用于高效脱氮的厌氧氨氧化增强型氨氧化古菌 - 移动床生物膜反应器系统：性能与微生物机制

《Process Safety and Environmental Protection》：Anammox-enhanced AOA-MBBR system for efficient nitrogen removal: Performance and microbial mechanisms

　　

摘要

常规生物脱氮工艺受限于高曝气需求和对外源有机碳的依赖。为缓解这些限制，将厌氧氨氧化菌（AnAOB）接种至厌氧/缺氧A级移动床生物膜反应器（A-MBBR）中。好氧B级MBBR作为硝化单元，两个反应器共同构成了厌氧氨氧化增强的厌氧/好氧/缺氧移动床生物膜反应器（AOA-MBBR）系统，用于自养脱氮，具有降低曝气和有机碳需求的潜力。在连续运行160天期间，系统稳定实现了76.2 ± 4.2%的化学需氧量（COD）去除率和77.6 ± 3.7%的总无机氮（TIN）去除率。厌氧氨氧化活性从23.3增至55.6 mg N/(L·d)，证实了活性AnAOB的富集。微生物分析表明，反硝化菌Thauera和厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia分别富集至28.0%和18.3%。宏基因组分析揭示了关键厌氧氨氧化基因的富集，包括hzsA、hzsB、hzsC和hdh。宏转录组分析进一步表明Candidatus Brocadia贡献了89.8%的hdh表达量，为其积极参与厌氧氨氧化代谢提供了转录层面的证据。总体而言，厌氧氨氧化增强的AOA-MBBR系统实现了稳定的脱氮效果，并展示了厌氧氨氧化集成降低外源碳依赖的潜力。

引言

生物脱氮技术广泛应用于市政和工业废水处理中，以控制氮排放并减轻富营养化风险（Tagliabue等人，2021；Yi等人，2023）。传统硝化-反硝化工艺需要对氨进行大量曝气氧化，并为异养反硝化提供充足的有机碳（Chen和Shiau，2025）。这些需求增加了运行成本并限制了脱氮效率，特别是在处理碳氮比低的废水时（Lu等人，2021；Xu等人，2020）。因此，需要具有较低曝气和碳需求的碳高效脱氮工艺以实现可持续的废水处理。

厌氧氨氧化（anammox）作为一种节能的脱氮途径，在高级废水处理领域受到越来越多的关注（Kao等人，2022；Wang等人，2026；Xiong等人，2024）。厌氧氨氧化直接将铵（NH₄?）和亚硝酸盐（NO₂?）转化为氮气（N₂）。与传统硝化-反硝化相比，基于厌氧氨氧化的工艺可减少曝气需求、污泥产量和有机碳消耗（Jiang等人，2021；Zhang等人，2024）。这些优势使厌氧氨氧化特别适用于可生物降解有机物有限的废水脱氮。然而，厌氧氨氧化在主流废水处理或集成生物系统中的实施仍具挑战性（Cao等人，2017）。厌氧氨氧化菌（AnAOB）通常是生长缓慢的微生物，对环境波动高度敏感。这些特性导致启动期延长，限制了其工程应用（Adams等人，2022；Cho等人，2020；Hou等人，2022）。此外，厌氧氨氧化需要稳定的亚硝酸盐供应（Kartal等人，2010）。在传统脱氮系统中维持亚硝酸盐较为困难，因为亚硝酸盐可被进一步氧化为硝酸盐或被异养反硝化菌消耗（Daims等人，2016；Holmes等人，2019）。因此，有效保留AnAOB并稳定耦合产亚硝酸盐途径是建立高效厌氧氨氧化增强脱氮工艺的关键。将厌氧氨氧化与硝化和反硝化耦合是提高碳限制条件下脱氮效果的有前景策略（Cui等人，2020）。在该耦合工艺中，硝化首先将铵氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。产生的亚硝酸盐可被AnAOB直接利用，而硝酸盐在缺氧条件下可被反硝化菌进一步还原为亚硝酸盐，为厌氧氨氧化提供额外的亚硝酸盐来源。AnAOB随后利用亚硝酸盐作为电子受体氧化铵产生N?，而异养反硝化进一步去除残余的氧化态氮。这些过程共同构成了硝化-反硝化-厌氧氨氧化（NDA）脱氮途径。这种耦合可减少完全异养反硝化的有机碳需求，并通过异养和自养途径增强脱氮效果（Cao等人，2021；Li等人，2020）。既往研究已证实了厌氧氨氧化耦合工艺的可行性，包括部分亚硝化-厌氧氨氧化、部分反硝化-厌氧氨氧化以及其他基于生物膜的脱氮系统（Chen等人，2019；Ma等人，2023；Wang等人，2025；Wu等人，2022）。然而，将这些耦合途径集成到稳定的NDA工艺中需要有效保留并协调同一反应器系统内硝化菌、反硝化菌和AnAOB的协同作用（Yang等人，2024）。因此，需要合适的反应器系统在保留生长缓慢的AnAOB的同时维持硝化菌和反硝化菌的协同活性。

移动床生物膜反应器（MBBR）系统适合作为在生物膜中保留多种功能微生物的平台（di Biase等人，2019；Saidulu等人，2021）。悬浮载体为生物膜形成提供附着位点，增强生物量保留，并减少生长缓慢微生物的流失。分层生物膜结构可产生好氧、缺氧和厌氧微环境，从而支持硝化、反硝化和厌氧氨氧化的同步发生（Li等人，2019；Preetham等人，2024）。这一特征对AnAOB尤为重要，因为它们在悬浮生长系统中容易因生长缓慢而被流失。因此，MBBR载体可能有助于硝化菌、反硝化菌和AnAOB在分层生物膜中共存（Macmanus等人，2022）。然而，成功保留AnAOB并不一定意味着厌氧氨氧化成为一种有效的脱氮途径。在基于MBBR的系统中，氮转化取决于不同功能微生物对NH₄?-N、NO₂?-N和NO₃?-N的协调转化。特别是，在长期运行过程中反硝化菌和AnAOB如何演变，以及AnAOB富集是否伴随厌氧氨氧化活性和功能基因表达的增强，目前尚不充分。因此，将微生物演替与功能活性联系起来对于阐明MBBR系统中厌氧氨氧化增强脱氮的微生物基础至关重要。阐明这些关系对于了解如何维持长期运行中稳定的厌氧氨氧化增强脱氮效果也具有重要意义。

在本研究中，通过将AnAOB接种到AOA序列下的硝化-反硝化反应器系统中，构建了一个厌氧氨氧化增强的厌氧/好氧/缺氧移动床生物膜反应器（AOA-MBBR）系统。特别关注在长期运行过程中AnAOB富集是否伴随厌氧氨氧化功能增强及相应的微生物响应。研究目标为：1) 评价系统的长期化学需氧量（COD）和脱氮性能；2) 阐明运行期间的氮转化特征和厌氧氨氧化活性；3) 揭示与硝化、反硝化和厌氧氨氧化相关的微生物演替和功能机制。

章节摘要

实验设置与运行阶段

实验系统由两个MBBR单元组成（图1）。A-MBBR主要设计用于异养代谢、反硝化和厌氧氨氧化，而B-MBBR用于硝化。两反应器配置在空间上将好氧硝化与厌氧/缺氧脱氮分开，从而为不同功能微生物种群提供适宜条件。在每个运行周期中，废水首先进入A-MBBR进行有机物摄取和

长期污染物去除性能

厌氧氨氧化增强的AOA-MBBR系统的长期污染物去除性能如图2所示。系统连续运行160天，在两个阶段均保持稳定的COD去除。进水COD浓度为148.7 ± 3.3 mg/L，出水COD浓度降至35.4 ± 6.2 mg/L。平均COD去除率为76.2 ± 4.2%（图2a）。从I阶段过渡到II阶段未对COD去除产生不利影响，表明有机物

结论

• •
  集成AOA-MBBR系统在160天运行期间实现了稳定性能。平均COD和TIN去除率分别为76.2 ± 4.2%和77.6 ± 3.7%。最大TIN去除率达到90.8%。在典型运行周期中，进水COD的53.3%在A级被转化，TIN去除率达到81.2%。
• •
  涉及反硝化和厌氧氨氧化的关键功能微生物在AOA-MBBR系统中得到富集。Thauera最大相对丰度达到28.0%。

CRediT作者贡献声明

王艳丽：概念构思。赵子森：软件。赵志生：可视化。张燕：监督指导。赵玮华：稿件审校与编辑，原创稿件撰写，经费获取。王超：原创稿件撰写，形式分析。毕学军：调查研究。蒋豪：项目管理，经费获取。王季苗：研究方法。曲永：资源支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52200063）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024ME114、ZR2023QE069）的资助支持。

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