反硝化除磷生物工艺中氧化亚氮生成机制与组学指导的过程模型研究

为解决污水处理过程中氧化亚氮(N2O)过量排放问题，西北大学团队通过运行反硝化除磷(DPR)反应器，结合16S rRNA扩增子测序和宏基因组分析，揭示了不同碳源下Candidatus Accumulibacter等微生物的完整/截断反硝化途径特征，并建立组学指导的过程模型，为优化低碳氮比污水处理工艺提供理论依据。

　　

污水处理行业正面临减排温室气体与降低能耗的双重挑战。氧化亚氮(N₂O)作为强效温室气体，其全球增温潜势是二氧化碳的300倍，而污水处理厂贡献了美国约5%的N₂O排放。尽管反硝化除磷(DPR)等低碳工艺能节约能源，但使用亚硝酸盐(NO₂^?)作为电子受体时，N₂O排放量可能远超传统工艺，使得其环境效益变得模糊。尤其当系统引入葡萄糖等非挥发性脂肪酸碳源时，微生物群落动态与N₂O生成机制更趋复杂。

为破解这一难题，美国西北大学(Northwestern University) Civil and Environmental Engineering系的McKenna Farmer团队设计了一项历时830天的研究。通过运行耦合好氧-缺氧氮氧化物分解与除磷(CANDO+P)序批式反应器，结合多组学分析和数学建模，系统揭示了不同碳源条件下DPR系统中N₂O的生成规律。该成果发表在《Water Research X》期刊，为优化污水处理工艺提供了重要理论工具。

研究人员采用三项关键技术：1) 序批式反应器长期运行监测营养盐与N₂O动态；2) 16S rRNA扩增子测序和宏基因组测序解析微生物群落；3) 基于宏基因组数据的反硝化过程数学模型构建。反应器接种自Stickney污水处理厂污泥，先后采用乙酸、丙酸和葡萄糖等不同碳源培养。

2.1 反应器性能与葡萄糖投加的影响
当反应器同时投加丙酸和葡萄糖时，N₂O产量高达进水氮的50%，产速达0.96±0.36 mgN₂O-N/gVSS/h。转为纯葡萄糖投加后，N₂O产率降至0.25 mgN₂O-N/gVSS/h，同时除磷效率从波动状态提升至99%。这表明碳源类型显著影响N₂O排放，葡萄糖单独投加反而更有利于系统稳定。

2.2 反硝化菌群特征解析
宏基因组分析显示优势菌Ca. Accumulibacter具有完整反硝化途径(NO₂^?→N₂)，而糖原积累菌(GAO)如Defluviicoccus和Ca. Competibacter则存在截断途径（缺失nosZ或norBC基因）。值得注意的是，在Ca. Accumulibacter基因组中检出葡萄糖激酶基因(glk)，证实其可直接利用葡萄糖进行除磷，这打破了传统认为聚磷菌仅依赖挥发性脂肪酸的观点。

2.3 组学指导的过程模型
通过构建包含反硝化聚磷菌(DPAO)、反硝化糖原菌(DGAO)和普通异养菌(OHO)的三种群模型，发现当DGAO和OHO的截断反硝化途径（仅进行NO₂^?→NO或NO₂^?→N₂O）与宏基因组数据匹配时，N₂O预测误差(RMSE=0.68)显著低于假设完整途径的模型(RMSE=2.21)。

这项研究首次系统阐明了葡萄糖驱动下DPR系统的N₂O产生机制，证实Ca. Accumulibacter具有直接葡萄糖代谢能力，并开创性地将宏基因组数据融入过程模型。该成果为污水处理厂在实施低碳工艺时预测和调控N₂O排放提供了重要工具，对实现污水处理碳中和目标具有战略意义。特别是当处理含葡萄糖的食品废水时，研究建议可优先采用单一葡萄糖碳源而非混合碳源，以兼顾除磷效率与温室气体减排。