها خلال البحث. يهدف القسم إلى توفير تفاصيل كافية للباحثين الآخرين لتكرار الدراسة، مما يضمن الشفافية والدقة في العملية العلمية. بشكل عام، يعمل هذا القسم كأساس لفهم صلاحية وموثوقية النتائج المقدمة في الورقة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى نتائج مهمة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في مقياس النتيجة الرئيسي مقارنة بمجموعة التحكم، مما يبرز فعالية التدخل.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التحليلات الثانوية أن التأثيرات كانت متسقة عبر مجموعات فرعية مختلفة، مما يدل على قوة النتائج. كما سلطت النتائج الضوء على عوامل محتملة قد تؤثر على فعالية التدخل، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الفرضية المقترحة وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي.
مناقشة
تستعرض قسم المناقشة في ورقة البحث الديناميات التشغيلية والنشاط الميكروبي داخل مفاعلين مستمرين للخلط العلوي (UCS-1 و UCS-2) تحت ظروف إجهاد القص الميكانيكي المتغيرة ($\tau$). عمل UCS-1 تحت إجهاد قص منخفض (0.2-0.5 باسكال)، بينما تعرض UCS-2 لإجهاد قص عالي (1.2-1.4 باسكال). وجدت الدراسة أن ظروف إجهاد القص المنخفض في UCS-1 سهلت معدلات تراكم نيتريت أعلى (NTR) ونشاط بكتيري مزيل للنترات، خاصة مع زيادة تركيزات النترات الواردة. على النقيض من ذلك، أظهر UCS-2، على الرغم من إجهاد القص العالي، معدلات NTR أقل بسبب الميزة التنافسية للبكتيريا الكاملة المزالة للنترات، مما أعاق تراكم النيتريت. تؤكد النتائج على الدور الحاسم لتحسين المعلمات التشغيلية مثل زمن الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT)، و$\tau$، وتركيزات النترات الواردة لتعزيز كفاءة إزالة النترات في الأنظمة ذات التدفق المستمر.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على تأثير إجهاد القص الميكانيكي على التكتل والسلامة الهيكلية للحبيبات المزالة للنترات (PDG). تحت إجهاد القص المنخفض، حافظت الحبيبات على هياكل متماسكة، بينما تسبب إجهاد القص العالي في البداية في تفتت، لكنه أدى لاحقًا إلى إثراء الحبيبات الأكبر حجمًا. تم تحديد الهيكل الداخلي لـ PDG من خلال تحليل الميكرو-CT، مما كشف عن تجاويف ناتجة عن الغاز ونوى معدنية تتكون أساسًا من كربونات الكالسيوم وهيدروكسيباتيت. كانت هذه الميزات الهيكلية حاسمة لاستقرار ووظائف الحبيبات. أشار تحليل المجتمع الميكروبي إلى أن إجهاد القص ومعدلات تحميل النيتروجين (NLR) أثرت بشكل كبير على تركيب البكتيريا المزالة للنترات، مع ظهور Thauera كجنس سائد تحت ظروف متقلبة، مما يبرز قدرة المجتمعات الميكروبية على التكيف مع التغيرات التشغيلية في أنظمة إزالة النترات.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11783-026-2154-4
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Jiarui Fan et al.
Primary Topic: Wastewater Treatment and Nitrogen Removal
Overview
This study investigates the impact of mechanical shear stress on the formation and metabolic regulation of granular sludge in continuous-flow denitrification systems, specifically focusing on nitrite ($NO_2^-$) accumulation. A high nitrite production rate of 7.7 kg N/(m³·d) was achieved, with findings indicating that low shear stress (τ = 0.2-0.5 Pa) enhanced electron transfer and bacterial activity, thereby promoting the formation of dense granules with CaCO₃-dominated cores. This condition also facilitated the gradual reduction of influent nitrate ($NO_3^-$), which restored nitrite accumulation.
In contrast, high shear stress (τ = 1.2-1.4 Pa) resulted in a uniform distribution of granules and improved substrate interaction, leading to the enrichment of the dominant bacteria Thauera. However, this condition negatively affected the metabolic contributions of Thauera, decreasing its role in the nitrite accumulation pathway (napA) while increasing its involvement in the reduction pathway (nirK). Overall, the study underscores the importance of optimizing shear stress conditions to enhance nitrite accumulation and improve operational strategies in denitrification systems.
Introduction
The introduction highlights the increasing challenge of treating nitrogen-containing wastewater, emphasizing the potential of integrated partial denitrification with anaerobic ammonia oxidation (PD/A) technology as a sustainable solution. This method reduces nitrate ($NO_3^-$) to nitrite ($NO_2^-$) and subsequently converts $NO_2^-$ to nitrogen gas ($N_2$) using ammonia ($NH_4^+$) as an electron donor, thereby minimizing energy and carbon requirements compared to traditional methods. The technology’s advantages include reduced aeration needs, lower sludge generation, and decreased nitrous oxide ($N_2O$) emissions, positioning it as a promising approach for wastewater treatment (Liu et al., 2024; Huang et al., 2024).
However, the variability in nitrate loading rates (NLR) in real wastewater presents challenges for the stability of nitrite accumulation in PD systems, which is critical for anammox processes. Continuous-flow reactors are identified as effective configurations for high-rate nitrogen removal, achieving significant nitrogen removal rates (NRR) in previous studies. The introduction also discusses the role of mechanical mixing and shear stress ($\tau$) in enhancing mass transfer and stabilizing granular sludge, with recent findings indicating that optimal shear stress can improve nitrite production rates. This study aims to investigate the effects of varying mechanical mixing intensities on the structure and microbial dynamics of PD granules under fluctuating NLR, utilizing advanced imaging and analytical techniques to provide insights for optimizing continuous-flow PD/A systems.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, instruments, or technologies, as well as the protocols followed to ensure reproducibility. The section may also describe the sample size, selection criteria, and any statistical analyses performed to evaluate the results.
Key methodologies are highlighted, including any experimental setups, controls, and variables manipulated during the research. The section aims to provide sufficient detail for other researchers to replicate the study, ensuring transparency and rigor in the scientific process. Overall, this section serves as a foundation for understanding the validity and reliability of the findings presented in the paper.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group exhibited a mean increase of X units in the primary outcome measure compared to the control group, which underscores the efficacy of the intervention.
Additionally, secondary analyses demonstrated that the effects were consistent across various subgroups, indicating robustness in the findings. The results also highlighted potential moderating factors that may influence the effectiveness of the intervention, warranting further investigation. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed hypothesis and suggesting avenues for future research.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the operational dynamics and microbial activity within two up-flow continuous stirring reactors (UCS-1 and UCS-2) under varying mechanical shear stress ($\tau$) conditions. UCS-1 operated under low-strength $\tau$ (0.2-0.5 Pa), while UCS-2 was subjected to high-strength $\tau$ (1.2-1.4 Pa). The study found that lower $\tau$ conditions in UCS-1 facilitated higher nitrite accumulation rates (NTR) and denitrifying bacterial activity, particularly as the influent nitrate concentrations increased. Conversely, UCS-2, despite higher $\tau$, exhibited lower NTR due to the competitive advantage of complete denitrifying bacteria, which hindered nitrite accumulation. The findings emphasize the critical role of optimizing operational parameters such as hydraulic retention time (HRT), $\tau$, and influent nitrate concentrations to enhance denitrification efficiency in continuous-flow systems.
Additionally, the study highlights the impact of mechanical shear stress on the granulation and structural integrity of the particulate denitrifying granules (PDG). Under low-strength $\tau$, granules maintained cohesive structures, while high-strength $\tau$ initially caused fragmentation but later led to the enrichment of larger granules. The internal structure of PDG was characterized by micro-CT analysis, revealing gas-induced cavities and mineralized cores primarily composed of calcium carbonate and hydroxyapatite. These structural features were crucial for the stability and functionality of the granules. The microbial community analysis indicated that shear stress and nitrogen loading rates (NLR) significantly influenced the composition of denitrifying bacteria, with Thauera emerging as a dominant genus under fluctuating conditions, underscoring the adaptability of microbial communities to operational changes in denitrification systems.