低温条件下羟基磷灰石强化单级短程硝化/厌氧氨氧化工艺的长期稳定性、高效脱氮及运行策略研究

针对低温下厌氧氨氧化(AnAOB)活性低、亚硝酸盐积累导致的单级短程硝化/厌氧氨氧化(PNA)工艺性能下降问题，研究人员通过构建羟基磷灰石(HAP)强化颗粒污泥系统，在15°C下运行300天，首次实现0.97 kg/m3 /d的高氮去除率(NRR)，揭示了AnAOB低温适应性机制，提出选择性排泥策略，为寒冷地区污水脱氮提供新技术路径。

　　

在污水处理领域，传统硝化/反硝化工艺存在能耗高、碳源需求大等问题，而基于厌氧氨氧化(Anammox, AnAOB)的单级短程硝化/厌氧氨氧化(PNA)工艺因其低碳耗优势备受关注。然而，AnAOB最适生长温度为30-40°C，在15°C时活性仅为常温的25%，且低温会导致亚硝酸盐积累、污泥沉降性恶化，严重制约该工艺在寒冷地区的应用。以往研究在20°C以下仅能实现≤0.50 kg/m³
/d的氮去除率(NRR)，且难以长期稳定运行。如何突破低温限制，成为推动PNA技术工程化应用的关键难题。

针对这一挑战，某大学研究团队创新性地将羟基磷灰石(HAP)结晶与PNA工艺耦合，构建了HAP-PNA颗粒污泥系统。通过长达380天的实验，首次在15°C条件下实现0.97 kg/m³
/d的高NRR，同步获得91%的除磷效率(PRE)。研究发现HAP颗粒污泥具有优异的低温沉降性能（污泥体积指数SVI低至14 mL/g），并通过选择性排泥策略解决了低温下非功能性微生物过度增殖导致的AnAOB比例下降问题。该成果发表于《Water Research X》，为寒冷地区污水脱氮提供了兼具高效性与稳定性的解决方案。

关键技术方法
研究采用2L气升式连续流反应器，通过调控水力停留时间(HRT，7-11 h)、溶解氧(DO<0.2 mg/L)和钙离子浓度(34-180 mg/L)，分析氮磷去除效能。运用毛细管电泳监测水质指标，通过Arrhenius方程和温度特性模型(CTMI)计算活化能(E_a
)；采用16S rRNA测序解析微生物群落演变；结合颗粒粒径分布、污泥沉降速度(SV₃₀
)等表征污泥特性。

研究结果

2.1 卓越的养分去除性能
系统在15°C、HRT=9 h时实现NRR 1.21 kg/m³
/d，氮去除效率(NRE)达83%。当钙离子浓度提升至180 mg/L时，PRE升至90.9%。值得注意的是，硝酸盐生成比(ΔNO₃
^-
-N/ΔN)稳定在12%，证明成功抑制了亚硝酸盐氧化菌(NOB)。

2.2 低温长期运行下的污泥特性变化
MLVSS从4.2 g/L增至15.1 g/L，但MLVSS/MLSS比从0.62降至0.36，反映HAP结晶增强。颗粒污泥呈现双峰分布（主峰386 μm，次峰105 μm），小颗粒因沉降性差更易流失。

2.3 细菌活性与活化能变化
AnAOB的E_a
从52.35 kJ/mol降至47.79 kJ/mol，最适温度范围拓宽至5-25°C，显示低温适应性进化；而AOB的E_a
保持稳定。AnAOB倍增时间达63天，是AOB的5.7倍，导致两者活性比从25°C的3.5降至15°C的1.8。

2.4 微生物群落演化
Planctomycetota（含AnAOB）占比从41%降至34%，但功能菌种发生更替：耐低温的Candidatus
Brocadia fulgida从0.97%增至7.3%，而Ca
. Kuenenia stuttgartiensis从31%降至21%。异养菌Saprospiraceae从0.2%激增至5.7%，印证低温下EPS产量增加。

讨论与结论
研究揭示了低温影响PNA工艺的三重机制：直接抑制AnAOB活性、间接改变颗粒污泥氧渗透深度（减少厌氧区体积）、以及引发非功能性菌群增殖。通过HAP结晶强化污泥沉降性，结合选择性排放沉降性能差的非HAP颗粒（使SRT从>500天降至100天），成功将AnAOB占比维持在30%以上。

该研究首次证明HAP-PNA系统在15°C下长期运行的可行性，提出的"活性调控+污泥管理"双策略，突破了低温Anammox工程化应用瓶颈。未来可通过优化Ca/P投加比、开发低温优势菌群富集技术，进一步推动工艺在实际污水处理厂的落地应用。