《Bioresource Technology》：Impact of readily biodegradable chemical oxygen demand on partial nitritation granules under high-salinity continuous-flow conditions
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研究高盐条件下连续流反应器中易降解COD对部分硝化颗粒污泥稳定性的影响，发现COD负荷临界值0.5kg/(m3·d)，低于此值结构稳定、硝化效率达100%，超过则崩溃但可恢复，微生物以嗜盐异养菌为主。
李明军|张星宇|秦曼宇|谢超文|李增毅|童成成|王建芳|钱飞月|刘文茹
苏州科技大学环境科学与工程学院，中国苏州215000
摘要
易生物降解的化学需氧量（COD）对处理高盐度废水的好氧颗粒污泥系统中部分亚硝化过程的稳定性构成了挑战。在连续流反应器中，这一影响尤为显著，但目前对其了解尚不充分。本研究探讨了在持续高盐度（40克/升NaCl）条件下，部分亚硝化颗粒对COD负荷增加的响应。研究发现，当COD负荷率低于约0.5千克COD/（立方米·天）（进水COD为150毫克/升）时，颗粒结构保持稳定，平均粒径为686–757微米，完整性系数超过80%，SVI3为46–47毫升/克，并且部分亚硝化性能优异（亚硝酸盐积累量约为100%；氨氧化速率约为0.7千克/（立方米·天））。相反，当COD负荷率超过这一阈值时，颗粒结构会严重破坏，从而导致亚硝化性能下降。值得注意的是，当COD负荷降低后，颗粒结构和功能均可恢复，这表明该系统具有一定的韧性。高通量测序分析显示，引入COD后嗜盐异养菌（如Marinobacter、Planktosalinus和Halomonas）数量增加。值得注意的是，在整个实验过程中未检测到典型的亚硝酸盐氧化细菌，表明在高盐度压力下这些细菌被有效抑制。因此，观察到的硝酸盐积累主要是由嗜盐异养菌的硝化作用引起的。本研究揭示了易生物降解COD对高盐度条件下部分亚硝化颗粒稳定性的影响，强调了在处理高盐度废水的连续流过程中限制有机负荷的重要性。
引言
来自海鲜加工、水产养殖和沿海二级处理的废水通常具有高盐度（盐度>30克/升）、高铵浓度（Chen等人，2019a）和极低的C/N比（Jiaqi等人，2020）的特点，这已成为一个紧迫的全球环境问题。这类废水对水生生态系统具有负面影响，并给生物脱氮过程带来了重大技术挑战（Huang等人，2024b；Zhang等人，2023）。高盐浓度引起的渗透压会破坏微生物细胞膜，抑制许多功能微生物（如硝化菌和反硝化菌）的代谢活动，降低污泥的沉降性能，从而严重限制了传统硝化-反硝化过程的效率（Chen等人，2024；Zhang等人，2023）。此外，传统工艺在曝气过程中能耗较高，且依赖碳源进行反硝化，这使得它们在经济和环境上难以大规模处理高盐度废水。相比之下，通过亚硝酸盐途径去除氮（如部分亚硝化-厌氧氨氧化（Anammox）工艺）是一种经济高效且环保的替代方案，因为部分亚硝化可将约50%的氨转化为亚硝酸盐（同时抑制硝酸盐形成），从而减少60%的能耗并无需额外添加碳源（Shaw等人，2024）。然而，实现稳定的部分亚硝化仍然是该工艺的主要瓶颈（Su等人，2023；Wang等人，2022）。
好氧颗粒污泥因其紧凑的结构、优异的沉降性能和高的微生物保留能力而被广泛认为是部分亚硝化系统的理想选择（Bartroli等人，2010；Isanta等人，2015；Poot等人，2016；Soler-Jofra等人，2019）。其分层的微观结构形成了氧气和底物的梯度，有利于外层氨氧化菌（AOB）的繁殖，同时抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的生长，这是实现稳定部分亚硝化性能的关键（Poot等人，2016；Soler-Jofra等人，2019）。最新研究表明，好氧颗粒污泥可以通过逐步适应高盐度环境，增强耐盐功能微生物的数量，并分泌胞外聚合物（EPS）以减轻渗透压（Campo等人，2018；Corsino等人，2016；Ji等人，2025；Sarvajith和Nancharaiah，2020；Wan等人，2014；Wang等人，2017）。此外，高盐度对NOB的抑制作用大于对AOB的抑制作用（Corsino等人，2016；Lin等人，2024；Wan等人，2014；Zhao等人，2022）。使用颗粒污泥处理高盐度废水时，部分亚硝化或亚硝酸盐氧化工艺的技术可行性也已得到验证（Corsino等人，2016；Wan等人，2014）。
然而，实际盐度废水中铵和化学需氧量（COD）的共存使得好氧颗粒处理变得复杂。易生物降解有机物、盐度与颗粒稳定性之间的复杂关系仍不明确，且受具体条件影响。许多研究主要在序批反应器（SBRs）中进行，结果表明好氧颗粒污泥即使在高COD水平下也能保持结构完整性（Corsino等人，2016；de Graaff等人，2020；Elahinik等人，2024；Li等人，2020；Pronk等人，2014；Sarvajith和Nancharaiah，2020；Wang等人，2017）。然而，也有研究报道由于丝状真菌过度生长导致颗粒污泥分解（Huang等人，2024a；Liang等人，2024；Liang等人，2025）。从机制上看，高COD负荷会促进絮状和丝状生物量的生长，从而使核心颗粒形成微生物在底物竞争中处于劣势，导致颗粒不稳定（Haaksman等人，2020）。此外，颗粒粒径的增加会加剧扩散限制，导致核心生物量衰减、密度降低，最终导致颗粒破碎或冲刷（Morgenroth等人，1997）。进料策略对这些结果有重要影响：厌氧进料有利于将可生物降解COD以内部聚合物的形式储存，从而选择性地抑制丝状生物的生长，而好氧进料则缺乏这种选择性压力（Haaksman等人，2020）。连续流反应器更接近实际操作条件，通常没有SBRs中的选择压力（如厌氧储存可生物降解COD和“饱饿”机制）。在这种环境中，可生物降解COD的高可用性可能有利于快速生长的异养菌和丝状微生物的生长，从而对颗粒稳定性构成更大挑战（Haaksman等人，2020；Kent等人，2018），进而危及颗粒污泥部分亚硝化过程的稳定性。然而，关于易生物降解有机物在持续高盐度压力下对连续流系统中部分亚硝化颗粒结构和功能稳定性的影响仍缺乏充分研究（Meng等人，2020；Wan等人，2014）。
本研究探讨了在高盐度（40克/升NaCl）条件下，易生物降解COD对连续流反应器中部分亚硝化颗粒污泥稳定性和性能的影响。主要目标是确定决定颗粒稳定性和功能性能的关键COD阈值，评估颗粒污泥系统在有机负荷过载后的恢复能力，并阐明这些过程变化背后的微生物群落动态。
反应器设置与操作
本研究使用了一种改进的空气提升内循环生物反应器。反应器由透明亚克力材料制成，呈长方体形状，有效高度为20厘米，总工作体积为1升（见补充材料）。反应器包含反应区和沉淀区。在核心反应区内，内管和外管同轴排列，形成了空气提升驱动的内部循环回路。反应器的具体设计参数详见
易生物降解COD对污泥特性的影响
在连续运行155天的实验中，系统研究了高盐度（40克/升NaCl）条件下部分亚硝化颗粒污泥对逐渐增加的有机负荷的响应。实验分为四个阶段，每个阶段对应特定的进水COD水平：第一阶段（50毫克/升，第1-16天），第二阶段（100毫克/升，第17-46天），第三阶段（150毫克/升，第47-135天），第四阶段（在100毫克/升水平下恢复，第136-155天）。实验结果表明
讨论
高盐度下亚硝化颗粒的结构稳定性是一个已有研究但复杂的现象（Ji等人，2025；Liang等人，2025）。本研究的一个关键发现是确定了一个特定的COD浓度阈值（约0.5千克COD/（立方米·天）），该阈值决定了高盐度压力（40克/升NaCl）下连续流反应器中部分亚硝化颗粒污泥的结构稳定性。在该阈值以下（例如第一、二、四阶段），系统表现出良好的
结论
本研究探讨了以醋酸为碳源的易生物降解COD对高盐度（40克/升NaCl）条件下部分亚硝化颗粒污泥稳定性和性能的影响，氨负荷率为约0.7千克氮/（立方米·天）。研究发现，在这种条件下，当COD负荷率低于0.5千克COD/（立方米·天）时，颗粒结构保持稳定，亚硝酸盐积累量接近100%
未引用参考文献
Chen等人（2019b）。
CRediT作者贡献声明
李明军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，数据分析。张星宇：方法学研究，实验设计，数据管理。秦曼宇：数据分析，概念框架构建。谢超文：验证，方法学研究，实验设计。李增毅：验证，实验设计，数据分析。童成成：方法学研究，实验设计。王建芳：撰写 – 审稿与编辑，监督。钱飞月：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学研究。刘文茹：
利益冲突声明
作者声明他们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
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52470090）和江苏省研究生研究与实践创新计划（SJCX25_1878）的支持。
