《Environmental Research》：Enhancing Nitrogen Removal from Low C/N Municipal Wastewater via Redistributing Hydraulic Retention Time in a Pilot-Scale Anaerobic/Aerobic/Anoxic Process
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•在没有外部碳源的情况下，Pilot AOA在C/N比为3.7时实现了78.6%的总氮（TN）去除率。•HRT（水力停留时间）的重新分配将下游的厌氧阶段延长至8.8小时。•厌氧区域对TN去除的贡献率为75.3%。•微生物群落的转变支持了系统对低C/N比运行条件的适应。引言从城市废
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在没有外部碳源的情况下，Pilot AOA在C/N比为3.7时实现了78.6%的总氮（TN）去除率。
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HRT（水力停留时间）的重新分配将下游的厌氧阶段延长至8.8小时。
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厌氧区域对TN去除的贡献率为75.3%。
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微生物群落的转变支持了系统对低C/N比运行条件的适应。
引言
从城市废水中去除氮是缓解富营养化和恢复水生生态系统的重要手段（Gao等人，2020年；Li等人，2022年）。处理工厂面临的主要障碍是进水中的有机碳含量不足。城市污水的C/N比通常低于5.0，这无法支持有效的反硝化过程（Gao, Xu等人，2022年；Liu等人，2023年；Miao等人，2016年；Rong等人，2024年）。传统的处理系统（如AAO工艺）往往需要添加外部碳源以符合严格的排放标准（Shi等人，2023年；Wang等人，2017年）。这种对碳源的依赖增加了运营成本，并导致额外的碳排放（Kosgey等人，2022年；Tan & Ng，2008年）。开发能够最大化利用内部有机物的技术已成为可持续废水工程的核心目标（Gao, Xue等人，2022年；Liu等人，2021年）。
AAO工艺通过内源性反硝化机制解决了这些问题（Gao等人，2024年；Liang等人，2026年）。与传统方法不同，AAO系统实现了碳吸收和氮去除的代谢分离（Wang等人，2021年）。在厌氧阶段，如糖原积累菌（GAOs）和聚磷酸盐积累菌（PAOs）等功能性微生物会捕获挥发性脂肪酸（Coats等人，2011年；Serafim等人，2008年）。这些底物被转化为细胞内聚合物，包括聚β-羟基烷酸和糖原（Liu等人，2013年；Wang等人，2015年；Zeng等人，2003年）。储存的内部碳源在下游的厌氧区域作为电子供体，促进反硝化过程（Gao等人，2020年；Xu等人，2011年）。这种时间上的分离减少了好氧异养菌和反硝化菌对可用碳的竞争，从而在不需要外部碳源的情况下实现高效氮去除（Ge等人，2014年；Winkler等人，2011年）。
最近的试点应用验证了AAO工艺在高级营养物质去除方面的有效性。例如，海口的一个试点系统在进水C/N比为5.0的情况下，实现了3.6 mg/L的出水TN浓度（Gao, Xue等人，2022年）；重庆的一项研究在C/N比为7.1的情况下报告了90.4%的TN去除率（Shi等人，2025年）；甚至在C/N比为4.2的情况下，天津的一个试点系统仍使出水TN浓度保持在8.4 mg/L。对这些试点研究的回顾表明，它们通常在较高的进水碳条件下运行（C/N > 4.0），但在较低C/N条件下（< 4.0）的性能尚不明确。此外，功能区域之间的体积比例是该工艺的另一个关键控制参数。在试点应用中采用了不同的体积分布，从广东深圳的1:1:2到广东中山的2:3:3（Wu等人，2024年），以及北京的1.5:3:4（Gu等人，2024年）。从反应动力学和微生物生态学的角度来看，由细胞内聚合物驱动的内源性反硝化速率明显低于使用易生物降解COD的传统外源性反硝化（Gao等人，2020年；Wu等人，2024年）。因此，在严格的低C/N条件下，仅仅富集如GAOs这样的功能菌群是不够的。这种相对缓慢的内源性反硝化速率促使我们重新考虑在固定总HRT下的HRT分配，特别关注延长下游厌氧阶段的持续时间。因此，本研究评估了HRT的重新分配是否能为内源性反硝化提供额外的反应时间，从而在低C/N条件下提高氮去除效率。然而，关于如何通过重新分配HRT来提高有机碳严重受限的城市废水中氮去除效率的系统研究仍然有限。最近在AGS和MBBR配置中的研究进一步证实，当储存、曝气模式和污泥保留同时优化时，基于内源碳的氮和磷去除可以在低C/N条件下得到稳定（Gong等人，2024年；Luan等人，2024年）。
建立了一个日处理量为57.6立方米（m3）的试点规模反应器，以评估在低C/N条件下的AAO性能。该研究重点关注厌氧区、好氧区和厌氧区之间的HRT重新分配，特别是延长下游厌氧阶段的持续时间。通过分析整个运行阶段中污泥活性和微生物群落结构的变化，研究了驱动这些改进的生物学机制。这些发现为通过实施AAO工艺来降低城市废水处理的能源消耗和成本提供了基础。
部分摘录
试点规模AAO反应器的设置与操作
如图1所示，建造了一个日处理量为57.6立方米（m3）的试点规模反应器（尺寸为6.72米×2.0米×2.5米），由十个相互连接的单元组成。原始废水从进水池泵入，通过厌氧区、好氧区和厌氧区，然后进入二次沉淀池。该系统采用了双污泥回流策略：第一条回流管线将沉淀污泥输送到厌氧区入口，第二条回流管线则将...
试点规模系统的长期营养物质去除性能
试点规模的AAO系统连续运行了175天，证明了HRT重新分配在管理低C/N（4.3至3.7）城市废水方面的有效性。如图2所示，运行策略经历了三个阶段，以平衡硝化和内源性反硝化的竞争需求。
在第一阶段（0–44天），系统通过均匀分配厌氧区和水解区的水力停留时间（各3.5小时）达到了稳定状态。
结论
在试点规模的AAO系统中，将固定的14小时总HRT重新分配为厌氧区2.6小时、好氧区2.6小时和厌氧区8.8小时，实现了在碳受限条件下（C/N约为3.7）的最佳氮去除性能。这种配置使出水TN浓度为5.87 ± 0.98 mg/L，氮去除效率达到78.6%，且无需添加外部碳源。将厌氧区的水力停留时间延长至8.8小时提供了额外的反应时间，以适应...
CRediT作者贡献声明
胡青：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、数据整理、概念构思。顾黎：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据整理、概念构思。高晓宇：可视化、验证、项目管理、方法论、数据分析。何强：撰写——审稿与编辑、验证、资源管理、方法论、数据分析。夏传松：初稿撰写、可视化、验证、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢重庆市自然科学基金项目（CSTB2022NSCQ-MSX1438；CSTB2022NSCQ-MSX0567）、重庆市科学技术局项目（CSTB2022TIAD-KPX0201）、重庆市研究生联合培训基地（JDLHPYJD2024004）以及重庆市关键水利保护科学技术项目（CQSLK-2025006）对本工作的财政支持。
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