伪电容导电材料在污泥厌氧消化过程中，能够驱动电子转移途径（直接电子转移与间接电子转移）的选择性变化

《Bioresource Technology》：Pseudocapacitive conductive materials drive selective shifts in direct versus mediated electron transfer pathways during sludge anaerobic digestion

本研究证实，铁海绵辅助的硫驱动部分反硝化/厌氧氨氧化生物滤池（TDDA-BF）系统可在78天内实现原位厌氧氨氧化菌富集，总氮去除效率达85%，Fe2+释放促进关键酶活性，显著缩短启动周期并提升碳效，为可持续废水处理提供新路径。

　　

顾彦楠|曾伟|苗浩浩|彭永振

中国北京工业大学环境工程系，国家先进市政废水处理与回用技术工程实验室，北京 100124

摘要

尽管厌氧氨氧化（anammox）技术具有高效和低碳的优势，但其工程应用长期以来一直受到两个主要瓶颈的制约：启动缓慢和微生物接种源有限。本研究建立了一种硫硫酸盐驱动的部分反硝化/厌氧氨氧化生物滤池（TDDA-BF）系统，使用传统的活性污泥和硫自养反硝化污泥实现了快速启动，无需外部厌氧氨氧化菌的接种。TDDA-BF系统在78天内成功实现了厌氧氨氧化菌的的原位富集，总氮去除效率达到85%。微生物群落分析显示，Candidatus_Brocadi的丰度从0.38%增加到了21.01%。肼脱氢酶活性测定和预测表明，铁海绵中的Fe（II）通过增强血红素c的合成促进了厌氧氨氧化关键酶的活性。本研究成功证明了在TDDA-BF系统中快速原位富集厌氧氨氧化菌的可行性。该策略的实施不仅大幅缩短了传统的启动时间，还促进了更高效的碳氮去除途径，凸显了其在可持续废水处理应用中的潜力。

引言

厌氧氨氧化（anammox）作为一种技术上和经济上更优越的生物氮去除技术（Mulder等人，1995年；Zhang等人，2024年），其核心是在厌氧条件下直接将铵盐和亚硝酸盐转化为氮气，无需有机碳源或氧气。然而，当铵盐浓度低于某一阈值时，厌氧氨氧化菌的特定生长速率会显著下降（富集阶段为0.065 d^?1–0.33 d^?1）（Strous等人，1999年）。目前，大多数主流的厌氧氨氧化系统依赖接种成熟污泥来加速启动，但外源接种容易受到环境变化的影响，常常导致生物量衰减和运行不稳定。近年来，一些研究通过调节碳氮比（C/N）在部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）系统中实现了厌氧氨氧化菌的快速原位富集（Peng等人，2025年；Su等人，2023年）。然而，热力学分析表明，异养反硝化具有更高的可行性，因为其功能菌的特定生长速率和生物量产量显著高于厌氧氨氧化菌（Kumar和Lin，2010年）。特别是在高有机负荷条件下（C/N > 2.5），异养反硝化菌的竞争性生长会显著降低厌氧氨氧化系统的氮去除性能。

硫自养反硝化（SAD）利用还原态硫化合物作为电子供体将硝酸盐转化为氮气，无需添加有机碳，这一过程通常伴随着亚硝酸盐的积累（Jiao等人，2026年）。研究表明，基于硫硫酸盐的自养反硝化系统可以在55天内实现超过90%的亚硝酸盐积累率（Ma等人，2024年）。硫氧化菌（SOB）的低污泥产率和低生长速率使其能够与厌氧氨氧化菌共存，为后者提供亚硝酸盐来源。此外，厌氧氨氧化过程中产生的硝酸盐可以通过硫自养反硝化途径进一步去除，从而提高整体氮去除效率。然而，目前尚缺乏关于在硫自养反硝化系统中直接原位富集厌氧氨氧化菌而不需要接种厌氧氨氧化污泥的可行性的系统研究。

金属离子（如Fe（II）是重要的微量元素，作为功能酶的辅因子可以显著促进微生物的生长和代谢（Ribeiro等人，2017年）。鉴于此，铁海绵是一种主要由零价铁（ZVI）组成的金属材料，具有低毒性、低成本和环境友好性的优点。铁海绵中Fe（II）的缓慢释放已知可以刺激厌氧氨氧化菌的代谢活性，同时降低氧化还原电位并消耗剩余的溶解氧（Li和Tabassum，2022年）。此外，铁海绵的引入解决了所提出的集成系统中的两个关键问题，即减轻硫自养反硝化过程中过度的碱度消耗，并通过化学沉淀促进磷酸盐的去除（Yang等人，2017年）。因此，铁海绵的集成可能进一步促进该过程的快速建立和稳定运行。

本研究探讨了在装有铁海绵的生物滤池中快速建立TDDA-BF系统（硫硫酸盐驱动的部分反硝化与厌氧氨氧化生物滤池）并实现厌氧氨氧化菌原位富集的可行性。系统中的微生物氮转化机制及功能菌的氮去除贡献得到了系统阐释。通过¹⁵N同位素追踪，明确了从传统氮去除过程向TDDA过程转变过程中微生物群落的演替情况。多重氮去除途径之间的协同作用以及硫自养反硝化菌与厌氧氨氧化菌之间的相互作用机制也得到了确认。

铁海绵和火山岩的物理化学特性

铁海绵购自中国河南郑州的茂源材料有限公司，粒径小于5毫米（Li等人，2021年）。火山岩购自中国云南腾冲的一家公司，粒径范围为3–6毫米。其主要化学成分（重量百分比）如下：SiO₂ 47%，Al₂O₃ 17%，Fe₂O₃ 13%，CaO 8%，Na₂O 4%，MgO 1%。

功能微生物的富集与培养

接种污泥来自中国北京的一个市政污水处理厂

TDDA-BF系统的启动

稳定的NO₂^?-N供应对提高厌氧氨氧化性能至关重要。系统的长期运行分为四个阶段（图1），分别称为R_Ⅰ、R_Ⅱ、R_Ⅲ和R_Ⅳ，这些阶段的划分基于S/N比和HRT的调整。如图1a所示，在R_Ⅰ阶段（第1-21天），较长的HRT使铁海绵与NO₃^?-N有足够的接触时间，从而产生了强烈的化学还原效果（Shen等人，2024年）。这导致出水中的NH₄⁺-N浓度显著降低

结论

本研究证明了在基于硫硫酸盐驱动的部分反硝化和铁海绵辅助的集成系统中原位富集厌氧氨氧化菌的可行性。该系统表现出明显的功能演变，从最初以硫自养反硝化为主导转变为一种稳定且高效的状态，其中厌氧氨氧化过程成为主要的氮去除途径。这一转变通过

作者贡献声明

顾彦楠：撰写——初稿、可视化、资源获取、实验设计、数据分析。曾伟：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、方法论制定、资金申请。苗浩浩：方法论设计。彭永振：监督、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了北京市自然科学基金（编号：25JL009）和国家自然科学基金（编号：52470021）的支持。