《Bioresource Technology》：Hydroxylamine enhances nitrogen removal by reshaping microbial community and nitrogen fate in activated sludge
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在C/N比为3.61的条件下，添加5 mg/L的HA后，出水中的总氮（TN）浓度降至3.57 mg/L，去除率为91.96%。
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在C/N比为3.61的条件下，添加5 mg/L的HA后，出水中的总氮（TN）浓度降至3.57 mg/L，去除率为91.96%。
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短暂的HA暴露会导致持续性的亚硝酸盐氧化菌（NOB）抑制和亚硝酸盐的滞留。
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分阶段投加HA有利于基于亚硝酸盐的反硝化作用及可能的厌氧氨氧化（anammox）过程。
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HA促进了Alcaligenes和Candidatus Competibacter的生长，而Nitrospira的数量减少。
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与氮去除相关的基因表达增加，表明微生物功能发生了变化。
引言
从市政废水中去除氮对于保护接收水体至关重要，因为过量的氮排放会促进水体富营养化，破坏水生生态系统，并增加有害藻类爆发的风险（Smith等人，1999年）。因此，生物脱氮（BNR）是市政废水处理的核心功能（Mishra等人，2022年）。然而，在碳限制的条件下，实现持续低浓度的出水氮仍然具有挑战性。传统的生物脱氮依赖于硝化-反硝化过程，这需要强化的曝气和足够的有机碳。在碳限制的进水条件下，反硝化往往不完全，导致出水中残留硝酸盐，从而限制了总氮（TN）的去除（Kosgey等人，2022年）。随着污水处理厂面临更严格的出水氮标准，并试图减少能源消耗和外部碳的添加，这一挑战变得越来越重要。因此，改进碳限制条件下的氮去除方法需要超越传统的硝化-反硝化过程。图1。表1。
为了解决这一挑战，人们开发了替代的氮去除途径，以缩短氮转化路径，减少外部碳的需求，并提高总氮（TN）的去除效率（McCullough等人，2022年）。部分硝化过程可以抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB），从而在硝化过程中促进亚硝酸盐的积累，为后续基于亚硝酸盐的反硝化过程创造条件。与传统基于硝酸盐的反硝化过程相比，这种捷径方法避免了将硝酸盐还原为亚硝酸盐所需的额外电子消耗，从而减少了有机碳的需求（Ma等人，2009年）。此外，厌氧氨氧化（anammox）可以直接将氨和亚硝酸盐转化为氮气，而不需要有机碳作为电子供体，从而大大降低了曝气和有机碳的需求。同时，非传统的氮转化途径，如直接氨氧化（Dirammox）（Xu等人，2022年），因为它们可以通过羟胺将氨转化为氮气而无需完全硝化，因此受到了越来越多的关注。在适宜条件下，anammox和Dirammox可以在混合活性污泥系统中对氮去除过程起到补充作用。然而，由于微生物竞争、底物浓度低和运行条件波动等因素，这些方法在传统废水处理中的稳定应用仍然具有挑战性（Wang等人，2022年），并且与传统的硝化-反硝化方法相比，它们的贡献可能相对有限。因此，在保持稳定的微生物群落功能和高效氮去除的同时，将这些途径整合到传统活性污泥系统中仍然是一个主要挑战。
羟胺（NH2OH，HA）是好氧氨氧化中的关键中间体，可能作为生物废水处理中氮转化的调节因子（Soler-Jofra等人，2021年）。由于其高反应性，外加HA可能会扰乱氨氧化、亚硝酸盐氧化、反硝化和异养氮转化过程之间的功能平衡（Wu等人，2025年）。特别是，HA可以抑制亚硝酸盐氧化并促进亚硝酸盐的滞留，从而将氮转化路径从以硝酸盐为中心转变为以亚硝酸盐为中心（Zhao等人，2021年）。滞留的亚硝酸盐可能会影响后续的氮转化过程，包括捷径反硝化和其他依赖于亚硝酸盐的转化（Peng & Zhu，2006年）。同时，HA的添加可能会改变活性污泥的微生物群落结构，丰富参与氮转化的功能性微生物类群（Wu等人，2025年）。HA还可能影响微生物活性和有机碳的利用，从而改变碳利用与氮转化之间的耦合关系。因此，HA的作用可能不仅仅是作为硝化抑制剂，还可能重塑活性污泥中的氮流动、碳利用和微生物功能，创造出更有利于氮去除的条件。
以往的研究主要集中在HA对硝化的短期抑制作用上，特别是其对NOB活性的抑制。然而，关于重复低剂量HA暴露对反硝化、碳利用动力学、微生物群落结构以及活性污泥系统中氮转化功能潜力的影响，目前了解还不够充分（Soler-Jofra等人，2022年）。此外，许多以往的研究是在连续流系统中进行的，其中水力条件、底物负荷和HA暴露的变化可能会使HA诱导的氮转化结果难以解释。相比之下，序批式反应器（SBR）的操作允许在相对可控的条件下，在预定的反应周期内研究HA暴露和氮物种动态。特别是，如何在实际的活性污泥配置中有效利用HA诱导的亚硝酸盐滞留和微生物群落重组，以及这些变化在碳限制条件下对生物脱氮的改进程度和机制，目前仍不清楚。因此，需要系统性的评估来将HA诱导的过程和微生物响应与有限的碳供应下的总氮去除联系起来。
在这项研究中，向分阶段投加的SBR中反复添加低剂量的HA，以调节碳限制条件下活性污泥中的氮转化。主要目的是确定低剂量HA的添加是否可以通过其对亚硝酸盐积累、碳利用和微生物群落重组的影响，从而提高传统活性污泥系统中的总氮（TN）去除效率。分阶段投加策略将新添加的氨和少量有机碳与积累的亚硝酸盐结合，为后续的氮去除创造有利条件。通过全循环氮分析、反硝化批测、NOB活性测试、COD利用分析以及基于测序的微生物群落和功能基因分析来评估反应器性能。这些研究有助于阐明HA如何调节亚硝酸盐积累、碳利用和微生物功能结构。总体而言，这些发现为提高低C/N比废水处理中生物脱氮效率提供了一种新策略。
章节摘录
反应器设置和操作
两个序批式反应器（SBR）被用于评估羟胺（HA）添加对氮去除的影响。其中一个反应器作为无HA对照组，另一个反应器添加了HA。两个反应器的有效体积均为2.0 L，并在除HA添加量外的条件下运行相同。种子污泥取自中国青岛某市政污水处理厂的好氧区末端。合成废水中含有醋酸钠。
HA添加下的长期氮去除性能和氮质量平衡
在长期运行过程中，反应器经历了三个阶段：启动阶段（第1-29天）、2.5 mg/L HA阶段（第29-63天）和5 mg/L HA阶段（第63-153天）。在2.5 mg/L HA阶段，氮去除仅略有改善（图2）。当HA添加量增加到5 mg/L后，出水中的TN浓度显著下降并保持在较低水平。每个分阶段投加周期的第一个厌氧阶段主要用于利用进水中的碳进行还原。
结论
反复低剂量添加羟胺可以增强碳限制条件下分阶段投加SBR中的氮去除效果。在5 mg/L HA和总体C/N比为3.61 ± 0.06的条件下，添加HA的反应器出水TN浓度为3.57 ± 0.70 mg/L，去除效率为91.96 ± 1.57%，而对照组分别为11.74 ± 0.84 mg/L和71.42 ± 2.05%。
基于循环的氮质量平衡进一步表明，HA所引起的额外氮去除主要是...
CRediT作者贡献声明
钟俊倩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，调查，数据分析，概念化。 李东：调查。 戴晓虎：监督，资金获取。 柴小丽：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，调查，资金获取，概念化。 吴博然：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，调查，资金获取，数据分析。
未引用参考文献
Frear和Burrell（1955年）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了上海东方人才计划[项目编号QNCX2024034]和国家自然科学基金[项目编号52270137, 52570173]的财政支持。
钟俊倩|李东|戴晓虎|柴小丽|吴博然
