《Water Research》：Beyond Traditional Biological Nutrient Removal Limits: Achieving Ultra-Low Effluent Nitrogen via an Anaerobic/Oxic/Anoxic (AOA) Process in a Pilot-Scale System Treating Municipal Wastewater
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低成本高效生物脱氮工艺研究：建立100m3/日AOA中试系统，运行335天实现TN<1.2mg/L，TP<0.3mg/L，去除率分别达97.2%、92.8%、94.1%。通过元基因组分析发现未分类古菌门和变形菌门对内源反硝化起关键作用，该工艺突破传统内硝酸盐循环限制，能耗降低20%，化学药剂用量减少35%。
龚立民|姚丽莎|顾玲燕|曲彦飞|高新杰|王伟康|黄文章|彭永振
深圳市水务与环境集团有限公司，中国深圳518030
摘要
开发低成本、高效率的生物营养物去除（BNR）工艺仍然是污水处理厂（WWTPs）面临的主要挑战。在本研究中，建立了一个处理能力为100立方米/天的厌氧/好氧/厌氧（AOA）中试系统，并使用实际的城市污水连续运行了335天。在没有外部碳源添加的情况下，该系统实现了平均出水总氮（TN）浓度为1.2毫克/升，其中90%的浓度低于1.8毫克/升。总磷（TP）和化学需氧量（COD）的去除效率分别达到了92.8%和94.1%。充足的进水有机负荷（C/N比为8.6）以及极低的硝酸盐浓度使得厌氧区能够有效储存碳。好氧区的精确曝气控制保持了较低的残余铵浓度，从而减少了内部碳源的消耗。因此，AOA系统中的厌氧区充分利用了内部碳源进行反硝化作用，从而实现了超低的总氮出水浓度。宏基因组分析显示，多种未分类的微生物，如未分类的Saccharimonadales、未分类的Saprospiraceae和未分类的Myxococcales，编码了完整的Gly和聚羟基烷酸（PHA）代谢以及反硝化基因，可能参与了内源性反硝化过程。AOA系统通过消除内部硝酸盐循环克服了传统工艺的氮去除限制，同时减少了化学药剂的使用和能源消耗。这一发现为下一代污水处理厂提供了一种可扩展、节能且经济可行的策略，以满足日益严格的排放标准。
引言
随着全球工业化和城市化的快速发展，人类活动从根本上扰乱了自然氮循环（Shen等人，2025年）。氮循环的不平衡被认为是全球气候变化、生物多样性丧失和水污染的关键驱动因素。过量的氮排放导致了广泛的富营养化，进而引起了水质恶化、水生生态系统破坏以及可持续用水和饮用水安全的风险（Yu等人，2019年）。为了减轻水生环境中的氮污染，各地区对污水处理厂（WWTPs）实施了越来越严格的排放标准（Mokhayeri等人，2009年；Preisner等人，2020年）。然而，目前的氮排放限制通常仍高于可能导致水生系统富营养化的总氮（TN）阈值浓度（0.5 - 1.2毫克/升）（Liao等人，2024年；Omar等人，2024年）。进一步收紧这些标准可能是未来发展的方向。
二次生物处理通常用于污水处理厂以去除氮和磷，其中预反硝化是最广泛采用的方法（Wu等人，2019年）。典型的配置包括厌氧/好氧/厌氧（AAO）工艺、氧化沟和多级厌氧/好氧（A/O）工艺。然而，预反硝化工艺的氮去除效率受到硝化液内部循环的限制，导致出水中不可避免地含有硝酸盐（Gao等人，2020年；Shi等人，2025年）。即使在有机碳充足的有利条件下，实现超过85%的总氮去除率仍然具有挑战性（McCarty，2018年）。先进的三级处理技术，如微滤、反渗透或反硝化过滤器，已被引入污水处理厂以进一步提高氮和磷的去除效率（Cheng等人，2023年；Preisner等人，2020年；Zielińska和Bu?kowska，2025年）。然而，这些额外设施显著增加了处理成本和碳排放风险（Cheng等人，2024年）。因此，优化二次生物处理工艺以提高氮去除效率仍然是一个紧迫且重要的研究方向。
反硝化过程在硝化之后进行，理论上在碳源充足的情况下可以实现98 - 99%的总氮去除率（McCarty，2018年）。已经提出了厌氧/好氧/厌氧（AOA）工艺，该工艺通过利用厌氧区内的内部碳实现了先进的氮去除效果（Gao等人，2020年；Liu等人，2013年）。使用碳氮比（C/N = 3 - 5）较低的城市污水，AOA工艺在没有添加外部碳源的情况下实现了超过85%的总氮去除率（Gao等人，2020年；Gao等人，2022年；Wu等人，2025年）。此外，该工艺在曝气方面具有节能潜力，减少了多余污泥的产生，并降低了N2O的排放（An等人，2024年；Gao等人，2022年）。这些优势使其成为一种有前景且环保的氮去除技术。然而，其在实际废水条件下的性能极限、作用机制及其相对于传统工艺的优越性背后的关键因素尚未得到充分理解。
在本研究中，使用实际的城市污水，在有利的温度和相对较高的进水有机负荷条件下建立了一个中试规模的AOA系统。该系统连续运行了近一年，以研究AOA工艺的氮去除极限。监测了不同功能区中污染物和内部碳源浓度的变化，以阐明氮和磷的去除机制。此外，通过高通量测序和宏基因组分析揭示了微生物群落的演替，并识别了关键的功能性微生物。最后，明确了AOA工艺在氮和磷去除方面的最终性能和极限条件，并探讨了其相对于传统工艺的优越性能背后的可能机制。
部分摘录
中试规模AOA工艺的实施
如图1所示，构建了一个处理能力为100立方米/天的中试规模AOA系统。生物反应器沿流动方向分为厌氧区、好氧区和厌氧区，体积比为2:2:4。建立了双污泥循环系统，其中来自二次沉淀池的污泥分别回流到厌氧区和厌氧区的前端。回流污泥的波动率相等，占进水的75%
AOA中试系统的营养物去除性能
图2显示了中试规模AOA系统的长期营养物去除性能。在系统运行的前五天内，COD、TN和TP的去除效率保持在相对较高的水平，并呈现出逐渐上升的趋势。这些结果表明，使用来自传统多级A/O工艺的活性污泥进行接种促进了AOA系统的快速启动。Gao等人在他们的中试规模AOA系统中也报告了类似的结果
结论
一个处理能力为100立方米/天的中试规模AOA系统成功运行了335天，实现了平均出水TN和TP浓度分别为1.2毫克/升和0.3毫克/升。这提供了一种节能且成本效益高的策略，用于提高城市污水处理设施中的生物营养物去除效果。主要结论如下：
•厌氧区充足的内部碳储存与最小的内部碳消耗相结合
未引用的参考文献
Gao等人，2024b；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年
CRediT作者贡献声明
龚立民：项目管理和资金获取。姚丽莎：监督、资源管理。顾玲燕：监督、资源管理、项目管理、调查、资金获取。曲彦飞：数据分析、数据整理、概念构思。高新杰：写作——审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。王伟康：可视化处理、软件应用、资源管理、方法论。黄文章：验证、方法论、数据分析。彭永振：可视化处理、监督
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了京津冀地区综合环境管理国家科技重大项目（2025ZD1203701）和北京市博士后工作计划（2025-ZZ-50）的支持。
