创新性的序批式反应器与蠕虫反应器耦合工艺在污泥减量与磷回收方面的高效性：性能、质量平衡及宏基因组机制

《Bioresource Technology》：Efficient sludge reduction and phosphorus recovery in innovative coupled sequencing batch and worm reactor Process: Performance, mass balance and metagenomic mechanisms

　　

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  仅处理6%的侧流污水，就能回收45%的进水中的总磷。
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  一种新的SBR-蠕虫反应器-磷回收工艺实现了49%的污泥减量。
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  蠕虫的捕食行为改善了污泥絮体的结构、沉降性以及脱水性能。
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  宏基因组分析揭示了由蠕虫捕食和微生物作用驱动的磷释放机制。
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  侧流中的蠕虫捕食行为增强了与磷代谢相关的基因表达。

引言

磷是生物体不可或缺的关键营养物质（Pasalari等人，2024），同时也是维持全球粮食安全（Liu等人，2026）和现代农业生产（McDowell等人，2024）所必需的不可再生战略资源（Helfenstein等人，2024）。由于磷循环是一个极其缓慢的地质过程（Zhang和Low等人，2025），高品质磷矿石的枯竭使得磷资源短缺成为人类社会可持续发展的重大挑战（Alewell等人，2020；Qi等人，2026）。与此同时，大量含磷废水排入自然水体会导致磷资源浪费（Chen和Liu等人，2024），并引发富营养化等问题（Hou等人，2026；Li和Shen，2025），这些都会严重威胁水生生态系统的健康以及饮用水的安全（Wu等人，2026）。因此，面对磷资源匮乏和环境污染双重危机（Xiang等人，2024），将污水处理厂从传统的“污染物去除单元”转变为“资源回收工厂”（Wang等人，2026），从而高效地从废水和污泥中捕获并回收磷，是实现磷循环可持续利用的关键步骤（Dou等人，2025）。

强化生物除磷技术是目前将液相中的磷定向富集到固相污泥中的主流技术（Qiu等人，2025），该技术利用聚磷酸盐积累菌在交替的厌氧/好氧环境中实现磷的释放和过量吸收（Hong等人，2023；Zhang等人，2022）。然而，这种“相转移”方式仅能初步浓缩磷，并未真正实现资源回收。随后对富含磷的剩余污泥进行处置，如填埋或焚烧，会导致磷的二次损失，且无法以可用形式将磷返回农业生态系统（Jin等人，2025）。此外，虽然将这些富含磷的污泥用于后续处理流程可以释放部分磷（Ding和Wu等人，2022），但释放速度较慢（Zhang和Zhang等人，2025），而且上清液的复杂成分也会对主流处理流程的稳定运行造成影响（Zhao等人，2026），从而导致最终回收产品中的磷含量较低，难以实现高价值的资源回收（Fang等人，2020；Zheng等人，2023）。因此，开发一种既能有效减少污泥量，又能促使固相磷快速释放回液相的侧流技术，对于形成“废水-污泥-磷回收”闭环至关重要。

侧流生物捕食技术，尤其是利用水生蠕虫的代谢和捕食功能，为解决上述问题提供了一种绿色低碳的方案（de Valk等人，2019）。蠕虫通过摄食和消化污泥，能够显著减少污泥的产生量（de Valk等人，2017），破坏污泥絮体结构，并促使细胞内储存的聚磷酸盐释放到液相中（Gholipour等人，2024；Zhang等人，2020）。我们之前的研究开发了一种新型蠕虫反应器，该反应器结合了机械搅拌和持续弱曝气功能，能够同时实现污泥减量和磷释放的协同效应（Li等人，2026），为后续的侧流磷回收创造了理想的条件。该反应器采用三层并列的聚酰胺纤维多孔板作为蠕虫附着载体。不过，尽管独立的侧流蠕虫反应器单元的减污和磷释放效率已经得到验证，但将其与主流SBR系统结合后的长期运行性能和稳定性方面仍存在研究空白。侧流操作需要频繁地在“主流系统”和“侧流系统”之间交换污泥（Wang等人，2024），这可能会改变主流系统的污泥停留时间，打破原有微生物群落的平衡结构（He等人，2025）。持续的旁路磷回收过程也可能改变主流微生物的磷代谢途径（He等人，2023）。这类外部干扰对主流系统的氮磷去除微环境、生物系统功能以及长期运行稳定性所产生的影响目前尚无定论。

本研究提出了一种创新的序批式反应器-蠕虫反应器-磷回收耦合工艺。该工艺突破了传统侧流工艺高流量比的局限，仅需12%的侧流污泥比例以及约6%的磷回收上清液处理比例，就能高效回收45%的进水中的总磷。这种方法有效避免了磷返回主流系统，降低了系统负荷，同时实现了高级废水处理、污泥减量以及磷回收三大目标。为了全面评估SBR-蠕虫反应器-磷回收耦合工艺的长期磷回收效率及其功能稳定性，并揭示其内在机制，本研究分析了该工艺在长期运行过程中的污染物去除效果、污泥减量效率、磷回收效率以及污泥特性的变化规律。此外，还建立了系统的磷质量平衡模型，用以阐明物质循环与侧流系统及主流生物处理单元之间的平衡关系，从而验证了磷资源回收的可行性。研究还运用高通量宏基因组测序技术，从基因层面探究了侧流生物捕食作用对主流系统中微生物群落结构及功能基因（尤其是碳、氮、磷代谢途径相关基因）的影响机制。本研究旨在为基于生物捕食的侧流磷回收技术的发展提供新的理论依据。

章节要点

废水与污泥的来源

所使用的管虫是从哈尔滨当地的一家花鸟市场购买的。初始的蠕虫接种密度为20克/升（湿重），这一数值是根据蠕虫反应器的容积6升来确定的。实验中使用的活性污泥取自哈尔滨某城市污水处理厂（A²/O）的回流污泥泵站。这些污泥先经过1毫米筛网过滤，然后再接入SBR反应器中，之后使用模拟生活污水对其进行适应训练

\* MERGEFORMAT(1)

(2) 污泥脱水性：脱水性是通过标准化毛细吸水时间来检测的，该数值是根据公式（2）计算得出的，而毛细吸水时间则是使用304型仪器测量的。

\* MERGEFORMAT(2)

(3) 污泥絮体粒径分析：污泥的均匀性是通过污泥颗粒大小的离散度指数来评估的，该指数也是根据公式（3）计算得出的。污泥的颗粒大小分布则是通过Mastersizer激光颗粒大小分析仪来测定的。

\* MERGEFORMAT(3)

其中，d₁₀、d₅₀（中位粒径）和d₉₀分别表示有10%、50%和90%的累积颗粒体积小于该粒径时的数值。

(4) 污泥除磷性能：在三个SBR反应器的好氧阶段结束时，分别采集了500毫升的污泥。经过多次洗涤后，这些污泥会被预曝气1小时，以便消耗其中的残留营养物质。随后向样品中通入氮气，营造出厌氧环境（溶解氧浓度低于0.5毫克/升），然后再进行后续操作

废水处理效率

在160天的连续运行过程中，对比了SBR₁、SBR₂-BR-PR以及SBR₃-WR-PR三种工艺对污染物（COD、NH₄⁺-N、TN、TP）的去除效果及机制。进水的COD浓度为521.8±43.0毫克/升，而经过SBR₃耦合工艺处理后的出水COD浓度仅为23.2±9.5毫克/升，去除率达到了95±2%（见图1），这一数值与SBR₁的去除率存在显著差异（P<0.05）。尽管BR和WR工艺带来的侧流污泥回流使SBR₂和SBR₃的进水COD负荷增加了0.7%

结论

本研究成功构建了一种创新的SBR-蠕虫反应器-磷回收耦合工艺，该工艺不仅能够高效实现污泥减量，还能实现磷的定向释放与回收。长期运行结果表明，这种耦合系统在城市污水处理和磷回收领域具有巨大的应用潜力，且稳定性优异。通过侧流蠕虫反应器中的生物捕食作用，与传统SBR工艺相比，污泥产量减少了49%。此外，该工艺还能实现45%的磷回收率

CRediT作者贡献说明

张静静：论文撰写——初稿编写、可视化处理、数据整理、概念设计。李立平：论文撰写——审稿与编辑、项目监督、资金获取。杨玄赫：可视化处理、数据整理。陈思琪：软件应用、方法设计。李哲：实验研究。李瑞：数据整理。王春雷：方法设计。田宇：项目监督。

未引用参考文献

Chen等人，2024a；Chen等人，2024b；Ding等人，2022a；Ding等人，2022b；Zhang等人，2025a；Zhang等人，2025b。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52570154）、城乡水资源与环境国家重点实验室（所在单位：哈尔滨工业大学，编号：2024TS14）以及内蒙古自治区科技计划项目的支持（编号：2025YFDZ0147）。

张静静|李立平|杨玄赫|陈思琪|李哲|李瑞|王春雷|田宇