《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Organic loading affects simultaneous nitrification denitrification and internal carbon source storage on anaerobic-multistage anaerobic/oxic (A-MAO) process
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顾玉康|黄晓南京信息科学技术大学环境科学与工程学院，大气环境监测与污染控制江苏省重点实验室，大气环境与设备技术协同创新中心，中国南京210044摘要本研究探讨了在不同有机负荷（OL）条件下，厌氧-多级厌氧/好氧（A-MAO）工艺中内部碳源（ICS）的储存比例及同时硝化-反硝化（S
顾玉康|黄晓
南京信息科学技术大学环境科学与工程学院，大气环境监测与污染控制江苏省重点实验室，大气环境与设备技术协同创新中心，中国南京210044
摘要
本研究探讨了在不同有机负荷（OL）条件下，厌氧-多级厌氧/好氧（A-MAO）工艺中内部碳源（ICS）的储存比例及同时硝化-反硝化（SND）潜力。运行结果表明，较低的有机负荷有利于整体污染物的去除；而在较高的有机负荷条件下，SND效率（74%）和ICS储存量（96%）达到最大值。微生物群落分析显示变形菌门（42%）和拟杆菌门（33%）为优势菌门，属水平分析进一步揭示了糖细菌（21%）在SND中的作用以及酸微菌目（16%）在ICS储存中的作用。宏基因组预测表明，微生物代谢，尤其是氨基酸代谢是主要途径，这一过程由关键功能酶[EC:1.7.2.4]、[EC:1.7.2.1]和[EC:5.4.2.12]驱动。这些发现阐明了SND和ICS机制对有机负荷变化的响应差异，明确了关键的微生物和酶学机制。
引言
近年来，由于过量污染物（尤其是氮（N）和磷（P））导致的富营养化问题引起了广泛关注[1]，从而加剧了对先进废水处理工艺的需求。厌氧-多级厌氧/好氧（A-MAO）工艺因其在碳源利用效率和污染物去除效果方面的优异表现而受到广泛关注[2]。
作为影响生物处理系统性能的关键参数，有机负荷（OL）对微生物代谢活动具有决定性影响。值得注意的是，OL直接影响内部碳源（ICS）的储存效率，这一过程主要由聚磷酸盐积累菌（PAOs）和糖原积累菌（GAOs）在厌氧条件下通过合成聚羟基烷酸（PHAs）来驱动[3]。ICS的储存不仅为后续的磷去除提供了能量基础，还为反硝化过程提供了碳源，是连接碳和氮去除的核心环节。一些研究发现，随着OL的增加，PAOs对ICS储存的贡献从29%增加到97%[4]；同时，其他研究指出，增加OL可以提升PAOs的相对丰度（4%）和化学需氧量（COD）的利用效率（44%）[5]，但其在A-MAO工艺中的有效性仍有待验证。
此外，OL还显著影响同时硝化反硝化（SND）的效率[6]。Yu等人发现，SND效率在OL变化的影响下表现出显著的不稳定性，波动范围在9%到66%之间[7]，这种不稳定性源于厌氧区内氨化反应的加剧，导致NH3和COD浓度的动态变化[8]。作为单一反应器中高效的氮去除方法，SND的效率与碳源的供应密切相关[9]；当外部碳源不足时，反硝化细菌依赖ICS进行反硝化[10]。
然而，其他污染物负荷的变化也会通过影响OL来显著影响常见污染物的去除效率，这与出水质量密切相关，需要进一步研究。
从微生物角度来看，氮和磷的去除主要依赖于系统中的功能细菌，如氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）和PAOs[11]。Wu等人[12]发现Methyloversatilis和Zoogloea是主要的硝化-反硝化细菌，Ni等人[13]认为拟杆菌门和厚壁菌门是主要贡献者。另有研究表明，由于污泥絮体/颗粒中的氧浓度差异[14]或特定好氧反硝化细菌（如芽孢杆菌和假单胞菌的活性[15]，SND可以在一个单元内完成。尽管有这些发现，但不同OL条件下微生物机制的变化（尤其是与SND和ICS相关的变化）仍不清楚，这些微生物在A-MAO系统中的表现是否相同也值得深入研究。
本研究旨在探讨不同污染物负荷条件下A-MAO工艺中SND和ICS储存的响应，特别关注OL对ICS积累的促进作用及其对氮和磷去除的后续影响。同时还将研究相关微生物群落的丰度和功能，以阐明污染物去除的微生物机制。研究结果有望为优化A-MAO工艺的运行提供理论依据。
章节摘录
A-MAO工艺及运行条件
实验装置（图1(A)包括进水池、A-MAO反应器（工作体积192 L）和沉淀池。反应器包含以下区域：厌氧区（13.6 L）、第一缺氧区（30.6 L）、第一好氧区（54 L）、第二缺氧区（37.4 L）和第二好氧区（56.4 L）。进水通过蠕动泵泵入厌氧区（60%）和第二缺氧区（40%）。第二好氧区的出水混合物被循环回第一缺氧区（100%）。
整体污染物去除效果
图2(A)显示了整体污染物去除效果。A-MAO工艺对常规废水污染物的去除效率很高，COD去除效率超过90%，表明有机负荷（OL）的变化对COD去除的影响很小。这一发现与其他研究结果一致[4]。总氮（TN）的去除效率相对较低，但在整个实验期间始终保持在75%以上。值得注意的是，NH4+-N的去除效果保持稳定。
结论
本研究表明，OL显著影响A-MAO工艺中的SND效率和ICS储存量。较低的OL（18.3 mg/L·d）有利于整体污染物的去除，而较高的OL（60.9 mg/L·d）实现了最高的SND效率（74%）和ICS储存量（97%）。变形菌门和拟杆菌门为优势菌门，糖细菌和酸微菌目与SND和ICS储存密切相关。代谢预测显示氨基酸代谢是主要途径。
CRediT作者贡献声明
黄晓：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源整理，数据管理。顾玉康：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件使用，数据分析，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
