连续流好氧颗粒污泥亚硝化工艺在5℃低温条件下的性能突破与微生物适应机制

本研究针对低温条件下亚硝化工艺（nitritation）运行不稳定的难题，采用连续流好氧颗粒污泥（CAGS）反应器，通过溶解氧（DO）调控实现在5.0℃超低温条件下的稳定运行，获得0.29 kg/m3/d的亚硝酸盐产率（NPR）和59.77%的转化效率，揭示了Nitrosomonas菌属主导的微生物适应机制，为寒冷地区废水脱氮提供了节能新策略。

　　

随着全球每年359.4亿吨废水产生，高效节能的脱氮技术成为环境工程领域的研究热点。厌氧氨氧化（anammox）工艺因其无需有机碳源和低能耗特性备受关注，但其核心前提——亚硝化工艺（nitritation）在低温条件下常面临运行不稳定、亚硝酸盐产率（NPR）不足的瓶颈。传统观点认为，氨氧化细菌（AOB）在10℃以下活性显著受限，这严重制约了高纬度寒冷地区的废水处理效能。尽管气升式反应器（ALR）和移动床生物膜反应器（MBBR）等工艺在10℃左右取得一定进展，但连续流好氧颗粒污泥（CAGS）系统因其卓越的污泥沉降性、微生态屏障效应和抗冲击负荷能力，被视为更具潜力的解决方案，然而其超低温（<10℃）运行机制仍是未解之谜。

针对这一挑战，北京科技大学等机构的研究团队在《Bioresource Technology》发表研究，通过创新性地采用DO作为唯一调控参数，在1.0 L气升式反应器中实现了5.0℃条件下的稳定亚硝化。研究采用阶梯式降温策略（25.0℃→5.0℃），结合宏基因组学和颗粒特性分析，系统揭示了微生物群落结构与功能基因的适应性演变规律。

关键技术方法包括：1）连续流好氧颗粒污泥反应器的DO梯度调控；2）qPCR定量分析功能基因（如amo基因）；3）高通量测序解析微生物群落结构；4）激光粒度仪跟踪颗粒污泥形态演变；5）X射线荧光光谱测定钙元素含量变化。

Reactor operation
研究分为6个温度阶段（25.0℃→5.0℃）。初始阶段（25.0℃）通过DO调控使铵盐去除率（ARE）快速提升至66.09%，但出现亚硝酸盐积累不足现象。通过优化DO浓度至1.5 mg/L，成功抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）活性，为低温运行奠定基础。

Microbial community dynamics
温度降至5.0℃时，Nitrosomonas成为唯一检测到的AOB属，其amo基因丰度保持稳定，证实了功能基因层面的温度适应性。值得注意的是，部分反硝化细菌表现出低温耐受性，可能导致硝酸盐副产物生成。

Granular sludge characterization
随着温度降低，颗粒污泥平均粒径从425 μm缩小至298 μm，钙含量从8.7%降至3.2%，但仍维持结构完整性。这种尺寸缩减可能增强底物传质效率，补偿低温导致的代谢速率下降。

Conclusions
该研究首次证实CAGS系统在5.0℃超低温条件下可实现稳定亚硝化（NPR 0.29 kg/m³/d，NPE 59.77%），其突破性发现包括：1）DO调控可替代传统加热手段，实现NOB长效抑制；2）颗粒污泥尺寸动态调整构成温度缓冲机制；3）Nitrosomonas通过基因表达调控适应极端低温。这些结论不仅重新定义了亚硝化工艺的温度极限，更为寒冷地区废水处理厂提供了可直接应用的技术方案——通过优化DO控制策略，可在无需外部加热条件下实现年节能30%以上。研究建立的"DO-温度-微生物"协同调控模型，为发展下一代低碳污水处理技术奠定了理论基础。