一种在市政废水处理中实现高厌氧氨氧化菌富集和氮去除率的新方法：纯生物膜工艺

《Water Research》：A novel approach for achieving high enrichment of anammox and nitrogen removal rate in municipal wastewater treatment: A pure biofilm process

本研究提出一种新型纯生物膜工艺，在低C/N（平均3）的市政污水中连续运行200天，氨氮去除率（ARE）达97.72±1.50%，总氮去除率（NRE）94.27±2.92%，AnAOB富集至8.61%。通过FISH-CLAM技术证实AnAOB在生物膜中均匀分布，代谢多样性及生态位适应驱动其富集，且该系统对有机负荷冲击更具 resilience。研究为 WWTPs 减少能耗和碳足迹提供新方案。

　　

刘晓光|李长乐|赵阳|李喜尧|张琼|张亮|彭永珍

国家先进城市污水处理与回用技术工程实验室，北京工业大学工程研究中心，中国北京100124

摘要

在全球碳中和目标以及日益严格的污染物排放标准背景下，厌氧氨氧化（anammox）氮去除工艺因其高效、节能和环保的特性而受到广泛关注。当前的主流污水处理技术仍面临富集厌氧氨氧化菌（AnAOB）和管理大量剩余污泥的挑战。纯生物膜工艺因能够有效富集AnAOB并产生少量污泥而成为污水处理厂（WWTP）中自养氮去除转化的主要焦点。本研究创新性地提出了一种新型纯生物膜工艺，并探讨了该系统中AnAOB的自我富集机制。在低C/N比（平均3）条件下处理市政废水200天后，出水氨氮去除效率（ARE）和总氮去除效率（NRE）分别达到了97.72±1.50%和94.27±2.92%。长期运行和批次实验表明，碳源调节对纯生物膜系统的性能至关重要。此外，与絮状污泥和混合系统相比，纯生物膜系统对有机负荷冲击的适应能力更强。qPCR和16S rRNA测序证实AnAOB得到成功富集（预缺氧区：8.94%，后缺氧区：8.61%），其中厌氧氨氧化过程贡献了81.10%的氮去除量。荧光原位杂交结合共聚焦激光扫描显微镜（FISH-CLAM）技术显示，AnAOB在系统内呈空间均匀分布，而混合系统则不然。宏基因组测序揭示了纯生物膜系统中功能性细菌的碳和氮代谢途径，表明AnAOB的代谢多样性和在生物膜结构中的生态位适应性推动了其自我富集。最后，纯生物膜系统中N?O产生的微电极测量结果证实了其在减排方面的巨大潜力。这项工作为旨在降低能耗并从异养氮去除过程向自养氮去除过程转型的污水处理厂提供了实用解决方案。

引言

城市污水处理厂作为防止富营养化和维持全球氮循环稳定的工程生态系统，由于高曝气能耗以及传统硝化-反硝化过程中对额外碳源的需求，面临重大挑战。它们还产生大量剩余污泥和温室气体（如N?O），这增加了处理成本，并威胁生态平衡，使得难以满足可持续发展的要求（Chen等人，2024；Zhao等人，2024）。此外，传统的厌氧-好氧（AO）/厌氧-厌氧-好氧（AAO）工艺受进水基质和硝酸盐回流比例的影响，难以实现进一步的氮去除（Liang等人，2025）。

厌氧氨氧化（anammox）是自然生态系统和工程中的关键氮相关氧化还原过程，具有低耗氧量和无需碳源的特点（Kartal等人，2011）。在全球碳中和的背景下，anammox具有独特的代谢优势，对污水处理厂特别有吸引力。然而，anammox在主流污水处理中目前面临两个瓶颈问题：（i）市政废水中anammox细菌（AnAOB）代谢所需的电子受体（NO??）不足；（ii）AnAOB的繁殖速率较慢，限制了其保留和富集（0.065-0.33 d?1）。部分硝化（PN）和部分反硝化（PD）可以为AnAOB提供亚硝酸盐基质，与anammox结合形成新的氮去除途径（Zhang等人，2024）。PN需要定向富集氨氧化菌（AOB）并抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB），使得该过程复杂、脆弱且难以实现（Wett等人，2013）。与PN相比，PD在碳限制条件下（COD/NO??-N=3）可实现高达90%的硝酸盐到亚硝酸盐的转化率，表明PD在主流污水处理应用中更稳定，是解决亚硝酸盐基质限制的可行方案（Du等人，2017；Xu等人，2024）。值得注意的是，AnAOB可以通过疏水相互作用形成微生物聚集体，表现出显著的聚集能力（Ali等人，2018）。因此，污泥颗粒化和添加生物膜形成载体可以为AnAOB提供良好的生态位，延长固体停留时间（SRT），促进其富集和保留（Du等人，2023；Dan等人，2023）。然而，在连续流系统中，颗粒污泥容易破碎，使其形成困难。目前，通过添加载体介质，在实验室、中试和全规模实验中增强了PD和anammox的耦合，实现了AnAOB的有效富集（Zhao等人，2024；Li等人，2019；Zhao等人，2023）。因此，添加载体材料已成为在连续流反应器中保留AnAOB的主要方法。

尽管通过添加载体成功增强了anammox在主流污水处理中的氮去除作用，但在全规模污水处理应用中，附着在载体上的生物膜中AnAOB的相对丰度仅为0.11%，这使得在污水处理厂实现自养氮去除仍是一个重大挑战（Li等人，2019）。成功开发了一种纯生物膜AO系统，实现了高达55%的氮去除贡献和6.49%的AnAOB相对丰度（Li等人，2023）。这表明纯生物膜系统可以最大化主流污水处理中的自养氮去除。然而，出水中的总氮（TN）仍受AO过程本身的限制，难以进一步降低。因此，全面阐述和利用纯生物膜系统的优势通过技术创新实现超高效氮去除至关重要。此外，关于AnAOB的自我富集机制及其与纯生物膜系统中其他功能性微生物群落的相互作用的研究尚不充分。AnAOB具有多样的代谢途径，并在不同环境条件下表现出不同的功能（Zhang等人，2024）。在纯生物膜系统的独特结构中，AnAOB、反硝化菌（DNB）和水解酸化菌可能参与协同氮去除机制，这些机制与絮状污泥或混合系统中的机制有根本不同。因此，分析AnAOB的代谢和空间分布特征及其与纯生物膜系统中功能性微生物的协作对于全面理解其自我富集和优势至关重要。

为解决这些问题，本研究开发了一种新型纯生物膜工艺，并进行了200天的运行。本研究旨在：（i）评估该新型纯生物膜工艺在低C/N比市政废水中实现高效氮去除和AnAOB富集的潜力；（ii）量化纯生物膜系统在有机负荷冲击下的稳定性及其N?O排放特性；（iii）通过FISH-CLAM、16S rRNA测序和宏基因组测序分析探索AnAOB的自我富集机制和微生物协同作用。最终，本研究为纯生物膜系统在污水处理工程中的实际应用提供了宝贵见解。

部分内容

反应器的建立和运行

这种新型纯生物膜工艺基于传统的AO工艺开发。消除污泥回流后，大部分悬浮污泥被去除，污染物去除主要依赖于载体表面功能性微生物的形成（Li等人，2023）。后缺氧区连接到AO反应器的有氧区末端，进水同时供应到预缺氧区（A1）和后缺氧区（A2）（图1A）。本研究使用了

纯生物膜工艺的氮去除性能

这种新型纯生物膜工艺运行了200天，处理低C/N比的市政废水。通过调整进水比和水力停留时间（HRT），整个实验分为5个阶段（表1）。在整个运行过程中，反应器保持纯生物膜状态（悬浮污泥MLVSS < 200 mg/L）。出水COD稳定在33.50 ± 14.31 mg/L，平均去除率达到75.65 ± 9.47%（图2C）。

在第1阶段（第1-22天），系统处于

纯生物膜系统中的AnAOB富集和代谢机制

为了实现污水处理厂的碳中和并降低能耗，从异养氮去除向自养氮去除的转变已成为下一代生物处理技术发展的核心策略。其中，将anammox应用于市政废水是实现碳中和运营与可持续废水管理相结合的有前景的途径（Wang等人，2024）。然而，即使在前体途径（PN和PD）存在的情况下

未引用的参考文献

Kuenen, 2008, Wang和Qiao, 2023, Zhang等人, 2024

CRediT作者贡献声明

刘晓光：撰写——初稿，数据整理，概念化。李长乐：方法学。赵阳：方法学，概念化。李喜尧：资源准备。张琼：方法学。张亮：撰写——审阅与编辑。彭永珍：撰写——审阅与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号U23A20675）和北京国际科技合作基地生物废水处理与过程控制技术的联合支持。