集成式单反应器系统，结合生物磷酸盐去除、半硝化、厌氧氨氧化（anammox）及原位污泥发酵技术（PR-SNA-SF），用于处理实际生活污水

《Process Safety and Environmental Protection》：Integrated single-reactor system merging biological phosphate removal, semi-nitritation, anammox and in-situ sludge fermentation (PR-SNA-SF) to treat actual domestic wastewater

首次将Tetrasphaera主导的生物除磷、半硝化、厌氧氨氧化及原位污泥发酵整合于单反应器中处理实际生活污水，实现氮磷同步高效去除及78.9%污泥减量，无需外源碳源。

　　这项研究首次将一种由 *Tetrasphaera* 驱动的生物除磷工艺、半硝化、厌氧氨氧化（anammox）以及原位污泥发酵（PR-SNA-SF）整合到单一反应器中，用于处理实际的市政生活污水。整个工艺流程在不同阶段中实现了高效的氮和磷去除，并有效减少了剩余污泥的产生。经过220天的连续运行，出水中的氨氮浓度约为0.4毫克/升，而磷、硝酸盐和亚硝酸盐的浓度均稳定在0.1毫克/升左右。此外，PR-SNA-SF 工艺在减少剩余污泥方面表现出显著的效率，其减少率达到78.9%。流式细胞术分析显示，细胞完整性受损增加了3.5倍，同时胞外DNA浓度上升了31.9倍，颗粒尺寸减少了59.5%，这些变化共同表明了污泥结构的解体和有机物的释放，从而解释了剩余污泥的减少现象。转录组分析揭示了 *Tetrasphaera* 在PR-SNA-SF 工艺中的主导地位，其相对丰度高达71.4%。同时， *Nitrosomonas*（AOB）、 *Candidatus* Brocadia 和 *Candidatus* Kuenenia（anammox）以及 *Candidatus* Competibacter（GAOs）分别占5.08%、8.11%、3.59%和8.02%，表明它们在工艺中的重要作用。该研究提出的新型PSNAF工艺在不需外加碳源的情况下，有效降低了污水处理的运行成本和剩余污泥处理费用，为污水处理领域提供了新的思路。

在污水处理领域，半硝化与厌氧氨氧化（anammox）的结合被认为是实现高效氮去除的一种有前景的策略。半硝化过程可以将部分氨氮氧化为亚硝酸盐，而厌氧氨氧化则能将剩余的氨氮和亚硝酸盐转化为氮气，从而显著减少曝气能耗和碳需求，相较于传统的硝化-反硝化工艺具有更高的能源效率。先前的研究表明，一个两阶段的半硝化/厌氧氨氧化（PN/A）系统已被成功应用于厨房垃圾消化液（KWDL）和成熟垃圾渗滤液（MLL）的处理。然而，在实际操作中，保持工艺稳定性仍面临挑战，尤其是在进水成分波动的情况下，这可能抑制厌氧氨氧化活性，或促进亚硝酸盐氧化菌（NOB）的增殖，从而破坏半硝化产生的亚硝酸盐与厌氧氨氧化所需底物之间的平衡。当进水中的氨氮浓度突然升高时，半硝化阶段可能会产生过量的游离氨（FA），而厌氧氨氧化菌作为化能自养菌，其代谢速率较慢，对FA的毒性也非常敏感。因此，FA的积累会直接抑制厌氧氨氧化菌的活性。相反，如果进水中的氨氮浓度突然下降，半硝化产生的亚硝酸盐可能不足以满足厌氧氨氧化菌的需求，导致其因底物缺乏而进入代谢停滞，从而显著降低氮去除效率。因此，建立一个将半硝化与厌氧氨氧化耦合的工艺在实际污水处理中仍需要深入研究。

此外，将增强生物除磷（EBPR）与半硝化-厌氧氨氧化耦合，能够实现氮和磷的同时去除，从而克服单一营养去除系统的局限性。先前的研究表明，EBPR与半硝化-厌氧氨氧化的整合主要在两阶段系统中进行，其中聚磷菌（PAOs）和厌氧氨氧化菌分别存在于不同的氧化还原区。一个新型的强化生物工艺，将PN/A与EBPR整合在同一反应器中，成功实现了主流市政污水中营养物质的高效去除。然而，在实际污水中，碳源往往不足，因此EBPR与半硝化-厌氧氨氧化的整合通常需要补充外源碳源。这种补充虽然有助于提高除磷效率，但也增加了污水处理的运行成本。与此同时，污泥发酵能够生成挥发性脂肪酸（VFAs），并为PAOs提供碳源，从而减少对外源碳源的需求和污泥的产生。然而，使用侧流发酵反应器可能会增加建设和基础设施的成本，并在实际运行中带来操作上的困难。因此，建立一个将生物除磷、半硝化、厌氧氨氧化与原位污泥发酵耦合的单一阶段系统，对于处理低碳氮比的实际生活污水具有重要意义，而这一系统尚未被广泛报道。

*Tetrasphaera* 是一种近年来被认可的聚磷菌，因其在EBPR系统中的独特代谢能力而受到关注。与传统的聚磷菌如 *Candidatus* Accumulibacter 不同， *Tetrasphaera* 能够在厌氧条件下水解蛋白质并发酵氨基酸，生成VFAs，进而实现磷的去除。这种双重功能不仅减少了对外源碳源的依赖，还提高了在碳源受限环境下的除磷效率。大多数 *Tetrasphaera* 种类在厌氧条件下缺乏合成聚β-羟基烷酸（PHA）的能力，而少数种类则可以合成PHA，其中聚β-羟基丁酸（PHB）是主要的PHA类型。此外， *Tetrasphaera* 与厌氧氨氧化菌并不竞争氨氮和亚硝酸盐等底物，尽管实际污水中的VFAs含量较低，但 *Tetrasphaera* 可以利用复杂的有机物如蛋白质和氨基酸作为碳源。因此，在实际污水条件下，将 *Tetrasphaera* 驱动的EBPR与厌氧氨氧化整合到单一SBR（序批式反应器）中是可行的。据我们所知，这是首次在单一阶段系统中构建由 *Tetrasphaera* 驱动的生物除磷、半硝化、厌氧氨氧化与原位污泥发酵（PR-SNA-SF）工艺，用于处理实际的生活污水。该新型PR-SNA-SF工艺在不添加外源碳源的情况下，成功实现了对低碳氮比实际生活污水的高效氮和磷去除，同时减少了剩余污泥的产生，为污水处理领域提供了新的思路和方法。

本研究的目标是建立一个单一阶段的PR-SNA-SF工艺，用于处理低碳氮比的实际生活污水，同时实现氮和磷的去除以及剩余污泥的减少。本研究进行了220天的连续运行，以评估该工艺的长期性能和稳定性。在研究过程中，对PR-SNA-SF工艺中的内部碳源——氨基酸的浓度进行了测量，以分析其对工艺运行的影响。此外，通过流式细胞术检测了细胞完整性，测量了胞外聚合物（EPS）中的多糖和蛋白质含量，以及上清液中的DNA浓度和颗粒尺寸，以揭示剩余污泥减少的机制。同时，对PR-SNA-SF工艺中的转录组群落结构进行了分析，以确定哪些微生物在该工艺中发挥了实际作用。

为了实现这一目标，研究采用了一个序批式反应器（SBR）来构建新型的PR-SNA-SF工艺。SBR的运行流程如图S1所示，其工作容积为5升。SBR被填装实际的生活污水，具体污水成分如表1所示。进水为低碳氮比的实际生活污水，整个运行过程中未添加任何外源碳源。SBR的运行周期包括多个阶段，如厌氧阶段、好氧阶段和缺氧阶段，每个阶段都针对不同的生物过程进行优化。在厌氧阶段， *Tetrasphaera* 负责磷的释放和污泥的发酵；在好氧阶段，半硝化与厌氧氨氧化过程耦合进行，实现氨氮的去除；在缺氧阶段，内部的硝化过程与厌氧氨氧化相结合，完成氮的去除。整个工艺流程在不同的氧化还原条件下，对微生物的活性和代谢途径进行了精细调控，从而确保了工艺的稳定性和高效性。

在长期运行过程中，PR-SNA-SF工艺的氮和磷去除效果表现出良好的稳定性。图1展示了该工艺在220天内的营养物质去除性能。在第一阶段（第1至第30天），由于半硝化过程的作用，氨氮的去除效率约为57%。出水中的亚硝酸盐与氨氮的比值约为1.3，表明半硝化过程运行稳定，这可能是由于适当的低溶解氧（DO）和好氧反应时间所导致。出水中的化学需氧量（COD）浓度约为20毫克/升，显示出良好的有机物去除能力。在磷的去除方面，出水中的磷浓度在运行过程中逐渐降低，表明该工艺在处理实际生活污水时能够有效去除磷。同时，出水中的硝酸盐和亚硝酸盐浓度均稳定在0.1毫克/升左右，显示出该工艺在氮去除方面具有良好的效果。

此外，该研究还对污泥的结构变化进行了深入分析。流式细胞术的结果显示，细胞完整性受损增加了3.5倍，这表明污泥的结构在运行过程中发生了显著变化。同时，胞外DNA浓度上升了31.9倍，颗粒尺寸减少了59.5%，这些变化共同表明了污泥的解体和有机物的释放，从而解释了剩余污泥的减少现象。这些变化不仅反映了污泥在不同阶段中的代谢活动，也表明了微生物在工艺中的作用。通过转录组分析，研究进一步确定了哪些微生物在PR-SNA-SF工艺中发挥了主导作用。结果显示， *Tetrasphaera* 在整个工艺中占据了最大的比例，其相对丰度高达71.4%。这表明 *Tetrasphaera* 在磷的去除和污泥发酵中起着关键作用。此外， *Nitrosomonas*（AOB）、 *Candidatus* Brocadia 和 *Candidatus* Kuenenia（anammox）以及 *Candidatus* Competibacter（GAOs）分别占5.08%、8.11%、3.59%和8.02%，表明它们在氮的去除和有机物的分解中也发挥了重要作用。

在实际运行过程中，PR-SNA-SF工艺的稳定性得到了充分验证。出水中的氨氮浓度始终保持在较低水平，表明该工艺能够有效控制氮的去除。同时，磷和硝酸盐的浓度也保持在极低水平，显示出该工艺在处理低碳氮比生活污水时的高效性。此外，剩余污泥的减少率高达78.9%，表明该工艺在减少污泥方面具有显著优势。这些结果不仅验证了PR-SNA-SF工艺的可行性，也为实际污水处理提供了重要的技术支持。

在研究过程中，还对内部碳源的变化进行了分析。氨基酸的浓度在运行过程中呈现出一定的波动，但总体上保持在较低水平。这表明内部碳源在工艺运行中发挥了重要作用，同时也反映出工艺对碳源的需求相对较低。通过测量EPS中的多糖和蛋白质含量，研究进一步揭示了污泥的结构变化和有机物的释放机制。这些数据表明，污泥在不同阶段中的代谢活动发生了显著变化，从而导致了剩余污泥的减少。同时，上清液中的DNA浓度增加，进一步支持了这一观点。这些变化不仅反映了污泥的结构解体，也表明了微生物在工艺中的作用。

此外，研究还对工艺的运行参数进行了优化。通过调整溶解氧（DO）浓度、反应时间以及污泥回流比，确保了各阶段的生物过程能够顺利进行。例如，在厌氧阶段，DO浓度被控制在较低水平，以促进 *Tetrasphaera* 的磷释放和污泥发酵；在好氧阶段，DO浓度被适当提高，以支持半硝化和厌氧氨氧化的进行；在缺氧阶段，DO浓度被维持在较低水平，以促进内部的硝化和磷去除过程。这些参数的优化不仅提高了工艺的运行效率，也确保了其长期稳定性。

在实际运行过程中，研究还对污泥的沉降性能进行了评估。通过测量污泥的沉降速度和污泥体积指数（SVI），研究发现该工艺能够有效改善污泥的沉降性能，从而减少污泥的产生。这些结果表明，PR-SNA-SF工艺在处理低碳氮比生活污水时，不仅能够实现高效的氮和磷去除，还能有效减少剩余污泥的产生，这在实际污水处理中具有重要的应用价值。

本研究的成果不仅为污水处理领域提供了新的思路，也为实际工程应用提供了技术支持。通过将生物除磷、半硝化、厌氧氨氧化与原位污泥发酵整合到单一反应器中，该工艺能够有效解决传统污水处理系统中的碳源不足和污泥处理成本高的问题。同时，该工艺在运行过程中表现出良好的稳定性，能够在不同的进水条件下维持高效的去除效果。这些优势使得PR-SNA-SF工艺在实际污水处理中具有广泛的应用前景。

此外，该研究还对微生物的代谢活动进行了深入分析。通过转录组分析，研究确定了哪些微生物在不同阶段中发挥了主导作用。结果表明， *Tetrasphaera* 在厌氧阶段主要负责磷的释放和污泥的发酵，而在好氧阶段则与半硝化和厌氧氨氧化过程相结合，实现氨氮的去除。同时， *Nitrosomonas*（AOB）在好氧阶段中负责氨氮的氧化，而 *Candidatus* Brocadia 和 *Candidatus* Kuenenia 在缺氧阶段中负责硝化和磷的去除。这些微生物的协同作用使得整个工艺能够在不同的氧化还原条件下实现高效的去除效果。

在实际运行过程中，研究还对工艺的经济性进行了评估。通过计算运行成本和污泥处理费用，研究发现该工艺在不添加外源碳源的情况下，能够有效降低污水处理的总成本。这些结果表明，PR-SNA-SF工艺不仅在技术上具有可行性，也在经济上具有优势。同时，该工艺的稳定性得到了验证，能够在不同的进水条件下维持高效的去除效果，这使得其在实际污水处理中具有广泛的应用前景。

总之，这项研究通过将 *Tetrasphaera* 驱动的生物除磷、半硝化、厌氧氨氧化与原位污泥发酵整合到单一反应器中，成功实现了对低碳氮比生活污水的高效处理。该工艺不仅能够有效去除氮和磷，还能显著减少剩余污泥的产生，为污水处理领域提供了新的技术支持和应用前景。同时，该研究的成果也为今后的研究和工程应用提供了重要的参考。