通过双厌氧氨氧化途径实现A2/O工艺的可持续强化：一种基于生物膜的两步改造策略

《Journal of Engineering and Technology Management》：Sustainable Intensification of A2/O Process through Dual Anammox Pathways: A Two-Step Biofilm-Based Retrofitting Strategy

本研究提出一种基于生态自组织的双路氨氧化工艺，通过分阶段构建厌氧生物膜实现自增殖氨氧化菌，使总氮去除率提升至80.4%，出水TN达8.2 mg/L，有效解决低碳条件下脱氮达标难题。

　　
该研究针对全球约33%采用厌氧/缺氧/好氧（A2/O）工艺的市政污水处理设施存在的碳限制条件下脱氮效率不足的问题，提出了通过生态自组织机制重构系统功能的技术路径。研究团队通过改造传统A2/O系统，创新性地构建了双厌氨氧化协同作用体系，在无需额外碳源和接种剂的情况下实现了总氮（TN）去除率从54.0%提升至80.4%，最终出水TN浓度稳定在8.2 mg/L以下，满足严格排放标准。

在技术实现层面，研究采用分阶段生物膜构建策略：首先通过预装K3型聚乙烯载体在缺氧区建立以部分反硝化/厌氨氧化（PD/A）为主的功能体系，系统内厌氨氧化菌（AnAOB）丰度达到5.9×10? copies/g SS。这种PD/A生物膜不仅承担了基础脱氮功能，更形成了持续释放AnAOB的动态系统——每天约3.86×10? copies/g SS的AnAOB通过载体脱落进入循环污泥絮体，其数量在好氧区载体表面实现160倍扩增。

关键突破在于揭示了生物膜间跨生境的AnAOB迁移机制。研究证实，PD/A生物膜通过物理结构保护作用和可逆生理耐受机制，成功克服了好氧区溶解氧（DO）浓度升高带来的挑战。当好氧区DO达到5 mg/L时，PN/A路径仍能保持46.4%的厌氨氧化贡献率，这主要依赖于Candidatus Brocadia菌群的氧适应策略：既能在缺氧微环境中进行厌氨氧化，又能在间歇性低氧条件下通过生物膜结构维持菌群活性。

代谢层面的重构表现为系统碳氮比（COD/N≈3）下的自给式氮去除模式。传统A2/O依赖有机碳源维持反硝化过程，而新型系统通过构建PD/A-PN/A双路径，将碳约束转化为驱动机制：缺氧区PD/A过程产生的低浓度硝酸盐（NO??）被AnAOB直接利用，无需依赖外部碳源；好氧区PN/A路径则通过部分硝化产生的NO??实现自循环。这种代谢重构使系统整体能耗降低60%，污泥产量减少90%，符合碳中和目标要求。

生态自组织机制体现在三个维度：首先是动态菌群补给，PD/A生物膜作为AnAOB的"菌种工厂"，通过载体表面附着-脱落循环实现菌群再补给；其次是生境适应性进化，AnAOB发展出双重保护机制——在缺氧区形成致密生物膜结构抵御剪切力，在好氧区通过生理耐受和快速脱落规避高氧冲击；最后是代谢协同优化，双路径系统通过氮素中间产物（NO??）的跨区段传递，形成高效氮素循环网络。

工程应用方面，研究提出模块化改造方案：现有A2/O设施仅需在缺氧区保留载体结构，并在好氧区新增载体模块，通过调整曝气策略（DO波动控制）实现PN/A路径自然形成。这种"零新增设备、零外部碳源"的改造模式，特别适用于处理COD/N<4的低碳污水，在北京市多个污水厂实测中表现出85%以上的TN去除率。

生态学意义在于揭示了废水处理系统中生物膜互作的新机制。传统工程控制侧重于物理环境参数调节，而本方案通过构建PD/A-PN/A双通道，使AnAOB菌群形成跨生境的"代谢接力链"：缺氧区载体作为菌种仓库，循环污泥作为运输通道，好氧区载体构成功能终端。这种生态位分化不仅提升了系统稳定性，更形成了自我维持的生态系统。

研究创新性地将微生物组学分析与传统工程控制结合，通过宏基因组追踪（metagenomic tracking）和1?N同位素示踪（isotopic tracing）技术，证实了Candidatus Brocadia菌群在三个处理单元（缺氧生物膜、循环污泥、好氧生物膜）中的连续存在。特别值得注意的是，菌群在DO>5 mg/L条件下仍能维持46.4%的厌氨氧化贡献，这归功于其独特的氧响应机制：当溶解氧超过临界阈值时，AnAOB通过调整细胞膜脂质组成和能量代谢速率实现快速适应性调节。

该技术路线的推广价值体现在两方面：一是为全球现有A2/O设施改造提供技术范式，据估算可覆盖中国200余座处理能力百万立方米以上的污水厂；二是开创了低碳污水处理的新模式，通过构建AnAOB菌群自循环系统，使单位TN去除的碳减排量达到2.3 kg CO?当量/吨，对实现污水行业碳中和目标具有示范意义。

未来研究可进一步探索：1）在不同碳氮比（COD/N 2-5）条件下的系统适应性；2）菌群氧耐受机制的分子机制解析；3）工程化放大过程中的生物膜稳定性维持策略。这些研究方向将有助于完善该生态自组织技术的理论体系，推动其在工业废水处理等领域的应用拓展。