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为解决传统生物脱氮（BNR）高能耗、厌氧氨氧化（Anammox）应用受限等问题，研究人员开展纯生物膜系统处理低浓度城市污水的研究。结果显示，系统稳定运行 240 天，脱氮效率达 75.5±3.6% 。该研究为 Anammox 主流应用提供新思路。
论文解读
在环境问题日益严峻的当下，水体富营养化已成为全球关注的焦点。大量含氮、磷等营养物质的污水排放，使得江河湖海 “不堪重负”，藻类疯狂生长，水质恶化，水生生物的生存受到严重威胁。传统的生物脱氮（Biological Nitrogen Removal，BNR）工艺，也就是硝化 / 反硝化过程，虽然在污水处理厂广泛应用，但它就像一个 “耗能大户”，不仅消耗大量能源，还会排放不少温室气体，与当下追求的节能减排、碳中和理念背道而驰。
而厌氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，Anammox）技术，就像是污水处理领域的一颗 “潜力新星”。它能利用厌氧氨氧化菌（Anaerobic Ammonium-Oxidizing Bacteria，AnAOB），以亚硝酸根（NO2–-N）为电子受体，通过完全自养的机制，把氨氮（NH4+-N）转化为氮气（N2）排放到空气中，既环保又高效。可这颗 “新星” 在实际应用中却困难重重。一方面，AnAOB 生长速度极慢，就像 “慢性子”，在污水处理厂中的数量少得可怜，丰度不到 0.03‰ ，对脱氮的贡献通常也不超过 7%。另一方面，AnAOB 所需的 “食物”—— 亚硝酸根供应不足，部分硝化（Partial Nitrification，PN）虽能提供亚硝酸根，但亚硝酸氧化菌（Nitrite-Oxidizing Bacteria，NOB）会和 AnAOB 抢夺 “食物”，想把 NOB 彻底清除简直难如登天。
为了解决这些棘手的问题，北京工业大学的研究人员挺身而出，开展了一项意义重大的研究。他们搭建了一个连续流缺氧 / 好氧（Anoxic/Oxic，A/O）纯生物膜反应器，用它来处理实际的城市生活污水，并且持续运行了 240 天。最终，这项研究取得了令人瞩目的成果：在进水碳氮比仅为 3.2 的情况下，反应器的脱氮效率大幅提升，从最初的 62.6% 一路增长到 75.5% ，Anammox 对脱氮的贡献在 25.1% - 45.3% 之间。这一成果为厌氧氨氧化技术在主流污水处理中的应用开辟了新的道路，有望让污水处理变得更加绿色、高效。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上。
研究人员为开展这项研究，用到了几个关键的技术方法。首先，搭建了连续流 A/O 纯生物膜反应器，用于处理取自北京工业大学某居民区的生活污水。其次，通过长期监测进出水的各项指标，如氨氮（NH4+-N）、总无机氮（Total Inorganic Nitrogen，TIN）、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）等，来评估反应器的脱氮性能。此外，还利用高通量测序和荧光原位杂交 - 激光共聚焦扫描显微镜技术（Fluorescence In Situ Hybridization-Confocal Laser Scanning Microscopy，FISH-CLSM），分析功能微生物群落的变化和相互作用。
下面来看看具体的研究结果：
- 反应器运行与脱氮性能：在反应器运行初期，也就是第 1 - 30 天，前 10 天氨氮无法完全硝化，不过经过 10 天的适应期后，出水氨氮几乎检测不到。但此时出水 TIN 浓度为 19.0±3.3mg/L ，脱氮效率（Nitrogen Removal Efficiency，NRE）仅 62.6±6.7% 。随着运行时间增加，系统逐渐稳定，脱氮效率不断提高。
- 部分反硝化与厌氧氨氧化的强化：研究人员采用了两点进料等策略，显著提高了缺氧生物膜中 AnAOB 的活性，达到 2.0mg N/g MLSS/h。同时，ΔNO3–-N/ΔNH4+-N 的数值表明，反硝化和厌氧氨氧化之间的关系更加平衡。
- 功能微生物群落分析：通过高通量测序发现，“Candidatus_Brocadia” 菌的丰度飙升至 2.6% ，它主要聚集在生物膜内部，对脱氮的贡献率高达 42.5% 。而具有部分反硝化能力的 “Dechloromonas” 和 “Thauera” 菌则更喜欢待在生物膜外层，为 AnAOB 的生长持续供应亚硝酸根。
研究结论和讨论部分意义重大。这项研究首次构建了结合部分反硝化和厌氧氨氧化的连续流纯生物膜系统来处理实际城市污水。优化运行参数和采用两点进料模式，有效提高了缺氧区硝酸盐和有机物的可利用性，从而提升了部分反硝化 / 厌氧氨氧化（PD/A）系统的性能。即使在进水 COD/TIN 较低的情况下，也实现了脱氮效率的显著提升。这一成果为厌氧氨氧化技术在主流污水处理中的大规模应用提供了有力的理论支持和实践依据，未来有望在污水处理厂推广应用，助力解决水体富营养化等环境问题，让我们的水环境更加清洁、美好。
