Anammox-移动床生物膜反应器的数据驱动优化：对Anammox过程稳定性和性能的洞察

《Bioresource Technology》：Anammox-Moving Bed biofilm reactor Data-Driven optimization: Insights into anammox process stability and performance

本研究优化了anammox-MBBR反应器的关键运行参数，在COD 350 mg/L、NH4+ 55 mg/L、HRT 12 h时，COD和TN去除率稳定在90%左右。低COD时anammox主导（最高92.2% TN去除），高COD则反硝化为主（anammox贡献<5%）。微生物分析显示Candidatus Brocadia占14.1%，间歇曝气加速了微生物群落稳定。

　　本研究围绕一种名为Anammox-Moving Bed Biofilm Reactor（即厌氧氨氧化-移动床生物膜反应器，简称anammox-MBBR）的新型污水处理技术展开，重点评估其在不同有机负荷和水力停留时间（HRT）条件下的氮和有机物去除效率。该研究的背景源于全球范围内对可持续污水处理技术的需求日益增长，尤其是在应对气候变化带来的环境压力和资源浪费问题时，传统污水处理方法因能耗高、污泥产量大而受到挑战。相比之下，anammox过程以其低能耗、低污泥生成量的优势，成为近年来研究的热点。然而，该技术在实际应用中仍面临诸多挑战，例如如何在复杂水环境中维持其活性，以及如何有效调控其与其他微生物群落之间的竞争关系。

anammox是一种由特定微生物介导的生物化学反应，能够直接将铵（NH??-N）和亚硝酸盐（NO??-N）转化为氮气（N?），而硝酸盐（NO??-N）则作为次要产物。这一过程不仅显著降低了污水处理所需的能耗，还减少了污泥的产生，从而符合当前环保和资源循环利用的趋势。然而，anammox微生物对环境条件极为敏感，其活性受到多种因素的影响，包括pH值、温度、溶解氧水平以及有机物浓度等。尤其是在处理含有较高有机负荷的污水时，异养反硝化菌的生长可能会抑制anammox的活性，从而影响整体的氮去除效率。

本研究通过调整不同的操作参数，如化学需氧量（COD）、铵氮浓度（NH??-N）以及水力停留时间（HRT），系统地评估了anammox-MBBR在处理家庭污水中的性能。实验结果显示，当COD浓度较低时，例如250?mg/L，anammox的去除效率达到最高，为92.2%。此时，氮的去除率也表现良好，表明在低有机负荷条件下，anammox微生物能够更有效地发挥其作用。然而，当COD浓度增加至450?mg/L时，反应器内的反硝化过程逐渐占据主导地位，anammox的贡献率则下降至5%以下。这说明在高有机负荷条件下，异养反硝化菌的活动会显著增强，从而削弱anammox的效果。

为了确保反应器的稳定运行，研究团队特别关注了COD和NH??-N的平衡。实验发现，在COD浓度为350?mg/L、NH??-N浓度为55?mg/L、HRT为12?h的条件下，反应器能够实现COD和TN去除效率的稳定，均保持在约90%的水平。这一操作窗口的确定，为实际应用中如何调控反应器参数提供了重要的参考依据。此外，研究还通过微生物群落分析，确认了Candidatus Brocadia菌在反应器中的相对丰度较高，这进一步支持了anammox过程在该反应器中的主导地位。

值得注意的是，研究中采用了间歇曝气的方式，以模拟实际污水处理过程中可能出现的厌氧和好氧交替环境。这种操作策略不仅有助于促进anammox微生物的生长和活性，还加速了微生物群落的适应过程，使得反应器在较短时间内达到稳定状态。相比以往研究中报告的较长启动时间，本研究的反应器表现出更快的微生物适应能力，这可能是由于间歇曝气策略的引入，使得反应器内的环境变化更加可控，从而促进了微生物群落的多样化和功能优化。

在污水处理技术的发展过程中，MBBR作为一种高效的生物膜反应器，因其良好的生物附着能力和对环境波动的适应性而受到广泛重视。MBBR通过提供具有较大比表面积的生物载体，使得微生物能够在反应器内形成稳定的生物膜，从而提高处理效率。然而，如何在实际应用中进一步优化MBBR的性能，特别是在处理高有机负荷污水时，仍然是一个亟待解决的问题。本研究通过系统的实验设计，探索了不同COD、NH??-N和HRT条件下anammox-MBBR的运行特性，为优化该技术提供了新的思路和方法。

研究还强调了anammox-MBBR在处理家庭污水中的独特优势。家庭污水通常含有较高的有机物浓度，而传统的污水处理技术往往需要大量的化学药剂和能源投入。相比之下，anammox-MBBR能够在较低的能耗下实现高效的氮去除，同时减少污泥的产生。这一特性使其在城市污水处理和农村分散式污水处理系统中具有广阔的应用前景。此外，通过结合其他污水处理技术，如微生物燃料电池（MFC），可以进一步提升系统的综合性能，实现氮去除与能源回收的双重目标。

在实际应用中，anammox-MBBR的运行稳定性是其推广的关键因素之一。由于anammox微生物生长缓慢，对环境条件的变化极为敏感，因此在设计和操作反应器时，必须充分考虑这些因素。本研究通过实验验证了在特定的COD和NH??-N浓度范围内，以及合适的HRT条件下，anammox-MBBR能够实现稳定的运行状态。这种稳定性的实现，不仅依赖于反应器本身的结构设计，还与操作策略密切相关。例如，通过调整曝气频率和时间，可以有效控制反应器内的氧气水平，从而优化anammox和反硝化过程的协同作用。

此外，研究还揭示了COD浓度对anammox微生物活性的影响机制。当COD浓度较低时，anammox微生物能够更有效地利用亚硝酸盐作为电子受体，从而提高氮去除效率。然而，当COD浓度升高时，异养微生物的活动会增强，导致反应器内的竞争加剧，从而抑制anammox的生长和活性。因此，在实际操作中，需要根据污水的有机负荷情况，合理调控COD浓度，以确保anammox过程的高效运行。同时，HRT的调整也对反应器的性能产生重要影响。较长的HRT有助于微生物的充分生长和代谢，但同时也可能增加运行成本。因此，找到一个合适的HRT范围，使得反应器在保证处理效率的同时，降低能耗和运行成本，是优化该技术的重要方向。

微生物群落的分析结果进一步支持了这些发现。研究显示，Candidatus Brocadia菌在低COD条件下表现出更高的相对丰度，这表明该菌种在anammox过程中起着核心作用。同时，异养反硝化菌的相对丰度随着COD浓度的增加而上升，这与实验中观察到的氮去除效率的变化趋势相吻合。这些结果表明，在污水处理过程中，微生物群落的组成和活性是影响处理效果的重要因素，因此在优化反应器运行参数时，必须充分考虑微生物之间的相互作用。

本研究的创新之处在于，它不仅系统地评估了anammox-MBBR在处理家庭污水中的性能，还提出了一个综合的优化框架，以平衡有机负荷和氮去除效率。这一框架有助于指导实际工程中如何选择合适的反应器参数，以实现高效的污水处理。此外，研究还强调了间歇曝气策略在提升反应器性能中的作用，这为未来的污水处理技术开发提供了新的思路。

在可持续发展和环境保护的背景下，anammox-MBBR技术的推广和应用具有重要意义。它不仅能够有效降低污水处理的能耗和污泥产量，还能减少温室气体排放，从而为实现低碳环保的污水处理目标做出贡献。然而，要实现这一技术的广泛应用，还需要进一步解决其在实际运行中的稳定性问题。例如，如何在高有机负荷条件下维持anammox微生物的活性，以及如何优化反应器的结构设计以提高其处理能力，都是未来研究需要关注的重点。

总的来说，本研究通过系统的实验和分析，为anammox-MBBR技术在家庭污水处理中的应用提供了重要的理论支持和实践指导。它揭示了COD、NH??-N和HRT等关键参数对反应器性能的影响，确定了一个稳定的运行窗口，并通过微生物群落分析进一步验证了这些参数的重要性。这些发现不仅有助于优化现有污水处理系统，还为开发新型、高效的污水处理技术奠定了基础。未来的研究可以在此基础上，进一步探索anammox-MBBR与其他处理技术的结合方式，以及如何通过调控微生物群落来提升处理效率，从而推动污水处理技术的持续创新和应用。