从长期稳态与瞬态动力学尺度揭示颗粒污泥系统中厌氧氨氧化（anammox）与反硝化作用的相互关系及意义

在混合厌氧氨氧化和反硝化污泥（HADS）系统中，C/N 和 Nit/Nat 比影响复杂。研究人员通过长期稳态和瞬态动力学实验，发现 SAD1 中 C/N 比 0 - 0.75 时 TN 去除率达 88.6% ，SAD2 中 Nit/Nat 比 4 - 0 时 TN 去除率 93.8% ，深化了对 HADS 系统的理解。

　　在污水处理领域，厌氧氨氧化（anammox）技术自 1997 年被发现后，便因其在生物脱氮方面显著的成本效益而备受关注。它能够直接利用亚硝酸盐（NO₂^?）作为电子受体，将氨（NH₄⁺）转化为氮气（N₂），大幅减少了对氧气、有机碳的需求以及污泥处理量。然而，该技术的有效实施面临着一个关键难题 —— 稳定的 NO₂^?-N 供应难以保障。

与部分硝化（PN）相比，部分反硝化（PD）在生成 NO₂^?-N 方面展现出诸多优势，如稳定性强、控制简便，甚至有望实现高达 100% 的总氮（TN）去除率。由于污水中普遍存在有机物（COD），厌氧氨氧化菌（AAOB）和反硝化菌（DB）之间的共生代谢不可避免，混合厌氧氨氧化和反硝化污泥（HADS）系统应运而生，成为研究和应用的热点。

在 HADS 系统中，PD 能够为 anammox 提供 NO₂^?-N，助力 NH₄⁺-N 转化为 N₂，这是一种协同效应。但当有机物含量过高时，反硝化作用会进一步将 NO₂^?-N 氧化为 N₂，引发竞争效应，可能导致 DB 过度繁殖，威胁 AAOB 的生存。目前，多数 HADS 研究集中在以亚硝酸盐或硝酸盐为主的进料条件下，对于碳氮比（C/N）和亚硝酸盐与硝酸盐比（Nit/Nat）这两个关键参数在长期稳态和短期瞬态动力学尺度上对 HADS 系统的影响，人们的了解还十分有限。

为了解决这些问题，相关研究人员开展了一项深入研究。研究人员通过长期运行厌氧氨氧化颗粒污泥反应器，构建了 HADS 系统，该系统包含三种进料类型：仅含亚硝酸盐（SAD1）、亚硝酸盐和硝酸盐混合、仅含硝酸盐（SAD2）。研究过程中，先在 SAD1 进料时逐步提高 C/N 比，随后在 SAD2 进料时逐渐降低 Nit/Nat 比，直至切换为仅含硝酸盐的进料。在每个阶段稳定运行后，进行瞬态实验评估短时间尺度内的协同和竞争效应，并分析群落结构与污泥特性，最后通过模型模拟确定最佳运行条件。

该研究得出了一系列重要结论。在 SAD1 阶段，将 C/N 比从 0 提高到 0.75 时，出水 NO₃^?-N 浓度从 49.70 mgN/L 降至 2.93 mgN/L ，总氮去除效率（TN_re）达到 88.6%。不过，瞬态实验显示，此时完全反硝化的竞争作用占据主导，当 C/N 比高于 0.75 时，HADS 系统难以维持稳定。在 SAD2 阶段，将 Nit/Nat 比从 4 降至 0，TN_re提升至 93.8% ，其中 anammox 的贡献高达 98.3%。这得益于硝酸盐对亚硝酸盐还原的电子竞争效应，使得 SAD2 中 anammox 与部分反硝化之间产生了良好的协同作用。综合研究结果，确定了 HADS 系统的最佳运行条件为 C/N 比在 2 - 3 之间，Nit/Nat 比低于 0.5。

该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，具有重要意义。它深化了人们对 HADS 系统中 anammox 与反硝化作用相互关系的理解，为优化 HADS 系统的运行提供了关键依据，有助于推动该技术在污水处理领域的广泛应用，提高污水处理效率，降低处理成本，对环境保护和可持续发展具有积极的促进作用。

研究人员在开展研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先，采用实验室规模的上流式厌氧氨氧化颗粒污泥（UASB）床反应器进行实验，该反应器稳定运行超 180 天，为实验提供了稳定的反应环境；其次，在不同运行阶段，对进出水的各项指标进行监测分析，获取系统运行性能数据；再者，进行瞬态实验评估协同和竞争效应；最后，通过分析群落结构和污泥特性，以及模型模拟来确定最佳运行条件 。

下面详细介绍研究结果：

• 长期运行性能：在 220 天的运行过程中，SAD1 阶段随着进水 COD 从 0 增加到 100 mg/L，NH₄^?-N 去除效率（ARE）和 TN_re均有所上升。但当进水 COD 达到 150 mg/L 时，系统运行出现变化。这表明在 SAD1 阶段，有机物含量的变化对系统脱氮性能存在显著影响。
• C/N 比和 Nit/Nat 比的影响：在 SAD1 中增加 C/N 比，出水 NO₃^?-N 降低，TN_re提高；在 SAD2 中降低 Nit/Nat 比，TN_re显著提升，anammox 贡献增大。由此可见，C/N 比和 Nit/Nat 比在不同进料条件下，对 HADS 系统的脱氮效果和 anammox 与反硝化的相互作用有着重要影响。
• 协同与竞争效应：通过瞬态实验发现，SAD1 中完全反硝化的竞争作用主导，高 C/N 比不利于 HADS 系统维持；SAD2 中部分反硝化与 anammox 存在良好的协同作用。这揭示了不同进料条件下，anammox 与反硝化之间的相互作用机制。

研究结论表明，明确了不同进料类型下 C/N 比和 Nit/Nat 比对 HADS 系统脱氮性能和微生物相互作用的影响，确定了最佳运行条件。在讨论部分，进一步强调了这些结果对优化 HADS 系统运行的重要性，为后续研究和实际应用提供了理论支持和实践指导，有助于推动污水处理技术的发展，提高污水处理效率，实现更好的环境效益。