藻菌颗粒污泥的运行调控：氮去除路径重构与N?O减排

《Environmental Research》：Operational Regulation of Algal-Bacterial Granular Sludge for Nitrogen Removal Pathway Reconfiguration and N 2O Mitigation

　　

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  运行调控通过藻–菌相互作用重塑了氮素转化途径。
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  提高碳氮比增强了同化作用，而光照和曝气促进了同步硝化反硝化。
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  优化运行实现了高总氮去除率与低N₂O排放的同步实现。
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  在ABGS系统中，N₂O减排主要归因于同步硝化反硝化，而非单独的藻类同化作用。
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  运行优化需要在效益与外部投入之间取得平衡。

引言

城市生活污水处理中的生物脱氮广泛依赖于能耗较高的硝化–反硝化工艺（Zhang et al. 2016a）。该方法需要大量曝气（占处理厂能耗的50%–70%）以满足好氧微生物代谢需求，并需外源碳补充以进行反硝化（为满足中国一级A排放标准，每升水需额外投加23.28 mg碳源），导致运行成本高昂且碳排放量大（Zhang et al. 2021）。近年来，藻–菌共生体系被视为一种可持续的替代方案（Fard and Wu 2023），其中藻类通过光合作用供氧以支持细菌硝化作用，同时同化营养盐。藻–菌颗粒污泥（ABGS）将藻菌互利共生整合于紧实、密实的好氧颗粒中，有望增强营养盐去除效果、降低能耗需求、减少碳排放，并为生物质相关资源回收提供机遇。

先前的研究主要关注在实验室规模光生物反应器条件下培养ABGS（Zhang et al. 2018）。然而，藻细胞体积小、密度低，加之活性污泥（AS）结构松散、机械强度差，阻碍了稳定的颗粒化形成。因此，研究者探索了多种策略，包括通过缩短沉降时间实现水力选择（Szabó et al. 2016）、优化曝气或搅拌产生的水力剪切（Nguyen et al. 2024, Zhu et al. 2015）、添加外源物质以增强胞外聚合物（EPS）介导的聚集（Huang et al. 2025, Kedves and Kónya 2025, Tang et al. 2022），以及通过群体感应调控微生物间相互作用（Liu et al. 2024, Zhang et al. 2019）。然而，许多现有方法需要高强度曝气、高水力剪切或化学投加，从而增加了能耗和运行成本。因此，在低剪切和低能耗条件下实现稳定的ABGS培养仍是一项关键挑战。

在藻–菌系统中，氮素去除受多种相互关联的转化途径控制，包括藻类同化、细菌同化、硝化、异养反硝化和同步硝化反硝化（SND）（Bao et al. 2024）。与主要依赖硝化和异养反硝化脱氮的传统活性污泥相比，光合微生物的存在引入了额外的同化途径，并建立了藻菌之间的复杂相互作用。先前的研究表明，藻类同化作用可显著贡献氮素去除，占比可达80%（Nguyen et al. 2020, Zhou et al. 2023）。同时，增强的藻类光合作用可提供氧气和有机碳，从而促进藻菌聚集体内的硝化–反硝化耦合过程（Li et al. 2023b）。重要的是，藻菌间的相互作用是动态的，并对外部条件和运行条件的变化做出响应，这可进而改变不同氮素转化途径的相对贡献。因此，理解运行条件如何调控藻菌相互作用并重塑同化、硝化和反硝化之间的氮素分配，对于优化ABGS中的氮素去除至关重要。

由于对温室气体排放的贡献，一氧化二氮（N₂O）的排放问题近期成为污水处理领域的重要关切。N₂O可在生物氮素转化过程中通过多种硝化和反硝化途径产生（Kits et al. 2019, Li et al. 2023a, Soler-Jofra et al. 2018, Wu et al. 2020）。近期研究探讨了藻–菌系统中N₂O减排的多种方法。增强的藻类同化作用通常被认为是N₂O减排的重要机制，因为藻类可同化大量NH₄⁺-N，从而减少可供硝化–反硝化利用的氮基质（Li et al. 2026, Li et al. 2024）。提高碳氮比可促进藻类同化对氮素去除的贡献，进而实现N₂O减排（Li et al. 2023a）。此外，调控游离氨浓度已被证实可通过限制供氧并刺激异养细菌对NH₄⁺-N的同化作用，在侧流部分硝化藻–菌菌落中减少N₂O排放（Peng et al. 2023）。另外，氧化物也被报道可通过促进微生物电子传递和增强氮同化作用来降低藻–菌系统中的N₂O排放（Shu et al. 2025）。然而，所报道的减排效果并不总是一致。过度的藻类增殖也可能通过改变硝化过程而增加N₂O排放（Wang et al. 2024），这凸显了藻类在ABGS系统中N₂O动态变化中的复杂作用。这些相互矛盾的观察结果表明，N₂O动态变化受多种相关过程的共同调控，而非仅由藻类同化作用决定（Xuan et al. 2025）。因此，ABGS中的N₂O减排需要在藻类同化、自养硝化和异养氮素转化之间取得平衡，而非依赖单一减排途径。

除环境性能外，与生物质相关的营养盐保留还为ABGS的资源回收提供了额外机遇（Chen et al. 2024）。ABGS系统具有相当大的潜力，因为其生物质能够保留营养盐。例如，富含脂质的生物质可作为后续资源回收和价值化的原料（Purba et al. 2023）。然而，运行条件如何同时调控ABGS中的氮素转化、N₂O排放和营养盐保留目前了解甚少，阻碍了对系统整体环境效益和资源潜力的全面理解。

为解决上述问题，本研究探讨了成熟ABGS的运行调控。通过系统调控碳氮比、光照和曝气条件，本研究旨在阐明与藻菌相互作用相关的氮素去除途径变化，并评估N₂O排放对不同运行条件的响应。本研究将氮质量平衡、微生物活性和N₂O排放相结合，以揭示运行调控、途径重构与N₂O减排之间的关系。生物质特性和营养盐保留作为系统和资源回收潜力的补充指标进一步考察。最后，对运行成本进行了初步经济评估，并讨论了所提出工艺的环境效益潜力和未来发展前景。

章节摘要

PSBR的设置与运行

搭建了一台实验室规模的顺序间歇光反应器（PSBR）（图S1），内径为6.5 cm，总高85 cm，有效容积2.5 L，恒温控制在25 °C。PSBR接种来自中国武汉市某污水处理厂曝气池的污泥。在运行调控实验之前先建立了成熟的ABGS，其颗粒化过程在补充材料中有详细描述。

成熟ABGS的特性

在沉降速度（SGV）为0.5 cm s^-1条件下，反应器启动后建立了成熟的ABGS。详细的颗粒化程序和反应器启动信息见补充材料S6、表S2及图S4–S5。运行调控前成熟颗粒的特性见表2。

成熟颗粒的平均粒径为261 μm，符合文献中好氧颗粒污泥的常见粒径范围（Nancharaiah and Reddy 2018），同时具有较好的沉降性能

结论

在测试条件下，第三阶段（碳氮比为8、双侧光照10,000 lux、曝气速率为0.5 L min^-1）取得了最优异的综合性能，凸显了运行调控在ABGS中同步提升氮素去除和N₂O减排的潜力。本研究揭示，运行调控通过改变藻类与细菌活动的平衡，并在同化、硝化等过程之间重新分配氮素，从而改变了氮素转化途径

CRediT作者贡献声明

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致谢

作者感谢国家自然科学基金（No. 42477068）、深圳市科技计划（No. JCYJ20230807121305010）、教育部长江水环境重点实验室基金（同济大学）（No. YRWEF202302）、湖北省重点研发计划（No. 2022BCA067）、武汉曙光项目知识创新计划（No. 2023020201020317）及绍兴市科技计划项目（No. 2024A13008）的资助。

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