《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Nitrogen Removal Performance Responses to Substrate Concentration Gradients in a Vertical Flow Screening Internal Circulation Bioreactor
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氮去除效率与微生物群落演变的垂直流筛板生物反应器研究。通过185天连续运行，考察了200-700 mg/L NH??-N浓度梯度下反应器性能，证实其总氮去除效率（TNRE）达86.00%±2.00%（第36天）和76.15%（第144天），揭示了筛板结构对污泥分级及溶解氧分布的调控机制。微生物分析表明硝化菌（Nitrosomonas）丰度提升至7.05%，厌氨氧化菌（Candidatus Brocadia/Jettenia）分别达到2.98%和4.76%，证实功能菌群的有效区隔与协同作用。
王斌全|熊晓婷|杨瑞森|金娇|Eli Hendrik Sanjaya|Mohd Fadhil Md Din|AbdelGawad Saad|Elsayed A.E. Ali|陈宏
长沙理工大学水利与海洋工程学院，中国长沙，410114
摘要
本项为期185天的研究主要关注在逐渐增加的铵离子浓度（200–700 mg/L NH??-N）条件下氮的去除效果，使用的是一种垂直流筛分内循环生物反应器（VFSCBR），其运行时间为8小时/天（HRT）。筛板能够根据颗粒大小有效分离污泥，从而形成明显的好氧区和厌氧区，支持高处理效率。通过优化曝气策略，反应器性能得到恢复：总氮去除效率（TNRE）在第36天达到86.00 ± 2.00%，在高负荷下仍保持在76.15%，显示出系统的显著韧性和运行稳定性。微生物分析显示菌群发生了显著变化，Proteobacteria的相对丰度超过30.00%；同时关键功能菌类如的丰度从0.77%增加到7.05%，而Anammox细菌（由和代表）的丰度分别增加到2.98%和4.76%。这些微生物-环境之间的关联为污泥和溶解氧的有效分离提供了有力证据，证实了反应器能够维持好氧区（以AOB为主）与厌氧区（富含AnAOB）之间的功能分离，从而提高了氮的去除效率。
引言
与传统硝化-反硝化工艺相比，部分硝化/厌氧（PN/A）工艺能够在较低的碳需求下实现自养氮去除，同时减少能源消耗和污泥产生[1][2][3]。然而，这项有前景的技术的广泛应用面临微生物和操作方面的重大挑战。具体而言，化能自养厌氧铵氧化菌（AnAOB）对环境条件非常敏感，生长速率极慢且倍增时间较长，导致细胞产量低，富集难度大，从而引发系统长期不稳定[4][5]。此外，污泥冲刷造成的生物量损失会降低微生物浓度[6]，而操作条件的波动会加剧AnAOB、氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）之间的竞争[7]。
Anammox系统的稳定性和效率从根本上取决于其微生物群落[8]，该群落受操作条件、反应器配置、接种污泥类型和进水基质组成的影响——这些因素对功能性微生物种群有重要影响[9][10]。这种功能群落的变化直接反映系统的性能[11]。在这种情况下，反应器配置起着决定性作用，因为它影响内部水流负荷、气体流动效应和循环模式。挡板、循环模式和隔室比例等参数显著改变流场特性[12]，进而影响流速、湍流强度和水力剪切力等动态特性。这些因素对微生物生长、附着、自我固定以及颗粒污泥的形成和稳定性至关重要，最终影响氮的去除效率。尽管已经使用了多种反应器如UASB、EGSB、SBR、CSTR和MBR[13]，但每种反应器都在高处理效率、颗粒大小控制、能源消耗和操作复杂性之间存在权衡[14][15]。
为了解决确保长期稳定性和效率的问题，本研究介绍并研究了一种新型的垂直流筛分隔室化生物反应器（VFSCBR）。该设计采用筛板来增强内部循环并创建不同的功能区，以促进微生物富集并加速污泥颗粒化[16]。从水力角度来看，污泥分离器起到挡板的作用，促进泥水混合体的循环，在分离器内部形成上升流，在外部形成下降流，从而增加横流速度[17]。这种强化流动模式旨在增强微生物间的协同作用并提高AnAOB的代谢活性[6][18]。然而，最佳运行需要平衡关键约束：提供足够的溶解氧（DO）以支持硝化反应，同时防止DO抑制Anammox反应[19]，并保持基质（氨和亚硝酸盐）浓度在不会抑制AnAOB的范围内[20]。基质浓度还影响微生物生长、胞外聚合物物质（EPS）的积累、系统稳健性和颗粒完整性[21]，而负荷率则决定处理效率和实际经济可行性[22][23]。
基于现有研究和公认的挑战，本研究调查了新型垂直流筛分隔室化生物反应器（VFSCBR）在逐渐增加的高浓度铵负荷下的长期性能。通过持续监测反应器的氮去除效率和稳定性，并详细分析污泥特性（如EPS）和微生物群落，本研究阐明了系统中功能性微生物之间的协同机制。结果表明，VFSCBR设计能够在具有挑战性的基质条件下实现高效且稳定的自养氮去除，为这一可持续工艺的工程应用提供了新的见解和技术支持。
实验装置
实验装置
如图1所示，实验装置使用了一种自开发的垂直流筛分内循环生物反应器（VFSCBR），有效体积为8.1 L。反应器包括一个恒温水套、外圆筒、一个导流管和一个内圆筒，导流管通过筛板与内圆筒相连。筛板的外直径为50 mm，内直径为20 mm，上面均匀分布着8个4 mm × 12 mm的矩形孔。
整体性能
实验共进行了185天。图2展示了运行过程中曝气速率（AR）、HRT和系统性能的变化情况。根据运行要求及时调整曝气速率以控制性能，通过调节蠕动泵的速度将HRT维持在8小时/天。
在阶段I中，当进水氨离子浓度为200 mg/L NH??-N，氮负荷率为0.60 kg/N/m3/天时，VFSCBR的氮去除效率稳定在96.00 ± 2.00%，总氮去除效率（TNRE）达到...
结论
本研究探讨了逐渐增加的NH??-N浓度（200至700 mg/L）对自养氮去除系统的影响。在300 mg/L NH??-N的浓度下，系统表现出最佳性能，氨去除率达到99.00%，总氮去除率达到88.00%，运行时间为8小时/天。在700 mg/L的浓度下，最大总氮去除率达到1.60 kg/N/(m3·d)，同时保持了高去除效率。这表明VFSCBR反应器能有效促进功能性微生物群落的富集...
未引用参考文献
[52]
CRediT作者贡献声明
AbdelGawad Saad：研究、数据整理。
Ali Elsayed A. E.：研究、数据整理。
陈宏：撰写、审稿与编辑、监督、资金申请。
金娇：可视化、研究。
Eli Hendrik Sanjaya：数据分析、数据整理。
Mohd Fadhil Md Din：数据分析、数据整理。
王斌全：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、数据整理。
熊晓婷：监督、方法学研究、数据分析。
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所述的工作。
致谢
本研究得到了湖南省科学技术厅（2023SK2072, 2023NK2031）、国家重点研发计划（2024YFF0510200）、国家自然科学基金（52478438）以及人力资源和社会保障部（H20240365）的支持。
