《Journal of Environmental Management》：Static magnetic fields enhance partial nitrification and phosphorus removal performance in anaerobic/aerobic/anoxic-aerobic granular sludge systems: Two-way role of microbial activity and extracellular polymeric substances
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静态磁场增强生物膜反应器中低C/N废水同步脱氮除磷研究，发现10mT磁场显著提升氨氧化菌活性，而50mT抑制磷去除，揭示磁场通过调控胞外聚合物（EPS）分泌与微生物代谢的双向合成效应。
李嘉瑞|李东月|谢超凡|耿旭新|吴彦硕|张驰|李俊|朱宇涵
中国北京工业大学国家先进市政废水处理与回用技术工程实验室，北京，100124
摘要 在处理低碳（C）/氮（N）市政废水时，仅依靠原水中的碳源仍难以实现高效的氮和磷同时去除。本研究利用静态磁场（SMF）增强好氧颗粒污泥系统的部分硝化-内源反硝化-磷去除过程，从而实现了对低碳氮磷比（C/N）市政废水的高效深度处理。微生物活性批量实验结果表明，在10 mT的磁场强度下，SMF对氨氧化菌（AOB）的促进作用显著高于亚硝酸盐氧化菌（NOB）；而在50 mT的磁场强度下则相反。随着SMF强度的增加，磷的释放和吸收活性均显著增强。长期运行结果显示，在低磁场强度（10 mT）下，部分硝化和磷去除性能显著提升，但在高磁场强度（50 mT）下，性能提升程度有所减弱。高磁场强度会促进更多胞外聚合物物质（EPS）的分泌，颗粒被致密粘性物质包裹，限制了内部溶解氧的传递，进而抑制了系统的微生物活性。高通量测序结果证实，随着SMF强度的增加，系统的能量代谢得到增强，从而促进了EPS的分泌。SMF对微生物活性和EPS的特定影响在系统长期运行中产生了“双向合成效应”。
引言 好氧颗粒污泥（AGS）具有密集的物理结构和较高的生物量保留能力，能够在单一系统中同时去除碳、氮和磷（Vydehi等人，2024年）。与厌氧/好氧颗粒污泥相比，厌氧（A）/好氧（O）/厌氧（A）-AGS在污染物高级处理方面具有更大的潜力（Liang等人，2022年）。在AOA-AGS系统中，功能性微生物包括（反硝化）磷酸盐积累菌（(D)PAOs）、（反硝化）糖原积累菌（(D)GAOs）、氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）。由于AGS的层状结构，这些功能性细菌可以在颗粒的内层和外层同时进行不同的生化过程（硝化、反硝化、厌氧磷释放和好氧磷吸收）。在好氧阶段，AOB和NOB进行硝化反应，(D)PAO通过消耗聚羟基烷酸（PHA）来吸收磷；由于颗粒的内外层结构，反硝化过程也同时发生。在厌氧阶段，(D)PAO和(D)GAO利用NO2 ? -N或NO3 ? -N作为电子受体进行呼吸作用，同时(D)PAO也能吸收磷（Liang等人，2022年；He等人，2023a年；Li等人，2022年）。
目前，AOA-AGS系统主要采用全硝化-反硝化工艺，在碳源有限的情况下，同时去除废水中的氮和磷仍然具有挑战性（Liu等人，2024年）。在部分硝化-反硝化过程中，硝化反应停留在NO2 ? -N阶段，随后通过反硝化作用将其去除，这可以节省大量碳源，在碳源有限的废水处理中具有重要意义（Liang等人，2022年）。因此，将部分硝化与AOA-AGS工艺结合符合当前的绿色、低碳升级和循环经济理念。静态磁场（SMF）利用廉价且易于获得的永磁体产生，具有操作简单、可持续性和稳定性等优点，近年来已被应用于废水处理过程。研究表明，5 mT的SMF可以通过调节AOB和NOB的活性来实现活性污泥系统中的部分硝化（Wang等人，2017年）。此外，SMF还可以促进微生物中聚羟基烷酸（PHA）的合成（Gao等人，2023年），这是磷去除和内源反硝化的重要内部碳源（Coats等人，2011年），促进其合成有助于提升磷去除和内源反硝化性能。然而，大多数研究仅关注SMF促进微生物活性和提升系统性能的现象，未深入探讨SMF增强部分硝化和磷去除机制的机理，尤其是针对AOA-AGS系统。
废水处理中部分硝化和磷去除的优化不仅依赖于特定功能性微生物（AOB、PAO）的代谢活性，还受到由胞外聚合物物质（EPS）组成的微环境和界面过程的深刻调控。EPS作为微生物聚集的结构基础，影响氧/底物传递和局部条件（微氧区、离子浓度），并参与重要的生化反应。EPS既是微生物聚集的结构基础，影响氧/底物传递和局部条件（微氧区、离子浓度），也是离子吸附（如磷酸盐沉淀前体）、酶固定和菌落间相互作用的重要生化反应平台（Zhang等人，2025年；He等人，2023b年；Geng等人，2025年），因此对于控制硝化途径（部分硝化）和磷去除效率至关重要。我们团队之前的研究表明，SMF通过改变微生物信号通路，重组EPS的组成和结构，促进更疏水性EPS的分泌，从而通过桥接、吸附或络合作用将细菌聚集形成絮体（Li等人，2024a年）。然而，过量的EPS分泌可能对污泥性能产生负面影响（Li等人，2017年）。据报道，EPS依赖于长链多糖和富含蛋白质的二级结构形成复杂致密的网状结构（Zhang等人，2025年），这种结构在颗粒表面形成高粘性凝胶层，阻碍了物质传递。因此，EPS对系统性能可能产生正面或负面的“双向效应”，深入研究EPS的组成、结构和功能特性是分析和优化同时部分硝化和磷去除系统性能的关键。然而，现有研究尚未全面清晰地阐述SMF在AOA-AGS系统中如何调节EPS，从而影响系统的部分硝化和磷去除性能。SMF调节EPS与微生物活性之间的耦合效应可能是提升AOA-AGS系统整体运行性能的关键机制。
本研究利用SMF增强AOA-AGS系统的部分硝化和磷去除性能，实现高效稳定的氮磷同时去除，并进一步从微生物活性和EPS的角度阐述了其潜在的增强机制。本研究的主要目的是：（1）通过活性批量实验探讨SMF对关键功能性细菌活性的影响；（2）研究SMF对AOA-AGS系统长期运行性能的影响；（3）从微电极和颗粒空间结构的角度研究AGS传质的变化；（4）研究SMF对微生物群落结构和代谢途径的影响；（5）分析SMF提升AOA-AGS系统性能的潜在机制。
实验部分 接种污泥和水质 接种污泥是在实验室规模母反应器（80 L）中培养成熟的AOA-AGS。接种污泥的具体参数列于表S1中。实验使用人工合成的模拟城市污水，其低碳氮磷比详细水质参数见表S2。
批量实验 批量实验使用了八个1L圆柱形反应器，每个反应器都接种了来自长期运行AGS反应器的污泥，所有反应器均保持相同的污泥浓度
SMF对功能性细菌活性的影响 如图1a所示，在SMF的影响下，系统中的关键微生物活性指标（SOUR、AOR、NOR、NiRR、NaRR、PSR、PPR和PUR）均表现出显著差异，且在低磁场强度（5 mT、10 mT和15 mT）和中高磁场强度（25 mT、50 mT、75 mT和100 mT）下的影响并不一致。
SOUR代表污泥微生物的整体代谢活性。总体而言，在SMF条件下，SOUR显著增加
结论 本研究利用SMF增强了AOA-AGS系统的部分硝化和磷去除性能，实现了高效稳定的氮磷同时去除，并进一步从微生物活性和EPS的角度证明了其“双向合成效应”。
(1) 在10 mT的磁场强度下，AOB的活性达到峰值。微生物的整体代谢活性、NOB、(D)GAOs和(D)PAOs均有所增加
作者贡献声明 李嘉瑞： 撰写——初稿撰写、可视化处理、软件应用、方法学设计、实验实施、数据整理、概念构建。李东月： 数据验证、方法学设计、实验实施。谢超凡： 软件应用、方法学设计、实验实施。耿旭新： 软件应用、方法学设计、实验实施。吴彦硕： 软件应用、方法学设计、实验实施。张驰： 方法学设计、实验实施。李俊： 撰写——审稿与编辑、资金筹集、概念构建。朱宇涵： 撰写——审稿与编辑、概念构建。
利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。
致谢 本研究得到了
京津冀地区综合环境治理国家科技重大项目 （编号：2025ZD1203803）的财政支持。本研究得到了石家庄实验室（
www.shiyanjia.com ）和北京中科百策科技有限公司的帮助。
