在封闭循环过程中，同时对污泥进行有氧稳定处理，并利用螯合剂辅助去除有毒金属

《Water Research》：Simultaneous aerobic stabilisation of sewage sludge and chelator-assisted removal of toxic metals in a closed-loop process

本研究系统评估了14个污水处理厂长期低溶解氧（<0.5 mg/L）运行对硝化动力学、微生物群落结构及氮氧化物（N?O）排放的影响。结果表明，低DO条件下形成以复合氨氧化菌（CMX）和氨氧化古菌（AOA）为主的微生物群落，其氧亲和力（K?值）显著降低，氨去除速率（NH?RR）达最大值的71%-85%，且NO??/NH?RR比值趋近于1，证实CMX主导单步硝化过程。此外，低DO系统N?O排放量较传统高DO系统降低40%-60%，归因于AOB/NOB减少及CMX代谢途径抑制。本研究为低能耗污水处理提供了理论依据。

　　在当前的污水处理技术研究中，一个显著的趋势是通过降低溶解氧（DO）浓度来提高处理效率，同时减少能耗和碳排放。这项研究通过对多个实际运行的污水处理厂（WRRFs）进行分析，探讨了长期低DO操作对硝化速率、微生物群落结构以及氧化亚氮（N?O）生成的影响。研究结果不仅揭示了微生物群落如何适应低DO环境，还为优化污水处理过程提供了新的视角。

### 微生物群落的适应性变化

在传统污水处理厂中，硝化过程主要依赖于氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的协同作用，它们分别将氨（NH??）氧化为亚硝酸盐（NO??），再进一步氧化为硝酸盐（NO??）。然而，随着低DO操作的推广，研究发现某些微生物群落正在发生变化，尤其是以完全氨氧化菌（comammox，CMX）为代表的微生物群体开始占据主导地位。CMX是一类能够将氨直接氧化为硝酸盐的细菌，无需中间产物亚硝酸盐的参与，这使得它们在低DO条件下具有显著优势。

研究结果显示，在长期处于低DO环境的污水处理厂中，CMX的相对丰度显著增加，而传统AOB和NOB的丰度则相应减少。例如，在DO浓度低于0.5 mgO?/L的系统中，CMX的相对丰度可达到66%，而AOA（氨氧化古菌）也表现出较高的存在比例。相比之下，在常规高DO系统中，AOB和NOB通常占据主导地位，而CMX和AOA的丰度较低。这种微生物群落的转变不仅影响了硝化过程的路径，还对整个系统的氮去除效率产生了深远影响。

值得注意的是，CMX和AOA在低DO环境中的高丰度可能与其较高的氧亲和力有关。在传统高DO系统中，AOB和NOB的氧亲和力较高，导致它们在氧气供应充足时更为活跃。然而，当DO浓度下降时，这些微生物的活性会受到抑制，而CMX和AOA由于其较低的氧亲和力，能够在低DO条件下维持较高的代谢效率。这种现象表明，微生物群落的适应性变化可能是通过“动力学选择”（kinetic selection）实现的，即在低DO条件下，那些具有较低氧亲和力的微生物更容易生存和繁殖，从而逐渐取代传统群落。

### 硝化过程的优化与效率提升

研究还发现，低DO操作在一定程度上可以提升硝化过程的效率。在传统高DO系统中，硝酸盐生成速率与氨去除速率的比值约为0.78，这反映了NOB的生长速率低于AOB。然而，在低DO条件下，这一比值接近1.0，表明几乎所有的氨去除都直接转化为硝酸盐，没有明显的亚硝酸盐积累。这一现象支持了CMX在低DO系统中作为主要硝化菌的假设，因为CMX能够在一个微生物中完成完整的氨氧化过程，而不需要依赖于AOB和NOB的协同作用。

此外，研究还评估了不同DO浓度下微生物群落的适应能力。通过将微生物样本置于不同DO条件下进行批次测试，研究人员发现，长期处于低DO环境的微生物群落具有更高的硝化效率。在低DO设施中，即使在DO浓度非常低的情况下（如0.2 mgO?/L），氨去除速率仍然能够维持在一个较高的水平，这表明这些微生物已经具备了对低氧条件的适应能力。这种适应性不仅体现在氮去除效率上，还表现在微生物对DO变化的响应速度和稳定性上。

### 对N?O排放的影响

除了对硝化过程的影响，低DO操作还对N?O的排放产生了积极影响。N?O是一种强效温室气体，其全球变暖潜能是CO?的约300倍。在传统高DO系统中，N?O的产生主要通过两种途径：一是AOB在氧化氨的过程中产生副产物，二是AOB在缺氧条件下进行反硝化作用，将亚硝酸盐还原为N?O。然而，研究发现，在长期处于低DO环境的系统中，N?O的排放量显著减少。

这可能与微生物群落的变化有关。由于CMX和AOA在低DO条件下占据主导地位，它们对N?O的生成路径可能与传统AOB和NOB不同。CMX和AOA的代谢过程可能减少了N?O的产生，尤其是在没有亚硝酸盐积累的情况下。此外，低DO条件下AOB和NOB的丰度较低，这进一步限制了N?O的生成。因此，低DO操作不仅有助于提高氮去除效率，还能有效减少温室气体排放，从而提升污水处理的环境效益。

### 实际应用与挑战

尽管低DO操作在理论上具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，低DO条件下微生物的生长速率可能较低，这要求污水处理厂在设计时考虑较长的污泥停留时间（SRT）以维持足够的生物量。然而，研究发现，许多污水处理厂在低DO条件下仍能维持较高的硝化效率，无需显著增加SRT。这表明，低DO操作可能在不牺牲处理效果的前提下，实现更高的能效。

其次，低DO操作可能会影响污水处理厂的澄清能力。由于低DO条件下微生物的活性可能受到限制，处理系统需要更精细的控制和管理，以确保出水水质达标。此外，不同污水处理厂的运行条件（如进水水质、温度、处理规模等）可能对微生物群落的适应性产生影响，因此在推广低DO操作时，需要根据具体情况进行调整和优化。

### 结论与未来研究方向

综上所述，这项研究揭示了低DO操作对污水处理系统中微生物群落结构和硝化过程的深远影响。长期处于低DO环境的微生物群落能够适应并优化其代谢过程，从而在较低的氧气供应下维持较高的氮去除效率。同时，这种适应性变化有助于减少N?O的排放，提升污水处理的环境可持续性。

然而，研究也指出了一些需要进一步探索的问题。例如，CMX和AOA在低DO条件下的具体代谢机制、它们在不同环境条件下的稳定性、以及如何在实际操作中进一步优化低DO系统的性能等。未来的研究可以结合更长时间尺度的监测数据，以及不同地理和气候条件下的实验，以更全面地理解低DO操作的适应性和应用潜力。

此外，随着对低DO操作研究的深入，未来可能会开发出更加高效的污水处理技术，结合低DO条件与先进的微生物调控手段，以实现更高的氮去除率和更低的能耗。这不仅有助于减少污水处理厂的运营成本，还能有效降低其对环境的影响，推动更可持续的水资源管理实践。