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该研究通过高率内循环（IC）-厌氨氧化-羟基磷灰石（Anammox-HAP）系统处理合成废水，实现氮去除率23.3 gN/L/d和磷去除率0.79 gP/L/d。长期运行中生物与矿物共富集显著提升污泥机械强度及沉降性能。微生物分析表明高TN浓度抑制异养菌（Acinetobacter/Exiguobacterium），优势菌群为Ca. Kuenenia（Anammox菌）及Denitratisoma（反硝化菌）。降低水力停留时间（HRT）有效提高Anammox比活性（SAA）。创新“破裂-回流-重启”策略实现HAP核心回收及污泥11天内再生。验证了IC-Anammox-HAP系统在高效稳定脱氮除磷方面的应用潜力。
李文超|何一冰|吴宏明|李宇攸|孔哲|胡勇|张雪莹
南京工业大学环境科学与工程学院，中国南京211816
摘要
本研究评估了高效率厌氧氨氧化-羟基磷灰石（Anammox-HAP）在内部循环（IC）反应器中的氮和磷去除性能。在双循环策略下，使用合成废水时，氮的去除率为23.3 gN/L/d，磷的去除率为0.79 gP/L/d。长期运行显著促进了颗粒中生物量和无机物的共同富集，提高了其机械强度和沉淀性能。微生物群落分析表明，提高进水总氮浓度有效地淘汰了异养硝化-反硝化细菌（如Acinetobacter和Exiguobacterium），使得Anammox细菌（Ca. Kuenenia）和反硝化细菌（OLB13、SJA-28和Denitratisoma）占据主导地位。相比之下，减少水力停留时间能有效提高特定Anammox活性。一种新颖的“破裂-回收-重启”策略能够从过度矿化的颗粒中回收HAP核心，并在11天内实现反应器的快速重启和破碎污泥的重新颗粒化。这项工作展示了IC-Anammox-HAP系统的可行性和应用潜力。
引言
厌氧氨氧化（Anammox）利用自养Anammox细菌（AnAOB）将亚硝酸盐和铵转化为气态氮（Kartal等人，2010年）。与传统的两步硝化-反硝化工艺相比，该技术减少了60%的曝气需求，同时完全消除了对外源有机碳的依赖，使其成为废水处理研究的热点（Zhang等人，2024年）。然而，Anammox技术的全面应用受到两个关键障碍的限制：AnAOB对环境变化（如pH值、温度、盐度）的敏感性以及Anammox颗粒污泥的浮选现象，这最终会导致生物量流失和反应器不稳定（Jin等人，2012年；Xue等人，2023年）。
当前的研究表明，Anammox过程可能会产生微碱性环境，促使钙和磷酸盐在细胞表面沉淀，最终形成羟基磷灰石（HAP）晶体（Song等人，2023年）。随后，细胞与矿物质之间发生异质生长，通过自组装机制形成结构紧密且分层的Anammox-HAP颗粒污泥（Xue等人，2022年）。矿物核心通过提高颗粒的机械强度和沉淀性能来增强颗粒系统的稳定性（Cao等人，2023年）。此外，通过这种生物矿化过程获得的HAP可以作为农业和工业应用的可持续磷源。尽管具有这些优势，长期运行可能导致颗粒过大，其中HAP核心过度生长（颗粒挥发性悬浮固体/悬浮固体（VSS/SS）比率为0.15 - 0.25），从而降低反应器的生物量浓度（Ma等人，2020年）。因此，提取HAP沉淀物或分离生物膜-矿物聚集体成为优化Anammox-HAP反应器容积效率的关键研究方向。
反应器类型的选择对生物反应和结晶反应的效率具有关键影响。内部循环（IC）反应器是一种第三代厌氧反应器，通过沼气驱动机制运行。产生的沼气将污泥-水混合物向上推至上升管，实现气体、液体和固体的三相分离。然后，脱气后的混合物通过回流管重新循环到反应器底部，形成内部自流循环，从而增强底物稀释和质量传递，同时避免由于较强的水力剪切力而导致的气体积聚和污泥堵塞现象（Tang等人，2009年）。先前的研究已经证实了IC反应器在启动Anammox-HAP过程和促进污泥颗粒化方面的适用性（Cao等人，2025年）。此外，IC-Anammox系统在处理旧垃圾填埋场渗滤液时，当氮负荷率（NLR）为10.0 ± 0.04 gN/L/d时，可实现氮去除率（NRR）为9.52 ± 1.11 gN/L/d（Phan等人，2017年）。IC反应器的运行机制本质上依赖于沼气产生，而AnAOB偏好碳氮比（C/N）较低（<1.5）和温和条件（30 - 35°C）的环境。这些综合因素证明了IC-Anammox-HAP系统在处理氮浓度（1500 - 4000 mgN/L）和磷酸盐浓度（20 - 150 mgP/L）较高的废水方面的优越适用性（Castro等人，2017年）。然而，关于高效率IC-Anammox-HAP系统的研究仍然有限，特别是关于底物浓度和水力停留时间（HRT）对系统性能和颗粒特性的影响。此外，IC反应器的底部进料配置会导致颗粒污泥的垂直异质性，其独特的循环机制使其颗粒特性与传统上流式反应器有所不同。
功能性Anammox反应器的特点是AnAOB与异养细菌之间的共生关系（Xiao等人，2022年）。例如，异养反硝化细菌（HDB）如Thauera和Denitratisoma可以通过部分反硝化将残留硝酸盐转化为亚硝酸盐，为AnAOB提供必需的底物（Du等人，2020年）。同时，异养硝化-反硝化细菌（HNADB）如Pseudomonas和Acinetobacter具有双重氮转化能力，通过耗氧代谢活动为AnAOB创造微厌氧环境（Yang等人，2025年）。此外，异化硝酸盐还原为铵的细菌（DNRAB）也可以通过自身的代谢提供铵和亚硝酸盐，从而提高氮去除效率（Zhu等人，2025b）。尽管这些合作可能增强系统的稳定性，但异养细菌由于可溶性微生物产物（SMP）的积累而过度增殖可能会显著影响AnAOB的主导地位和氮去除效率，尤其是在高负荷条件下。因此，全面研究高效率IC-Anammox-HAP系统中的污泥特性和微生物群落动态对于推进其全面应用至关重要。
本研究致力于开发一种高效率的IC-Anammox-HAP集成系统，以实现同时去除氮和磷。具体目标如下：（1）在不同的运行条件下评估系统性能，优化运行策略以最大化工艺效率和稳定性；（2）追踪颗粒特性的变化；（3）揭示微生物群落的演替和代谢相互作用；（4）开发HAP核心回收和污泥重新颗粒化的创新策略。
实验设计
高效率IC-Anammox-HAP实验设计
配置了一个5.0 L的IC反应器来研究高效率Anammox-HAP（图S1a）。反应器的内径为12 cm。废水通过回流泵以4.0的比例回流到进水路径。反应器温度控制在35 ± 1°C。之前在同一反应器中以NRR为1.39 gN/L/d运行的Anammox-HAP颗粒（Cao等人，2025年）作为种子污泥。
在所有实验阶段，均使用人工废水作为进水。
氮去除性能
本节描述了IC-Anammox-HAP在长期运行过程中的表现。在第一阶段，水力停留时间（HRT）固定为6小时，通过增加进水中的总氮浓度（580 mg/L - 2200 mg/L）来提高氮负荷率（NLR）（图1a）。如图1b所示，反应器的氮负荷率从2.32 gN/L/d提升到8.80 gN/L/d，氮去除率相应地从1.90 gN/L/d提高到8.03 gN/L/d。本研究开发的新型系统显示出比传统系统更优异的运行稳定性。
结论
IC-Anammox-HAP系统使用合成废水实现了卓越的氮去除率（NRR：23.3 gN/L/d）和磷去除率（PRR：0.79 gP/L/d）。生物量和无机物的共同富集显著增强了颗粒的机械强度和沉淀速度。关键的是，较高的进水总氮浓度（>1600 mg/L）选择性地富集了AnAOB（Ca. Kuenenia），而降低了HNADB（Acinetobacter和Exiguobacterium的占比；同时，水力停留时间的减少优化了SAA（0.359 gN/gVSS/d）。这一新型
CRediT作者贡献声明
李文超：撰写 – 原稿撰写、方法论、数据分析、概念化。何一冰：验证、软件使用、数据管理。吴宏明：验证、方法论、数据管理。李宇攸：指导、资源协调、项目管理。孔哲：数据可视化、验证、方法论。胡勇：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。张雪莹：撰写 – 审稿与编辑、指导、软件使用。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了苏州科技大学绿色低碳废水处理与资源化技术国家重点联合实验室（SZLSDT202402）和江苏省研究生研究与实践创新计划（SJCX24_0534）的支持。
