基于厌氧氨氧化（Anammox）的多途径生物氮去除技术用于高氨氮废水处理：在饥饿策略（Starvation Strategy）下的中试应用中实现快速启动及社区响应

《Environmental Research》：Anammox-based Multi-pathway Biological Nitrogen Removal for High Ammonia Nitrogen Wastewater Treatment: Rapid Startup and Community Response in Pilot-scale Application Under Starvation Strategy

本研究开发了一种基于饥饿策略的SNADF系统，通过内源有机物发酵和微生物群落调控实现高氨氮废水的高效处理，总氮去除率达95.9%，污泥产量减少91.5%，并揭示了群落演替机制。

　　

光超思|李张|高峰|张书军|王志斌|彭永珍

国家先进城市废水处理与回用技术工程实验室，北京水质科学与水环境修复工程重点实验室，北京工业大学，北京100124，中国

摘要

作为厌氧氨氧化（Anammox）副产品的硝酸盐已成为限制高氨氮废水处理达标的关键因素。尽管产酸发酵可以刺激与Anammox相关的反硝化菌去除硝酸盐，但其应用受到外加发酵底物限制。本文提出了一种基于化学需氧量（COD）限制的饥饿策略，通过诱导细胞外聚合物物质（EPS）的内源发酵来维持反硝化过程，从而构建了一个2000升的集成系统，该系统结合了部分硝化、厌氧氨氧化和原位发酵（SNADF）工艺。该系统在处理高氨氮废水（828 mg N/L，C/N = 0.24）时表现出优异的性能，总氮去除率达到95.9%，污泥产量减少了91.5%。饥饿策略诱导的功能分化促进了SNADF系统内的高效氮去除。作为氮去除的主要驱动因素，与Candidatus Kuenenia属相关的厌氧氨氧化菌在颗粒污泥中的相对丰度从37.3%增加到43.5%，这为SNADF系统的高效率提供了基础。在饥饿条件下，水解-产酸菌OLB8在絮状污泥中显著富集（增加了6.5倍），加速了EPS向生物可利用碳源的转化。这些碳源随后被生物膜反硝化菌SJA-28利用（增加了7.1倍），实现了碳自给式的硝酸盐去除。群落组装分析进一步表明，观察到的功能分化受随机过程调控。具体而言，扩散限制（贡献62.5%）增强了空间周转，促进了OLB8在絮状污泥中的富集；而生态漂变（贡献100%）从颗粒污泥中清除了低丰度的异养菌，巩固了Candidatus Kuenenia的优势地位。总之，本研究为厌氧氨氧化工程应用提供了一条可行的途径。

引言

为实现碳中和，开发和应用新型低碳氮去除技术已成为废水处理的研究重点（Zhao等人，2024a）。虽然生物氮去除仍以传统的硝化-反硝化工艺为主，但高能耗和碳利用效率低下阻碍了低碳目标的实现（Zhang等人，2023b）。厌氧氨氧化（Anammox）显著降低了曝气成本、污泥产生量和有机碳需求，使其成为未来废水生物氮去除的有前景的途径（Dou等人，2023；Zhao等人，2024b）。在通过部分硝化/厌氧氨氧化（PNA）工艺处理高氨废水（如来自畜禽养殖的废水）时，出水中的NO₃^-–N积累限制了整体氮去除效率。为了进一步降低硝酸盐浓度，研究人员提出了同时进行PNA和反硝化（SNAD）的工艺。然而，SNAD仍需要外部COD补充，并且会产生相对较高的污泥产量，这可能破坏反硝化过程并增加污泥管理成本。

研究表明，在污泥发酵液驱动的部分反硝化-厌氧氨氧化（PD/A）系统中，发酵副产物如乙酸作为低成本电子供体，维持了反硝化过程，使总氮（TN）去除效率超过90%（Dou等人，2025）。基于这一原理，将发酵单元与SNAD工艺结合，开发出了SNADF系统，提供了一种经济高效且高效的氮去除方法（Zhang等人，2023a）。SNADF工艺有效降低了与传统外部碳源相关的高成本、投加复杂性和二次污染风险，从而缓解了与工艺复杂性和高能耗相关的运营挑战。鉴于氮去除系统中不可避免会产生过量污泥（Ma等人，2023），SNADF工艺利用内源性有机物作为发酵底物，建立了自给式的内部碳源。这种策略减少了对外部碳输入的依赖，简化了工艺配置，并降低了运营负担。然而，内源性生物质主要由结构复杂、化学抗性强且生物降解性差的成分组成，如高分子量物质或与EPS和细胞碎片密切相关的腐殖质类成分（Maqbool等人，2019）。这些结构稳定的化合物通常生物可利用性低，使得传统异养微生物难以在短时间内将其水解并发酵为低分子量有机物。因此，启动自给式SNADF工艺的关键挑战在于有效富集参与内源性生物质降解的微生物，同时保持氮去除系统的稳定运行。

饥饿策略通过限制代谢底物的可用性，有效筛选并富集了能够降解难降解有机物的微生物群体（Sun等人，2022）。这种化合物的降解效率提升源于饥饿条件下芳香族降解基因的上调。值得注意的是，饥饿显著增加了关键酶（如苯甲酸1,2-双加氧酶和原儿茶酸2,3-双加氧酶）的表达，这些酶催化了苯环等芳香族结构的分解，从而提高了生物降解性。因此，饥饿策略富集了能够代谢内源性发酵产物的微生物，促进了SNADF过程的启动。设计合理的饥饿方案可以将发酵过程限制在产酸阶段，促进内源性生物质向可利用的碳源转化，同时通过避免过度发酵或产甲烷作用减少碳损失。

从PNA工艺向自给式SNADF系统的转变在提高氮去除效率和降低运营成本方面具有巨大潜力。然而，这一转变过程中的微生物群落动态及其对处理性能的影响仍不甚明了。SNAD工艺主要依赖于功能性的氮去除细菌的活性，包括氨氧化菌（AOB）、反硝化菌和厌氧铵氧化菌（AnAOB）。研究这些功能群组对工艺升级的响应对于阐明氮去除途径至关重要。此外，工艺演变涉及不同聚集形态（絮状物、颗粒和生物膜）中的微生物群落变化。当前生态理论认为，微生物群落组装受确定性和随机过程的共同影响，后者包括随机出生-死亡事件、定殖、灭绝和物种形成（Zhang等人，2019）。阐明不同污泥类型中的群落组装机制有助于理解饥饿策略如何影响SNADF系统中的微生物演替。

因此，适当设计的饥饿策略可以增强内源性有机物的生物转化，实现碳自给并高效去除氮，而无需外部底物。与实验室规模系统相比，中试规模连续运行的主要价值在于将“机制可行性”转化为“工程适用性”。在连续流动条件和实际水力条件下实施饥饿策略作为生态控制手段，可以系统评估其对微氧调节稳定性和发酵-厌氧氨氧化-反硝化过程耦合的影响，同时评估这些效应的可重复性和长期可持续性。中试结果可以确定关键的运营参数范围和限制条件，为下游示范和全规模实施提供依据。基于此，本研究旨在评估使用饥饿策略建立自给式SNADF工艺处理高氨、低C/N比废水的可行性。它还旨在阐明SNADF系统开发过程中功能性微生物的群落演替和生态位分布，以及氮去除细菌的富集机制。

反应器设置与运行

实验在一个有效体积为2 m³（1 m × 1 m × 2 m）的中试规模膜生物反应器（MBR）中进行（图1）（文本S1）。反应器最初接种了二次沉淀池回流污泥（絮状污泥）以启动部分硝化（PN）过程，随后接种了厌氧氨氧化颗粒污泥。回流污泥中的初始混合液悬浮固体（MLSS）浓度约为5 g MLSS/L，在之后增加到约9 g MLSS/L

SNADF系统的快速启动和长期氮去除性能

中试实验分为四个运行阶段：第1阶段（第1天–143天，初始PNA阶段），第2阶段（第144天–178天，高氮负荷下的PNA阶段），第3阶段（第178天–206天，第一阶段饥饿），以及第4阶段（第207天–259天，SNADF运行阶段）。第1阶段通过控制曝气速率启动PN过程，并在10天内实现稳定。在稳定期（第24天–65天），平均进水中NH₄⁺-N浓度为892.4 ± 50.6 mg/L

结论

本研究成功证明了使用饥饿策略启动SNADF氮去除过程的可行性，并揭示了操作策略如何增强SNADF系统中的发酵和氮去除过程。该系统在处理高氨、低C/N比畜禽废水方面表现出优异的性能，日处理能力为3000升，总氮去除率达到95.9%，现场产生的污泥减少了91.5%

CRediT作者贡献声明

张书军：写作 – 审稿与编辑。高峰：写作 – 审稿与编辑。王志斌：写作 – 审稿与编辑。彭永珍：写作 – 审稿与编辑。李张：写作 – 审稿与编辑、验证、监督、资源提供。光超思：写作 – 原稿撰写、研究设计、资金获取、数据管理、概念构思

未引用参考文献

Spenser, 2017.

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了北京自然科学基金（8252022）、自然科学基金[22276006]以及山东省重点研发项目[2021CXGC011202]的支持。