玉米芯缓释碳源在低C/N废水处理中对异养硝化作用和好氧反硝化过程的强化作用

《Journal of Environmental Management》：Enhancement role of corncob slow-release carbon source on heterotrophic nitrification and aerobic denitrification process in low C/N wastewater treatment

本研究针对低C/N条件下异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）效率受限的问题，引入玉米芯慢释放碳源（CSC），通过对比反应器系统分析其碳释放特性对HN-AD代谢通路及菌群功能的影响。结果表明，CSC显著提升总无机氮去除率（77.32%±3.31%），促进关键功能基因（haoA、haoC、napA）表达倍增，并通过增强电子传递系统（ETS）活性提高HN（1.73倍）和AD（0.55倍）代谢效率，为低C/N废水处理提供新策略。

　　

Xin-Yu Gu|You-Wei Cui|Yuan Sui|Jia-Ying Li|Ming-Xin Su|Ze-You Lu|Rui-Chun Yang

国家先进城市废水处理与回用技术工程实验室，北京工业大学，北京，100124，中国

摘要

异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）是一种创新的生物工艺，它结合了异养硝化（HN）和好氧反硝化（AD），在好氧条件下同时去除氮和有机物。然而，其严格的异养特性对碳源的需求较高，这限制了其在低碳氮比（C/N）条件下的功能效果。为了解决这种对异养细菌获取氮代谢底物竞争力的抑制作用，本研究引入了玉米芯缓释碳源（CSC），并建立了一个对比反应器系统，以研究其在低C/N条件下对氮去除途径及参与HN和AD的功能微生物群的影响。系统中的水解细菌改善了CSC的碳释放，高生物可利用性的碳源显著减少了中间产物的积累，同时将总无机氮去除效率从26.34 ± 5.73%提高到77.32 ± 3.31%。定量分析显示关键HN-AD功能基因显著上调，其中haoA、haoC和napA的表达水平分别增加了1.01倍、2.97倍和13.64倍。相应地，CSC的添加使HN活性提高了1.73倍，AD活性提高了0.55倍，并使具有HN和AD功能的微生物相对丰度增加了1.70倍。CSC在低C/N条件下增强HN和AD代谢活性的作用可能是由于电子传输系统的上调，这为氮去除提供了竞争优势。本研究阐明了CSC在低C/N条件下增强HN和AD的机制基础，为推进碳限制废水处理系统中的高效氮去除技术提供了新的见解。

引言

传统的生物氮去除依赖于两个关键过程：自养硝化（AN）和厌氧反硝化（AnD）。自养硝化细菌（ANB）和厌氧反硝化细菌（AnDB）对氧的耐受程度不同，因此需要在处理系统中将好氧区和厌氧区进行空间和时间上的分离（Li等人，2024b）。此外，AN和AnD对碳源的不同需求增加了操作复杂性（Li等人，2025）。最近，发现了新的异养硝化细菌（HNB）和好氧反硝化细菌（ADB），这些细菌能够在好氧条件下直接利用硝化中间产物进行反硝化，从而解决了传统氮去除系统的关键限制（Lin等人，2022；Song等人，2021）。好氧反硝化（AD）经常与异养硝化（HN）同时发生，从而发展出了异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）这一先进的生物氮去除技术（Zou等人，2023）。在好氧条件下，HN-AD利用有机碳代谢产生的一部分电子进行氨氧化，剩余的电子用于驱动反硝化（Bian等人，2022）。与传统处理方法相比，HN-AD减少了包括硝酸盐（NO₃^?-N）和亚硝酸盐（NO₂^?-N）在内的中间氮物种的积累，以及基础设施成本和操作复杂性。这些特点突显了HN-AD作为现代生物技术解决方案在氮修复方面的巨大潜力（Hu等人，2023）。

目前，工业废水、生活污水在 urban sewer 系统中的混合以及雨水的稀释作用显著降低了废水处理厂的进水有机强度，导致典型的低碳氮比（C/N）（<5）（Yin等人，2024）。统计分析显示，中国废水处理厂的平均进水化学需氧量（COD）浓度为260 mg/L。某些南方处理厂的数值低于200 mg/L（Feng等人，2024）。异养细菌依赖有机碳作为代谢活动的能量和电子来源（Wang等人，2023）。有机碳不足限制了HN-AD细菌的生长和代谢能量摄取，降低了它们在硝化过程中对ANB在氧气和底物方面的竞争力，并影响了反硝化过程中中间产物的去除（Li等人，2024b；Pan等人，2020；Sui等人，2024）。在之前的研究中，充足的有机碳（C/N = 6和12）提高了HN的氨氧化速率，而C/N为3时，主导途径转变为AN（Zou等人，2023）。在一个接种了HN-AD细菌Stenotrophomonas maltophilia DQ01的移动床生物膜反应器中，将C/N从7.5降低到5.6和3.7后，由于碳的缺乏，NO₂^?-N的积累分别从3.71 ± 1.40 mg/L增加到14.82 ± 4.21 mg/L和23.25 ± 2.19 mg/L（Jia等人，2020）。中国废水处理厂的低C/N特性直接影响了HN和AD的效率，限制了HN-AD的发生。

有机碳源是细胞结构的基本组成部分，为HN-AD细菌的代谢提供能量，并作为HN和AD过程的电子供体。低分子量有机化合物，如葡萄糖、醋酸钠、甲醇和醋酸，常被选为支持异养反硝化的传统生物质碳源（Li等人，2024a）。尽管这些传统碳源存在高剂量成本、难以控制剂量和反应速度过快的问题，但目前它们仍然是HN-AD的主要选择。天然固体碳源，如农业废弃物，因其低成本和持续稳定的释放而受到关注（Liu等人，2022）。玉米芯是一种常见的农业废弃物，含有大量的多糖、纤维素和半纤维素，可以为异养细菌提供缓释的有机碳源（Zheng等人，2023）。对玉米芯和其他农业废弃物（如芦苇秸秆、丝瓜络、花生壳）的碳释放能力进行比较分析后发现，玉米芯表现出良好的性能（Feng等人，2023；Long等人，2023）。目前，玉米芯在废水处理中的应用旨在提高由于废水低C/N引起的低氮去除效率。据报道，添加玉米芯可使TN去除效率提高24%（Huang等人，2020）。经过碱处理后应用玉米芯，TN去除效率达到了90.1%（Liu等人，2022）。迄今为止，尚无通过添加玉米芯来富集HN-AD细菌以实现HN-AD的研究。目前尚不清楚玉米芯的碳释放特性是否能在低C/N条件下为HN-AD细菌提供有利的生长条件。此外，HN-AD过程需要将有机碳代谢产生的电子高效转移到电子传输系统（ETS）中，以驱动铵的氧化和氮氧化物的还原（Hu等人，2023）。尽管电化学证据表明玉米芯可以提高整体电子转移速率，但ETS内部的调控机制仍不清楚（Li等人，2024c）。玉米芯是否可以通过影响HN-AD细胞内的电子流动来调节HN-AD的代谢活性，还需要进一步研究。

在本研究中，采用对比反应器方法来研究玉米芯缓释碳源（CSC）对低C/N系统中氮转化过程及参与HN和AD的关键微生物群的影响。全面评估了CSC的碳释放特性和利用潜力，随后研究了它们对低C/N系统中HN和AD活性的影响。通过系统地研究氮代谢和ETS酶活性，我们探讨了CSC释放、氮代谢过程和ETS调控之间的内在联系。这些发现为开发低C/N废水处理的高效反硝化技术提供了实际见解。

部分摘录

玉米芯缓释碳源球的制备

玉米芯来自中国河南省南阳市的一个农村地区。这些玉米芯被切成大小均匀的小块（5–6 mm³）。随后，将这些碎片与预先清洗并干燥的惰性石头（中国南京）结合，并封装在多孔生化球中（中国广州），形成CSC。市售球体的直径范围为26至76 mm。考虑到所使用的SBR直径为120 mm，选择了26 mm的球体以便于操作

CSC的碳释放特性和利用

通过溶解和自水解，比较了CSC的碳释放情况与R1中水解细菌的碳释放情况（图2a）。在C1和E1中，COD释放量在3天内达到峰值，之后逐渐下降并在第10天达到平衡。这种释放模式反映了可溶性有机物的初始溶解，随后是难降解大分子的缓慢释放（Liu等人，2022）。基于这种释放特性，实施了10天的更换周期

结论

在本研究中，CSC有效增强了低C/N条件下废水中的HN和AD过程。对比反应器实验表明，添加CSC使HN活性提高了1.73倍，AD活性提高了0.55倍。此外，参与HN-AD过程的细菌相对丰度增加了1.70倍。这种增强与ETS酶的上调密切相关，这可能促进了HN和AD代谢的增强

CRediT作者贡献声明

Xin-Yu Gu：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。You-Wei Cui：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源获取、方法论、资金获取、概念化。Yuan Sui：验证、调查、数据管理。Jia-Ying Li：方法论、调查、数据管理。Ming-Xin Su：方法论、数据管理。Ze-You Lu：方法论、数据管理。Rui-Chun Yang：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52170064和5187081023）的财政支持。