延长水力停留时间并采用多点回流技术，有助于在低温条件下实现全规模的部分主流厌氧氨氧化（Anammox）过程

《Chemical Engineering Journal》：Hydraulic retention time extension and multi-point reflux promote full-scale partial mainstream anaerobic ammonium oxidation (Anammox) at low temperatures

低温条件下，通过延长水力停留时间（HRT）和多点回流策略优化了污水处理系统的氨氧化菌（AnAOB）活性与菌群结构，使总氮去除率提升21.5%，碳排放减少10.1%。研究揭示了HRT延长通过溶解氧梯度促进AnAOB富集，而多点回流优化了亚硝酸盐分配，实现部分主流工艺中硝化-反硝化-氨氧化耦合。微生物群落分析显示Candidatus Jettenia丰度显著增加，代谢网络重组增强多路径脱氮效率。

　　

杨光霞|周俊宏|杨晓丽|梁文波|傅玉佳

东南大学土木工程学院，南京，211189，中国

摘要

污水处理厂（WWTPs）在减轻氮污染和防止富营养化方面发挥着关键作用。然而，传统系统往往存在氮去除效率低和能耗高的问题。厌氧氨氧化（Anammox）作为一种有前景的低碳替代技术应运而生，但低温和亚硝酸盐供应不足限制了其广泛应用。本研究评估了一个全规模污水处理厂（日处理量25,000立方米）在低温下运行120天的性能，该厂采用了延长水力停留时间（HRT）和多点回流的联合策略来促进部分主流Anammox反应。与对照厂相比，实验系统（WWTP-EG）的总氮去除率提高了21.5%，总碳排放量减少了10.1%，表明Anammox反应成功激活。酶活性分析显示肼合成酶和脱氢酶的活性增强，而微生物群落分析发现Candidatus Jettenia（相对丰度为0.15%）是共现网络中的关键菌类。性能提升归因于HRT延长通过氧气梯度诱导的氮去除功能菌的空间分层。同时，回流策略改善了底物分布，促进了部分硝化、部分反硝化和Anammox反应的顺序耦合。这些联合策略重塑了微生物生态位并重组了代谢网络，实现了通过多途径高效去除氮。这些发现为全规模污水处理厂改造为采用低碳部分主流Anammox工艺提供了新的技术方法。

引言

污水处理厂（WWTPs）是控制氮污染、保护水生生态系统和公共健康的重要基础设施[1]。尽管已广泛实施，但超过86%的传统污水处理厂仍表现出较低的氮去除效率，并导致较高的碳排放[2]。一个主要限制是进水市政废水中碳氮比（C/N）较低，这通常导致传统反硝化（DN）过程所需的碳源不足[3]。为了解决这个问题，许多污水处理厂添加外部碳源，从而增加了运营复杂性和成本[4]。

厌氧氨氧化（Anammox）作为一种有前景的替代技术出现，具有有机碳需求低、曝气需求减少和零直接碳排放等优点[5]。然而，Anammox需要氨（NH??-N）和亚硝酸盐（NO??-N）作为底物[6],[7]，而市政废水通常只含有NH??-N。为了解决这种不平衡，通常引入部分硝化（PN）或部分反硝化（PD）等补充过程来生成NO??-N[8],[9]。然而，这些添加措施增加了系统复杂性和能耗。此外，市政废水的温度通常较低（低于15°C），NH??-N浓度较低（低于50 mg/L），这抑制了厌氧氨氧化菌（AnAOB）的活性和富集[10]。因此，大多数成功的Anammox应用仅限于侧流系统或试点规模研究[11],[12]，而全规模主流应用在技术上仍具有挑战性。

为了克服这些障碍，部分主流Anammox技术专注于通过工艺优化和微生物调控将AnAOB富集到传统活性污泥系统中。这种方法通过Anammox途径实现部分氮去除，代表了主流应用的新方向[13]。例如，Li等人[14]表明，在厌氧室中添加载体后，AnAOB的相对丰度增加到0.11%，比活性污泥提高了175%，并且Anammox对总氮（TN）去除的贡献提高了15.9%。虽然这些载体有效富集了AnAOB，但它们的应用带来了操作负担，如堵塞问题，限制了可扩展性和长期使用[15]。

水力停留时间（HRT）已被证明对生物处理过程有显著影响[16]。它通过改变有机物降解动力学和底物可用性来影响酶活性、微生物群落组成和质量传递[17]。HRT还直接影响AnAOB的富集和活性[18]。同时，优化硝化液回流可以建立溶解氧（DO）梯度，促进PN和PD反应[19]，并为Anammox提供稳定的NO??-N供应[20]。然而，大多数关于HRT和回流策略的研究仍停留在实验室或试点规模。它们在全规模，特别是在低温下的性能和作用机制尚不明确[21]。特别是，HRT和回流配置如何影响DO分布、底物传输和微生物代谢网络仍不清楚。在低温下，底物竞争进一步抑制了氮去除[22]。在这些限制条件下开发集成多途径氮去除策略仍然是一个关键的工程挑战。

为了解决这些问题，本研究调查了中国两个全规模的市政污水处理厂，每个厂每天处理25,000立方米的废水。在低温（12.2–14.6°C）下进行了现场实验，以评估HRT延长和多点回流策略对部分主流Anammox的影响。具体目标是：（i）评估联合策略对氮去除效率和氮转化途径的影响；（ii）表征酶活性和微生物群落响应；（iii）阐明生态位分化、微生物相互作用以及与氮代谢的耦合。这些发现旨在为全规模市政废水处理中的低碳氮去除提供理论见解和技术指导。

部分内容摘要

全规模污水处理厂的运行

本研究选择了位于中国长江下游亚热带季风气候区的两个全规模污水处理厂，每个厂的日处理能力为25,000立方米。这两个厂分别被称为WWTP-CK（对照）和WWTP-EG（实验），采用改良的厌氧-缺氧-好氧（AAO）工艺，如图1所示。两个厂的进水来自同一个市政污水系统，并经过了相同的预处理，确保了进水特性的一致性。

全规模污水处理厂的污染物去除性能

图2展示了在低温下WWTP-CK和WWTP-EG整个处理过程中关键污染物的浓度变化。WWTP-CK的出水COD浓度为32.6±4.6 mg/L，WWTP-EG的出水COD浓度为30.6±3.8 mg/L。两种系统之间的COD去除率没有显著差异（p>0.05），表明HRT延长和多点回流对有机物去除没有显著影响。

结论

本研究证明，在低温下，HRT延长和多点回流使全规模污水处理厂的TN去除率提高了21.5%，总碳排放量减少了10.1%。这些操作策略通过改变DO梯度和底物分布重塑了微生物群落。HRT延长在厌氧室中富集了Candidatus Jettenia，而多点回流建立了支持部分

作者贡献声明

杨光霞：撰写 – 原稿撰写、调查、概念构思。周俊宏：调查。杨晓丽：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理。梁文波：调查。傅玉佳：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了南京供水排水工程设计研究院科技开放专项基金和国家自然科学基金（项目编号：51978148、52070101）的财政支持。