分层生物膜中硝化细菌的空间亚硝酸盐门控效应：短程硝化-厌氧氨氧化系统的内在瓶颈机制

针对主流污水处理中硝化细菌(NOB)抑制难题，本研究通过实验与模型模拟相结合，揭示了分层生物膜中氨氧化菌(AOB)通过空间亚硝酸盐(NO2--N)门控效应主导NOB抑制(贡献率93.08%)的机制，提出5-15 mg/L残余NH4+-N与0.7-1.2 mg/L溶解氧(DO)的优化控制策略，为提升短程硝化-厌氧氨氧化(PN/A)工艺性能提供理论依据。

　　

在追求碳中和的污水处理领域，短程硝化-厌氧氨氧化(PN/A)工艺被誉为"水处理界的革命性技术"，但其在低氨氮(20-50 mg NH₄⁺-N/L)市政污水处理中的应用却长期受困于硝化细菌(NOB)的顽固"搅局"。这些微生物如同不受欢迎的"派对闯入者"，将宝贵的亚硝酸盐(NO₂^--N)进一步氧化为硝酸盐，导致脱氮效率大幅降低。尽管研究者们尝试了低溶解氧、短污泥龄等多种抑制策略，但NOB展现出的惊人适应力使得这些措施在主流污水处理中收效甚微。更棘手的是，现有研究对生物膜内部"微生物战争"的认识仍停留在表面——究竟是氨氧化菌(AOB)的氧气争夺，还是厌氧氨氧化菌(AnAOB)的亚硝酸盐消耗在抑制NOB中起主导作用？这个关键问题直接关系到工艺优化方向的选择。

针对这一科学难题，宁夏自然科学基金资助项目团队开展了一项创新研究。研究人员巧妙地将A²/O工艺的好氧生物膜作为"种子"，在移动床生物膜反应器(MBBR)中仅用100天就成功启动了PN/A系统，并维持了140天的稳定运行。通过结合长期实验监测与多物种生物膜模型模拟，研究团队首次定量解析了生物膜内部的空间竞争格局。实验测得AnAOB和AOB的表观活性分别达到479.35±18.27和914.04±38.2 mg NH₄⁺-N/m²/d，总氮去除效率(TNRE)稳定在60.05±4.01%。研究采用荧光原位杂交(FISH)技术定位微生物分布，结合微电极测量溶解氧梯度，并通过建立包含基质扩散方程的数学模型模拟生物膜内部动态。

长期运行数据揭示，反应器经历明显的两个阶段：启动阶段(1-40天)表现为硝酸盐积累和氨氮去除率提升；稳定阶段(100-240天)形成稳定的氮去除路径。微生物分析显示，Nitrosomonas( AOB)和Candidatus Brocadia( AnAOB)成为优势菌属，而NOB的代表Nitrobacter相对丰度被压制在5%以下。最令人惊讶的发现是，AOB通过消耗溶解氧对NOB抑制的贡献高达93.08±0.68%，而AnAOB的竞争仅贡献6.92%——这一结果彻底颠覆了传统认知。

模型模拟进一步揭开了生物膜内部的"空间战争"：AOB占据最外层富氧区，NOB聚居中间层，AnAOB则蜷缩在最内层缺氧区。这种分层结构导致NO₂^--N在向内部扩散时被NOB"半路截胡"，形成所谓的"空间亚硝酸盐门控"效应。模拟数据显示，NOB所在区域的NO₂^--N浓度比AnAOB区域高2-3倍，这种空间隔离极大限制了AnAOB对NOB的竞争抑制能力。

基于这些发现，研究提出了突破性的操作策略：将残余NH₄⁺-N控制在5-15 mg/L、溶解氧维持在0.7-1.2 mg/L的"黄金区间"，既能保证AOB的活性压制NOB，又可避免过量DO导致NOB复苏。这种"氨氮-氧气协同控制"策略相比传统单一控制参数方法，在保证总氮去除速率(TNRR)的同时，使运行稳定性提升40%。

这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究，首次通过实验与模型的"双轮驱动"定量解析了PN/A生物膜中的竞争机制，揭示了空间限制对微生物竞争的关键影响。研究成果不仅为优化主流PN/A工艺提供了理论基石，更开创了"空间生态位工程"这一生物膜调控新思路。对于每天处理上亿吨污水的中国污水处理厂而言，这项技术的推广应用意味着可降低30%以上的能耗，助力实现"双碳"目标。正如研究者所言："理解生物膜中的空间博弈，就是掌握PN/A工艺未来的钥匙。"