不同粒径的厌氧氨氧化（anammox）颗粒污泥固定化填料在氮去除特性上的差异机制：性能、结构及氮去除途径

《Bioresource Technology》：Mechanisms underlying differences in nitrogen removal characteristics of anammox granular sludge immobilization filler with varying particle sizes: Performance, structure, and nitrogen removal pathways

厌氧氨氧化（anammox）固定化填料系统通过水凝胶封装不同粒径（G1-G4）的厌氧氨氧化颗粒污泥（AnGS），分析其脱氮性能、微观结构及微生物群落。结果显示：大颗粒（G3、G4）填料脱氮效率最高（0.591-0.615 kgN·m?3·d?1），G2填料AnAOB富集最显著（丰度提升23倍），G1因微生物生长不足效率最低。基因组学表明G3、G4协同脱氮（相关基因丰度最高），G2以Anammox为主。揭示了粒径对系统性能的影响机制，为优化接种策略提供理论支撑。

　　

王家伟|孙一松|张艳|郭玉佳|刘家驹|王晓彤|杨勇|史良亮

河北建筑大学市政与环境工程系，中国张家口075000

摘要

厌氧氨氧化（anammox）工艺是一种绿色、低碳且可持续的废水氮去除技术。然而，基于颗粒污泥系统的anammox工艺存在结构不稳定问题，这会导致anammox细菌（AnAOB）的流失。本研究采用水凝胶包封技术，构建了一种用于固定AnAOB的填充系统，使用了不同粒径的anammox颗粒污泥（AnGS）：G1（< 0.10 cm）、G2（0.10–0.20 cm）、G3（0.20–0.32 cm）和G4（> 0.32 cm）。系统详细研究了这些固定填充剂在氮去除特性、微观结构及作用机制方面的差异。大颗粒（G3和G4）固定填充剂表现出最佳的氮去除性能，总氮去除率分别达到0.591 kgN·m^?3·d^?1和0.615 kgN·m^?3·d^?1。G2固定填充剂更有利于AnAOB的自我生长和富集，Candidatus Brocadia的绝对丰度和相对丰度分别增加了23倍和9.20倍。相比之下，由于微生物生长不足，G1固定填充剂的氮去除率最低。G1-G3固定填充剂具有均匀且密集的小孔结构，而G4填充剂则具有均匀的大孔结构。宏基因组分析表明，G3和G4固定填充剂中与反硝化相关的基因丰度最高，说明anammox和反硝化过程协同作用实现了氮的去除，而G2固定填充剂主要依赖anammox过程。本研究为优化anammox固定填充系统的应用提供了重要的理论基础和技术指导。

引言

厌氧氨氧化（anammox）在全球氮循环中起着关键作用，它提供了一种环保、低碳且可持续的废水氮去除方法（Kartal等，2010年；Kuenen，2008年）。在这一生物过程中，anammox细菌（AnAOB）在无氧条件下直接将氨氧化为氮气，并依靠亚硝酸盐接受电子（Feng等，2023年）。该方法完全消除了反硝化过程中对外部有机碳源的需求，并将产生的多余污泥量减少到传统工艺的约10%（Deng等，2022年）。为防止AnAOB在出水中的流失，实际应用中通常采用颗粒污泥系统或载体生物膜系统。这些系统通过形成微生物聚集体或利用载体来富集AnAOB，从而提高反应器的稳定性（Xie等，2023年）。然而，在实际应用中仍存在挑战：一方面，颗粒污泥系统在长期运行过程中常常出现结构不稳定和机械强度低的问题，导致AnAOB流失、性能下降和氮去除效率降低（Xu等，2023年）；另一方面，载体上的生物膜形成需要较长的启动时间，且异养细菌或其他竞争性微生物可能会过度繁殖，与AnAOB争夺生存空间和营养物质，使得AnAOB难以在微生物群落中占据主导地位（Yuan等，2023年），从而阻碍anammox反应的有效进行。

作为细胞或酶包封的常用方法，包封技术在解决anammox工艺的现有问题方面具有独特优势（Wu等，2019年）。包封技术将目标微生物包裹在不溶性凝胶载体的三维结构中，形成一个相对隔离的空间，既能防止微生物泄漏，又能保持其活性和功能（Jiang等，2022年）。聚乙烯醇（PVA）等凝胶载体在解决anammox颗粒污泥（AnGS）的结构不稳定问题方面起着关键作用（Wang等，2021年）。在构建包封系统的初期，可以精确控制AnAOB的初始含量，从而快速建立优势微生物群落并促进系统启动（Wang等，2020年）。同时，凝胶载体内部形成的微小、密集且缺氧的微环境为生长缓慢的AnAOB提供了特殊的“空间生态位”（Chowdhury和Nakhla，2022年）。这不仅促进了AnAOB的富集，还有效限制了异养细菌（尤其是好氧异养菌）的繁殖和竞争，从而长期维持AnAOB在微生物群落中的主导地位，确保工艺的稳定性和效率。

包封技术能有效富集AnAOB并加快系统启动速度，但其效果受多种因素影响。例如，接种污泥的粒径是决定固定填充剂功能差异的关键因素（Chen等，2021年）。如AnGS系统所普遍报道的，较大粒径的AnGS（2.82 ± 0.06 mm）含有更多的AnAOB，其内部结构容易形成缺氧/厌氧环境，为AnAOB提供栖息地；但过大的颗粒（3.44 ± 0.03 mm）可能限制物质传递（Xu等，2021年）。相反，较小粒径的AnGS（<0.80 mm）主要促进好氧硝化，导致氮去除途径较为单一（Chen等，2020年）。此外，细胞外聚合物物质（EPS）的含量通常随粒径增大而增加，这些物质有助于抵抗外部环境威胁（Cheng等，2024年）。这些由粒径引起的结构和功能差异使得接种污泥的粒径成为影响系统启动和性能的关键因素。值得注意的是，包封过程可能会改变甚至重塑这些由粒径引起的结构和功能差异。凝胶载体的三维网络结构为不同初始粒径的AnGS创造了新的微环境（Wang和Liang，2021年）。这不仅改变了原始颗粒的物理边界，还重新定义了粒径对系统氮去除特性的影响。在我们之前的研究中（Wang等，2022b），使用完整AnGS和机械破碎的AnGS作为接种源制备的固定填充剂在启动速度和氮去除性能上存在显著差异。因此，我们合理假设接种AnGS的初始粒径是影响固定填充剂氮去除性能差异的关键因素。然而，导致这些差异的潜在机制尚待阐明。

因此，本研究将从宏观性能、微观结构和微生物生态三个维度分析固定填充剂粒径对氮去除性能的调控机制。通过建立使用不同粒径AnGS制备的嵌入填充剂的序批反应器（SBR）系统，比较了它们的长期氮去除性能。研究目的包括：（1）分析不同接种粒径固定填充剂的氮去除效率和稳定性，明确其性能差异；（2）通过物理化学方法研究固定填充剂内部和表面的微观结构特征，阐明结构与功能之间的关系；（3）分析微生物群落，确定主要的氮去除途径及其在系统中的贡献，揭示潜在的微生物机制。总体目标是建立优化AnAOB固定化技术接种策略的坚实理论基础和实用指南。

部分摘要

来自AnGS的固定填充剂的来源、分组和制备

AnGS取自中国内蒙古的一个味精废水处理项目。首先，用磷酸盐缓冲液清洗AnGS三次（Zhu等，2018年）。随后，采用湿筛分法（Wang等，2025年），使用6、10和18目筛子分别获得粒径为<0.10 cm、0.10–0.20 cm、0.20–0.32 cm和>0.32 cm的AnGS。

制备固定填充剂的原材料包括CaCO₃和粉末状活性物质

不同粒径AnGS固定填充剂的氮去除性能

图1b显示了不同粒径AnGS固定填充剂的氮去除性能。实验分为两个阶段进行：第一阶段的总氮负荷率（NLR）为0.47 kgN/m³/d，持续77天，粒径分别为<0.10 cm、0.10–0.20 cm、0.20–0.32 cm和>0.32 cm的固定填充剂的总氮去除效率分别为59.90 ± 1.30%、64.90 ± 1.90%、82.50 ± 1.10%和80.10 ± 1.20%。第二阶段，NLR增加到0.93

结论

基于凝胶的生物活性填充剂的结构特性有效保持了AnAOB的生物量，为通过anammox过程高效去除氮提供了稳定的微生物基础。

(1)

不同粒径固定填充剂之间的结构差异导致功能细菌的丰度、群落组成和氮去除途径的不同，从而影响氮去除效率。

(2)

粒径为0.20–0.32 cm的填充剂

CRediT作者贡献声明

王家伟：撰写初稿，获取资金。孙一松：撰写初稿，数据整理。张艳：软件处理。郭玉佳：资源协调，获取资金。刘家驹：撰写、审稿与编辑，概念构思。杨勇：资源支持。史良亮：资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了河北省自然科学基金（C2025404001）、国家自然科学基金（42307486）、河北省教育厅科研项目（QN2025704）以及河北建筑工程学院硕士研究创新基金（XY2025006）的支持。