厌氧颗粒污泥作为增强部分硝化的多功能载体：有效抑制亚硝酸盐氧化菌并实现原位硝酸盐去除

《Journal of Cleaner Production》：Anaerobic granular sludge as a multifunctional carrier for enhanced partial nitrification: Effective nitrite-oxidizing bacteria suppression and in-situ nitrate removal

部分硝化过程中硝酸盐积累问题可通过载体强化策略解决，本研究采用三种载体（无载体、活性炭、厌氧异养颗粒污泥）的SBR反应器，验证载体对硝化效率及硝酸盐转化的影响。结果表明厌氧异养颗粒污泥（AnGS）载体通过形成致密颗粒（>200μm占62.4%）和缺氧核心，促进氨氧化菌与反硝化菌共富集，实现最高89.3%的亚硝酸盐积累率和最低硝酸盐排放，揭示载体兼具结构强化与生物强化双重机制。

　　

刘方建|杨波|宋彦江|王丽|李芳|陈云义|陈立国|徐辉

中国华东大学环境科学与工程学院纺织工业污染处理与控制国家环境保护工程技术中心，上海201620

摘要

部分硝化（PN）是厌氧氨氧化（anammox）驱动的氮去除过程中的关键步骤，但由于难以有效抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB），这一过程常常受到NO₃^--N积累的干扰。本研究旨在开发一种基于载体的颗粒化策略，该策略不仅能够在结构上增强对NOB的抑制作用，还能解决残留的NO₃^--N问题。三个连续反应器（SBRs）运行了130天：一个对照组（R-CON），一个使用颗粒活性炭（R-GAC），另一个接种了异养厌氧颗粒污泥（R-AnGS）作为微生物载体。这些反应器经历了逐渐增加的氮负荷，以评估PN颗粒的形成及其氮转化性能。结果表明，这两种载体都加速了污泥的颗粒化过程并提高了NO₂^--N的积累量。然而，R-AnGS的表现最佳，实现了最高的NO₂^--N积累率（89.3 ± 5.2%）和最低的出水NO₃^--N浓度，并且在高氮负荷下表现出更强的稳定性。这种优异的性能归因于R-AnGS更密的颗粒结构（>200 μm颗粒占比：62.4%）、较高的胞外聚合物产量，以及明显的厌氧核心的形成。R-AnGS促进了氨氧化菌（如Nitrosomonas）和反硝化菌（如Thauera）的共富集，使得NO₂^--N的积累与内部NO₃^--N的去除同时发生。研究表明，R-AnGS具有双重功能：作为快速好氧颗粒化的结构核心，以及引入内在反硝化能力的微生物库。这些发现为优化PN过程提供了一种有效策略，有助于提高后续厌氧氨氧化处理的稳定性。

引言

部分硝化（PN）为下游的厌氧氨氧化过程提供NO₂^--N，因此它是处理高浓度废水的低碳氮去除技术的基石（Ye等人，2025年）。然而，PN的稳定性经常受到亚硝酸盐氧化菌（NOB）持续存在的威胁（Miao等人，2025年）。由于其遗传多样性和代谢适应性，即使在使用常见的抑制策略（如低溶解氧、极端pH值或游离氨控制）的情况下，NOB仍能恢复生长，导致出水中的NO₃^--N积累（Nsenga Kumwimba等人，2025年）。此外，一些操作措施（如大量排泥）在抑制NOB的同时，也可能耗尽生长缓慢的氨氧化菌（AOB），从而限制了可实现的氮负荷（Li等人，2019年；Liu等人，2025b年）。因此，开发能够在保持高NO₂^--N积累的同时最小化NO₃^--N产生的稳健策略仍然是PN应用中的关键挑战。

使用颗粒载体（如颗粒活性炭（GAC）已被提出用于解决这一问题，因为它们可以加速污泥颗粒化（Sun等人，2024年）。这些载体促进了内部氧梯度的形成，将富集在好氧外壳中的AOB与被抑制在厌氧核心中的NOB分隔开来，从而增强了NO₂^--N的积累（Perez等人，2020年；Sarvajith和Nancharaiah，2022年）。然而，仅靠结构抑制可能还不够。适应性强的或生长缓慢的NOB在长时间污泥停留条件下仍可能存活，并在操作条件变化时重新出现，导致出水中的NO₃^--N持续存在（Britschgi等人，2025年）。在这种情况下，异养厌氧颗粒污泥（AnGS）作为一种有前景的替代载体应运而生。它具有两个显著优势：密集的层状结构有助于限制氧气渗透；同时含有异养反硝化菌和易分解的有机物，这两者共同支持原位反硝化作用（Kim等人，2016年；Sun等人，2017年）。尽管先前的研究表明添加外部碳可以通过促进反硝化作用提高NO₂^--N积累率（NAR）（Cao等人，2023年），但尚不清楚从分解的AnGS中释放的有机物是否可以通过结构效应同时促进AOB的富集并驱动足够的内部异养反硝化作用以去除残留的NO₃^--N。

颗粒大小是控制内部氧气扩散的关键因素，进而影响AOB和NOB之间的竞争平衡（Li等人，2020年；Piculell等人，2015年）。较大且密度较高的颗粒会限制氧气渗透，有利于好氧区AOB的优势地位，并形成能够支持反硝化菌的厌氧核心（Kent等人，2019年；Nguyen Quoc等人，2024年）。然而，当AnGS引入好氧PN环境中时，可能会发生结构破碎。这一过程会释放出不同大小的颗粒和易分解的有机物，在颗粒成熟过程中动态重塑内部氧梯度和微生物生态位（Sun等人，2017年）。颗粒大小、孔结构、EPS组成以及微生物演替之间的复杂相互作用，特别是AOB富集、NOB抑制和内源性反硝化之间的机制，目前仍不完全清楚（Nguyen Quoc等人，2021年）。阐明这些机制对于设计出具有最低出水NO₃^--N的稳健PN过程至关重要。

为填补这些知识空白，本研究在相同的氮负荷条件下运行了三个平行SBRs，分别使用AnGS、GAC或不使用载体（对照组），目的如下：（i）评估和比较AnGS和GAC在促进稳定PN性能方面的有效性；（ii）量化颗粒大小分布与PN效果之间的关系；（iii）阐明AnGS通过内部反硝化作用增强NO₃^--N去除的尺寸依赖性微生物机制。本研究的结果突显了一种综合的结构-生化策略的潜力，该策略可以有效限制出水中的NO₃^--N浓度，并提高PN-厌氧氨氧化系统的稳定性。

实验设置

种子污泥、合成废水和实验装置

种子污泥来自一个30升的实验室规模硝化反应器，该反应器已稳定运行超过200天，并在此之前处理过合成废水。合成废水的制备方法遵循Xu等人（2024年）的描述。进水中的NH₄⁺-N浓度范围为200至400 mg/L，并根据操作策略进行了调整，进水pH值维持在8.0至8.5之间。三个平行SBR的有效工作体积为

长期PN性能

图1总结了130天运行期间的反应器性能。在第一阶段（第1-30天），所有反应器均实现了稳定的PN过程。到第21天时，R-CON、R-GAC和R-AnGS的AOE值分别为91.4%、90.5%和90.0%，相应的NAR值分别为70.3%、71.5%和71.1%。在第22天添加载体后，所有反应器的AOE值保持稳定。值得注意的是，添加载体的反应器（R-GAC：52.8 ± 2.1 mg/L；R-AnGS：53.5 ± 3.8 mg/L）的出水NO₃^--N浓度低于R-CON

结论

本研究提出并验证了使用AnGS作为多功能微生物载体的有效性，它可以启动并增强PN过程。引入的AnGS作为快速形成致密自养颗粒的核化位点，有效富集了AOB，同时在结构上抑制了NOB。更重要的是，它提供了一种独特的双重功能机制：除了物理抑制NOB外，AnGS还引入并保留了兼性和厌氧反硝化菌群落

CRediT作者贡献声明

刘方建：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，数据管理，概念化。杨波：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，项目管理，资金筹集。宋彦江：研究，数据管理，概念化。王丽：资金筹集。李芳：资源获取，项目管理。陈云义：资金筹集。陈立国：项目管理，资金筹集。徐辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52500070）、上海浦江计划（编号24PJA003和23PJ1403900）以及中央高校基本科研业务费（编号2232025D-23）的支持。