外源反硝化生物强化用于低C/N市政污水的碳高效脱氮

《Water》：Exogenous Denitrifying Bioaugmentation for Carbon-Efficient Nitrogen Removal in Low C/N Municipal Wastewater

　　

低C/N（carbon-to-nitrogen，碳氮比）市政污水常限制异养反硝化并增加外部碳投加。研究人员评估了一种外源反硝化生物强化（DEN）策略，用于提高单位外部碳投加下的脱氮性能。筛选的接种物活菌浓度约达2.5×109 CFU/mL，所选分离株的最大硝酸盐和亚硝酸盐还原速率分别达307.42和215.42 g N/(m3·h)。在测试碳源中，乙酸钠获得最高反硝化速率。在六座市政污水处理厂（WWTP）水样中，DEN投加使表观C/N需求由2.79–9.41降至1.92–5.20，对应单位总氮（TN）去除所需化学需氧量（COD）降低21–55%。在24,000 m3/d的全年尺度验证中，启动与适应性维持投加使出水TN维持在约10 mg/L，比反硝化速率（SDNR）提高约2.3倍；16S rRNA测序显示活性污泥群落重构，Pseudomonadota相对丰度由18.4%升至27.6%。按外部碳源费用计，单位TN去除的外部碳源成本由0.036降至0.011 CNY/(t水·mg TN)，降低69.4%。综上，DEN生物强化可作为既有污水处理厂提高低C/N市政污水碳高效脱氮能力的实用工程手段。

研究背景方面，低C/N（carbon-to-nitrogen，碳氮比）市政污水是污水处理厂稳定总氮（TN，total nitrogen）去除的重要制约因素。常规硝化—反硝化系统中，氨氮在有氧条件下被氧化，硝酸盐和亚硝酸盐在无氧（anoxic）条件下由异养反硝化菌以易降解有机碳为电子供体还原。许多市政污水处理厂进入缺氧区的易降解碳不足，导致反硝化不稳定，在严格排放限值下出水TN达标困难。外部碳投加是最常见应对方式，包括乙酸盐类、甲醇、乙醇和葡萄糖等，但碳投加效果不仅取决于COD（chemical oxygen demand，化学需氧量）剂量，还受碳源类型、微生物兼容性和活性污泥群落内碳竞争影响。部分外加COD会流向非反硝化过程，如好氧异养生长、 biomass合成和胞内储存，降低碳向TN去除的转化效率；过量投加还会增加运行成本并可能抬高出水残留COD。分步进水、内部碳重分配、短程反硝化和anammox等策略可降本或提效，但在既有厂中常受构筑物改造、启动周期、溶解氧与pH控制及亚盐积累等限制。因此，在不大幅改建前提下，向现有污泥系统增补功能微生物、提升反硝化容量的运行兼容策略具有工程价值。微生物生物强化通过引入筛选功能微生物改善反硝化，但低C/N场景下其价值不能只看分离株活性，还要看实际碳源兼容性、表观C/N需求下降、全年尺度水力与污泥排放竞争下的持续效果。已有研究多停留在实验室批次、短期批式或特定工艺配置，少有把菌株筛选、碳源兼容、表观C/N需求下降、全年投加策略、群落响应和成本评估串成应用证据链。研究人员据此开展一项工程验证导向研究，论文发表于《Water》。

主要关键技术方法方面，研究人员构建从菌株到工程厂的递进验证：先从候选株中筛选反硝化分离株并以16S rRNA基因测序鉴定；再用批式无氧试验比较不同碳源下硝酸盐、亚硝酸盐和TN变化及表观污泥产率；随后取六座市政污水处理厂水样，设仅加碳源对照与加DEN组，在20–25°C无氧条件4 h内比较TN、NO₃^?-N、NO₂^?-N和COD，计算表观C/N需求；在24,000 m³/d集成氧化沟厂实施启动与维持投加，监测进出水、缺氧区水质、MLSS、碳源剂量、出水TN达标和比反硝化速率（SDNR，specific denitrification nitrogen removal rate）；同步采集缺氧区活性污泥做16S rRNA扩增子测序，用α/β多样性和DESeq2分析群落与反硝化相关菌属变化。

3.1. Screening of DEN Isolates and Preparation of the Denitrifying Inoculant

研究人员对DEN-1至DEN-6候选株做硝酸盐和亚硝酸盐还原活性比较，DEN-1、DEN-3、DEN-4表现强，其中DEN-1硝酸盐还原307.42 g N/(m³·h)、亚硝酸盐还原215.42 g N/(m³·h)；经液体发酵获得浓悬液接种物，活菌约2.5×10⁹ CFU/mL，为后续试验提供生物学基础。

3.2. Carbon-Source Compatibility of Inoculant-Assisted Denitrification

在钠乙酸、乙酸、甲醇、乙醇、葡萄糖、甘油中，乙酸钠支持最高反硝化速率，DEN使乙酸钠体系由11.871升至15.766 mg N/(L·h)；甲醇和甘油短期速率低，需驯化。DEN投加降低表观污泥产率（Yobs），乙酸钠降25%，说明单位COD的表观 biomass 产出减少，有利于减泥，但Yobs只是表观指标，碳流重分配机制未直接证实。

3.3. Bioaugmentation Performance in WWTP Wastewater Samples

六厂水样中，仅碳源对照表观C/N需求2.79–9.41，加DEN后降至1.92–5.20，单位TN去除COD需求降21–55%；A厂4.52→2.21，B厂4.18→1.92，C厂2.79→2.19，D厂5.95→2.67，E厂4.31→3.23，F厂9.41→5.20。碳充足时0–2 h硝酸盐还原25.23 mg N/L/h、TN去除19.30 mg N/L/h，亚硝酸为瞬态中间物、积累6.84 mg N/L/h，说明早期硝酸盐还原快于下游亚硝酸盐还原，需按TN与NO₂^?-N联调碳投加。

3.4. Activated-Sludge Community Response After Bioaugmentation

16S结果显示投加后群落显著重构，ANOSIM R=0.85、Adonis R²=0.66。门水平Pseudomonadota由18.4%升至约27.6%，norank_Bacteria、Planctomycetota下降，Bacillota由4.0%升至5.4%。属水平Thauera、Dechloromonas、Dechlorobacter、Acidovorax等反硝化或相关碳利用属富集，说明外源Bacillus相关接种物不仅输入外来 biomass，也推动本土群落向反硝化功能偏移。

3.5. Full-Scale Validation and Techno-Economic Evaluation

24,000 m³/d厂启动1–8天分三批投6.2 t接种物、碳源约6.5 t/d，第9天出水TN达一级A；后维持投200 kg/d、碳源4 t/d，后期出水TN回升，升至300 kg/d后稳定期出水TN 10.2±2.1 mg/L、均值约10 mg/L。SDNR由0.035±0.004升至0.080±0.008 g N/(g MLSS·d)，约2.3倍；缺氧区出口COD由113.4±31.6降至92.4±5.9 mg/L。厂级成本上，碳源4 t/d时TN去除由27.8±2.0升至52.4±5.8 mg/L，单位去除碳源成本由0.036降至0.011 CNY/(t水·mg TN)，降69.4%。结论指向启动+维持+按出水TN人工调整的分阶段投加。

讨论部分总结，研究人员指出DEN价值不在单株活性，而在工程链证据：株筛与碳源兼容决定快速启动可能，六厂水样证明跨基质表观C/N需求下降，全年厂验证证明启动后仍需维持投加以抵消水力冲刷、排泥、衰减和竞争；16S证明群落向Pseudomonadota及反硝化属偏移，但未能证明接种株持久定殖或功能基因机制。该策略定位为既有厂碳效提效工具，而非一次投加永久生效。

结论部分原文意译：本研究显示，外源DEN生物强化可在应用导向条件下改善低C/N市政污水碳高效脱氮。证据把分离株反硝化活性、碳源兼容性、六厂水样试验和全年验证连成链条。DEN投加降低六类水样的表观C/N需求，并在启动与适应性维持投加下改善全年TN去除。全年结果表明一次性接种不足，持续性能需按周期出水TN测量手动调整的维持投加。16S rRNA测序支持活性污泥群落响应，但未证明菌株持久性或氮循环功能基因机制。因此，DEN生物强化最适合定位为改善既有污水处理厂碳利用效率的工程工具；未来应以株分辨率或靶向分子检测验证接种物持久性与氮循环功能。