低强度氮条件下通过调控反硝化菌-厌氧氨氧化菌有机共生实现高效短程硝化与厌氧氨氧化

为解决低浓度氮污水(20-60 mg/L)处理中短程硝化(PN)与厌氧氨氧化(Anammox)效率受限的难题，研究人员创新性提出乙酸调控策略，通过生物筛选阶段短期投加乙酸，47天内实现NOB抑制与AnAOB(厌氧氨氧化菌)混养代谢激活，使AnAOB相对丰度稳定在8.6%，氮去除负荷提升至0.38 kg N/(m3·d)，为主流污水低碳处理提供新思路。

　　

随着"双碳"目标推进，污水处理行业亟需突破传统硝化反硝化工艺的高能耗瓶颈。厌氧氨氧化(Anammox)技术因其无需有机碳源和低污泥产率的优势，成为可持续污水处理的明星技术。然而在处理低强度氮污水(20-60 mg/L)时，短程硝化(PN)阶段的亚硝酸盐氧化菌(NOB)难以抑制，且厌氧氨氧化菌(AnAOB)增殖缓慢，导致系统启动周期长达数月。更棘手的是，常规调控手段如低溶解氧(DO)控制往往造成功能菌群失衡，使得主流Anammox应用陷入"启动难、维持难"的困境。

西安建筑科技大学环境与市政工程学院的研究团队独辟蹊径，从微生物互作特性入手，提出"乙酸双效调控"的创新策略。该研究通过短期投加乙酸进行生物筛选，仅用47天就实现了PN-Anammox系统的高效启动与稳定运行，相关成果发表在环境领域顶级期刊《Bioresource Technology》上。

研究采用SBR-厌氧氨氧化反应器串联系统，通过高通量测序、转录组学和EPS组分分析等关键技术，系统解析了乙酸调控下功能菌群的代谢互作机制。在生物筛选阶段(Phase I)，研究人员发现乙酸添加使反硝化菌(DNB)在微氧条件下(DO<0.4 mg/L)优先利用亚硝酸盐(NO₂^--N)，通过"底物竞争"有效抑制NOB活性。qPCR检测显示NOB功能基因nxrB表达量降低62%，而DNB的nirS基因表达提升3.8倍，证实了这种"以菌抑菌"的调控效果。

Partial nitrification performance部分揭示，经过14天生物筛选后，系统亚硝酸盐积累率(SNAR)从初始的23%跃升至89%，且COD去除率稳定在92%以上。值得注意的是，适当浓度的乙酸(30-50 mg/L)不仅未引发异养菌过度增殖，反而通过刺激AnAOB分泌胞外蛋白(增加37%)，构建了有利于菌群共生的微环境。电镜观察显示，生物膜中AnAOB与DNB形成紧密的"菌胶团"结构，这种空间分布促进了种间物质交换。

Microbial community analysis通过16S rRNA测序发现，生物筛选后Candidatus Brocadia相对丰度稳定在8.6%，远高于常规启动方式的5.2%。更令人振奋的是，转录组分析揭示乙酸诱导了AnAOB的混养代谢转换：三羧酸循环相关基因表达上调2.1-4.3倍，而羟胺氧化还原酶(hao)基因簇表达量提升1.8倍。这种代谢重塑使AnAOB能同时利用有机碳和无机氮，解释了系统在低碳氮比条件下的稳定性。

Conclusion部分强调，该研究开创性地通过有机碳精准调控，同步解决了PN启动慢和Anammox不稳定两大难题。工程应用数据显示，优化后系统氮去除负荷达0.38 kg N/(m³·d)，比传统工艺节能30%以上。Yulei Chi等研究者指出，这种"代谢调控-菌群优化-功能强化"的三步调控范式，为推广主流Anammox工艺提供了可复制的技术模板。

这项研究的突破性在于：首次证实低剂量乙酸可同时作为NOB抑制剂和AnAOB代谢激活剂；创建了基于微生物互作特性的"双效调控"理论框架；开发出适用于低浓度污水的高效启动方案。正如Wuangren教授团队所述，该成果不仅推动了污水脱氮技术的革新，更为实现污水处理厂"能源自给"目标提供了关键技术支撑。随着后续中试研究的开展，这项兼具科学价值与应用前景的创新成果，有望引领新一轮污水处理工艺升级浪潮。