通过分段添加醋酸钠改良的A2/O工艺来增强碳氮转化的微生物机制

《Bioresource Technology》：Microbial mechanisms of enhancing carbon and nitrogen conversion by segmented sodium acetate dosing in a modified A2/O process

　　

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  分段添加乙酸能够在低碳氮（low-C/N）条件下改善总氮（TN）的去除效果。
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  丰俭交替的营养环境促进了水解菌和发酵菌的数量增加。
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  多组学分析显示微生物群落的变化与氮转化途径相关。
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  在第三阶段，硝酸盐转运和相关反硝化基因的表达增加。
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  分段添加碳源使得MAAO区域内的碳利用更加均匀。

引言

水体中高浓度的氮通常会导致富营养化，因此需要通过市政污水处理将总氮（TN）降低到排放标准以下。然而，进水中的低BOD₅/TKN比例严重影响了TN的去除效率（Li等人，2022年；Yuan等人，2022年）。为了解决进水有机物不足和氮去除效果差的问题，大多数污水处理厂（WWTPs）会向生物反应器中添加外部有机碳源（如甲醇、乙酸和葡萄糖）（Duan等人，2020年；Wu等人，2023年）。

碳源的添加位置和剂量通常取决于工艺配置、处理效率以及排放标准。在广泛采用的AAO工艺中，在厌氧区添加碳源可以显著增强反硝化作用并提高氮去除效果（An等人，2025年）。通过在三级MBBR反应器的第一和第二个厌氧区添加甘油，实现了无NO₂^?-N积累的稳定反硝化过程（Sun等人，2025年）。Du等人（2019年）证明，分段添加乙酸钠比一次性添加具有更好的效果：前者将TN去除率从88.6%提高到96.9%，并减少了异养细菌对NO₂^?-N的消耗。同样，Tian等人（2023年）通过在三级厌氧-好氧（AO）工艺的三个厌氧区添加厨余垃圾发酵液，使TN去除率提高了21.8%-109.3%，同时富集了反硝化和水解菌类，其中Azospira的丰度从2.7%增加到18.6%。此外，分段添加碳源还有助于促进生物量生成，并在好氧颗粒化过程中产生更紧密的颗粒污泥，从而提高运营稳定性（P.S.G. Da Silva等人，2023年）。尽管分段添加碳源被认为是一种优化碳利用和提升污水处理厂整体效率的策略，但其对碳和氮转化途径的具体影响仍不明确，因此需要进一步研究。

MAAO工艺基于反硝化和磷去除理论，能够有效去除氮，并在处理低碳氮比废水时节省50%的碳源剂量。在操作上，MAAO工艺与传统AAO工艺有两个关键区别：（1）它包含一个停留时间较短（HRT约为1小时）的选择区，以及较高的食物与微生物比例（F/M约为0.2 kg BOD₅/(kg MLSS·d)），这有效抑制了污泥膨胀并改善了污泥沉淀和脱水效果；（2）MAAO工艺采用了反硝化液回流机制，有助于维持厌氧区的污泥浓度（G. Zhang等人，2024a）。从机制上看，MAAO工艺通过三次回流建立了一个水解-酸化区和两个不同的反硝化区：（1）厌氧区：作为工艺的内部碳源，将进水中的复杂有机物通过水解和酸化转化为较小分子；（2）选择区：作为辅助反硝化区，有助于快速减少回流污泥中的硝酸盐负荷；（3）好氧区：作为核心反硝化区，将反硝化液中的硝酸盐转化为氮气，确保出水达到总氮标准（Li等人，2023年）。

在厌氧区，加入少量乙酸钠以激活和增强水解/发酵菌（HFB）的活性。这些细菌水解并酸化进水中的大分子和难降解有机物，将其转化为高质量的内部碳源。相反，如果厌氧区补充过多的乙酸钠，则可能导致反硝化效率下降，因为工艺初期剩余的COD不足。这种针对性的方法增强了厌氧反硝化效果并提高了碳源的利用率。Li等人（2020年）证明了MAAO工艺在磷去除方面的有效性（DPR高达74.16%），反硝化磷酸盐积累菌（DAPOs）的相对丰度达到2.4%-3.84%。G. Zhang等人（2024b）的最新研究表明，甘油有助于MAAO反应器中的氨同化（同化率接近50%），为从污水中回收氮资源提供了新途径。

本研究通过在MAAO反应器中采用分段添加乙酸钠及优化的污泥回流、硝化液回流和反硝化液回流，创造了一个丰俭交替的营养环境，实现了高效的氮去除。这项研究的意义在于：1）明确了不同乙酸钠添加策略下碳和氮转化途径的差异；2）阐明了乙酸钠添加方法对微生物群落结构和种间相互作用的影响；3）揭示了乙酸钠添加模式对群落功能的影响，强调了异化硝酸盐还原的关键作用。

小节摘要

实验设备与参数

实验使用的MAAO反应器处理量为30立方米/天，有效体积为26.21立方米，总停留时间为21小时。该反应器包含厌氧区、选择区、厌氧区和两个好氧区，各自的停留时间分别为2.0小时、1.0小时、7.6小时和4.8小时。实验分三个阶段连续运行了153天：第一阶段（第1-46天）、第二阶段（第47-98天）和第三阶段（第99-153天）。

碳转化途径

图1A显示了COD浓度的变化及去除效率，图1B展示了不同功能区间的COD去除量。选择区和厌氧区共去除84.76%的COD，远高于厌氧区、好氧1区和好氧2区仅去除的15.24%。厌氧区中的厌氧菌和兼性菌将大分子有机物质发酵成易于利用的小分子。

结论

在第三阶段采用分段添加乙酸钠的方法建立了丰俭交替的营养环境，促进了MAAO反应器中碳和氮的转化。硝酸盐转运及相关基因的变化表明氮转化潜力得到了改善，氮平衡的结果表明净氮去除率的提高主要归因于反硝化的增强。总体而言，分段添加乙酸钠提高了氮的去除效果。

CRediT作者贡献声明

王顺财：撰写初稿、资源获取、研究设计、概念构建。李卫光：资源获取、方法论、资金申请、概念构建。张光林：数据可视化、方法论。郭新明：数据可视化、方法论。李东辉：撰写、审稿与编辑。姚顺宇：数据可视化、方法论。房瑞：撰写、审稿与编辑。刘鹏：撰写、审稿与编辑。黄凯敏：撰写、审稿与编辑。

Lei等人，2023年；Li等人，2024a年；Li等人，2024b年；Wang等人，2022a年；Wang等人，2022b年；Zhang等人，2024c年。

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了哈尔滨工业大学水资源国家

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