在15°C条件下运行的厌氧氨氧化（anammox）过程的颗粒稳定性机制及微生物群落变化

《Journal of Water Process Engineering》：Granular stability mechanism and microbial shifts of the anammox process operated at 15 °C

本研究探讨低温（15℃）下水力停留时间（HRT）和进水总氮（TN）浓度对厌氧氨氧化颗粒污泥（AnGS）系统脱氮性能、颗粒稳定性机制及微生物群落的影响。结果表明，HRT为0.96小时时，TN浓度为400 mg/L可使脱氮速率最高达4.2 g N/L·d，颗粒尺寸从>2.0 mm转为1.0-1.5 mm。AnAOB通过调节蛋白质/多糖比例（R2=0.96，p<0.05）维持沉降性，短HRT富集Ca. Kuenenia（0.5-2.0 mm颗粒占20.2%-30.2%），高TN浓度增加unclassified_f_Brocadiaceae丰度（20.7%-33.0%）。研究为低温条件下Anammox工艺稳定运行提供依据。

　　

范晓亮|钱云志|吕宣辉|朱永豪|丁家瑶|卢晨顺|何世龙

中国矿业大学环境与空间信息学院，徐州，221116，中国

摘要

冬季的低温会抑制厌氧氨氧化（anammox）细菌（AnAOB）的活性，从而限制anammox工艺的应用。本研究探讨了在水力停留时间（HRT）和进水总氮（TN）浓度对15°C条件下anammox颗粒污泥（AnGS）系统氮去除性能、颗粒稳定性机制及微生物变化的影响。当HRT为0.96小时时，反硝化细菌（DNB）大量繁殖，导致氮去除率（NRR）降至2.1克氮/升/天。当TN浓度为400毫克/升时，AnAOB活性增强，NRR提升至4.2克氮/升/天。在此过程中，具有高AnAOB活性的颗粒大小从大于2.0毫米转变为1.0–1.5毫米。在氮去除率为4.2克氮/升/天时，由于活性差异，大于1.0毫米的AnGS颗粒中选择性形成了羟基磷灰石（HAP）。在短HRT条件下，AnAOB释放的蛋白质（PN）较少；在高TN浓度下，通过调整PN/PS比值（R2 = 0.96，p < 0.05），AnAOB释放的多糖（PS）也较少，从而维持了污泥的沉降性能。降低HRT使0.5–2.0毫米大小的AnGS中Ca. Kuenenia比例增加，占比达到20.2%–30.2%。而较高的TN浓度则增加了AnGS中unclassified_f_Brocadiaceae的丰度，占比从20.7%上升至33.0%。此外，宏基因组分析表明，大于2.0毫米的AnGS颗粒中富含anammox的关键功能基因。本研究为通过anammox工艺稳定处理低温废水提供了参考。

引言

厌氧氨氧化（anammox）工艺在处理含氨废水时具有对额外碳源需求低、污泥产量少的优势[1][2]。AnAOB的最佳温度为30–35°C[3]，而高纬度地区冬季废水的温度通常为10–15°C，这会显著降低AnAOB的活性[4]。此外，AnAOB生长周期较长（10–14天），在低温条件下不利于维持生物量[5]。因此，在低温条件下保持anammox工艺的高稳定性和氮去除能力仍是一个挑战。

研究表明，污泥颗粒化是低温条件下保持AnAOB生物量的有效策略[6][7]。在anammox颗粒化系统中实现高氮去除率（NRR）主要依赖于缩短水力停留时间（HRT）和增加进水总氮（TN）浓度。然而，在10–15°C条件下，报道的NRR范围为0.5至8.5克氮/升/天，存在显著差异[3][8][9][10]。这些差异可能归因于操作参数（如HRT和TN浓度）的影响。适当缩短HRT可以增强传质效果，提高氮去除性能，并提高颗粒污泥的稳定性。将HRT缩短至1.5小时可增加上流速度，促进氮气从anammox颗粒表面释放，增强与底物的接触[11]。在1.05至3.3小时的HRT范围内，报道的NRR可达到2.6至8.5克氮/升/天[3][8][9]。但过短的HRT可能无法抑制AnAOB的活性，反而会因减少底物与微生物的接触时间而影响底物降解。当HRT为0.75小时时，在15°C条件下氮去除率仅为0.014克氮/升/天[12]。此外，高底物浓度可能由于NH??和NO??的积累而对AnAOB产生抑制作用[13]。AnAOB在10–15°C时对底物浓度的敏感性高于30–35°C时。先前研究表明，anammox系统在35°C时可耐受1250毫克/升的TN浓度而不影响颗粒污泥的性能[13]。在中温条件下，anammox系统能耐受较高的TN浓度；而在10°C时，即使较低的TN浓度（60毫克/升）也会抑制anammox工艺，氮去除效率（NRE）仅为25%[14]。在13°C时，anammox系统在TN浓度为607毫克/升时表现稳定；在8°C时为475毫克/升时也表现稳定[3]。AnAOB对底物浓度的敏感性随温度降低而增加。低温条件下报道的TN浓度存在显著差异，HRT和TN浓度对anammox工艺的影响尚不明确。

anammox颗粒污泥（AnGS）的颗粒大小是影响其稳定性的另一个重要因素。据报道，大于2.8毫米的AnGS颗粒会因内部孔隙体积增加而漂浮[15]。0.5–2.0毫米大小的AnGS颗粒表现出优异的氮去除性能[16]。小于0.2毫米的AnGS颗粒容易随出水流失，难以维持高活性[17]。然而，颗粒污泥的体积百分比、微观形态、微生物迁移及转化会受环境因素影响而变化。需要进一步研究低温条件下颗粒污泥中微生物对环境因素的响应特性。

本研究的主要目标是：1）探讨15°C条件下HRT和TN浓度对anammox上流式厌氧污泥床（UASB）工艺的影响；2）基于颗粒大小阐明颗粒稳定性机制及微生物变化特征。

反应器配置

本研究使用了一个1升的UASB反应器（图S1）。通过冷却循环泵将反应器温度维持在15±1°C。为防止温度损失和光线对AnGS的影响，在反应器外部安装了隔热罩。

反应器运行

188天的运行过程根据HRT和TN浓度对anammox-UASB反应器的影响分为两个阶段（表1）。随着HRT的缩短，Rs（消耗的NO??-N/消耗的NH??-N）从1.1增加到1.3

HRT对anammox工艺的影响

从第一阶段A到F（1–116天），进水TN浓度为120毫克/升，HRT逐渐从4.8小时缩短至1.2小时，氮去除率（NLR）从0.6克氮/升/天增加到2.4克氮/升/天（图1a）。当HRT为0.96小时且氮去除率为2.06克氮/升/天时，氮去除效率（NRE）稳定在84.7±0.8%（图1d），但此时出水pH值从8.21降至7.96。有研究报道，在30°C下运行的UASB反应器可实现较高的氮去除率

结论

本研究探讨了HRT和进水TN浓度对15°C条件下AnGS系统氮去除性能和微生物结构的影响。操作参数有效调节了氮去除率：HRT为0.96小时时氮去除率限制在2.1克氮/升/天，而较高的TN浓度则将其提高到4.2克氮/升/天。大于1.0毫米的AnGS颗粒中形成的HAP改善了沉降性能，但抑制了大于2.0毫米颗粒的SAA。缩短HRT显著增强了

CRediT作者贡献声明

范晓亮：撰写初稿、软件开发、数据分析。钱云志：数据分析。吕宣辉：数据分析。朱永豪：数据可视化、数据处理。丁家瑶：数据可视化、数据处理。卢晨顺：数据可视化、数据处理。何世龙：项目监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下项目的资助：国家自然科学基金（项目编号：52400067）和食品废弃物消化物脱氮的Anammox技术开发（项目编号：2024100027）。此外，所有作者都为本文的发表做出了重要贡献并提供了宝贵帮助。