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本研究提出将功能化生物炭集成至改良A2/O工艺中，形成无化学添加剂的高级营养物去除系统。通过苏州 Loujiang 市政污水处理厂中试发现，该系统对总氮去除率达80.6%，总磷去除率94.2%，且无需外部碳源或化学沉淀剂。生物炭通过构建分层氧化还原微环境、促进跨物种电子转移及富集脱氮菌（Caldilineaceae占比12.3%）和聚磷菌（Saprospiraceae占比8.7%），显著降低曝气能耗15-20%，系统稳定性适应C/N 2-8和15-30℃的波动。
陶一良|张叶|刘涵涵|徐晓毅|庄金龙|黄天音|卢红英|吴炳堂
苏州科技大学环境科学与工程学院，中国苏州，215009
摘要
本研究提出了一种无化学物质且碳效率高的高级营养物质去除策略，该方法将功能性生物炭整合到改良的A2/O工艺中的混合生物膜系统中。在一家市政污水处理厂进行了长期的中试规模示范，以评估系统在实际运行条件下的性能。该生物炭增强系统实现了稳定的处理效果，无需添加外部碳源或化学沉淀剂即可持续满足中国的1A级排放标准。系统的总氮平均去除效率为80.6%，总磷去除效率为94.2%，出水浓度分别低于10 mg/L和0.5 mg/L，远低于严格的监管限制。生物炭作为多功能栖息地和电子媒介，促进了氧化还原分层的微环境发展，并增强了物种间的直接电子转移。引入生物炭使曝气能耗降低了15-20%，显著降低了运营成本并提高了整体系统效率。高通量测序显示，关键功能菌群的丰度有所增加，包括反硝化菌属Caldilineaceae（相对丰度12.3%）和除磷菌属Saprospiraceae（8.7%）。结构方程建模进一步量化表明，生物膜表面的微生物群落对污染物去除的贡献是内部微生物群的1.8–2.3倍。该系统还表现出对不同C/N比（2–8）和温度（15–30°C）的强适应性，显示出其在多种环境中的广泛应用潜力。这些结果不仅提供了关于生物炭促进的微生物过程的见解，还为现有污水处理厂提供了一种实用且可扩展的改造策略，以实现可持续的营养物质管理，并降低运营成本和化学依赖性。
引言
全球污水处理基础设施的扩展显著改善了水质，但实现一致且经济有效的营养物质去除仍是一个紧迫的环境挑战。尽管传统的生物营养物质去除（BNR）系统，如广泛应用的A2/O（厌氧-缺氧-好氧）工艺，能够去除氮（N）和磷（P），但它们受到一些持续的运营和可持续性限制，尤其是在日益严格的排放标准下（Yuan等人，2024年；Fu等人，2019年）。
这些限制包括：（1）在碳有限的废水中依赖补充碳源（通常COD/TN < 5），这增加了运营成本和化学足迹；（2）高曝气能耗，占总工厂能耗的50–60%；（3）功能微生物群之间的竞争（例如，积累磷的生物与积累糖原的生物），导致生物磷去除不稳定；（4）在氧化还原条件不佳的情况下产生温室气体排放，如N2O。
目前克服这些限制的策略大致可分为两类：微生物强化（例如，生物增强、代谢调节）和工艺配置修改（例如，阶梯式进料、集成固定膜系统）（Yang等人，2019年；Liang等人，2023年；Tian等人，2022年；Zhang等人，2024a）（Yang等人，2019年；Liang等人，2023年；Tian等人，2022年；Zhang等人，2024a）。然而，微生物策略往往面临长期稳定性和可扩展性的挑战，而工艺修改可能会引入运营复杂性，需要额外的基础设施，或者只是重新分配而不是解决根本的碳限制（Xu等人，2023年；Zhang等人，2024b）。此外，大多数现有证据来自实验室规模的批量测试或仅关注单一性能指标的评估，可能无法充分捕捉连续流式实际系统所需的复杂协同作用和长期稳定性（Xu等人，2023年）。因此，一种同时解决碳依赖性、能源消耗和工艺稳定性的综合方法仍然非常受欢迎。
基于碳的材料，特别是工程化生物炭的出现，提供了一种同时解决多重限制的新解决方案（Lou等人，2024年）。这些材料作为三维微生物栖息地，具有分层的孔结构，创造了不同的生态位——大孔（>50 μm）用于生物质捕获，中孔（2-50 μm）用于生物膜形成，微孔（<2 nm）用于酶固定（He等人，2024年）。除了物理结构外，这些材料的表面化学性质，富含含氧功能基团（-COOH、-OH），显著增强了微生物附着并促进了物种间的直接电子转移（Zheng等人，2022a；Wu等人，2017年）。
为了评估生物炭增强混合生物膜系统的性能，将其与使用非碳介质或无额外载体材料的处理系统进行比较是有用的。例如，台架和中试规模的 constructed wetland 研究表明，仅使用砾石的介质在处理二次出水时，总氮（TN）去除效率约为39.2%，而添加了生物炭的湿地介质在相似的进水条件下，TN去除效率可超过59.8–78.6%，这代表了由于生物炭增强微生物活性和吸附能力而带来的约20–40%的氮去除改进（Zheng等人，2022b）。
此外，使用木屑或砾石的简单过滤系统报告的浊度去除效率约为87–90%，而生物炭过滤器由于其较大的比表面积和吸附性能，浊度降低幅度略高（≈93%）（Zhao等人，2025年）。与未经处理或未经改良的系统相比，生物炭混合生物膜方法显著同时改善了多种营养物质转化途径。
生物炭不仅依赖于传统的氢介导途径，还能提供额外的电子传递路径，增强微生物群落内的氧化还原相互作用，从而提高了电子利用的整体效率，据报道这有助于更有效地利用可用有机底物，而无需增加外部碳输入（Zhu等人，2019年）。
这种材料科学（定制的载体特性）与微生物生态学（结构化群落组装）的整合对于改造现有基础设施特别有前景。当考察它们的多方面益处时，将基于碳的材料纳入A2/O工艺改进的必要性变得明显（Zhang等人，2025年）。首先，它们作为导电基质，促进了位于不同微环境中的微生物群体之间的电子交换（例如，在生物膜内和悬浮絮体中），从而支持氧化和还原反应的更有效耦合，而不是创建全新的代谢途径（Wu等人，2017年）。其次，它们的固有缓冲能力有助于稳定厌氧区的pH值，这对积累磷的生物（PAO）的活性至关重要，但通常会受到挥发性脂肪酸（VFA）吸收的影响（Sarvajith和Nancharaiah，2022年）。第三，它们通过结合吸附和沉淀机制作为动态磷库，提供对抗进水波动和工艺干扰的缓冲（Zhang等人，2020年）。也许最重要的是，这些材料使得不同功能群落能够共存而不是竞争，从而促进了PAO、反硝化菌和其他功能菌群的协同作用，重塑了处理系统的生态动态（Tang等人，2024年，2025年）。
尽管具有这些有前景的特性，但迄今为止大多数研究都集中在实验室规模的批量测试或单一性能指标上。关于在真实连续流条件下对添加了生物炭的混合生物膜系统进行的中试规模综合研究，仍存在显著的知识空白。此外，生物炭影响微生物群落结构、生物膜功能和系统级营养物质去除的协同机制，即“材料-微环境-微生物”之间的综合联系，尤其是在改造到传统工艺中的混合生物膜-悬浮污泥配置中，仍没有得到充分量化。
相比之下，非碳介质如沸石和大理石碎片在某些操作条件下显示出相对较高的铵氮（NH4+-N）去除效率（沸石：75.8–94.1%，大理石碎片：54.9–83.9%），但这些介质主要依赖于物理离子交换或吸附，缺乏支持耦合生物膜过程（如同时硝化、反硝化和生物除磷）所需的微环境复杂性（Chen等人，2024年）。
为了填补这些知识和应用空白，本研究提出并在中试规模连续运行中展示了将生物炭增强混合生物膜系统改造到传统A2/O工艺中。我们的目标是（1）评估该系统在无需外部碳或化学添加的情况下长期中试规模的N和P去除性能，（2）表征生物炭促进的微生物群落结构和功能富集，（3）阐明支持增强营养物质去除的关键机制——包括电子转移、氧化还原分层和群落协同作用。通过从批量测试转向连续流中试规模研究，我们提供了一个将材料科学与微生物生态学结合在实际处理背景下的系统级评估。这项工作不仅提供了关于生物炭介导的生物膜过程的基本见解，还为升级现有污水处理基础设施以实现更大的可持续性和运营韧性提供了实用且可扩展的途径。
部分摘录
实验地点
在苏州娄江污水处理厂进行了关于生物质填料（块状）提取氮和磷的初步研究，该厂是本研究的试点地点。这项试点测试旨在评估填料是否能在实际运行条件下促进额外的氮和磷转化和保留。娄江试点基地面积为74平方米，尺寸为12.2米×6.1米，水池总高度为3.5米。
中试规模反应器的设计
不同的材料被引入中试规模反应器，并定期监测其水质。主要监测的污染物包括NO3?-N、NH4+-N、TP、COD和pH值。根据长期测量结果评估了这些材料在膜附着方面的性能。图S5显示了中试规模装置的示意图。
不同材料对水质的净化效果
如图2所示，在实验室规模反应器的40天监测期间，5–10毫米的生物质活性炭表现出高
结论
这项中试规模研究表明，将生物炭增强的混合生物膜系统整合到A2/O工艺中，为市政污水的高级营养物质去除提供了一种可持续且无化学物质的途径。与典型的实验室规模研究相比，其中生物炭的添加使总氮去除效率提高了约10%或达到60–80%的TN去除效率，我们的中试规模混合A2/O系统始终实现了氮和磷的高效同时去除
CRediT作者贡献声明
陶一良：撰写——原始草案、方法论、调查、数据管理。张叶：可视化、资源、数据管理。刘涵涵：资源、正式分析。徐晓毅：可视化、监督、调查。庄金龙：软件、方法论、概念化。黄天音：可视化、监督、资金获取。卢红英：资源。吴炳堂：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
这项工作得到了国家自然科学基金（52070137）和姑苏创新创业领军人才计划（ZXL2022500）的支持。
