一种新型的主流应用方法：利用好氧颗粒污泥为厌氧氨氧化（Anammox）过程提供亚硝酸盐——来自颗粒大小和微生物分层结构的见解

《Journal of Cleaner Production》：A novel mainstream application of aerobic granular sludge for nitrite supply to Anammox: insights from granule size and microbial stratification

好氧颗粒污泥同步脱氮除碳及亚硝酸盐积累机制研究。通过110天运行，系统实现NH4+--N去除率98.09%、COD去除率89.18%，稳定积累NO2--N达17.75 mg/L，NAR达73.49%。微生物分析显示AOB（1.03%）、GAO（7.96%）及反硝化菌群（20.74%）显著富集，小颗粒（800-1250μm）因最佳分层结构及硝态还原酶丰度优势实现81.14%最高NAR。提出双工艺耦合策略：AGS/AOA系统实现有机物降解与亚硝酸盐产能，与Anammox联用可同步完成碳氮去除，降低碳足迹。

　　

韩宗硕|郑晓英|李文飞|何海东|范毅|林涛|陈伟

中国江苏省南京市河海大学浅水湖综合调控与资源开发关键实验室（教育部重点实验室），邮编210098

摘要

好氧颗粒污泥（AGS）具有占地面积小和工艺稳定性高的优点，但在主流污水处理应用中存在局限性。本文提出了一种新的应用模式：利用AGS同时实现污染物去除，并稳定地提供NO₂^?-N作为下游厌氧氨氧化（Anammox）过程的底物。该系统运行了110天后，NH₄⁺-N和COD的平均去除率分别达到了98.09%和89.18%。NO₂^?-N的平均积累浓度为17.75 mg/L，亚硝酸盐积累比（NAR）为73.49%。细胞内的聚羟基烷酸酯储存支持了缺氧阶段的內源部分反硝化作用。微生物分析显示，AOB（1.03%）、GAO（7.96%）和部分反硝化功能菌（20.74%）显著富集。批量实验表明，中等大小的颗粒（800–1250 μm）由于具有最佳的分层结构、底物扩散能力以及较高的硝酸盐还原酶基因丰度，实现了最高的NAR（81.14%）。FISH技术证实了颗粒内部AOB、NOB和反硝化细菌的空间分离。本文提出了两种将AGS与Anammox结合的策略，以增强氮去除效果并减少碳足迹。这些结果为在低浓度和低C/N比条件下实现可持续污水处理和推广AGS的应用提供了重要见解。

引言

城市化加剧了水生生态系统的氮负荷，增加了生态退化的风险。传统污水处理厂（WWTPs）中的生物脱氮方法因能耗高、氮去除效果差和温室气体排放量大而面临挑战（Drewnowski等人，2019年；Li等人，2024年）。幸运的是，好氧颗粒污泥（AGS）为解决这些问题提供了有希望的方案。AGS因其建设占地面积小、沉降速度快、运行成本低和工艺稳定性高而被认为是活性污泥的有力替代品（Zheng等人，2022年）。颗粒大小被认为是影响传质和功能分层的关键因素，这对氮转化性能有直接影响（Wang等人，2025年）。AGS独特的颗粒结构（包含好氧、缺氧和厌氧区）促进了同时发生的反应，并有助于细胞内碳的储存和利用，从而降低了能源需求（He等人，2023年）。此外，由于AGS的不同生态位，聚磷酸盐积累菌（PAO）和糖原积累菌（GAO）之间的竞争减弱，进一步增强了细胞内碳的储存和利用潜力（Lu等人，2023年）。因此，AGS在解决当前污水处理厂问题方面具有广泛的应用价值。

尽管AGS具有工艺优势，但其主流应用受到城市污水固有特性的限制。特别是发展中国家的城市污水，其特点是进水浓度低，COD/TN（C/N）比值低（通常在3到5之间）（Gao等人，2023年）。相比之下，迄今为止的大多数AGS研究都是在相对较高的进水COD浓度下进行的，通常超过400 mg/L（Li等人，2025年；Tang等人，2024年；van Dijk等人，2021年；Zhou等人，2025年）。较低的有机负荷率（OLRs）削弱了颗粒形成的选择性压力，限制了高级氮去除的潜力（Wang等人，2023年；Wu等人，2025年）。为了解决这些问题，人们探索了多种方法，如分阶段进料操作、添加生物载体、交替调整OLRs和金属离子（Han等人，2022年；Wang等人，2023年；Wu等人，2025年；Zou等人，2023年）。然而，这些策略主要旨在加速颗粒形成或保持结构稳定性，并未从根本上解决限制AGS主流应用的主要瓶颈，即缺乏稳定的反硝化所需的碳源。在进水特性严重限制传统氮去除途径的城市污水中，这一限制更为突出。因此，有必要重新评估AGS在主流条件下的功能作用，包括将其与其他工艺结合的可能性，从而发挥与其当前城市污水特性更相适应的新作用。

厌氧氨氧化（Anammox）通过将NH₄⁺-N和NO₂^?-N直接转化为N₂，提供了一种成本效益高且能源效率高的解决方案（Han等人，2024年）。然而，在低浓度和低C/N比条件下稳定且充足地供应NO₂^?-N仍然是Anammox应用的主要瓶颈（Adams等人，2025年）。为了解决这一问题，人们探索了部分硝化（PN）和部分反硝化（PD）等策略（Du等人，2019年；Gong等人，2023年）。PN需要精确的曝气控制，且对进水波动非常敏感，其出水仍含有城市污水中的有机物（Adams等人，2025年）。PD依赖NO₃^?-N作为电子受体，但城市污水中的氮主要以NH₄⁺-N形式存在，这限制了其适用性（Du等人，2019年）。因此，这两种方法都不适合典型的城市污水。在这种情况下，采用厌氧/好氧/缺氧（AOA）操作模式的AGS能够有效去除有机污染物（He等人，2023年）。此外，该操作下的污泥通过细胞内碳储存和內源部分反硝化（EPD）产生NO₂^?-N，这可以与Anammox结合以实现更高级的氮去除（Gao等人，2022年）。因此，这种双重功能为Anammox提供了稳定的NO₂^?-N来源，同时满足了传统处理目标和低碳污水处理的要求。这也为AGS与Anammox工艺的结合开辟了新的应用途径。

本研究评估了AGS处理城市污水并为Anammox提供NO₂^?-N底物的可行性。研究目标如下：（1）评估长期运行下NO₂^?-N积累和营养物质去除的性能；（2）阐明NO₂^?-N积累对关键功能微生物的协同作用机制；（3）从颗粒结构和关键基因富集的角度研究颗粒大小对AGS性能的影响。这项研究对推进AGS的主流应用和污水处理的可持续性具有重要意义。

反应器设置与操作

建立了一个由有机玻璃制成的实验室规模SBR反应器。该反应器总工作体积为8 L，内径为150 mm，有效高度为450 mm，每个循环中有70%的体积发生交换。好氧条件通过流量为30 L/min的曝气泵维持，而厌氧/缺氧条件则通过150 rpm的机械搅拌实现。使用的污泥包括冷冻保存的AGS（质量分数：10%）和活性污泥（质量分数：90%）

污染物同步去除和NO₂^?-N积累的性能

研究了AGS在110天内积累NO₂^?-N和去除污染物的可行性。整个操作过程分为四个阶段，具体取决于进水浓度和工艺操作参数。

在第一阶段（第1-14天），进水中COD和NH₄⁺-N的浓度分别保持在400 mg/L和50 mg/L，C/N比为8.00。通过延长好氧时间（210分钟）和缩短缺氧时间（60分钟）来增强污泥活性

结论

本研究证明了将AGS与AOA操作策略结合用于同时去除城市污水中的NO₂^?-N和污染物的可行性。经过110天的运行，系统实现了98.09%的NH₄⁺-N和89.18%的COD去除率，同时积累了平均17.75 mg/L的NO₂^?-N，NAR为73.49%。AGS内部的分层微环境促进了PN、EPD和SND的同时发生，从而实现了NO₂^?-N的积累

作者贡献声明

韩宗硕：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究。郑晓英：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金筹措、概念构思。李文飞：数据可视化、实验研究、数据分析。何海东：数据可视化、实验研究、数据整理。范毅：数据可视化、实验研究。林涛：资源协调、资金筹措。陈伟：资源协调、资金筹措。

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。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFC3203702）和国家自然科学基金（项目编号：51678214）的支持。