多维信号演化与预载力作用下大容量锂离子电池热失控的早期预警策略

《Process Safety and Environmental Protection》：Multi-dimensional signal evolution and early warning strategy for thermal runaway of large-capacity lithium-ion battery under preload force

本研究通过体外实验、定量PCR和高通量测序，系统评估了北京五座典型污水处理厂（A2/O、A/O、SBR、氧化沟、MBR）中异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌群的潜在能力与关键菌群分布。结果表明A/O工艺的HN-AD贡献率最高（28.4%），其haoA和haoC功能基因拷贝数显著高于其他工艺。Denitratisoma、Dechloromonas和Comamonas为优势菌群，工艺类型是影响HN-AD菌群分布的主因。研究为创新污水处理工艺提供了生物学依据。

　　

杨瑞春|崔友伟|李振英|李明腾|隋园

国家先进城市污水处理与回用技术工程实验室，北京工业大学，北京100124，中国

摘要

异养硝化作用和好氧反硝化作用（HN-AD）是一种新型的氮去除工艺，能够在好氧条件下同时去除废水中的氮和有机物。为了在现有的污水处理工艺中实现HN-AD，需要了解HN-AD细菌群落的丰度。本研究通过体外实验，利用定量PCR和高通量测序技术检测特定功能基因，全面评估了五种典型污水处理厂（WWTPs）中HN-AD的潜在关键细菌属。这五种污水处理厂采用不同的处理工艺，分别是厌氧-缺氧-好氧（A²/O）工艺、缺氧/好氧（A/O）工艺、序批反应器（SBR）工艺、氧化沟（OD）工艺和膜生物反应器（MBR）工艺。结果表明，五种污水处理厂中HN-AD细菌的分布存在显著差异。在A/O处理厂中，异养硝化作用所占比例最高，占总硝化作用的28.4%。在该处理厂中，HN-AD功能基因和的拷贝数分别为1.84×10⁶和8.73×10⁷拷贝/克污泥。与HN-AD相关的关键微生物属Denitratisoma、Dechloromonas和Comamonas在A/O工艺中的出现频率最高，占比达到7.69%。工艺类型是影响HN-AD功能细菌丰度的主要因素，其影响程度超过了曝气池中的个别环境或水质参数。本研究评估了HN-AD的潜力以及不同污水处理工艺中关键细菌属的分布情况，为创新的污水处理工艺提供了生物学依据。

引言

自1914年活性污泥工艺诞生以来，经历了一个多世纪的发展，极大地改善了人类的生活条件（Orhon, 2015; Sheik et al., 2014）。历史上，污水处理技术的突破往往源于独特现象的发现（Roberson and Kuenen, 1984; Strous et al., 1998）。20世纪80年代末，Robertson及其同事在Thiosphaera pantotropha中发现了异养硝化作用和好氧反硝化作用（HN-AD）工艺，打破了传统的氮去除理论框架（Robertson et al., 1988）。HN-AD能够在好氧条件下同时去除废水中的氮和有机物。与传统的多级反应器氮去除工艺相比，HN-AD工艺避免了功能微生物之间的竞争，并且对碳源的需求较低，从而提供了一个更简洁的流程，为污水处理系统的创新提供了新的方向（Hu et al., 2023; Song et al., 2021）。

要在污水处理厂（WWTPs）中实现HN-AD，关键在于了解HN-AD功能微生物群落的丰度和组成，并通过富集策略使其成为主导微生物种群（Littleton et al., 2003; Wang et al., 2023; Zhai et al., 2024）。从氮去除途径来看，HN-AD生物过程在厌氧-缺氧-好氧（A²/O）工艺、缺氧/好氧（A/O）工艺、序批反应器（SBR）工艺和氧化沟（OD）工艺中都有观察到，它们对氮去除的贡献各不相同（Han et al., 2020; Wang et al., 2023; Song et al., 2023; Littleton et al., 2003; Zhai et al., 2024）。这些研究表明，不同污水处理工艺中关键HN-AD微生物的分布可能存在差异。然而，目前尚缺乏系统的方法来研究各种污水处理工艺中HN-AD的分布情况。

长期以来，确定异养硝化菌和好氧反硝化菌存在的方法主要基于微生物系统的氮去除特性和功能。例如，常用的方法是在好氧条件下评估氮去除情况（Huang et al., 2022; Sui et al., 2024），并结合提供不同COD、铵、亚硝酸盐和硝酸盐的批次实验来验证异养硝化能力（Lin et al., 2022）。在分子表征层面，由于HN-AD细菌可能同时具备硝化和反硝化功能基因，扩增amoA和napA成为确认其存在的潜在方法（Huang et al., 2022; Sui et al., 2024）。然而，仅依赖经典硝化和反硝化功能基因的方法忽略了许多HN-AD细菌具有独特功能基因的事实，导致结果的不确定性较大。最近，Yang及其同事鉴定出了HN-AD的分子标记物（haoA、haoB和haoC），为在分子水平上识别HN-AD细菌提供了工具。这些基因负责在异养硝化过程中将羟胺转化为亚硝酸盐，这与普通氨氧化菌（AOB）中的基因不同（Yang et al., 2025）。

本研究首次评估了中国北京五种具有不同代表性污水处理工艺的实际污水处理厂中的HN-AD细菌群落。所有选定的污水处理厂位于相同的纬度范围内，从而减少了区域环境差异和社会活动的影响。由于北京污水处理厂数量有限，每种工艺各选取了一个代表性工厂以确保研究的合理性和可比性。通过结合体外实验、基于定量PCR的特定功能基因检测和高通量测序，本研究旨在揭示HN-AD的潜力及其关键影响因素的模式和趋势。该研究旨在验证工艺类型可能是影响HN-AD细菌群落的主要因素之一，为在实际污水处理厂中实现HN-AD氮去除提供理论依据。

章节片段

污水处理厂和活性污泥采样

本研究旨在比较不同生物处理工艺的关键特征，因此选择了北京五家采用五种典型工艺且运行稳定、符合排放标准的 full-scale污水处理厂。这五家污水处理厂分别采用A²/O处理、A/O处理、SBR处理、OD处理和膜生物反应器（MBR）工艺，分别标记为A、B、C、D和E。这些工厂的日平均处理量为400,000立方米

各种污水处理厂中的氮和磷去除

图2显示了五种污水处理厂进水样和出水样中的氨浓度，以及生物处理单元的N/P去除效率。五种污水处理厂的进水氨浓度范围为32-40 mg/L，而出水氨浓度均低于5 mg/L。其中，A、B、C和D工厂的氨氮去除效率约为90%

不同工艺中HN-AD的氮去除

从氮去除动力学结果来看，在五种污水处理厂中，A/O工艺的氮去除效率为67.8%，其次是A²/O工艺，其氮去除效率为66.9%。从HN-AD对氮去除的贡献来看，A/O工艺中异养硝化的贡献比例最高，其次是A²/O工艺；而在OD工艺中，异养硝化的贡献比例最低（图7a）。

结论

本研究调查的所有五种类型的污水处理厂中都存在HN-AD现象。在所有五种处理系统中，异养硝化的速率均低于自养硝化的速率。A/O工艺的异养硝化和好氧反硝化效果最佳，其次是A²/O工艺。在污水处理厂中的HN-AD细菌群落中，Dechloromonas的比例最高，其次是Denitratisoma和Comamonas

未引用的参考文献

(Buczkiewicz, 2022; Huang et al., 2022a; Yang et al., 2025a)

CRediT作者贡献声明

李振英：验证、方法学、调查、数据管理。崔友伟：写作——审稿与编辑、监督、资源获取、数据管理、概念构建。隋园：方法学、调查。李明腾：方法学、调查。杨瑞春：写作——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法学、调查、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号52170064）的财政支持。