《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Low-Temperature Response of Anammox Granular Sludge with Different Particle Sizes in a UASB Reactor
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低温环境下UASB-厌氨氧化反应器运行效能及颗粒-微生物协同机制研究。通过241天季节性温度波动实验，发现反应器在3.9℃时仍保持50%氮去除效率（NRE），但低温导致>2mm颗粒EPS含量下降（41.4±2.4→29.1±3.7mg/g VSS），压缩强度降低（13.8±1.3→3.2±0.5MPa），引发颗粒破碎及微生物网络重构，其中Candidatus Kuenenia相对丰度从16.2%降至8.3%。研究揭示了低温胁迫下颗粒结构稳定性与微生物功能协同的关键作用，提出通过调控颗粒尺寸分布（0.5-2mm）和促进Candidatus Kuenenia与其他菌群的功能互作来增强冷适应能力。
朱永豪|钱云志|吕宣辉|范小丽|徐雪青|丁家瑶|何世龙
中国矿业大学环境与空间信息学院，徐州 221116，中国
摘要
厌氧氨氧化（anammox）过程对温度波动非常敏感，季节性的低温会显著影响其稳定运行和应用效果。本研究在一个4.5升的UASB-厌氧氨氧化反应器中进行了241天的实验，涵盖了秋季、冬季和春季三个季节。实验系统地研究了在自然温度波动条件下的氮去除效率（NRE）、颗粒污泥的粒径分布以及微生物群落动态。该反应器在18°C时的氮去除效率保持在80%以上，在3.9°C时仍保持在50%以上，显示出较强的耐寒能力。冷却处理后，粒径大于2毫米的颗粒中TB-EPS含量从41.4 ± 2.4毫克/克VSS降低到29.1 ± 3.7毫克/克VSS。同时，结构支架蛋白norank_f__A4b的相对丰度从16.2%下降到8.3%，颗粒的抗压强度从13.8 ± 1.3兆帕下降到3.2 ± 0.5兆帕，最终导致颗粒破裂。颗粒的破碎产生了更多代谢活性更强的小颗粒（小于0.2毫米）。微生物网络分析显示，在低温压力下微生物相互作用发生了显著重组，增强了Candidatus Kuenenia与其他微生物成员之间的功能关联，从而提高了反应器的韧性和稳定性。然而，由于微生物群落的重建过程较慢，氮去除效率的恢复过程有所延长。这些结果强调了控制颗粒污泥粒径分布和促进微生物协同作用对于优化低温条件下的厌氧氨氧化过程稳定性的重要性。本研究加深了对厌氧氨氧化细菌（尤其是Candidatus Kuenenia）适应低温环境机制的理解，为操作耐寒反应器提供了实用见解。
引言
厌氧氨氧化是一种新型且高效的低碳氮去除技术，具有处理富含铵的废水（如污泥消化液[1]和垃圾填埋场渗滤液[2]）的巨大潜力。然而，厌氧氨氧化细菌（AnAOB）是嗜温微生物，其最佳生长温度范围为30至40°C[3]。在冬季，废水温度通常会降至20°C以下，导致AnAOB活性降低、代谢减缓以及微生物群落结构发生显著变化，最终可能降低氮去除效率并影响过程稳定性[3]。
在低温条件下运行厌氧氨氧化过程是可行的。一个处理市政废水的中试规模IFAS-PNA系统（1670升），在25°C、20°C和15°C下的氮去除效率分别为79.4%、75.7%和65.9%[4]。具有20年运行经验的颗粒污泥厌氧氨氧化系统在氮负荷率（NLR）为2.5千克氮/立方米/天的情况下，即使在温度波动（包括寒冷时期）的情况下，也能保持90%以上的NH4+-N去除率，显示出良好的温度适应性[5]。尽管这些研究证明了可行性，但它们既没有阐明低温下稳定氮去除效率的机制，也没有提供实际的操作建议。先前的研究强调高效的厌氧氨氧化生物量保留对于低温（<20°C）下的稳定氮去除效率至关重要[6]。然而，颗粒污泥作为主要的厌氧氨氧化生物量形式，其复杂的微生物相互作用直接影响过程性能。因此，未来的研究应阐明颗粒微生物群落的抗性机制。
由于AnAOB生长速度较慢，形成颗粒对于维持足够的生物量保留和提升污泥沉降性能至关重要，这两者都是维持高氮去除效率的关键[7]。许多研究表明，在厌氧氨氧化反应器运行过程中，颗粒污泥最初以小颗粒的形式形成，随后逐渐发育成熟为较大颗粒[8]。颗粒大小是影响厌氧氨氧化反应器性能的关键因素，它决定了底物扩散、污泥沉降、微生物群落组成以及整体生物量积累[9]。在30-40°C的最佳温度下，厌氧氨氧化颗粒的理想粒径范围通常在0.5至2.0毫米之间，这种尺寸既保证了有效的底物扩散，又保持了结构稳定性和活性[8]。然而，关于低温条件下颗粒大小与氮去除效率之间关系的研究仍然有限。目前尚不清楚在嗜温条件下确定的最佳颗粒尺寸是否适用于低温环境。
本研究使用了一个UASB-厌氧氨氧化反应器，来研究在秋季、冬季和春季三个季节中颗粒特性与系统性能之间的相互作用。本研究的目标是：（1）评估自然低温条件下的氮去除效率；（2）基于颗粒大小阐明颗粒性质响应机制和微生物群落演化特征；此外，还旨在阐明颗粒结构和微生物相互作用如何调节厌氧氨氧化对温度压力的适应，并提出提高系统耐寒性的优化策略。
反应器配置和运行条件
本研究使用了一个有效工作体积为4.5升的聚乙烯材质UASB-厌氧氨氧化反应器（图S1）。反应器从2023年10月运行至2024年6月，覆盖了秋季、冬季和春季三个季节，总运行时间为241天（表1）。运行分为三个阶段：第一阶段（第1-50天）和第二阶段（第51-82天），这两个阶段没有进行外部温度控制，反应器温度最初从21.1°C下降到11.5°C
季节性温度变化下的反应器性能
UASB-厌氧氨氧化反应器的运行性能如图1所示。在第一阶段（第1-50天），随着温度自然下降至11.5°C，反应器的氮去除效率保持在70.3%至83.2%之间。在第二阶段（第51-82天），尽管温度逐渐下降至3.9°C，氮去除效率仍保持在50%以上（图1a）。相比之下，先前的研究表明，当运行温度从30°C降至15°C时，氮去除效率会急剧下降
结论
本研究在低温条件下运行UASB-厌氧氨氧化反应器，结果显示在18°C时的氮去除效率超过80%，在3.9°C时为50%。随着温度从21.1°C降至3.9°C（第1-82天），粒径大于2毫米的颗粒中TB-EPS-PN含量从35.2 ± 2.0毫克/克VSS降至20.8 ± 3.0毫克/克VSS。同时，结构支架蛋白norank_f__A4b的相对丰度从16.2%下降到8.3%，导致颗粒的抗压强度从13.8 ± 1.3兆帕降至3.2 ± 0.5兆帕
作者贡献声明
钱云志：正式分析，数据管理。吕宣辉：正式分析，数据管理。范小丽：正式分析，数据管理。徐雪青：实验研究。丁家瑶：正式分析。何世龙：指导，资金获取，概念构思。朱永豪：撰写初稿，软件开发，正式分析，数据管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
