《Biochemical Engineering Journal》：Comparative Study of Biofilter and Continuous Stirred Tank Reactor for Anammox Fast Start-up and Stable Operation
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厌氧氨氧化生物滤器与连续搅拌罐反应器在启动时间、氮去除效率及微生物群落结构上存在显著差异。生物滤器（BF）总氮去除率达79.35%±0.63%，显著高于CSTR的74.99%±3.53%，且其启动时间（59天）长于CSTR（34天），但BF的微生物群落以Candidatus Brocadia为主，CSTR则以Candidatus Kuenenia占优。研究揭示了反应器构型对微生物分化和氮去除性能的影响。
作者：长龙燕、宁定英、李明月、田文清、王楚、南福雄、吴迪、梁吉东、严伟
西安交通大学环境科学与工程学院，中国西安710049
摘要
在主流废水处理中，厌氧氨氧化（anammox）的性能常常受到启动缓慢和生物量流失问题的限制。本研究评估了生物滤池（BF）和连续搅拌反应器（CSTR）在anammox培养中的效果，重点关注启动性能、氮去除率和微生物动态。结果表明，生物滤池的总氮去除率（TNRE）达到79.35% ± 0.63%，氮去除率（NRR）为1.35 ± 0.04 kg N/(m3·d)，而连续搅拌反应器的TNRE为74.99 ± 3.53%，NRR为0.59 ± 0.04 kg N/(m3·d)。生物滤池的氮去除效果得益于anammox、DN和PN/A的共同作用。连续搅拌反应器的启动时间较短，为34天，其anammox氮去除贡献率为92.22 ± 4.50%，而生物滤池的启动时间为59天，anammox氮去除贡献率为84.65 ± 4.80%，这反映了anammox途径的主导地位。生物滤池表现出氮去除的垂直分层现象，而连续搅拌反应器形成了活性较高的颗粒污泥。此外，微生物分析显示不同的富集模式：生物滤池中以Candidatus Brocadia为主，连续搅拌反应器中以Candidatus Kuenenia为主，这反映了反应器配置对微生物群落的影响。这些发现强调了反应器设计对anammox活性、微生物群落形成和氮去除效率的影响，为优化废水处理中的anammox应用提供了见解。
引言
全球可持续废水处理的需求推动了节能和减排氮去除技术的发展，人们正在探索多种先进的工程方法来应对这一挑战[1]。其中，厌氧氨氧化（anammox）作为一种有前景的技术，与传统的硝化-反硝化生物氮去除过程相比，在节能和减少碳排放方面具有明显优势[2]。anammox过程在厌氧条件下将1.0 mol铵（NH??-N）氧化为1.32 mol亚硝酸盐（NO??-N），生成1.02 mol氮气（N?）和0.26 mol硝酸盐（NO??-N）[3][4]。与传统硝化-反硝化过程相比，anammox无需碳源和氧气，同时显著降低了污泥产生量和运营成本[5]。
然而，厌氧氨氧化细菌（AnAOB）的生长速度较慢，倍增时间为10-14天[6]，并且容易受到营养不足、温度波动和氧气干扰等因素的影响[7][8]。生长缓慢导致生物量损失和启动或适应期延长，从而大大限制了anammox的大规模工程应用。此外，还存在其他挑战，包括游离氨的抑制作用、高C/N比下异养细菌与AnAOB之间的竞争、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）对亚硝酸盐的竞争，以及低温对微生物活性的不利影响[9]。有效的生物量保留是实现快速启动和维持稳定运行的关键前提[2]。
为了提高anammox过程中的生物量保留，反应器配置非常重要，因为其结构设计和水力条件显著影响污泥的选择和富集[10]。根据污泥形态和反应器配置，anammox系统包括基于生物膜载体的系统和基于颗粒污泥的系统[11]。基于生物膜载体的系统包括上流式覆盖滤池（UBF）[12]、好氧膜生物反应器（MBR）[13]、膜曝气生物膜反应器（MABR）[14]，通过生物膜在载体上的附着来维持微生物生物量。基于颗粒污泥的系统包括序批反应器（SBR）[15]、上流式厌氧污泥床（UASB）和膨胀颗粒污泥床（EGSB）[16]，其生物量积累依赖于污泥颗粒化。这些系统突显了反应器配置和传质调节对高效氮去除的重要性。值得注意的是，生物滤池（BF）和连续搅拌反应器（CSTR）代表了两种不同的水动力特性和生物量保留机制。生物滤池配备有载体，具有类塞流结构，能够更好地控制氧气梯度和微生物分层[14]；连续搅拌反应器则具有颗粒污泥，完全混合的环境提供了稳定且可控的水力条件和均匀的基质分布[17]。然而，大多数研究仅关注单一反应器类型，在相同主流条件下直接比较塞流和完全混合配置的研究仍然有限。
本研究旨在系统地比较生物滤池和连续搅拌反应器的配置，探讨不同反应器设计对anammox在中等氮浓度废水中的启动期、氮去除效率和微生物群落动态的影响。研究结果将为优化反应器设计和促进基于anammox的氮去除过程的工程应用提供理论指导和实践参考。
反应器和种子污泥
在本实验中，构建了两种配置的anammox反应器：一种使用直径为4.2-4.5 mm的球形陶瓷颗粒填充的生物滤池（有效体积：1.37 L），以上流模式运行；另一种是连续搅拌反应器-沉淀池系统（CSTR），由一个有效体积为2.70 L的反应柱和一个配备搅拌装置的沉淀池组成，以确保均匀混合。两种反应器均保持在25 ± 1°C的温度下，反应柱用铝箔包裹以防止光线穿透。
生物滤池和连续搅拌反应器的氮去除性能
图2展示了生物滤池和连续搅拌反应器在启动阶段、负荷增加阶段和稳定阶段的氮去除性能变化，其中生物滤池运行了101天，连续搅拌反应器运行了98天。
在启动阶段，两种反应器中的AnAOB都在适应主流anammox条件。生物滤池的出水总氮去除率和氮去除率分别稳定在69.85 ± 6.87%和0.24 ± 0.04 kg N/(m3·d)，连续搅拌反应器分别为80.67 ± 1.35%和0.21 ± 0.08 kg N/(m3·d)（见图2e和2f），表明系统已稳定运行。
结论
生物滤池系统实现了相对较高的氮去除效率（79.35 ± 0.63%）和氮去除率（1.35 ± 0.04 kg N m?3·d?1），这得益于多种微生物途径的协同作用，包括anammox、DN和PDN/A，其中Candidatus Brocadia是主要的AnAOB属（占比7.66%-13.66%）。相比之下，完全混合的连续搅拌反应器启动更快（34天内完成），但氮去除效率较低（79.35 ± 0.63%）和氮去除率也较低（1.35 ± 0.04 kg N m?3·d?1）。
作者贡献声明
田文清： 撰写、审稿与编辑、监督。
王楚： 概念设计。
南福雄： 概念设计。
吴迪： 数据可视化。
李明月： 撰写、审稿与初稿编写。
长龙燕： 撰写、初稿编写、调查、数据分析。
宁定英： 验证、方法学设计。
梁吉东： 项目管理。
严伟： 项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突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重点项目（编号52230001）的财政支持。作者同时感谢宁海星海污水处理有限公司的财政支持。
