生物强化AO-MBR处理低温厕所废水的代谢基础与生态稳定性：功能性基因、途径效率及微生物动态的关联

《Process Safety and Environmental Protection》：Metabolic Basis and Ecological Stability of Bioaugmented AO-MBR Treating Low-Temperature Toilet Wastewater: Linking Functional Genes, Pathway Efficiency, and Microbial Dynamics

低温条件下生物增强AO-MBR系统对厕所废水处理效能及微生物机制研究。

　　

刘福尧|邱福国|田洪宇|刘建伟

北京建筑大学可持续城市排水系统建设与风险控制工程技术研究中心，北京 100044

摘要

本研究通过构建一个生物强化厌氧-好氧膜生物反应器（AO-MBR）系统，探讨了低温条件下 toilet 废水处理系统性能下降的问题。通过接种适应低温的微生物群落，系统在温度逐渐降低（16℃→8℃）的情况下，对其处理性能、污泥特性以及微生物群落的响应机制进行了系统评估。生物强化反应器（S1）的 COD、NH??-N 和 TN 去除效率分别为 85.5%、87.6% 和 67.8%，高于对照反应器（S2）的 76.6%、75.1% 和 54.8%。低温微生物强化有效提高了污泥的沉降性能，降低了污泥体积指数（SVI），并通过促进细胞外聚合物物质（EPS）中蛋白质和多糖的分泌，增强了系统对低温负荷的抵抗力。微生物群落分析显示，S1 中耐寒功能菌属如 Acinetobacter 和 Flavobacterium 显著富集。代谢功能预测表明，与碳水化合物代谢、氮代谢和应激响应相关的基因丰度显著增加。这些发现阐明了生物强化 AO-MBR 系统的协同代谢机制和生态稳定性。研究结果为低温 toilet 废水处理中微生物强化技术的工程应用提供了理论和实践支持。

引言

Toilet 冲洗废水主要由尿液、冲洗水和少量粪便组成（Zhang 等，2020）。其特点是有机物浓度高、碳氮比低，水质和水量波动较大（Xiao 等，2022）。随着节水卫生系统的快速发展以及对废水再利用需求的增加，其处理变得越来越重要。然而，在低温条件下，传统的生物处理过程往往会出现微生物活性显著下降，导致化学需氧量（COD）、氨氮（NH??-N）和总氮（TN）的去除效率降低。因此，开发适用于低温环境的高效稳定生物处理工艺具有重要的环境和工程意义（Robles 等，2022）。

厌氧-好氧膜生物反应器（AO-MBR）结合了传统生物处理技术和膜分离技术，实现了高出水质量和优异的污泥保留性能（Ren、Zhang 和 Miao，2023）。该技术已广泛应用于分散式和家庭废水处理（Liu 等，2018）。然而，在温度低于 10℃ 时，AO-MBR 的硝化效率通常会降低，细胞外聚合物（EPS）分泌过多，污泥沉降性能变差。这些问题主要是由于低温胁迫下微生物活性降低和群落结构不稳定所致（Xu、Li 等，2025）。因此，在寒冷气候下维持 AO-MBR 的性能，增强微生物群落的代谢活性和生态稳定性是一个关键挑战（Li 等，2023）。使用耐寒微生物菌株进行生物强化被认为是缓解低温不利影响的有效策略（Volpin 等，2020）。这种方法将生物降解与高效膜分离技术相结合，具有运行稳定、占地面积小和出水质量优异等优点。日本是最早采用膜生物反应器及其组合工艺处理 toilet 废水和尿液废水的国家之一。例如，通过浸没式膜生物反应器处理岛屿居民的 toilet 冲洗废水，COD 的去除率达到 87%，悬浮固体的去除率达到 91.6%（Fountoulakis 等，2016）。然而，在这种生化技术的处理过程中，微生物生长和代谢不可避免地会受到冷却的影响。当温度低于 10°C 时，微生物代谢活性降低，导致处理效率显著下降。这种代谢抑制会导致硝化不完全和细胞外聚合物（EPS）过度积累，从而影响污泥絮凝和生物量损失，最终威胁反应器的稳定性。此外，低温还会降低污泥沉降性能，损害生理特性，减少微生物活性，并改变微生物群落结构，严重影响低温条件下的废水处理系统运行性能（Németh 等，2023）。因此，在寒冷地区维持微生物活性和生态平衡对于确保 AO-MBR 工艺的稳定运行至关重要。

现有研究表明，适应低温的微生物强化技术可以显著提高低温废水处理系统的性能。通过将选定的耐寒细菌（纯菌株/混合菌株）接种到生化处理单元中，可以增强优势功能细菌的数量和活性，从而提高系统的污染物去除效率，实现合规的出水排放。Zou 等人的实验表明，在低温（<10°C）好氧反硝化系统中，耦合和富集耐寒功能细菌显著提高了总氮的去除效率，表明耐寒微生物强化技术在废水处理过程中具有广阔的应用前景（Zou、Yao 和 Ni，2014）。Z. Chen 等人的实验表明，使用聚氨酯海绵载体固定微生物的 AO-MBR 工艺提高了煤气化废水的处理效率。这验证了 MBR 技术在 AO-MBR 工艺中的优异性能（Chen 等，2021）。Németh 等人证实，膜生物反应器（MABR）是一种极具前景的低温硝化技术，通过合理调节传质阻力可以在低温和高温条件下优化性能。这表明将低温微生物强化技术与 MBR 工艺结合可以有效替代传统的 toilet 冲洗废水处理方法（Németh 等，2023）。通过添加耐寒微生物进行生物强化是一种有效的解决方案。引入耐寒功能细菌可以加速反应器启动，提高有机物和氮的去除效率，并改善污泥沉降性能。尽管当前研究证实了这些优势，但其背后的生态机制仍不甚明了。具体来说，接种微生物群落与本地微生物群落之间的相互作用、系统稳定过程中的演替机制以及功能基因丰度与代谢途径之间的关系尚未明确。

因此，本研究开发了一种基于生物强化技术的 AO-MBR 系统，用于处理低温条件下的 toilet 废水。主要目标包括：评估耐寒微生物接种对污染物去除和污泥特性的影响；阐明微生物群落动态和相互作用机制；通过关联功能基因、代谢途径效率和微生物结构，揭示代谢基础和生态稳定性。这些发现将加深对微生物强化策略的理解，并为 AO-MBR 技术在低温环境中的实际应用提供技术支持。

部分内容摘录

AO-MBR 工艺的建立

在本研究中，两个厌氧-好氧膜生物反应器（AO-MBR）并行运行，如图 1 所示。实验装置包括五个主要部分：进水系统、集成 AO-MBR 反应器单元、曝气系统、回流系统和出水系统。两个反应器组分别命名为 S1 组（生物强化组，接种了耐寒微生物）和 S2 组（对照组，未接种微生物）。接种的污泥为

温度梯度增强耐寒微生物对 toilet 废水处理和回用系统低温性能提升的影响

耐寒微生物对系统生物强化性能的影响包括缩短系统启动时间、提高系统稳定性以及增强有机污染物去除性能。为了确定耐寒微生物对提升 toilet 冲洗废水处理和回用系统效率的作用，两个平行的 AO-MBR 系统在以下条件下运行：进水流量为 35 L/d，初始 MLSS 为

结论

本研究建立了一种适用于实际 toilet 废水处理的低温生物强化厌氧-好氧膜生物反应器（AO-MBR），温度从 16°C 降至 8°C，重点研究了代谢调节和微生物生态响应。生物强化显著加速了系统启动，提高了运行稳定性，并在 8°C 下保持了高去除率（COD 81.6%，NH??–N 87.6%，TN 67.8%），有效缓解了低温对微生物活性的抑制作用

未引用的参考文献

(Chen, Lei 等，2024; Chen, Zhiqiang 等，2021)

CRediT 作者贡献声明

田洪宇：监督、软件开发、实验研究。刘建伟：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、项目协调、资金获取。刘福尧：撰写初稿、实验研究、数据分析。邱福国：验证、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。