《Chemical Engineering Journal》：Rapid formation of partial denitrification granular sludge under an alkaline-assisted stepwise SBR strategy: XDLVO insights into interfacial adhesion and calcium-associated reinforcement
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•在碱性辅助序批式反应器（SBR）条件下，36天内即可形成部分反硝化颗粒。•以Thauera属为主导的菌群联合体实现了稳定的硝酸盐向亚硝酸盐转化。•富含蛋白质的TB-EPS提高了疏水性并降低了表面电负性。•钙相关强化作用增强了成熟颗粒的骨架结构。•XDLVO分析表明，经过EP
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在碱性辅助序批式反应器（SBR）条件下，36天内即可形成部分反硝化颗粒。
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以Thauera属为主导的菌群联合体实现了稳定的硝酸盐向亚硝酸盐转化。
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富含蛋白质的TB-EPS提高了疏水性并降低了表面电负性。
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钙相关强化作用增强了成熟颗粒的骨架结构。
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XDLVO分析表明，经过EPS和表面性质演化后，聚集势垒降低。
引言
部分反硝化（PDN）选择性地将硝酸盐还原终止于亚硝酸盐阶段，作为一种为厌氧氨氧化（Anammox）提供亚硝酸盐的实用途径，日益受到关注[1], [2], [3]。与传统硝化反硝化工艺相比，PDN与Anammox的耦合可以在实现高效脱氮的同时降低有机碳需求和曝气需求[4], [5]。然而，该联合工艺可靠性在很大程度上取决于PDN持续选择性提供亚硝酸盐的能力。在悬浮生长系统中，这一要求常受到生物量流失、完全反硝化菌竞争以及亚硝酸盐累积波动等挑战[6], [7]。因此，提高生物量截留和维持稳定的亚硝酸盐产生菌群仍是PDN基脱氮工艺工程应用的关键问题。
颗粒污泥提供了一种潜在的解决方案，因为它能截留活性生物量、改善沉降性能并提供空间结构化的微环境[8], [9]。好氧颗粒污泥的形成机制已被广泛研究[10]，包括 feast-famine 选择、短沉降时间、水力剪切以及胞外聚合物（EPS）介导的细胞聚集[11], [12]。相比之下，PDN颗粒化过程仍较少被深入理解[8]。已有研究表明，PDN颗粒可实现硝酸盐向亚硝酸盐的转化，但其结构稳定性和产亚硝酸盐活性可能随氮负荷、粒径分布以及微生物群落变化而波动[13], [14], [15], [16], [17], [18]。因此，核心挑战不仅在于如何快速形成PDN颗粒，还在于如何解释产亚硝酸盐功能与颗粒稳定性之间的耦合关系。
碱性运行条件可能同时影响PDN活性和污泥界面性质。从生物学角度看，碱性条件可能通过富集功能性反硝化菌并在适当运行条件下抑制过度亚硝酸盐还原，从而促进硝酸盐向亚硝酸盐的转化。从物理化学角度看，pH可影响EPS构象、表面电荷、疏水性、钙形态及碳酸盐沉淀，从而改变微生物附着和颗粒致密化程度[4], [5]。因此，碱性pH应在更广泛的运行环境中加以考虑，因为基质负荷和水力选择也会影响微生物截留和聚集。对PDN颗粒化的机理性理解需要一个将功能选择、界面粘附和结构强化联系起来的综合框架。
以往研究分别报道了Thauera属富集、EPS产生和钙介导聚集在反硝化或颗粒污泥系统中的作用[10], [19], [20]。然而，这些观察结果通常被作为独立现象来讨论。在PDN颗粒化过程中，功能微生物选择如何与EPS介导的附着和钙相关结构强化相耦合仍不清楚。富含蛋白质的紧密结合型胞外聚合物（TB-EPS）可通过增强疏水相互作用和加固胞外基质来提高微生物粘附能力[21]。钙也可通过与带负电荷的EPS功能基团相互作用以及在碱性及含碳酸盐条件下的钙相关无机沉积参与颗粒形成[14]。然而，鲜有研究将运行发育过程、产亚硝酸盐性能、污泥结构成熟、界面性质以及钙相关无机富集相结合，以解释快速形成的PDN颗粒如何获得功能性和物理持久性。这一知识空白限制了针对稳定产亚硝酸盐的PDN颗粒化策略的合理设计。
扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论提供了一种从界面能角度解释污泥聚集的有用方法[21]。通过考虑Lifshitz-van der Waals力、静电作用和酸碱相互作用，XDLVO分析可以将可测量的表面性质（如Zeta电位和接触角）与污泥颗粒附着的热力学趋势联系起来[22], [23], [24], [25], [26], [27]。对于PDN颗粒而言，这一框架具有重要价值，因为EPS组成、疏水性、表面电负性以及钙相关结构强化可能共同决定微生物聚集体是保持分散状态还是发育为致密颗粒。然而，XDLVO分析很少被用于解释碱性辅助运行选择如何通过协同的生物和物理化学变化促进PDN颗粒化。
本研究在碱性辅助阶梯式运行策略下于SBR中培养PDN颗粒污泥。研究旨在通过将反应器性能与颗粒发育、微生物群落重构、EPS组成、污泥表面性质以及钙相关结构特征联系起来，阐明快速PDN颗粒化的生物学和物理化学基础。应用XDLVO理论比较种子污泥和成熟颗粒的界面相互作用能，并评估所观察到的表面性质变化是否对应于更有利于粘附的状态。通过整合功能性能、结构发育、界面特征和终端微生物谱图，本工作为快速PDN颗粒化及其作为下游Anammox亚硝酸盐供给策略的潜在应用提供了综合解释。
各节摘要
反应器设置与合成废水
种子污泥取自中国西安渭河污水处理厂的缺氧池。接种前，污泥用自来水冲洗三次以去除杂质。接种后，SBR中混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度约为2850 mg·L?1，初始MLVSS/MLSS比约为0.35。
PDN颗粒污泥在透明有机玻璃圆柱形SBR中培养（内径15 cm × 工作高度35 cm）
碱性辅助阶梯式SBR运行下PDN颗粒的功能建立与持久性
PDN-SBR运行了90天，根据氮负荷率（NLR）、运行周期频率和进水pH调整策略分为四个阶段。如图1所示，反应器迅速建立了硝酸盐向亚硝酸盐的转化，并在增加负荷条件下随后维持了PDN活性。在第一阶段（第1–21天，启动期），第一周内即观察到亚硝酸盐产生，表明种子污泥对PDN联合运行条件响应迅速。从第…天开始
结论
本研究证明了在碱性辅助阶梯式SBR策略下可快速形成功能持久稳定的PDN颗粒污泥，其中周期缩短与生物量累积相协调，沉降控制则根据污泥发育情况进行调整。所建立的颗粒在停止外部进水pH调整后仍能维持硝酸盐向亚硝酸盐的转化。成熟颗粒表现出良好的沉降性、增强的生物量截留能力和提高的抗…能力
作者贡献声明
宁丁樱：撰写—原稿，可视化，调查研究。田文清：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，可视化。南夫雄：数据整理。李明悦：软件。杨文硕：方法论。雷杰：资源。应建江：资源。梁济东：撰写—审阅与编辑，监督，概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到国家自然科学基金重点项目（编号：52230001）的资助。作者亦感谢宁海星海污水处理有限公司和四川拓普环保科技有限公司的资助。
宁丁樱|田文清|南夫雄|李明悦|杨文硕|雷杰|应建江|梁济东
