在用于食物废弃物消化液处理的部分硝化/厌氧氨氧化（Anammox）过程中，微生物相容性和颗粒稳定性得到了提升

《Journal of Environmental Management》：Improved microbial compatibility and granular stability in the partial nitrification/Anammox process for food waste digestate treatment

单阶段PN/A工艺通过动态调整进水氨氮浓度及维持游离氨水平抑制硝化细菌增殖，使氮去除效率从53.49%提升至73.56%，并促进耐氨冲击菌Ca.Kuenenia的优势菌群演替。

　　

丁佳瑶|钱云志|吕轩辉|朱永浩|卢陈顺|范晓亮|何世龙

中国矿业大学环境与空间信息学院，徐州，221116，中国

摘要

亚硝酸盐氧化菌（NOB）的增殖可能导致微生物失衡和过程崩溃，从而阻碍单级部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A）过程的工程应用。本研究利用气升式反应器，在连续进水及连续曝气条件下，探讨了单级PN/A过程处理食品废弃物消化液（FWD）的效果及过程稳定策略。在单级PN/A过程中，由于进水中游离氨（FA）浓度较低，未能有效抑制NOB的增殖，导致氮去除效率（NRE）降至53.49%。同时，FWD中的有机物促进了反硝化菌（DNB）的增殖，进一步削弱了厌氧氨氧化菌（AnAOB）的优势。本研究通过根据出水NH₄⁺-N和FA的浓度逐步调整氮负荷率（NLR），开发出抑制NOB的策略。在未添加外部化学需氧量（COD）的情况下，通过逐步提高进水NH₄⁺-N浓度至150 mg/L和FA浓度至20 mg/L，有效抑制了NOB，使NRE提升至73.56%。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，丝状细菌被高密度、均匀的颗粒污泥层完全替代，表明AnAOB活性得到恢复。NOB属Nitrospira的比例从3.44%下降至0.24%，而优势AnAOB从Ca.Brocadia（9.35% - 16.4%）转变为更具耐受性的Ca.Kuenenia（4.25% - 9.47%）。本研究为利用厌氧氨氧化过程实现食品废弃物消化液中氮的稳定去除提供了参考。

引言

厌氧氨氧化过程作为一种典型的自养生物脱氮技术，无需添加有机碳源，适用于处理低C/N比的含氮废水。该过程以高效脱氮和合规废水排放为核心目标，是目前废水处理领域的研究热点。食品废弃物消化液（FWD）的特点是NH₄⁺-N浓度较高（500 - 3000 mg/L）且C/N比较低（≤1）（Qian et al., 2025b），适合采用单级部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A）过程进行处理，该过程结合了厌氧氨氧化过程和部分硝化过程（Gon?alves Piteira Carvalho et al., 2022）。尽管已有研究采用两级PN/A过程处理FWD（Qian et al., 2025b），但其反应器分离结构导致诸多缺陷，如底物比例调节复杂、启动周期长以及厌氧氨氧化菌（AnAOB）易受后续进水中的有机物抑制。这些限制影响了过程的稳定性和经济可行性。相比之下，单级PN/A过程将两种过程集成在单一反应器中，通过原位微生物共生实现动态底物平衡，从而增强系统稳定性。FWD在单级PN/A过程中的稳定高效处理源于多种微生物代谢途径的协同作用，包括自养和异养过程（Zhang et al., 2025）。具体而言，自养亚硝酸盐氧化菌（NOB）的增殖会竞争对AnAOB至关重要的底物NO₂^?-N，导致底物耗尽（Al-Hazmi et al., 2022），进而增加出水NO₃^?-N浓度，降低氮去除效率（NRE），使系统变得不稳定。此外，反硝化菌（DNB）在处理FWD时容易利用有机物增殖（Tan et al., 2024），并与AnAOB竞争NO₂^?-N，这种竞争会抑制AnAOB的代谢，导致底物积累和微生物平衡破坏。因此，在持续抑制NOB的同时（Choi and Jung, 2023; Cui et al., 2025），保持AnAOB的有效增殖（Li et al., 2025c）并维持有限的DNB活性（Choi and Jung, 2023; Cui et al., 2025）以维持系统稳定运行至关重要。

为有效抑制NOB，以往研究采取了多种策略（Bu et al., 2025; Hou et al., 2025; Li et al., 2025a）。先前的研究通过将溶解氧（DO）维持在0.26 - 0.50 mg/L并将絮凝污泥龄缩短至28天，将亚硝酸盐氧化速率（NOR）从1.96 mgN/L/h降至0.10 mgN/L/h（Xu et al., 2020）成功抑制了NOB。通过羟胺选择性抑制和DO区域同步调节的联合策略，NOB活性降至0.5 mgN/L/h，降低了80.8%（Shi et al., 2025）。此外，将C/N比调整至3.0并将AnAOB接种量调整至37.20%，协同抑制了NOB，使NO₃^?-N浓度从13.90 mg/L降至1.10 mg/L，氮去除效率从63.40%提升至81.40%（Choi and Jung, 2023）。现有研究主要侧重于通过传统多变量协同调节抑制NOB（Xie et al., 2024）。然而，这些方法在实际应用中需要高精度控制，如确保最佳DO水平，且可能抑制优势微生物物种的富集，例如导致AnAOB减少。结果，系统稳定性因外部环境波动和微生物群落动态变化而逐渐下降。

先前已阐明游离氨（FA）和游离亚硝酸盐（FNA）对NOB的抑制作用（Bu et al., 2025; Hou et al., 2025）。但在单级PN/A系统中，难以自发产生并维持足够高的NO₂^?-N浓度，从而阻碍了有效抑制NOB的FNA水平的建立。此外，FNA浓度受pH值影响（Hirose et al., 2024），需要持续降低pH值以维持高FNA水平。这些酸性条件也可能抑制AnAOB的代谢活性（Pradhan et al., 2020）。因此，与调节FNA浓度相比（Liu et al., 2023），在单级PN/A过程中调节FA更具操作可行性。先前研究使用50 mg/L的高浓度FA抑制NOB，实现了96.1%的氨去除效率（ARE）和95.10%的亚硝酸盐积累效率，并有效抑制了NOB（Jeong et al., 2024a）。

目前，单级PN/A过程的一个核心挑战是NOB抑制策略会同时抑制AnAOB的富集，从而影响关键功能微生物，导致系统长期运行不稳定。大多数现有研究采用高浓度FA或FNA抑制NOB，但这些方法也会影响AnAOB的活性（Li et al., 2023）。同时，忽视了通过FWD测试验证已建立的功能群落结构稳定性的必要性。FWD通常含有特定浓度的化学需氧量（COD），主要为DNB提供底物和能量（Tan et al., 2024）。理论上，DNB的增殖会与NOB竞争氧气和NO₂^?-N，从而抑制NOB的代谢功能。然而，在FWD处理过程中，由于NOB过度增殖导致NRE降低的现象仍然存在（Ji et al., 2025），表明DNB的竞争性抑制并非影响NOB的主要因素。因此，为了研究单级PN/A系统从不稳定状态中有效恢复的可行途径，本研究提出了一种创新方案：在系统恢复阶段，使用不含外部COD的进水，可以有效消除DNB的竞争干扰，使恢复策略专注于通过FA浓度精确调节NOB。本研究旨在探索逐步增加负荷以控制出水NH₄⁺-N浓度至150 mg/L的同时，保持FA浓度在20 mg/L，从而实现NOB抑制并促进AnAOB的增殖。研究结果为使用单级PN/A过程处理有机废水时实现高效脱氮和系统稳定恢复提供了重要调控策略，对这一过程的长期稳定运行和未来工程应用具有指导意义。

实验设置

实验装置

本研究使用了一个有效体积为5 L、反应区内有效污泥体积为1 L的气升式反应器（见图解摘要）。在气升式反应器中心安装了挡板，并通过底部的玻璃管提供连续曝气，以促进进水底物与反应区内污泥的充分接触（Qian et al., 2025a）和混合。

PN/A启动和NOB增殖

图1显示，第一阶段以250 mg/L的NH₄⁺-N浓度开始。这一低浓度有助于微生物群落适应FWD并促进初始生长。在该浓度下，系统运行稳定，氮去除效率约为80%（Gao et al., 2023b），表明系统启动成功。然而，之前的接种液氮浓度约为400 mg/L。

结论

本研究利用气升式反应器成功恢复了单级PN/A过程处理FWD的稳定运行。在连续曝气和低DO（<0.5 mg/L）条件下，通过逐步增加进水NH₄⁺-N浓度，使出水NH₄⁺-N浓度保持在150 mg/L以上。该策略将FA浓度维持在20 mg/L，有效抑制了NOB的活性，同时促进了AOB、AnAOB和DNB的协同脱氮作用。

作者贡献声明

丁佳瑶：撰写初稿、软件开发、数据分析。钱云志：数据分析。吕轩辉：实验研究。朱永浩：数据分析。卢陈顺：实验研究。范晓亮：数据可视化、数据分析。何世龙：项目监督、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“食品废弃物消化液氮去除厌氧氨氧化技术开发”（项目编号2024100027）的资助。所有作者都对本文的发表做出了重要贡献和宝贵帮助。