颗粒化的形成与稳定使得以硫代硫酸盐为驱动的兼性厌氧氨氧化与部分反硝化过程能够快速启动，并保持良好的运行状态

《Water Research》：Induction and consolidation of granulation enable rapid start-up and robust maintenance of thiosulfate-driven partial denitrification coupling with anammox

　　

摘要

在全球可持续发展的迫切需求下，硫代硫酸盐驱动的局部反硝化与厌氧氨氧化耦合技术（TDDA）作为一种低碳废水处理技术备受关注。然而，其实际应用面临诸多挑战，尤其是启动繁琐且长期维护困难。本文提出通过战略性诱导和强化污泥颗粒化来突破这些技术瓶颈。即便有足够的底物，使用传统絮凝污泥进行初始运行也无法建立TDDA工艺。通过系统地缩短污泥沉降时间，成功诱导了污泥颗粒化，60天内颗粒平均尺寸从90.2微米增至233.3微米。这种形态变化为生长缓慢的厌氧氨氧化细菌提供了良好的载体，使得该类细菌的浓度提升了1.1±0.1×10¹⁰拷贝/克-VSS，从而使厌氧氨氧化在氮去除中的作用占比超过80%，标志着TDDA生物系统的快速启动成功。随后通过提高氮负荷率，进一步巩固了颗粒污泥结构，不仅使颗粒平均尺寸增至359.2微米，还稳定了氮去除性能，效率与速率分别达到91.4±3.2%和0.40±0.02千克氮/（立方米·天）。这些研究结果表明，颗粒化作为一种兼具提升生物量与稳定性能的双功能策略，为高效实施可持续氮去除技术提供了可行路径。

引言

实现联合国2030年可持续发展目标已获得全球共识（Wang等人，2022；Yan等人，2025）。废水处理厂在推动这些目标的实现中发挥着不可或缺的作用，但传统废水处理厂已面临诸多瓶颈，尤其是因为它们依赖曝气及碳源，导致能耗极高且碳足迹严重（Sachs等人，2019；Zhao等人，2024a）。例如，传统废水处理厂占全球电力消耗量的3%（Gong等人，2024a）。仅在中国，为满足日益严格的出水标准，每年需消耗约200万吨甲醇或乙酸等化学碳源（Zhao等人，2024a）。这些普遍存在的限制凸显出，废水处理领域亟需向低碳、高效且可持续的方向转型。

作为可持续发展领域的前沿技术，自养废水处理工艺近年来受到了广泛关注。厌氧氨氧化技术是一项重要进展，它利用厌氧氨氧化细菌作为催化剂，在无氧条件下将铵离子转化为氮气，亚硝酸盐则作为电子受体（Kartal等人，2011；M. Strous，1998）。这一生物过程无需曝气及有机碳输入，因此具有显著的经济和环境效益（Ahmad等人，2021；Jiao等人，2026）。硫驱动的自养反硝化技术也是另一项重大突破，它以还原态无机硫化合物作为电子供体，将硝酸盐转化为氮气，这一过程由硫氧化细菌催化（Cui等人，2019；Wang等人，2023）。在这些电子供体中，硫代硫酸盐的电子转移效率更高，其降低硝酸盐的速率分别是硫化物和单质硫的4.6倍和9.5倍（Zhou等人，2023）。此外，硫代硫酸盐驱动的反硝化过程中往往存在动力学失衡，即反硝化反应的速率快于脱硝化反应，从而导致亚硝酸盐暂时积累（Chung等人，2014；Gong等人，2024b）。这种现象被称为硫代硫酸盐驱动的局部反硝化，它是产生亚硝酸盐的重要途径，同时也是与厌氧氨氧化耦合的理想前置步骤。在实验室条件下，该工艺的总氮去除率可超过0.3千克氮/（立方米·天），去除效率可达82%（Deng等人，2019）。这种整合方式能够同时去除废水中的铵离子和硝酸盐，为两类常见废水提供协同处理方案：含铵离子的废水（如生活污水、焦化废水、垃圾填埋场渗滤液）以及含硝酸盐的废水（如金属酸洗液、化肥尾水）。

尽管TDDA技术在可持续废水处理方面具有巨大潜力，但在工程应用中仍面临诸多技术挑战，包括启动繁琐及长期维护困难。这些问题的根源在于厌氧氨氧化细菌的供应有限及其自身的生理特性限制。一方面，高活性外源厌氧氨氧化细菌种泥十分稀缺，这使得大规模生物强化既困难又成本高昂（Zhao等人，2023b）。即便引入厌氧氨氧化细菌用于启动TDDA工艺，其表现也往往不佳，表现为生长速度缓慢、代谢活性下降以及微生物群落不稳定，这是因为厌氧氨氧化细菌对底物条件、运行环境及微生物间相互作用的变动极为敏感（Deng等人，2025；Yang等人，2017；Zhang等人，2025）。另一方面，厌氧氨氧化细菌属于生长缓慢的菌群，即使在35±5摄氏度这样的适宜中温条件下，其倍增时间也约为两周（Lackner等人，2014；Yang等人，2017）。因此，在絮凝污泥系统中，要积累足够量的厌氧氨氧化细菌以支持工艺的启动和运行需要很长时间，而絮凝基质对生物量的保留能力较差更是加剧了这一问题（van der Star等人，2007）。值得注意的是，颗粒污泥因其在增强和稳定厌氧氨氧化细菌方面的优势而成为研究重点。颗粒污泥能为厌氧氨氧化细菌提供坚固的机械支撑和适宜的生存环境，从而显著促进其增殖和富集（An等人，2025；Dan等人，2023）。此外，颗粒污泥凭借其独特的物理和生态特性，还具有出色的运行稳定性（Ali等人，2019；Feng等人，2024；Lin等人，2023）。成熟颗粒良好的沉降性可防止生物量流失，确保厌氧氨氧化细菌的持续留存，而其密集的空间结构则能形成保护性微环境，帮助厌氧氨氧化细菌抵御外界干扰，保障其长期稳定运行。

基于上述分析，我们推测颗粒污泥技术可作为快速启动并稳定维持TDDA工艺的双功能策略。为此，我们搭建了序批式反应器，并进行了为期200天的连续运行实验。我们通过形态分析、化学计量分析、动力学测试以及¹⁵N稳定同位素示踪实验，评估了厌氧氨氧化颗粒污泥在TDDA系统中的贡献程度。同时，我们还利用宏基因组测序、分类分析以及16S rRNA扩增子测序，识别核心功能微生物并阐明微生物间的相互作用。这些研究旨在为在废水处理工程中广泛应用TDDA工艺提供新的思路。

章节节选

实验装置与运行方式

本研究在有效容积为10升的序批式反应器中进行（图1a）。反应器中的起始菌种来自另一台以硫代硫酸盐为电子供体处理含硝酸盐废水的序批式反应器，该反应器并未专门培养厌氧氨氧化污泥。接种后，反应液的初始混合液悬浮固体浓度和混合液挥发性悬浮固体浓度分别为2454.6±45.2毫克/升和2072.6±70.9毫克/升。进水为含有铵离子和硝酸盐的合成废水，

颗粒化：TDDA进程的关键推动力

该生物系统持续运行了200天，用以评估颗粒污泥技术在TDDA工艺启动和维持方面的可行性。在此期间，进水中铵离子和硝酸盐的浓度分别维持在50.3±2.2毫克氮/升和61.1±2.3毫克氮/升。在第一阶段（第1至40天）和第二阶段（第41至100天）中，反应器的水力停留时间设定为12.0小时（图1b），相应的氮负荷率为0.17±0.01千克氮/（立方米·天）（见补充图1）。在第一阶段，

讨论

废水处理行业向能源正向循环和碳中和方向转型，已成为可持续基础设施发展中的重要趋势（Zhao等人，2024b）。例如，荷兰提出了“NEWs”框架，要求废水处理厂实现养分回收、能源自给以及高质量水资源再生三大功能（Gong等人，2024a）。同样，2023年中国生态环境部也

结论

本研究证明，污泥颗粒化策略能有效解决TDDA工艺启动缓慢及长期维护困难的问题，为处理含铵离子和硝酸盐的废水提供了一种可持续的解决方案。主要结论如下：

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  缩短污泥沉降时间可成功诱导污泥颗粒化，使得颗粒平均尺寸从90.2微米增加到233.3微米。这种形态变化是TDDA工艺快速启动的关键因素，因为它能促使厌氧氨氧化细菌在反应器内大量富集，

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成果的财务利益冲突或个人关系。

CRediT作者贡献说明

王璐瑶：文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，实验研究，数据分析，概念构建。赵琪：文章撰写——审阅与编辑，研究指导。王星月：文章撰写——审阅与编辑，研究指导。李希尧：文章撰写——审阅与编辑。张琼：文章撰写——审阅与编辑。彭永珍：文章撰写——审阅与编辑，研究指导，资金筹集。

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成果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金委员会联合资助项目（项目编号U23A20675）以及北京国际智能技术创新与合作基地的经费支持。

Luyao Wang|Qi Zhao|Xingyue Wang|Xiyao Li|Qiong Zhang|Yongzhen Peng

中国北京市100124，北京工业大学北京城市高级污水处理与回用技术国家工程实验室，北京工程研究中心