间歇与连续曝气模式对主流硝化过程性能、底物动态及微生物生态的影响研究

为解决污水处理厂(WWTPs)高能耗及温室气体排放问题，研究人员对比研究了间歇曝气(R1)与连续低曝气(R2)对主流硝化过程的影响。通过调控固体停留时间(SRT)发现，间歇曝气在2.5-8天SRT范围内实现更稳定的氨氧化效率(99±0.13%)，并显著富集Comammox Nitrospira。研究揭示了不同曝气策略下AOB（如Nitrosospira/Nitrosomonas）与NOB（如Nitrospira/Nitrobacter）的生态位分化机制，为优化生物脱氮(BNR)工艺提供理论依据。

　　

在污水处理领域，传统生物脱氮(BNR)工艺因持续高曝气导致巨额能耗，占污水处理厂总能耗的50%。更棘手的是，这种操作模式会加剧温室气体N₂O的排放。尽管已有研究探索低溶解氧(DO)运行策略，但关于不同曝气模式（间歇vs连续）如何影响主流硝化过程的微生物生态与长期性能，仍存在显著知识空白。尤其随着Comammox Nitrospira（完全氨氧化菌）的发现，传统硝化两阶段理论被颠覆，亟需阐明这些新型微生物在不同曝气环境下的响应机制。

哥伦比亚大学研究团队通过对比实验给出了答案。他们设计了两组序批式反应器(SBR)，分别采用间歇曝气(R1)和连续低曝气(R2)，在相同供气量下系统考察SRT从8天逐步降至2.5天时的硝化性能与微生物群落演变。研究发现，间歇曝气不仅维持了99±0.13%的氨氧化效率（显著高于R2的93±4.8%），还塑造了独特的微生物群落结构：R1中Nitrosospira独占AOB生态位，而R2则是Nitrosospira与Nitrosomonas共存；NOB则以Nitrospira为主导，且在R1中检测到更高丰度的Comammox Nitrospira。这些发现揭示了曝气模式通过改变DO动态与底物供给，驱动硝化菌群的生态位分化。

研究采用三项关键技术：1）平行SBR反应器系统，接种相同菌群后分别实施间歇/连续曝气；2）多阶段SRT调控（8/4/2.5天）；3）高通量测序分析微生物群落结构。

操作条件对性能的影响
在SRT=8天的启动阶段，两组反应器均实现完全硝化。当SRT降至4天和2.5天时，R1的氨氧化稳定性显著优于R2，且硝化产物中NO₃^-占比更高。这表明间歇曝气能缓冲SRT缩短对硝化菌群的冲击。

微生物群落响应
间歇曝气促进了K策略菌（如Nitrosospira）与r策略菌（如Nitrosomonas）的共存，而连续低曝气更倾向选择K策略菌。特别值得注意的是，R1中Comammox Nitrospira的相对丰度达到R2的2.3倍，暗示间歇氧波动可能激活其代谢潜能。

生态学机制解析
通过动力学参数比较发现，Nitrosospira的低K_S(底物亲和力)和K_O(氧亲和力)使其在DO波动的间歇环境中占优，而Comammox Nitrospira可能利用间歇期积累的NH₄⁺完成全程硝化。

这项研究首次系统揭示了曝气模式-SRT-微生物功能的耦合关系，证实间歇曝气在能效与处理效能上的双重优势。尽管连续低曝气操作更简便，但其性能波动风险较高。研究为设计下一代低碳BNR工艺提供了关键参数：通过调控曝气策略可定向富集特定功能菌群（如Comammox），同时需权衡操作复杂度与N₂O排放风险。这些发现被发表于《Water Research》，对推动污水处理向"碳中和"目标迈进具有重要指导价值。