进水磷负荷波动下新型单级内循环反应器的强化除磷策略

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced phosphorus removal strategies in a novel single-stage internal circulation reactor under fluctuating influent phosphorus loads

　　

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  微型压力涡旋反应器（MPSR）可处理含磷浓度波动的废水。
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  在进水磷浓度为15 mg/L的条件下，无需外加碳源即可实现出水总磷（TP）<0.5 mg/L。
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  MPSR污泥的释磷量高达182 mg/L——释磷能力极高。
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  混合液悬浮固体浓度（MLSS）的自调控（6,271 mg/L）使MPSR在磷负荷波动条件下保持稳定。
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  进水总磷为5–15 mg/L时，可抑制聚糖原菌（GAOs）的生长。

引言

鉴于磷排放在水体富营养化中的关键驱动作用[1]、[2]，磷已被列为全球环境管理框架中的优先污染物（如中国的GB 18918-2002和欧盟的WFD 2000/60/EC），并据此制定了严格的标准：污水处理厂出水总磷（TP）浓度必须≤0.5 mg/L（A级标准）（GB 18918-2002；[3]），这反映了营养物管理中最佳可行技术的不断演变的要求[4]、[5]。然而，气候变化正在加剧废水处理的除磷挑战[6]。在中国北方，旱季延长导致旱季月平均进水总磷浓度超过10 mg/L[7]、[8]，以下简称高磷负荷，远高于传统强化生物除磷（EBPR）工艺设定的3–5 mg/L阈值[9]。碳磷比的波动导致聚磷菌（PAOs）与反硝化菌之间强烈的基质竞争，降低了系统内碳源分配的利用效率[10]。同时，周期性的高磷冲击会破坏微生物群落的代谢稳定性，导致聚糖原菌（GAOs）相对丰度异常升高[11]、[12]。因此，兼具高磷耐受与自主碳源调控能力是污水处理厂亟需解决的关键瓶颈。强化生物除磷（EBPR）工艺（如厌氧-缺氧-好氧（AA/O）和序批式活性污泥法（SBR））通过PAOs的厌氧释磷或好氧吸磷代谢来去除磷[13]、[14]。高磷负荷会引发PAOs的代谢失衡，导致糖原-聚羟基脂肪酸酯（PHA）代谢网络崩溃，并伴随二次释磷[15]。此外，反硝化与除磷之间的碳源分配冲突增加了系统的脆弱性，使其难以应对动态水质冲击[16]。为解决上述问题，具有独特优势的反硝化聚磷菌（DPAOs）被加以利用[17]。通过硝酸盐驱动的异养反硝化除磷（"一碳两用"），DPAOs可同步脱氮除磷，同时将碳需求降低50%以上[18]、[19]。然而，关于DPAOs的研究主要集中于短期间歇实验或恒负荷反应器，对关键机制的系统性认识仍然缺乏，包括（i）种群对长期高磷压力的适应性，以及（ii）糖原-PHA代谢网络的韧性[20]、[21]、[22]，这严重限制了DPAOs的工程应用。

MPSR的创新设计为应对上述挑战提供了新思路。通过在单一气驱反应器内构建厌氧-缺氧-好氧微环境[23]、[24]，可实现PAOs、DPAOs和硝化菌的空间协调分布，促进DPAOs代谢重构的动态环境适应[25]、[26]。初步研究表明，MPSR在初始曝气阶段可实现高效硝化[27]、[28]。其中部低氧区可有效维持DPAOs的反硝化除磷活性[29]。这一特征过程有利于实现碳源的靶向利用。然而，目前对MPSR中DPAOs代谢韧性的机制科学认识仍然有限。首先，DPAOs在长期高磷负荷下通过代谢网络重构维持竞争优势的机制尚不清楚。其次，MPSR中独特的氧梯度调节PstABCS基因表达的机制仍未知。这些机制理解的缺失使得当前的工艺优化缺乏理论指导。因此，在进水磷浓度波动的条件下，实现稳定高效的低碳同步脱氮除磷仍是一项挑战。

鉴于DPAOs在废水处理系统中的重要性，本研究构建并运行了一套长期稳定的MPSR系统（运行时长超过460天），以验证三个假设：（H1）MPSR在磷负荷波动条件下无需外加碳源即可维持稳定的脱氮除磷效果；（H2）由于MLSS自调控和反应器溶解氧（DO）梯度的作用，DPAOs的相对活性随磷负荷增加而提高；（H3）在高磷胁迫下，糖原-PHA代谢网络重构提供内源碳补偿。并分析了DPAOs驱动的代谢重构与处理效率之间的交互机制。为验证这些假设，将长期性能监测与宏基因组分析相结合，重点关注三个方面：（1）动态TP负荷（5.0–15.0 mg/L）下MPSR的脱氮除磷性能边界和碳流分布；（2）高磷胁迫下DPAOs种群的组成与功能，包括其鉴定、空间分布和丰度动态；以及（3）DPAOs通过糖原-PHA代谢网络重构实现内源碳补偿的分子机制。本研究首次系统揭示了DPAOs在微型压力反应器中的代谢适应策略，为开发具有高磷耐受和碳源自足能力的新型废水处理工艺提供了重要的理论支持和实践参考。

章节摘要

进水水质与污泥接种

为增强模拟系统的环境相关性，实验进水采用合成废水与校园生活污水的复合配置。合成废水采用脱氯自来水（陈化24 h）配制，通过控制添加以下试剂来模拟关键污染物：淀粉和乙酸钠（CH₃COONa）作为复合碳源；氯化铵（NH₄Cl）作为氮源；以及磷酸二氢钾

长期运行稳定性

通过梯度磷负荷实验（M1：5.4 ± 0.3 mg/L，M2：11.1 ± 0.5 mg/L，M3：15.5 ± 0.7 mg/L），系统评估了MPSR对中浓度至高浓度含磷废水的处理效果（图2）。该系统的COD去除性能优异，进水COD平均浓度为392.1 ± 28.4 mg/L，出水浓度始终低于50.0 mg/L（去除率>87.2%），满足A级

结论

本研究证实，MPSR系统展现出优异的除磷性能，并在高磷酸盐负荷（5–15 mg/L PO?3?）下保持稳定。该系统通过以异养DPAOs为主导的碳磷代谢偶联机制，实现了碳、氮、磷的同步高效去除（出水TP<0.5 mg/L，COD<50 mg/L，TN≤5 mg/L），无需外加碳源。该方法克服了传统

未引用参考文献

[51]、[52]、[53]、[54]

CRediT作者贡献声明

刘文爱：写作——审稿与编辑、监督、资源。余歌：写作——原稿撰写、调查研究、形式化分析、概念构思。张童：可视化、调查研究、形式化分析。刘淇：可视化、调查研究、形式化分析。王世龙：监督、调查研究。孙学建：写作——审稿与编辑、可视化。范雨莹：写作——审稿与编辑、监督。钟双：监督、调查研究。 Bian德军：写作——审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金联合基金（U24A20186）和吉林省自然科学基金（20220101231JC）的资助。

余歌|刘文爱|刘淇|张童|孙学建|王世龙|钟双|范雨莹|艾胜书|扁德军|邹东磊