《Environmental Research》：Process Intensification of Partial Denitrification Promotes Structural Reorganization and Enhancement of HAP-Coupled Granular Sludge
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•碱度途径控制PD-HAP颗粒结构和功能的演化•揭示了从EPS生物矿化向结晶的转变•核壳结构颗粒通过空间pH梯度和成核动力学形成•HAP沉积增强了强度但诱发了传质限制•PD-HAP耦合形成了促进亚硝酸盐积累的反馈回路引言快速工业化导致了大量废水的产生，对生态可持续性、公共健康
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碱度途径控制PD-HAP颗粒结构和功能的演化
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揭示了从EPS生物矿化向结晶的转变
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核壳结构颗粒通过空间pH梯度和成核动力学形成
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HAP沉积增强了强度但诱发了传质限制
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PD-HAP耦合形成了促进亚硝酸盐积累的反馈回路
引言
快速工业化导致了大量废水的产生，对生态可持续性、公共健康和经济发展构成了重大挑战 (Liang et al., 2019)。常规生物处理过程往往受限于高能耗和对外源有机碳源的强烈依赖，限制了其与新兴低碳和碳中和战略的兼容性 (Wang et al., 2019)。因此，开发节能和资源回收的废水处理技术对于满足日益严格的环境和可持续性要求至关重要 (Lu et al., 2018; Wang et al., 2021)。
厌氧氨氧化已被广泛认为是低碳脱氮的基石技术。在此过程中，厌氧氨氧化细菌在厌氧条件下利用亚硝酸盐作为电子受体将铵氧化为分子氮，无需曝气或添加有机碳源 (Kuenen, 2008)。然而，厌氧氨氧化的广泛应用从根本上受到稳定亚硝酸盐供应可用性的限制。传统上，亚硝酸盐是通过部分硝化产生的，这需要严格控制溶解氧和其他操作参数，从而损害了过程的鲁棒性 (Du et al., 2019; Jiao et al., 2026)。相比之下，部分反硝化最近作为一种有前景的替代方案出现，能够在缺氧条件下选择性地将硝酸盐还原为亚硝酸盐，并改善操作稳定性 (Du et al., 2019; Ma et al., 2017)。部分反硝化/厌氧氨氧化过程已迅速向实际应用迈进，在复杂废水基质中表现出高脱氮效率和韧性 (Fofana et al., 2022; Jiao et al., 2026; Ladipo Obasa et al., 2022)。
除了基质供应外，基于厌氧氨氧化的系统的长期稳定性严重依赖于生物量的保持和结构完整性。颗粒污泥系统在这方面具有内在优势，因为它们具有紧凑的结构和优异的沉降性能 (Krysiak-Baltyn et al., 2019)。最近，将颗粒污泥与羟基磷灰石矿化耦合的策略引起了越来越多的关注，因为它可以同时增强污泥稳定性并实现磷去除 (Guo et al., 2021; Song et al., 2021)。更重要的是，HAP的原位形成也为磷资源回收提供了一条途径。在厌氧氨氧化系统中，HAP沉淀主要由质子消耗驱动，这提高了局部pH值并促进了矿物形成 (Lin et al., 2019; Ma et al., 2021; Ma et al., 2018)。
然而，将该策略应用于PD系统引入了额外的复杂性。与厌氧氨氧化不同，PD系统中的碱度产生由多种途径控制，包括乙酸相关过程和不同程度的反硝化。这导致颗粒污泥内部出现异质性和动态的pH条件，这可能从根本上改变矿化行为。尽管先前的研究已初步证实PD-HAP系统能够实现高效的亚硝酸盐积累并获得优异的磷去除性能 (Lan et al., 2026)，但对PD-HAP颗粒形成和演化机制的理解仍然有限。现有的机制研究很大程度上遵循了为厌氧氨氧化-HAP系统建立的解释框架，尚未完全揭示PD系统特有的碳源代谢和多阶段反硝化过程对矿化行为的影响。特别是，不清楚碱度来源的变化如何调节不同矿化模式之间的转变，以及这些过程如何共同塑造颗粒结构和功能性能。弥补这一知识空白对于理解矿物支撑颗粒污泥系统中的结构-功能关系至关重要。
因此，本研究通过改变运行周期频率和引入外部pH控制，系统地调节碱度途径。通过整合反应器性能、理化表征和结构分析，本研究旨在：(i)阐明矿化途径的演化，(ii)揭示空间碱度分布在塑造颗粒结构方面的作用，(iii)揭示PD代谢、HAP矿化和结构稳定性之间的耦合机制。研究结果提供了矿物-微生物相互作用的新机制见解，并为优化颗粒污泥系统以实现低碳废水处理和磷回收提供了一种可行的策略。
节选内容
反应器构型与运行策略
一个实验室规模的序批式反应器被运行，以研究碱度调节对PD-HAP颗粒污泥形成和演化的影响 (图1)。接种污泥来自一个稳定运行的PD系统，其NTR超过70%，VSS/SS比值为51.2%。反应器配备了一个搅拌器以确保充分混合。
为了系统地调节碱度产生途径，
碱度调节下的长期运行性能
PD-HAP颗粒污泥反应器运行了98天，长期性能如图2所示。在第一阶段，观察到稳定的亚硝酸盐积累，出水保持在55.6 ± 1.3 mg/L，且在出水中几乎检测不到 (图2a)。然而，原位活性测试中的NTR仅为52.7 ± 3.3% (图2d)，表明系统内发生了显著完全的硝酸盐转化，导致了进一步的
结论
本研究表明，碱度调节在控制PD-HAP颗粒污泥系统中代谢、矿化和结构的耦合演化方面起着核心作用。通过降低运行周期频率，微生物途径从完全反硝化转变为部分反硝化，显著增强了亚硝酸盐积累 (NTR：从52.7 ± 3.3%提高到75.0± 4.4%)。同时，碱度产生途径的转变促进了
CRediT作者贡献声明
Yanling Yang: 可视化、验证、方法、调查。Shenbin Cao: 撰写—评审与编辑、监督、项目管理、形式分析、概念构思。Yu Lan: 撰写—原稿、方法、调查、形式分析、数据管理。Rui Du: 撰写—评审与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取。Lingjie Chen: 验证、方法、调查
利益冲突声明
?作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响到本文所报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金 (编号: 52461160299)、北京新星计划 (20240484634) 和区域环境及可持续发展国家重点实验室专项基金的支持。
Yu Lan|Shenbin Cao|Yanling Yang|Lingjie Chen|Rui Du
