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该研究通过结合颗粒污泥与分步进料策略，在逐渐缩短水力停留时间（HRT）的条件下，实现了低氨氮市政废水处理中PNA系统的稳定运行与高效氮去除（最高达0.177 kg N/(m3·d)）。实验表明，HRT从20.36 h逐步降至8.33 h的过程中，系统总无机氮去除率稳定在91.9%-98.2%，出水氮浓度控制在1.3-5.3 mg/L。扫描电镜-能谱分析揭示了钙离子矿物沉淀对颗粒形成的关键作用，激光共聚焦显微杂交技术证实了缺氧核心区AnAOB与好氧区NOB的时空协同分布。
王波|廖晓健|李文杰|季建涛|刘涛|白萌|彭永珍
国家先进城市污水处理与回用技术工程实验室，北京工业大学工程研究中心，北京100124，中国
摘要
在实际应用中，部分硝化-反硝化（PNA）系统在处理低氨含量废水时受到工艺不稳定性和氮去除率不理想的限制。本研究通过整合颗粒污泥和阶梯式进料方式，在逐渐减少的水力停留时间（HRT）条件下，实现了PNA系统的稳定运行。该集成系统在连续运行170天后，出水中的总无机氮浓度保持在1.3–5.3 mg/L之间（去除效率为91.9%–98.2%）。在最低HRT为8.33小时（好氧阶段2.1小时）的情况下，系统的氮去除率达到了0.177 kg N/(m3·d)。共聚焦激光扫描显微镜结合荧光原位杂交技术和16S rRNA测序技术验证了颗粒内部氨氧化菌与反硝化菌的空间耦合关系，同时有效抑制了以反硝化氨氧化菌为主的微生物群落。我们的工作为开发稳定且节能的PNA技术应用提供了新的思路。
引言
反硝化过程是一种经济高效且环境友好的氮去除技术，能够以最小的能量输入直接将氨和亚硝酸盐转化为氮气；然而，该过程会产生约11.2%的硝酸盐作为副产物（Xu等人，2021年）。将部分硝化（PN）与反硝化过程结合形成自养型部分硝化-反硝化（PNA）系统，相较于传统的硝化-反硝化系统具有显著优势，包括减少60%的曝气能耗和消除对外部碳源的需求（Wang等人，2022b年）。在PNA系统配置中，将好氧硝化与反硝化过程结合在一个反应器中的单级系统相比两级系统具有更多优势，如结构更紧凑、占地面积更小、投资成本更低（Chen等人，2025年）。然而，由于在实现高氮去除效率的同时降低能耗存在挑战，因此该技术的广泛应用仍受到限制（Song等人，2021年）。
阶梯式进料策略通过策略性地分配底物，在基于序批反应器（SBR）的PNA系统中优化了营养物质的分布。第一次进料在好氧阶段提供作为反硝化底物的氮氧化物，而第二次进料在厌氧阶段提供氨作为底物（Li等人，2022年）。这种方法通过稀释底物减少了自养型反硝化氨氧化菌（AnAOB）的有机负荷，从而减轻了碳源对反硝化过程的抑制作用，并降低了与氮氧化相关的能耗，提高了整体工艺效率（Liu等人，2025年）。然而，要进一步提高氮去除率（NRR），需要更短的水力停留时间（HRT），这需要优化微生物活性和生物量浓度（Guo等人，2021年）。
颗粒污泥具有克服这些挑战的潜力。与生物膜污泥（Cui等人，2023年）和悬浮污泥（Guo等人，2021年）相比，颗粒污泥能够实现更高的生物量保留率、更快的反应动力学以及更稳定的工艺运行（Chen等人，2023b年）。钙离子（Ca2?）在促进颗粒形成中起着关键作用，它们通过增强胞外聚合物物质（EPS）网络来促进微生物聚集和污泥稳定（Chen等人，2024年）。这种结构强化不仅加速了污泥沉降，还创造了有利于AnAOB增殖和活性的微环境。尽管阶梯式进料策略已广泛应用于SBR中的营养物质分配优化，但其与颗粒污泥的结合尚未得到充分研究（da Silva等人，2021年；da Vicente Elício等人，2023年；Zhong等人，2013年）。
基于上述原理，本研究创新性地提出了阶梯式进料与颗粒污泥的协同集成方法，以在逐步降低HRT的条件下提高低C/N（2.2 ± 0.3）城市废水处理中的PNA系统性能。在连续运行170天的过程中，系统氮去除动态得到了系统评估。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析了颗粒表面形态和元素组成，以阐明性能变化背后的机制。此外，还利用共聚焦激光扫描显微镜结合荧光原位杂交技术（CLSM-FISH）可视化了功能性微生物群体的空间分布。本研究不仅验证了一种适用于低C/N城市废水的稳定阶梯式进料颗粒PNA系统，还阐明了其高性能背后的微生物功能分层机制，为高效应用反硝化技术提供了路径。
设置与操作
一个实验室规模的阶梯式进料SBR（图1a），工作体积为3 L，连续运行了170天，以研究HRT减少对系统性能的影响，并验证颗粒污泥与阶梯式进料在PNA系统中的结合可行性。反应器配备了底部安装的微孔曝气系统，气流通过空气压缩机（V-20，Hailea，中国）和玻璃转子流量计（流量范围：20–200 mL/min）进行精确控制。
逐步降低HRT下的氮去除性能
为了研究阶梯式进料PNA颗粒污泥系统的氮和COD去除性能，评估了氮物种、COD、NLR（氮负荷比）和NRR（氮去除率）的变化（图2）。在HRT为20.36小时的阶段I中，进水中的总氮浓度（TIN）为75.3 ± 2.1 mg N/L，对应的C/N比为1.8 ± 0.2。接种后氮去除性能稳步提升，8天后出水中的TIN降至1.3 ± 1.0 mg N/L，平均氮去除效率达到98.2%。随着HRT的进一步降低……
结论
本研究成功展示了在逐步降低HRT条件下，将颗粒污泥和阶梯式进料策略协同应用于实际城市废水处理中的效果。系统实现了总氮浓度为1.3–5.3 mg/L，氮去除率为0.086–0.177 kg N/(m3·d)，表现出稳定的性能。SEM-EDS分析表明，钙离子在颗粒形成和微生物协同作用中起到了促进作用。
作者贡献声明
王波：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，概念构思。
廖晓健：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。
李文杰：撰写 – 初稿撰写，实验研究。
季建涛：监督，资金获取。
刘涛：撰写 – 审稿与编辑。
白萌：数据可视化，结果验证。
彭永珍：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明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
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22476005、42377375）和北京市属单位青年拔尖人才培养项目（项目编号：BPHR202203009）的支持。
