在氨氧化古菌系统中构建内源部分反硝化耦合厌氧氨氧化作为稳定的脱氮途径：颗粒好氧污泥与厌氧氨氧化菌的共富集与协同作用

《Water Research》：Establishing endogenous partial denitrification coupled with anammox as a stable nitrogen removal pathway in an AOA system: Co-enrichment and synergistic interactions between GAOs and AnAOB

　　

摘要

厌氧氨氧化在市政污水处理中的主流应用受到亚硝酸盐供应不稳定和厌氧氨氧化菌保留差等因素的制约。本研究运行了一个连续流厌氧/好氧/缺氧（AOA）系统，处理实际低碳氮比市政废水长达265天，以建立内源部分反硝化耦合厌氧氨氧化（EnPDA）过程。采用旁路释磷策略抑制聚磷菌代谢并促进聚糖菌，同时将成熟厌氧氨氧化生物膜和空白载体共同引入缺氧区，以促进厌氧氨氧化菌的保留和原位富集。厌氧碳分配逐渐从磷酸盐相关代谢和糖原相关代谢共存转变为糖原相关代谢占主导，增强了缺氧区的内源反硝化。相应地，脱氮效率从第一阶段的60.41 ± 3.87%提高到第四阶段的82.42 ± 1.70%，出水总氮浓度从25.12 ± 3.07降至11.28 ± 1.32 mg/L。厌氧氨氧化的贡献从4.14 ± 1.99%增加到29.55 ± 2.85%。同时，絮状污泥中Ca. Competibacter从6.70%增加到11.68%，而初始空白生物膜载体上Ca. Brocadia从0.27%增加到2.08%。硝酸盐还原基因相对于亚硝酸盐还原基因的优先转录进一步支持了亚硝酸盐的保留以供厌氧氨氧化菌利用。这些结果表明，协调聚糖菌介导的亚硝酸盐供应与生物膜基础的厌氧氨氧化菌保留，实现了EnPDA的稳定建立，为低碳氮比市政废水的脱氮提供了碳高效的策略。

引言

越来越严格的排放标准和对节能降碳不断增长的需求推动了更具资源效率的生物脱氮技术的发展。厌氧氨氧化特别具有前景，因为它能将铵和亚硝酸盐直接转化为氮气，无需氧气或外源有机碳，从而与传统硝化-反硝化相比减少了曝气需求、碳消耗和污泥产量。尽管主流厌氧氨氧化已在实验室和中试规模得到验证，但其更广泛的应用仍受到亚硝酸盐供应不稳定和厌氧氨氧化菌保留差等因素的制约。传统上，厌氧氨氧化所需的亚硝酸盐主要由好氧区的部分硝化或缺氧区的部分反硝化提供。然而，部分硝化需要严格的运行控制，而传统部分反硝化对进水碳氮比、碳源类型以及反硝化菌和厌氧氨氧化菌对亚硝酸盐的竞争都很敏感。

厌氧/好氧/缺氧（AOA）工艺为耦合内源部分反硝化与厌氧氨氧化提供了合适的构型。在上游厌氧区，进水有机物被胞内储存，随后在下游缺氧区用于反硝化。与外源碳驱动的部分反硝化相比，内源反硝化进行得更慢，因此与厌氧氨氧化菌的自养代谢更匹配。相对较长的污泥停留时间和碳储存与碳利用之间的空间分离也有助于慢生长微生物的保留，并减少厌氧氨氧化菌对进水有机物的直接接触。这些特征表明，AOA工艺在时间兼容性、空间分布和底物供应方面为与厌氧氨氧化的耦合提供了有利基础。

聚糖菌是AOA系统中重要的内源反硝化菌。它们在厌氧条件下摄取有机物并将其储存为胞内碳储备，随后用于NO_x^--N还原。然而，聚糖菌与聚磷菌竞争进水有机底物。此外，胞内多聚磷酸盐为聚磷菌提供了易于利用的厌氧碳摄取能量储备，而聚糖菌则依赖于糖原糖酵解的相对缓慢的能量供应。因此，具有充足多聚磷酸盐储备的聚磷菌可能在厌氧碳摄取中获得竞争优势。它们的过度存在可能会降低整体脱氮性能并压缩聚糖菌的生态位。以往研究表明，旁路释磷和除磷可以耗尽多聚磷酸盐储备，削弱磷酸盐相关代谢，并提高聚糖菌的竞争力。因此，选择性富集聚糖菌可以增强内源部分反硝化并促进亚硝酸盐的保留以供厌氧氨氧化菌利用。

有效的厌氧氨氧化菌保留对于EnPDA的稳定运行同样重要。生物膜载体提供附着位点，延长生物量停留时间，并保护厌氧氨氧化菌免受环境扰动。然而，在实际工程应用中，大规模添加成熟厌氧氨氧化生物膜载体与高昂的经济成本相关。相比之下，微量接种策略只需少量成熟生物膜作为功能接种物，而空白载体为后续厌氧氨氧化菌附着和原位增殖提供额外空间。该策略可以减少对成熟载体的需求，同时提高厌氧氨氧化菌富集效率和保留稳定性。

以往研究分别证明了聚糖菌富集和厌氧氨氧化生物膜接种的好处，并在AOA系统中建立了相关EnPDA工艺。尽管取得这些进展，但在连续流AOA系统中处理实际低碳氮比市政废水时，聚糖菌介导的亚硝酸盐供应与生物膜基础厌氧氨氧化菌保留的同时协调很少被研究。聚糖菌和厌氧氨氧化菌在絮状污泥和生物膜之间的富集、空间分布和功能划分也仍了解不足。

在本研究中，我们假设稳定的EnPDA取决于具有部分反硝化能力的聚糖菌和消耗所产生亚硝酸盐的厌氧氨氧化菌的协调选择。采用旁路释磷以削弱聚磷菌对厌氧碳摄取的比赛并有利于聚糖菌的内源反硝化；在碳限制条件下，受限的异养亚硝酸盐还原和厌氧氨氧化菌对亚硝酸盐的竞争可能逐渐有利于具有更强部分反硝化倾向的聚糖菌。生物膜微量接种提供了初始厌氧氨氧化活性和保护厌氧氨氧化菌保留和富集的生态位。该设计将絮状污泥中的亚硝酸盐产生与生物膜中的消耗联系起来，可能支持在主流低碳氮比条件下EnPDA的稳定运行。

为了检验该假设，运行了一个处理实际市政废水的连续流AOA系统长达265天。评估了工艺性能、碳分配、功能活性、微生物演替、功能基因和生物量空间分布，以确定：(i)旁路释磷是否促进聚糖菌富集并增强内源反硝化；(ii)长期生态选择是否促进碳限制条件下部分反硝化菌和厌氧氨氧化菌之间的功能耦合；以及(iii)生物膜基础的厌氧氨氧化菌保留是否支持EnPDA的建立和持续。

章节摘要

反应堆设置和操作

本研究构建了一个有效容积为64 L（0.12m × 0.96m × 0.56m）的实验室规模模拟平推流反应器（图S1）。反应器配备了曝气、搅拌、二沉池和污泥回流单元，并以厌氧-好氧-缺氧（AOA）模式运行。从厌氧区末端到缺氧区前端引入一条旁路流量，为厌氧氨氧化提供NH₄⁺-N，旁路流量设置为进水流量的一半。该

有机物去除性能和碳分配动力学

尽管实际生活污水进水中COD波动较大，系统保持了稳定的COD去除，出水COD保持在50 mg/L左右，各阶段去除效率均高于75%（图S7）。厌氧区末端的COD浓度接近出水浓度，表明大部分进水COD在厌氧区被摄取并转化为胞内碳源。

胞内碳谱表明更强的碳储存

结论

在处理实际低碳氮比市政废水的连续流AOA系统中建立了稳定的EnPDA过程。调节聚磷菌和聚糖菌之间的竞争，并结合生物膜中保留厌氧氨氧化菌，实现了两种生物量组分之间亚硝酸盐产生和消耗之间的互补。脱氮效率从60.41 ± 3.87%提高到82.42 ± 1.70%，厌氧氨氧化的贡献达到29.55 ± 2.85%。运行调节停止后的持续性能

CRediT作者贡献声明

周思远：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，形式化分析，数据管理。张良：撰写 – 审阅与编辑，形式化分析，概念化。段雨莹：撰写 – 审阅与编辑，可视化，形式化分析。杜瑞：方法论，形式化分析。彭勇振：撰写 – 审阅与编辑，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了京津冀区域综合环境改善-国家科技重大专项（项目编号：2025ZD1203701）、国家自然科学基金（编号：52522002）和北京智能技术创新与国际合作基地的支持。

周思远|张良|段雨莹|杜瑞|彭勇振

北京工业大学北京市先进市政污水处理与回用技术工程研究中心，北京 100124，中国