将危害转化为益处：利用厌氧饥饿效应实现新型的四球菌（Tetrasphaera）主导的同步部分硝化、反硝化、磷去除及原位污泥减量化工艺

《Bioresource Technology》：Turning harm into benefit: Leveraging anaerobic starvation to establish novel Tetrasphaera dominated simultaneous partial nitrification, denitrification, phosphorus removal, and in-situ sludge reduction process

本研究提出一种基于Tetrasphaera主导的同步部分硝化-反硝化-磷去除与原位污泥减量（T-SPNDPR-ISR）工艺，利用厌氧饥饿改善污水处理性能。实验表明，21天厌氧饥饿后磷去除率达98.0%，COD去除率91.4%，污泥减量55.7%，并通过代谢机制和菌群变化验证了该工艺的有效性，重新定义了厌氧饥饿在废水处理中的作用。

　　

范志伟|林浩宇|陈娟农|赵子琪|卢明星|李福平|曾伟

华北科技大学矿业工程学院，中国唐山 063010

摘要

先前的研究普遍认为，厌氧饥饿会降低废水处理效果。然而，本研究反驳了这一普遍观点。本研究通过一种以为主导的同步部分硝化、反硝化及磷去除-原位污泥减量化（T-SPNDPR-ISR）工艺，挑战了厌氧饥饿会损害废水处理的传统观点。该工艺能够增强生物磷去除能力、硝化-反硝化（SND）效率以及污泥减量化效果。经过21天的厌氧饥饿处理后，磷去除率、化学需氧量（COD）去除率、污泥减量化率以及SND效率分别提高了98.0±1.4%、91.4±1.4%、55.7±1.2%和98.4±1.3%、98.1±1.5%。饥饿结束后，将细胞内碳储存物质从天冬氨酸替换为亮氨酸，其相对丰度从9.4±1.0%上升至70.3±3.4%。同时，（好氧反硝化菌）和（COD降解菌）的数量增加，这些细菌利用了释放的碳。细胞外DNA含量增加了8.2倍，乳酸脱氢酶（LDH）的释放量增加了66.3±1.1%，表明细胞发生了裂解。本研究将厌氧饥饿视为一种有益的技术，而非障碍。

引言

在实际运行中，污水处理厂不可避免地会经历厌氧饥饿现象，导致出水中的氮和磷浓度超过标准值（Li等人，2026年）。工厂季节性停产、收获后的罐头厂关闭以及纺织厂假期停工会导致数天至数周的基质供应中断（Wang等人，2012年）。外部电子供体的长期缺失会引发慢性厌氧饥饿压力，最终影响氮和磷的去除效果（Wang等人，2018年）。强降雨可在几分钟内将进水中的碳（C）、氮（N）和磷（P）浓度稀释至接近检测限。长期厌氧饥饿会严重削弱营养物质的去除能力，给废水处理带来挑战。

以往的研究一致表明，厌氧饥饿会损害聚磷菌（PAOs）和硝化菌（Liu等人，2017a）。厌氧饥饿后，硝化效果显著下降。饥饿结束后，反应器中铵的去除速率仅为3.6克氮/立方米/小时，硝化菌活性恢复缓慢（Liu等人，2021年）。厌氧饥饿后，缺氧条件下的磷吸收速率降至0.162±0.022毫克/天，而好氧条件下的磷吸收速率和缺氧条件下的硝酸盐去除速率会随着饥饿时间的延长而线性下降（Sun等人，2022a）。现有文献普遍认为厌氧饥饿会对生物废水处理产生负面影响。

同步部分硝化、反硝化及磷去除（SPNDPR）工艺仅需要厌氧池和好氧池，从而降低成本并简化操作流程（Jin等人，2025年）。然而，磷去除菌和反硝化菌之间存在对有机物的竞争，且过多的污泥和高外部碳需求会大幅增加运营成本（Liu等人，2026年）。传统的SPNDPR系统依赖于传统的聚磷菌（如（Preetham等人，2026年）。与传统的聚磷菌不同，具有发酵能力，能够将活性污泥和废水中的复杂大分子有机物分解为挥发性脂肪酸（VFAs）。在厌氧饥饿期间，当进水基质中断时，可通过发酵活性污泥维持细胞增殖（Fan等人，2022b）。相比之下，传统的聚磷菌严重依赖外部VFAs，在厌氧饥饿条件下由于缺乏可发酵基质而迅速衰减。与以往报道的饥饿负面影响不同，本研究提出了一种以为主导的同步部分硝化、反硝化、磷去除及原位污泥减量化（T-SPNDPR-ISR）工艺，利用厌氧饥饿现象增强磷去除能力、SND效率及污泥减量化效果，将饥饿从不利因素转化为有利条件。

本研究建立了基于厌氧饥饿的T-SPNDPR-ISR工艺，挑战了厌氧饥饿会损害生物废水处理的传统观点。通过设置不同的厌氧饥饿时间来量化其对营养物质去除和污泥产量的影响，并在整个饥饿和恢复过程中跟踪氨基酸的储存和消耗情况。通过量化细胞外聚合物物质（EPS）、上清液DNA和乳酸脱氢酶（LDH）的泄漏情况来解析污泥减量化机制。此外，还应用转录水平分析和逆转录定量聚合酶链反应（RT-PCR）技术来追踪菌群变化，并测量硝化菌中、和基因的表达变化。

反应器设置与操作

使用来自唐山的市政污水处理厂污泥进行接种，污泥龄（SRT）约为19天，曝气阶段的溶解氧（DO）为1.0±0.2毫克/升。合成废水和微量元素的添加量详见补充材料。

本研究分为三个阶段：第一阶段中，反应器在20.0±2°C下运行，每天进行3次8小时的循环处理，包括50%的体积交换（进水10分钟、厌氧搅拌180分钟、曝气反应240分钟、沉淀35分钟、排水10分钟、闲置5分钟）。同时调节厌氧/好氧停留时间和溶解氧水平。

T-SPNDPR-ISR系统中营养物质的长期监测

图1总结了T-SPNDPR-ISR系统中的营养物质去除情况。在第一阶段，出水中PO₄^3-的去除率为2.8±0.2毫克/升（去除效率为56.0±1.0%），COD去除率为59.0±1.1%（进水浓度为200.1±1.1毫克/升，出水浓度为55.6±1.3毫克/升）。达到稳态后，NH₄⁺-N的去除率为98.2±0.9%，而出水中NO₃^–-N和NO₂^–-N的浓度分别为45.3±1.1毫克/升和11.5±1.7毫克/升，氮去除率（NAR）为20.0±1.0%。尽管主要产生硝酸盐，但磷去除率较低，表明系统性能未达到最佳状态。

结论

虽然以往的研究一致认为厌氧饥饿会对废水处理效果产生负面影响，但本研究提出了不同的观点。本研究成功开发了一种基于厌氧饥饿的T-SPNDPR-ISR工艺，该工艺提高了生物磷去除能力、SND效率及污泥减量化效果。本研究建立的T-SPNDPR-ISR工艺充分利用了的发酵特性。

未引用的参考文献

邱等人（2019年）。

CRediT作者贡献声明

范志伟：项目管理、调查、资金获取、数据整理、概念构思。 林浩宇：监督、软件开发、资源协调、方法设计、概念构思。 陈娟农：软件开发、调查、数据分析。 赵子琪：方法设计、调查。 卢明星：数据可视化、调查。 李福平：方法设计、调查。 曾伟：调查、资金获取。

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

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：22406055）、河北省自然科学基金（项目编号：E2023209067）、河北省燕赵黄金人才集聚计划（项目编号：HJYB202526）、唐山市应用基础研究科技计划项目（项目编号：25130218B）以及华北科技大学青年学者促进计划（项目编号：QNTJ202310）的支持。