缩短序批式反应器缺氧进料时间实现异养硝化-好氧反硝化菌群高效富集：进料模式效应与机制解析

针对异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌群在活性污泥中丰度低、实际应用受限的问题，研究人员通过调控序批式反应器(SBR)进料模式（缺氧10 min vs. 1 min vs. 好氧进料），发现缩短缺氧进料时间可显著提升总无机氮(TIN)去除率（88.42±4.00%）并富集HN-AD功能菌（Comamonadaceae相对丰度达13.90%），揭示了碳源竞争是调控菌群结构的关键机制，为污水厂低碳脱氮提供了新策略。

　　

在污水处理领域，传统生物脱氮依赖自养硝化（Autotrophic Nitrification）和缺氧反硝化（Anoxic Denitrification）的串联反应，存在流程复杂、能耗高且占地面积大等瓶颈。异养硝化-好氧反硝化（Heterotrophic Nitrification-Aerobic Denitrification, HN-AD）技术的出现打破了这一局限——它能在单一好氧反应器中同步完成NH₄⁺-N转化与有机质降解，兼具节能降耗和简化工艺的优势。然而，活性污泥中HN-AD功能菌的自然丰度通常不足1%，严重制约其工程应用。现有富集方法如提高碳氮比（C/N）或盐度冲击虽有效，但会改变水质参数、增加运行成本，甚至影响系统稳定性。如何在不扰动水质的前提下实现HN-AD菌群的高效富集，成为推动该技术落地的关键科学问题。

针对这一挑战，北京某研究团队创新性地将目光投向序批式反应器（Sequencing Batch Reactor, SBR）的进料模式调控。传统SBR工艺通常在缺氧条件下进料，残留的NO₃^?-N会促使反硝化菌优先消耗有机碳源，导致后续好氧阶段HN-AD菌因"缺粮"而生长受抑。研究人员提出假说：通过缩短甚至消除缺氧进料时间，可能改变碳源分配格局，从而为HN-AD菌创造竞争优势。这一设想在《Journal of Environmental Management》发表的研究中得到了验证。

研究团队设计了3组对比实验：R₁（缺氧进料10 min）、R₂（缺氧进料1 min）和R₃（好氧进料）。通过高通量测序（High-throughput Sequencing）、氮平衡分析和化学计量计算（Stoichiometric Calculations），系统评估了不同进料模式对脱氮效能和菌群结构的影响。实验采用合成废水（NH₄⁺-N 80 mg/L，COD 1600 mg/L），接种污泥来自北京某污水厂，确保研究条件可控。

处理性能
当进料模式从R₁的10 min缺氧调整为R₃的好氧进料时，总无机氮（Total Inorganic Nitrogen, TIN）去除率从53.16±7.48%跃升至88.42±4.00%。值得注意的是，R₂仅将缺氧时间缩短至1 min，TIN去除率即提升至73.31±5.92%，表明微调进料模式就能显著改善脱氮效果。进一步分析发现，好氧进料完全抑制了反硝化菌对碳源的争夺，使HN-AD菌可利用的COD比例从21.35%激增至70.78%。

菌群结构演变
高通量测序揭示，R₃中HN-AD功能菌相对丰度较R₁提升8.3倍，其中Comamonadaceae（丛毛单胞菌科）以13.90%的占比成为优势菌属。这种菌群更替与碳源分配变化高度吻合：传统反硝化菌如Thauera在R₁中占比12.30%，而在R₃中骤降至1.02%，直观印证了"饥饿效应"对菌群结构的调控作用。

机制解析
研究通过化学计量模型阐明，好氧进料模式下有机质主要流向HN-AD菌的合成代谢（占比61.28%）和能量代谢（占比38.72%），而缺氧进料时反硝化菌会截留78.65%的碳源。这种"碳源争夺战"的胜负直接决定了菌群演替方向。

结论与意义
该研究首次证实，通过简单调整SBR进料模式——缩短缺氧时间甚至采用好氧进料，即可在不改变水质参数的条件下实现HN-AD菌群的高效富集。这一发现具有双重价值：对于现有污水厂，可直接通过优化运行参数提升脱氮效率；对于新建系统，可设计专用富集反应器为连续流工艺提供菌种。相比传统方法，该策略无需额外投加碳源或改变盐度，兼具经济性和普适性，为污水处理的低碳转型提供了关键技术支撑。