《Process Safety and Environmental Protection》：Phosphorus removal mechanisms in an aerobic granular sludge sequencing batch airlift reactor (AGS-SBAR) system with a low abundance of phosphate-accumulating organisms
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摘要好氧颗粒污泥序批式 airlift 反应器（AGS-SBAR）系统在高效除磷方面显示出巨大潜力。传统上，这一性能主要被置于经典增强生物除磷（EBPR）的框架下解读，其中认为聚磷菌（PAOs）的富集是不可或缺的。然而，在低聚磷菌丰度条件下，AGS 仍可实现高效除磷。本研究建
摘要
好氧颗粒污泥序批式 airlift 反应器（AGS-SBAR）系统在高效除磷方面显示出巨大潜力。传统上，这一性能主要被置于经典增强生物除磷（EBPR）的框架下解读，其中认为聚磷菌（PAOs）的富集是不可或缺的。然而，在低聚磷菌丰度条件下，AGS 仍可实现高效除磷。本研究建立了一套 AGS-SBAR 系统，以揭示上述现象的机制。运行 70 天后，除磷率超过 89%，白色颗粒、黄色颗粒和少量絮体在系统中稳定共存。但典型聚磷菌（如不动杆菌）在黄色颗粒（0.23%）和白色颗粒（0.5%）中仍保持低丰度。尽管丰度极低，聚磷菌仍保留了可检测的代谢活性，碳源利用率达到 21.05%，表明胞内生物蓄积（IB）贡献虽不可忽视但并非主导。相比之下，微生物诱导磷沉淀（MIPP）所累积的无机磷（IP）在黄色颗粒（97.15%）和白色颗粒（98.3%）中均占主导地位，远超 IB 和吸附的贡献。此外，白色颗粒贡献了 MIPP 的 60.7% 和总除磷量的 59.8%。本研究揭示了在低聚磷菌丰度条件下，AGS-SBAR 系统实现可接受除磷性能背后的机制及不同组分的分工。
引言
磷的过量排放已引发水体富营养化，成为一项全球性的重大环境挑战（Bennett 等，2001）。因此，开发高效除磷技术已成为市政废水处理的重要目标之一。作为一种极具前景的除磷技术，好氧颗粒污泥（AGS）正受到越来越多的关注。AGS 可利用其大尺寸结构实现空间分层，从而为磷的转化和滞留提供多样化的微环境。同时，其优异的沉降性能、高生物量保持能力和强抗冲击负荷能力，确保了废水处理过程的稳定性和高效性。此外，它还能显著缩短废水处理流程，减少基础设施和能源消耗（Javed 等，2025；Nancharaiah 和 Kiran Kumar Reddy，2018）。这些优势凸显了 AGS 在除磷领域日益增长的重要性，同时推动了对其底层除磷机制的进一步研究。
既往对具有高除磷能力的 AGS 系统的研究，主要通过增强生物除磷（EBPR）理论的视角进行解读。在经典 EBPR 工艺中，除磷几乎完全依赖于聚磷菌的胞内生物蓄积（IB），即在厌氧/好氧（A/O）交替条件下的释磷/吸磷行为（Saad 等，2017；Zhang 等，2020）。因此，研究者容易得出结论：聚磷菌的大量存在是除磷效率的重要保障之一。同时，聚糖菌（GAOs）在厌氧阶段遵循与聚磷菌相似的碳源代谢机制（如挥发性脂肪酸（VFA）的摄取和聚羟基脂肪酸酯（PHA）的合成），但不具备好氧阶段过度吸磷的功能，通常在增强生物除磷过程中被视为不利因素（Lopez-Vazquez 等，2009）。但在越来越多的后续研究中，发现许多以 EBPR 为目标运行的 AGS 系统中，整体除磷可能涉及胞内生物蓄积（IB）以外的其他途径，如胞外聚合物（EPS）吸附（Ge 等，2025）和微生物诱导磷沉淀（MIPP）（Bi 等，2025）。其中，MIPP 因其改善污泥沉降性能和促进磷资源回收的优势，逐渐引起关注（Dai 等，2023）。研究表明，MIPP 在高钙离子浓度（通常≥79 mg/L）（Zhang 等，2015）和高 EPS 含量（Z. Zhang 等，2022）系统中贡献尤为显著。然而，并非所有以促进 EBPR 为目标运行的 AGS 系统都表现出聚磷菌的绝对丰度优势和聚糖菌的绝对丰度劣势。例如，在 Song 等的研究中，传统聚磷菌完全缺失，而聚糖菌（Competibacter 和 Defluviicoccus）的丰度高达 40.98%，仍可取得 75.86% 的除磷效率（Song 等，2022），但对于这一看似矛盾现象的原因，尚缺乏明确的解释或相应的实验证据。那么，在聚磷菌丰度较低的 AGS 系统中，高效的除磷性能是如何保证的？胞内生物蓄积（IB）的贡献是否仍然存在？如果不存在或 IB 贡献极小，哪条途径将发挥主导作用？这些问题尚无现成答案。值得注意的是，当 AGS 作为载体增强生物除磷时，由于颗粒内部存在显著的 pH 梯度（高达 8.2-8.5）以及 EPS 对金属离子的显著富集效应（浓度可达主体溶液的 3-5 倍）（S. Li 等，2026），理论上为 MIPP 提供了极其有利的条件。然而，在低聚磷菌丰度的 AGS 系统中，MIPP 的具体贡献值和地位仍不明确。
另一方面，受水动力学选择和传质条件等外部因素组合的驱动，AGS 系统往往会形成具有不同形态特征的颗粒。这些不同的形态通常反映了结构组成、内部微环境和功能微生物群落的异质性。因此，基于形态对颗粒亚群体进行分类，并识别其各自功能和相对贡献，有助于通过选择性保留或冲刷特定颗粒亚群体来有针对性地调控和优化系统性能。目前，基于粒径的颗粒功能分化研究已较为成熟。例如，Li 等证明，在 AGS 系统中（Li 等，2025），絮体和小颗粒（<1.0 mm）承担了超过 60% 的硝化负荷。同时，Zou 等发现，大颗粒由于其较长的污泥泥龄（SRT）和更为丰富的缺氧/厌氧微环境，是生物除磷和反硝化的主要场所（Zou 等，2025）。然而，与基于粒径的分化相比，基于颜色的颗粒分化——这在 EBPR 系统中同样常见（Bassin 等，2012；Wu 等，2017）——却未得到足够关注。现有研究主要集中在黄色和白色颗粒形成机制的初步探索上（Barr 等，2010；Pelevina 等，2023）。然而，不同颜色是否也意味着除磷能力的差异，以及这些共存颗粒在 AGS 系统整体除磷过程中发挥何种具体作用，仍不清楚。分离这些共存颗粒并独立评估其除磷性能，是阐明颗粒亚群体功能异质性的必要步骤。此外，还可以为未来根据目标处理目的选择性保留或排放特定颗粒亚群体提供理论依据。
本研究建立了一套 AGS-SBAR 系统，以探究低聚磷菌丰度条件下的除磷机制。在 100 天的实验过程中，通过调整进水碳源的类型和浓度来实现更高的除磷效率。结合化学需氧量（COD）去向分析以及释磷/吸磷特征，评估了与聚磷菌相关的胞内生物蓄积（IB）。同时，将典型周期的 pH 和磷酸盐动态、磷组分和元素分布进行整合分析，以评估 MIPP 的作用。此外，分别研究共存的黄色和白色颗粒，以确定其可见颜色差异是否对应除磷功能的差异。最后，采用 16S 高通量测序分析微生物群落和功能基因。这些发现为改善低聚磷菌丰度 AGS 系统的除磷性能和磷回收提供了理论支持。
各章节摘要
实验装置与运行参数
AGS-SBAR 系统在厌氧/好氧交替条件下运行，以培养 AGS 并促进传统 EBPR。反应器结构如图 1 所示。主体由亚克力材料制成，包含内外两个圆筒。内筒高 700 mm，直径 50 mm；外筒高 1000 mm，直径 90 mm。反应器总有效容积为 5.4 L，排水口设置在反应器中点位置，排水
AGS-SBAR 系统的污泥特性
AGS-SBAR 系统的成功启动主要取决于两个核心评估指标：AGS 的颗粒化过程以及除磷的高效稳定性能。因此，实时监测和分析系统内污泥物理特性（如沉降性能和形态演变）的动态变化，对于评估系统稳定性和控制颗粒化过程至关重要。
图 2(A) 展示了 SVI 和
结论
本研究采用 EBPR 系统中常用的运行策略（即调控碳源类型和浓度）建立了一套 AGS-SBAR 系统，实现了最高 90.23% 的除磷率。与既往研究不同，本研究进一步关注了运行过程中低聚磷菌丰度和颗粒污泥颜色分化的现象。
化学需氧量（COD）去向分析表明，聚磷菌的碳源利用率（）最高达到 21.05%，且表现出
致谢
本研究受国家重点研发计划（2023YFC3206804）资助。
作者贡献声明
孔祥吉：撰写——初稿，正式分析，数据整理。李盖业：撰写——审阅与编辑，正式分析，数据整理。薛联清：撰写——审阅与编辑，正式分析，数据整理。于承金：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法学，正式分析，数据整理。彭祥龙：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，正式分析，数据整理。程伟：
生成式人工智能及人工智能辅助技术在写作过程中的声明
作者在撰写本文过程中未使用生成式人工智能或人工智能辅助技术。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。
包瑞玲|于承金|彭祥龙|程伟|孔祥吉|李盖业|薛联清
