在碳限制条件下，通过磷回收调控机制增强新型同时硝化、反硝化和除磷系统中的营养物质去除效果

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancement of nutrient removal in a novel simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal system via phosphorus recovery regulation under carbon limited condition

本研究开发了一种序批式生物膜磷回收反应器（SBBPRs），集成同步脱氮除磷（SNDPR）与磷回收（PR），有效缓解低C/N比（5.0和3.0）废水处理中碳源竞争问题。实验表明，SBBPRs的脱氮效率分别达87.7%和69.7%，磷回收率提升至53.7%和57.0%，其机制在于PR通过调控碳源分配增强内源脱氮，并促进Candidatus Competibacter等脱氮菌增殖，同时电子传递能力与关键酶活性显著提高。

　　

曹格|翟思远|牛佳乔|宋金鑫|赵英新

天津大学环境科学与工程学院，中国天津300350

摘要

传统生物营养物去除中的一个关键挑战是有限的有机碳的竞争，当碳资源稀缺时，这会降低反硝化和磷去除的效率。为了克服这一限制，本研究专注于低C/N比的废水，并开发并构建了序批式生物膜磷回收反应器（SBBPRs）。该方法结合了同步硝化、反硝化和磷去除（SNDPR）以及磷回收（PR），减少了碳源的竞争，同时实现了磷资源的回收。与对照组（无PR）相比，SBBPRs的氮和磷去除效率显著提高。在C/N比为5.0和3.0时，氮去除效率分别达到了87.7%和69.7%，磷回收效率分别为53.7%和57.0%。通过对SBBPRs内碳源分布的分析，可以观察到磷回收过程增强了糖原积累生物（GAOs）中的碳源储存，从而加强了内源性反硝化过程，确保了系统的反硝化效率。电子转移能力和酶活性也得到了提升。微生物群落结构的分析显示，在C/N比为5.0和3.0时，反硝化糖原积累生物（DGAO）Candidatus_Competibacter的含量分别增加了31.0%和21.5%，为内源性反硝化提供了保障。同时，微生物Bugbase功能的预测反映了系统的优秀代谢能力。本研究为低碳、高效去除废水中的氮和磷提供了新的见解。

引言

氮和磷是导致水体富营养化的关键营养元素，城市污水是最大的人为污染源之一[1]。在传统的废水生物处理过程中，复杂的微生物群落竞争不同类型的底物，并与环境条件发生冲突。反硝化和磷去除过程都依赖有机碳源作为电子供体[2]。当碳源不足时，反硝化和磷去除过程之间对电子供体的竞争可能导致去除效率下降，最终影响废水处理的效力[3]。然而，当前污水处理厂的C/N比通常小于5.0[4]。补充外部碳源被认为是实现高效氮去除的有效方法，但这将显著增加运营和处理成本[5]。

SNDPR被提出用于同时去除氮和磷，其优势在于减少了氧气和碳的需求[6]。SNDPR微生物群落包括磷酸盐积累生物（PAOs）、糖原积累生物（GAOs）和普通异养生物（OHOs）。在厌氧条件下，GAOs和PAOs竞争碳源，通过糖原分解（Gly）将碳源以聚羟基烷酸酯（PHA）的形式储存起来，而PAOs还通过水解多磷酸盐释放磷[7]。在有氧阶段，氨氧化细菌（AOB）/亚硝酸盐氧化细菌（NOB）介导硝化作用，储存的PHA被分解以再生Gly供PAOs/GAOs使用，PAOs可能将这一过程与磷吸收耦合起来[8]。通过在厌氧条件下增强细胞内碳储存，SNDPR可以有效利用原始废水中的碳源[9]。许多研究证明了SNDPR的优异去除效果[10]，[11]。李等人[12]探索了SNDPR处理低C/N比（3.3-5.0）的生活污水，发现当C/N比为3.9时，同步硝化和内源性反硝化（SNED）效率达到61.6%，TN和TP去除效率分别达到84.3%和91.8%。然而，在C/N比为3.6的连续流移动床生物膜反应器中进行SNDPR时，TN去除效率仅为62.0%[13]。C/N比的进一步降低对SNDPR系统的处理效率造成了显著的限制。

序批式生物膜反应器（SBBR）中的生物膜载体为微生物的附着和生长提供了稳定的环境，有利于降低总悬浮固体浓度并获得优异的处理效果[14]。随着附着生物膜厚度的增加，生物膜的外层形成有氧区域，而内部逐渐变为厌氧区域，这有利于实现SNDPR。赵等人[15]评估了SBBR系统的氮和磷去除效率，微生物分析证实SNDPR在实现系统良好处理效率中发挥了重要作用。然而，在处理低C/N比废水时，反硝化细菌优先利用可生物降解的有机物进行反硝化，导致PAOs释放的磷减少。值得注意的是，足够的磷释放是实现过量磷吸收的前提条件。因此，反硝化细菌和PAOs之间对碳源的竞争限制了氮和磷的有效去除[16]。目前同时硝化、反硝化和磷去除的优化策略主要集中在三个方面：物理结构改进、操作参数优化和微生物强化。物理改进涉及调整载体孔隙率和材料性质以改善微生物附着[17]，[18]；操作优化包括调节水力停留时间和曝气策略[19]，[20]；微生物强化涉及接种功能性细菌[21]，[22]。然而，这些方法并未从根本上解决低C/N比废水处理中反硝化和磷去除之间的碳源竞争问题。

创新的磷回收过程的引入使传统的生物氮和磷去除系统转变为先进的生物营养物储存和回收系统[23]。由于可以从废水中回收磷，因此可以实现提高氮和磷去除效率与磷资源回收的双赢局面。从废水中回收磷的应用包括载体吸附、化学沉淀和强化生物磷去除（EBPR）[24]，[25]，[26]。吸附基于可逆过程（吸附/解吸），常见的吸附材料如氧化铝和氧化镁主要通过物理吸附去除污染物。它们具有多孔结构和较大的比表面积，适用于处理低浓度含磷废水[27]。此外，结合生物和化学机制的磷回收方法表现出优异的性能[28]。顾等人[29]在单一系统中结合了EBPR和化学磷去除，该组合机制系统有效地将出水TP浓度从2.8 mg/L降低到0.1 mg/L。Bah等人[30]展示了通过简单的共沉淀方法结合吸附富集和鸟粪石结晶进行磷回收的可行性。尽管已尝试将磷回收集成到营养物去除系统中[31]，[32]，但在低C/N条件下增强氮去除的潜力尚未得到充分研究，主要是由于现有系统中缺乏针对微生物碳竞争的调控机制。因此，迫切需要开发一种新系统，以更好地评估同时氮和磷去除的有效性，并阐明其背后的协同机制。

本研究开发了一种新的SBBPR系统。该系统旨在使用活性氧化铝作为吸附剂，从低C/N比废水中实现高效的营养物去除和磷回收。将化学磷去除引入生物系统可以大大减轻生物磷去除的负担。同时，通过间接调节微生物碳分布，将稀缺的有机碳导向DGAOs，以增强SNED，并实现磷的回收。进行了全面的研究，以：（i）评估C/N比为5.0和3.0时磷吸附对氮和磷去除效率的协同效应；（ii）分析碳源分布和利用模式；（iii）通过检查电子转移能力、关键酶活性和微生物群落动态来阐明潜在机制。

部分摘录

反应器配置和污泥驯化

开发了四个实验室规模的SBBPRs用于同时去除氮和磷，分为两组对照组（无PR）和两组实验组（有PR）。反应器的示意图见补充材料（图S1）。循环笼（内置活性氧化铝）用于实现PR。反应器配置的详细信息见补充材料（文本S1）。反应器以间歇模式运行，水力

SND的启动阶段

SND启动阶段的性能如图1所示。在阶段I开始时，DO在5.0-6.0 mg/L范围内波动，以实现SND（图1(a)）。初始启动阶段的增强曝气促进了硝化细菌的富集和生长。随着硝化细菌的生长，通过减少曝气实现了同步硝化和反硝化之间的平衡。系统中的总体DO逐渐下降，最终稳定在

结论

本研究表明，将磷吸附和回收与SNDPR过程相结合是克服低C/N比废水处理中碳限制挑战的一种可行策略。关键发现是PR过程减轻了反硝化和生物磷去除之间的碳竞争。这种策略性干预将碳流导向GAOs，从而增强了由内部储存的碳源驱动的内源性反硝化。

CRediT作者贡献声明

曹格：撰写——原始草案、验证、调查、数据管理。宋金鑫：可视化、正式分析。牛佳乔：可视化、软件。翟思远：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。牛佳乔：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。赵英新：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3207100 & 2018YFE0106400）的支持。