《Water Research》：Sidestream granular sludge bioaugmentation for year-round mainstream anammox under seasonal low-temperature constraints: A critical review and quantitative assessment
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摘要厌氧氨氧化工艺为高效去除氮素提供了有效途径，但其在中温地区的应用却因冬季废水温度过低而受到限制。低温会抑制厌氧氨氧化细菌的代谢活性，严重阻碍其生长。本文从维持生物量的角度探讨了低温条件下的厌氧氨氧化工艺，并研究了连续旁流颗粒污泥生物强化技术作为实现全年稳定运行的可行方案。在3
摘要
厌氧氨氧化工艺为高效去除氮素提供了有效途径，但其在中温地区的应用却因冬季废水温度过低而受到限制。低温会抑制厌氧氨氧化细菌的代谢活性，严重阻碍其生长。本文从维持生物量的角度探讨了低温条件下的厌氧氨氧化工艺，并研究了连续旁流颗粒污泥生物强化技术作为实现全年稳定运行的可行方案。在30℃时，厌氧氨氧化活性约为正常水平的100%，而在15℃时降至约21%，10℃时则仅剩5%；此外，当温度低于15℃时，生物量的净增长会受到极大限制，这使得冬季维持生物量变得愈发困难。为此，可采用旁流两阶段部分亚硝酸化/厌氧氨氧化系统来处理厌氧消化产生的废水，从而为持续生物强化提供充足的颗粒污泥。此外，持续的生物量供应还有助于厌氧氨氧化菌在季节性低温条件下逐步适应寒冷环境。定量分析表明，通过连续旁流生物强化，厌氧氨氧化在年度平均氮素去除中的作用可从58.5%提升至68.4%，冬季则可从43.0%上升至54.6%。若再结合废水源热泵使用，这一比例还可进一步升高至72.9%和67.0%，从而使厌氧氨氧化成为全年主要的氮素去除方式。总体而言，本文为在温带气候的季节性低温条件下实现更稳定的厌氧氨氧化工艺提供了理论依据。
引言
厌氧氨氧化工艺因其能将曝气需求降低约60%，无需外源碳源，且产生的多余污泥量比传统硝化-反硝化工艺少约80%，而被视为高效去除氮素的重要技术（Wang等，2023b；Yin等，2025）。然而，其在温带地区的实际应用仍受冬季低温限制。厌氧氨氧化细菌的最佳生长温度为30至37℃（Kouba等，2022c），而冬季的废水温度往往降至10–15℃。在这种环境下，厌氧氨氧化细菌的生长速度可能不足以弥补因自身衰减和污泥流失造成的生物量损失，从而导致难以长期维持其生物量。因此，实现全年稳定运行厌氧氨氧化工艺的难题不仅在于活性下降，还在于长期低温条件下生长与生物量损失之间的失衡（Chen等，2024；Yu等，2025）。已有研究总结了低温对厌氧氨氧化菌的抑制机制（Chang等，2026）、其适应策略（Wan等，2025），以及包括外源促进剂使用（Wang等，2025b）、固定化保护技术（Wang等，2025a）和工艺强化措施（Peng等，2026）在内的多种增强策略。不过，这些研究大多仅侧重于评估单一策略在恢复或维持生物量活性方面的效果。
针对厌氧氨氧化工艺在低温条件下的局限性，评估策略时不仅要考虑其活性恢复情况，还需关注其维持生物量的能力。目前大多数方法都致力于激活厌氧氨氧化细菌的活性并提高其耐寒性（Guo等，2025；Yang等，2023b），但其在持续抵消生物量损失方面的效果仍不确定（Wan等，2025）。因此，生物强化技术具有显著优势，因为它可直接弥补生物量的损失（Tale等，2015）。尤其是那些在35℃下处理厌氧消化废水的旁流两阶段部分亚硝酸化/厌氧氨氧化系统，非常适合用于此目的，因为这类反应器能够全年持续提供充足的生物量（Gani等，2021）。这类反应器产生的颗粒污泥还具有良好的沉降性能，便于在同一处理厂内进行转移操作（Fan等，2025；Xu等，2021）。此外，持续的生物量供应还有助于转移后的污泥在主反应器中逐步适应低温，从而在冬季来临前完成适应性调整（Kouba等，2022a；Lin等，2018）。不过，目前尚不清楚旁流反应器是否能够在冬季为厌氧氨氧化生物强化提供足够的生物量支持（Gholami-Shiri等，2021；Rong等，2025）。
本文重点探讨了在季节性低温条件下，通过旁流颗粒污泥生物强化技术来维持厌氧氨氧化工艺全年稳定运行的可行性。从维持生物量的角度，本文分析了低温抑制机制、细菌的寒冷适应机制，以及现有的各种增强和生物量保留策略。同时，本文还量化了旁流反应器提供的生物量供给能力与主反应器对生物量的需求，以评估冬季通过持续生物强化所能实现的厌氧氨氧化去除效率。基于这些分析，本文提出了一种将生物强化技术与废水源热泵相结合的集成工艺方案，并针对不同地区的冬季严酷程度给出了相应的实施建议。
章节节选
抑制机制与适应反应
低温会通过降低酶的催化效率、减弱膜流动性以及干扰蛋白质合成等方式影响厌氧氨氧化细菌的活性（图1）。负责催化核心氮转化反应的肼合酶和肼脱氢酶在低温条件下的活性会显著下降（Wang等，2026a；Zhao等，2024）。在低温环境下，厌氧氨氧化体膜中的梯形脂质会变得越来越僵硬，这会限制底物在膜内的传输。
生物量保留：增强策略的前提
任何增强策略的基础都是保持反应器内功能正常的厌氧氨氧化细菌，只有这样才能提升其活性或通过外部来源补充生物量。丹麦马塞利斯堡污水处理厂开展的一项为期三年的试验就体现了这一挑战——由于生物量无法得到有效保留，即使持续将旁流污泥转移到主反应器中，厌氧氨氧化对氮素去除的贡献也仅约为1%（Kamp）。
评估框架与场景设定
为探究旁流颗粒污泥是否能在季节性降温条件下维持厌氧氨氧化工艺的稳定性，本研究在特定的工艺框架下进行了评估。该工艺流程包括一个主反应器的两阶段部分亚硝酸化/厌氧氨氧化系统，之后还有一个用于深度处理的厌氧/好氧净化步骤，旨在使最终出水中的总氮浓度控制在10毫克/升左右（Campo等，2024；Twagirayezu等，2025）。与单阶段部分亚硝酸化/厌氧氨氧化系统相比，双阶段系统能够更有效地实现氮素去除。
经济与环境效益
上述性能提升对处理系统的经济效益和环境影响也有重要意义。为全面考量该处理系统的整体效能，本研究采用了基于贡献度的评估方法，根据主反应器两阶段部分亚硝酸化/厌氧氨氧化系统与后续厌氧/好氧净化步骤各自的氮素去除贡献，来分配整体的处理负荷。相比其他评估方式，这种方法更为科学合理。
结论
综上所述，温带地区实现厌氧氨氧化工艺全年稳定运行的主要障碍并非单纯的活性下降，而是季节性低温条件下生长与衰减之间的失衡。从这个角度来看，用于处理厌氧消化废水的旁流两阶段部分亚硝酸化/厌氧氨氧化系统，可作为工厂内部持续供应颗粒污泥的来源，有助于维持主反应器中的生物量，并促进细菌对寒冷环境的适应。定量分析结果表明……
作者贡献说明
习家福：综述与编辑、初稿撰写、方法设计、实验研究、数据整理。黄欣月：实验研究、数据分析。叶敏：综述与编辑、初稿撰写、结果验证、概念设计。李宇友：综述与编辑、结果验证、方法设计。刘建勇：综述与编辑、初稿撰写、项目监督、管理协调、资金申请、概念设计。
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系或个人关联。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划的资助（项目编号：2022YFE0112900）。
Jiafu Xi|Xinyue Huang|Min Ye|Yu-You Li|Jianyong Liu
上海大学环境与化学工程学院，中国上海南陈路333号，邮编200444
