逆流曝气生物滤池中Nitrosocosmicus AOA驱动厌氧氨氧化菌富集：新型自养硝化-反硝化工艺启动机制解析

《Bioresource Technology》：Nitrosocosmicus AOA-driven anammox bacteria enrichment in counter-current aerated biofilters: Unraveling the start-up mechanism of the novel autotrophic nitrification–denitrification process

本文系统探讨了在逆流曝气生物滤池（BAF）中通过氨氧化古菌（AOA）驱动厌氧氨氧化菌（AnAOB）富集的新型自养硝化-反硝化（OLAND）工艺启动机制。研究发现逆流BAF在波动氨氮负荷（0.04–0.08 kgN/(m2·d)）下通过群体感应介导的胞外聚合物（EPS）分泌（122.75 mg/gVSS）和活性氧（ROS）调控，显著提升氮去除效率（NH4+ 84.49%，TN 50.0%），为主流污水处理工艺优化提供新策略。

　　

亮点

反应器性能

在反应器运行的前三个阶段，氮负荷率（NLR）逐渐增加，而水力停留时间（HRT）相应缩短（图1）。总体而言，两种滤池的总氮（TN）去除效率均呈现波动上升趋势，其中R2滤池（逆流BAF）的表现优于R1（R2：28.67% ± 1.96% vs. R1：24.76% ± 2.46%；图1）。这种差异可能源于R2系统产生的硝酸盐氮较少。尽管如此，在前三个阶段，TN去除效率仍低于30%，表明系统尚未完全启动。

进入第四阶段后，随着氮负荷率稳定在0.06 kg N/(m²·d)，两个系统的性能出现显著分化。R2的氨氮（NH₄⁺-N）和TN去除效率开始持续高于R1，分别达到84.49 ± 0.87%和50.0 ± 1.65%（图1c, d）。值得注意的是，R2出水的亚硝酸盐氮（NO₂^--N）和硝酸盐氮（NO₃^--N）浓度始终低于R1（图1e, f），暗示其内部发生了更高效的厌氧氨氧化（anammox）反应。

结论

与顺流系统相比，逆流BAF在波动氨氮负荷下展现出更优越的氨氮（84.49 ± 0.87%）和总氮（50.0 ± 1.65%）去除性能，这主要归功于AOA与AnAOB的协同作用。机制分析表明，群体感应介导的EPS产生（124.33 ± 2.51 mg/gVSS）有效缓解了氧化应激（比顺流BAF低16.9%），同时上调了反硝化相关基因（nirK、hzs、hdh）的表达。这种独特的微环境选择性富集了Nitrosocosmicus属AOA（99.53%）和Candidatus Brocadia属AnAOB（14.96%），通过增强抗氧化能力和种间代谢协调性建立了稳定的协同关系，为OLAND工艺在实际废水处理中的应用提供了关键见解。