引言
市政污水处理厂（MWTPs）产生的剩余污泥管理和处置带来了重大的环境和经济挑战（Amani et al., 2010）。厌氧消化（AD）因其能够同时实现污泥减量和以沼气形式回收能量，已被广泛采用为有效的污泥处理技术（Meegoda et al., 2018）。然而，厌氧消化的效率仍受污泥特性的强烈制约，尤其是其复杂结构和胞外聚合物（EPS）的高丰度（Miranda et al., 2025）。EPS通常占污泥总有机物的50–80%，主要由蛋白质和多糖组成，形成致密且高粘度的基质，阻碍了底物扩散、水分传输和微生物可及性（Liu and Fang, 2003）。因此，水解动力学受到严重限制，需要较长的污泥停留时间和较大的反应器容积（Wang et al., 2025）。
为克服这些动力学限制并提高工艺效率，将生物量从松散絮体转化为致密微生物聚集体被认为是一种关键策略（Faria et al., 2019）。与传统以絮状污泥为主的厌氧消化系统相比，厌氧颗粒污泥系统具有更高的生物量密度、更好的沉降性能、更强的抗冲击负荷能力和更优的生物量截留效果，从而能够在更高的有机负荷率下运行并提高反应器效率（Peng et al., 2021, Qin et al., 2018）。传统颗粒化系统，如升流式厌氧污泥床（UASB）和膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器，主要依赖水力剪切力和上升流速施加选择压力并维持颗粒稳定性（Mou et al., 2024）。近期的一项综合综述进一步确定有机负荷率和上升流速是决定EGSB颗粒化的两个最关键操作因素，并指出过量的进厂固体会对颗粒稳定性和反应器性能产生不利影响（Aragón-Barroso et al., 2026）。然而，这些系统并不适合处理高含固率污泥，后者需要较长的水解时间和较慢的底物释放。此外，过量固体积累可能 destabilize 颗粒结构并恶化水力性能（Rattier et al., 2022）。相比之下，连续搅拌槽反应器（CSTRs）广泛用于高含固率厌氧消化，因为它们能够提供有效的整体混合和稳定的固体处理（Feng et al., 2017）。然而，CSTR中缺乏强烈的水力选择压力通常会限制微生物聚集和颗粒形成。此前的厌氧颗粒化策略主要依赖水动力学选择、EPS介导的聚集以及阳离子/矿物辅助的结构增强（Liu and Tay, 2002, Show et al., 2020, Yu, 2001）。近期证据也表明，富含蛋白质的EPS可显著增强厌氧颗粒的机械完整性和抗剪切能力（Gao et al., 2026a）。然而，大多数这些机制是在高速颗粒反应器中研究的，在全规模高含固率CSTR中能否在没有强烈水力筛选的情况下实现稳定颗粒化仍缺乏充分理解。
与单级消化相比，两相厌氧消化将水解-产酸与产甲烷分离，使两个阶段能够发展出不同的代谢功能和运行环境。这种相分离可通过减少产甲烷菌直接暴露于快速底物转化和VFA积累而提高工艺稳定性，尽管同时也增加了反应器和操作复杂性（Aragón-Barroso et al., 2026, Holl et al., 2022, Nabaterega et al., 2021）。对于高含固率污泥处理，这种串联转化还可额外为在水解-产酸阶段与产甲烷阶段之间建立基质梯度提供基础。
Feast-famine 策略通过在富含底物和底物匮乏条件之间周期性交替，在代谢水平上引入生态选择压力，从而调控微生物竞争、刺激EPS分泌，并随时间推移有利于微生物聚集和附着生长（Kang et al., 2019）。该策略已被广泛应用于好氧颗粒污泥系统，被认为是微生物自组织的有效机制（Iorhemen et al., 2020, Li et al., 2022, Sun et al., 2021）。与水力选择相比，feast-famine 策略主要通过底物可用性和代谢适应来发挥作用，提示其有可能成为厌氧CSTR系统中替代性的颗粒化驱动机制。饥饿也被认为是已建立的厌氧颗粒污泥中重要的生态调节因素，其中底物限制可诱导代谢适应、休眠相关反应和功能活性转变（Chen et al., 2022）。然而，这些研究主要涉及已有厌氧颗粒的生理响应和维持，而非将周期性底物限制作为选择压力用于在高含固率CSTR中启动颗粒化。因此，时间性饥饿能否与相分离底物转化和空间基质异质性协同作用，在弱水力选择下促进颗粒形成仍不明确。然而，好氧颗粒系统中建立的 feast-famine 调控不能直接移植到高含固率厌氧CSTR中。在高含固率消化中，颗粒态有机物持续水解，可溶性中间产物逐渐释放，而高污泥浓度和搅拌倾向模糊明确的 feast 和 famine 边界。此外，CSTR缺乏在传统颗粒系统中通常与 feast-famine 条件共同作用的基于沉降的选择压力。因此，该策略在高含固率污泥厌氧消化中的应用仍未得到充分探索。更重要的是，在全规模高含固率CSTR系统中，缺乏传统水力筛选，复杂流态行为、高固含浓度和持续搅拌可能从根本上改变微生物聚集过程，能否在此条件下建立稳定的厌氧颗粒化仍不清楚。
在本研究中，一套整合的 feast-famine 策略被应用于处理高含固率污泥的全规模两相厌氧消化系统。我们假设间歇性底物供给，结合串联水解-产酸和产甲烷以及由此产生的空间异质性，能够建立耦合的时间与空间基质选择压力，从而在弱传统水力筛选条件下促进厌氧颗粒化。据此，本研究重点关注：（i）时空基质梯度的建立；（ii）与结构成熟相关的粒径演化、EPS发育和无机元素富集；（iii）稳定运行期间反应器各区域的空间微生物群落和DNA水平功能分异。通过系统分析反应器性能、颗粒演化、EPS特性、微生物群落结构和DNA水平功能潜力，我们旨在阐明这些耦合的生态与结构过程如何在全规模高含固率CSTR系统中实现稳定的厌氧颗粒化，并评估该颗粒化策略的工程意义。
