本研究由来自中国北京工业大学国家高级城市污水处理与回用技术工程实验室的纪建涛、彭永臻、李晓瑶、张琼和刘喜萍，以及郑州大学生态与环境学院的纪建涛共同完成。该研究论文发表于2020年3月4日，刊登于国际知名期刊《Water Research》第175卷，论文标题为“一种用于常温下城市污水深度脱氮的新型部分亚硝化-同步厌氧氨氧化与内源部分反硝化（PN-SAEPD）工艺”。

学术背景

本研究隶属于环境工程与微生物水处理技术领域，具体聚焦于主流城市污水的低碳氮比生物脱氮技术。厌氧氨氧化（Anammox）作为一种高效、低耗的脱氮途径，与部分亚硝化（Partial Nitrification, PN）结合形成的PN/Anammox工艺，理论上可节省60%的曝气能耗和100%的有机碳源需求，并减少90%的污泥产量。然而，该工艺在应用于处理低氨氮浓度、常温（环境温度）的主流城市污水时，面临两大核心挑战：一是部分亚硝化过程不稳定，难以持续提供Anammox反应所需的理想亚硝酸盐与铵盐比例（NO2-/NH4+ ≈ 1.32）；二是Anammox反应自身会将约20%的亚硝酸盐转化为硝酸盐，导致出水含有残留硝酸盐，总氮去除效率受限（理论最高约89%）。此外，主流污水中的有机物可能导致异养反硝化菌与Anammox菌竞争亚硝酸盐，进一步影响系统稳定性。

为解决上述问题，特别是应对PN过程产生的非理想NO2-/NH4+比例和过量硝酸盐，本研究旨在开发一种创新的两段式污泥工艺。该工艺将部分亚硝化（PN）与同步厌氧氨氧化和内源部分反硝化（Synchronous Anammox and Endogenous Partial Denitrification, SAEPD） 相结合。内源部分反硝化（EPD）是一种由聚糖菌（Glycogen-Accumulating Organisms, GAOs）驱动的过程，能在缺氧条件下利用细胞内储存的聚合物（如PHA）将硝酸盐还原为亚硝酸盐，并稳定积累亚硝酸盐。本研究假设，将EPD与Anammox耦合在一个反应器（SAEPD）中，可以发挥协同效应：EPD能够将PN出水中的过量硝酸盐以及Anammox自身产生的硝酸盐还原为亚硝酸盐，补充给Anammox反应；同时，当亚硝酸盐过量时，EPD还能进一步将其还原为氮气。这样，系统对进水NO2-/NH4+比例的要求将更加灵活，并能有效去除硝酸盐，从而有望实现更高的总氮去除效率和工艺鲁棒性。因此，本研究的目标是评估这种新型PN-SAEPD工艺在常温下处理预处理后的实际城市污水（模拟低碳氮比进水）的长期性能，并探究其微生物群落结构和氮转化途径。

详细研究流程

本研究是一个长期的实验室规模连续流实验，结合了周期监测、批次测试和高通量测序分析，总运行时间为205天。具体流程如下：

1. 反应器系统构建与运行：

   • 研究对象与规模：研究采用两个实验室规模的序批式反应器（SBR）构建PN-SAEPD系统，每个反应器有效容积为10升。一个是部分亚硝化SBR（PN-SBR），另一个是同步厌氧氨氧化与内源部分反硝化SBR（SAEPD-SBR）。整个实验在环境温度下进行（从27.4°C逐渐降至15.0°C）。
   • 工艺流程：预处理后的生活污水（模拟碳捕获工艺出水，化学需氧量COD为80.6-169.7 mg/L，NH4+-N约60 mg N/L，C/N比为1.4-2.8）首先进入SAEPD-SBR。在SAEPD-SBR的厌氧阶段，污水中的可生物降解有机物被微生物（主要是GAOs）吸收并转化为细胞内储存物质（如PHA）。随后，上清液被泵入PN-SBR。在PN-SBR的好氧阶段，铵盐被部分氧化为亚硝酸盐（目标）和硝酸盐（副产物）。然后，含有铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐的PN-SBR出水被输送回SAEPD-SBR。在SAEPD-SBR的缺氧阶段，Anammox细菌利用铵盐和亚硝酸盐（包括PN提供的和EPD产生的）进行反应生成氮气，同时EPD细菌利用内源碳源将硝酸盐还原为亚硝酸盐供Anammox使用，或将过量的亚硝酸盐/硝酸盐最终还原为氮气。
   • PN-SBR运行策略（分三个阶段）：
     • 阶段I（第1-52天）：采用实时控制策略（基于pH和溶解氧DO拐点）来停止曝气，试图稳定PN。
     • 阶段II（第53-121天）：由于阶段I后期PN不稳定，引入了侧流污泥游离亚硝酸（FNA）处理策略，每日取出一部分PN污泥，用高浓度亚硝酸（550 mg N/L，pH 6.0）处理24小时以抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）活性，然后回流。
     • 阶段III（第122-205天）：停止FNA处理，改为每日向PN-SBR投加羟胺（NH2OH，初始浓度10 mg/L），利用其抑制NOB酶合成的作用来促进亚硝酸盐积累。
   • SAEPD-SBR接种与运行：SAEPD-SBR接种了来自实际工程的成熟Anammox生物膜和实验室富集的EPD污泥（其硝酸盐向亚硝酸盐转化率高达87%）。反应器以6小时为周期交替运行厌氧和缺氧阶段。
   • 数据监测：在整个205天的运行期间，定期监测两个反应器进出水的COD、NH4+-N、NO2–N、NO3–N浓度，以及温度、pH、DO等参数，计算氮去除效率。

2. 批次实验评估SAEPD途径鲁棒性：

   • 研究目的：为了验证SAEPD系统在不同初始硝酸盐/亚硝酸盐比例（模拟PN出水波动）下的性能稳定性。
   • 实验设计：从稳定运行的SAEPD-SBR中取出生物膜载体，置于四个密封的500 mL反应器中。向每个反应器添加固定量的NH4+-N（~15 mg N/L）和不同比例的NO2–N与NO3–N，使总氮氧化物（NOx–N）浓度固定为~15 mg N/L，但设置四种不同的初始NO3–N/NO2–N比例：0、0.5、2 和 +∞（即只有硝酸盐，无亚硝酸盐）。在25°C下进行240分钟的缺氧批次实验，每隔30分钟取样分析氮形态变化。

3. 典型周期内营养物质转化机制分析：

   • 研究目的：深入揭示一个完整运行周期内，PN-SBR和SAEPD-SBR中氮、碳、磷的详细转化路径与关联。
   • 实验方法：在第189天（稳定运行期），对一个完整的6小时运行周期进行密集取样。监测PN-SBR和SAEPD-SBR内pH、DO、COD、NH4+-N、NO2–N、NO3–N、PO43–P浓度的动态变化。通过物料衡算和反应计量学，量化各转化过程的贡献。

4. 微生物群落结构分析：

   • 研究目的：阐明PN-SBR和SAEPD-SBR中功能微生物群落的组成、动态及其与工艺性能的关联。
   • 样本与分析方法：分别在实验第50天（阶段I末）、第119天（阶段II末）和第205天（阶段III末）从两个反应器采集污泥样本。使用FastDNA Spin Kit提取总DNA，通过PCR扩增细菌16S rRNA基因的V3-V4区，并在Illumina MiSeq平台上进行高通量测序。利用Majorbio云平台对测序数据进行生物信息学分析，解析在属水平上的微生物群落结构和丰度变化。

5. 数据分析与计算：

   • 总无机氮（TIN）去除率根据进出水浓度计算。
   • SAEPD-SBR缺氧阶段，Anammox途径对TIN去除的贡献比例通过改进的基于反应计量学的公式计算：Anammox贡献 (%) = [(初始NH4+-N - 最终NH4+-N) * (1 + 1.32 - 0.26)] / (初始TIN - 最终TIN)。其中1.32是理论亚硝酸盐消耗与铵盐消耗比，0.26是Anammox产生的硝酸盐与消耗的铵盐比。反硝化途径贡献则由100%减去Anammox贡献得到。
   • 部分亚硝化积累率（NAR）定义为PN-SBR出水中亚硝酸盐氮占亚硝酸盐氮与硝酸盐氮之和的百分比。

主要研究结果

1. PN-SAEPD系统的长期脱氮性能：

   • PN-SBR性能：阶段I初期NAR较高（87.5%），但随后因NOB增殖而恶化，NAR降至13.1%，硝酸盐成为主要产物。阶段II的FNA侧流处理初期略有改善，但长期效果不佳，NAR平均仅14.5%，表明NOB可能产生了适应性。阶段III采用羟胺投加策略后，NAR显著提升并稳定在68.9%左右，但出水仍含有相当浓度的硝酸盐（平均9.7 mg N/L），导致进入SAEPD-SBR的NO2-/NH4+比例平均仅为0.89，远低于Anammox理论需求值1.32。
   • SAEPD-SBR及整体系统性能：阶段I和II，由于PN不稳定和进水C/N比变化，系统TIN去除效率较低（77.6%和72.3%）。在阶段III（第122-205天），尽管PN-SBR提供的亚硝酸盐不足（NAR 66.1%），且进水C/N比较低（1.7），温度较低（15.4°C），但PN-SAEPD系统实现了91.2%的高TIN去除效率，出水NH4+-N、NO2–N和NO3–N浓度分别仅为3.7、0.5和1.1 mg N/L。这一优异表现证明了SAEPD单元的有效性：它通过EPD补充了亚硝酸盐的不足，并去除了过量硝酸盐。

2. 缺氧阶段氮去除途径贡献：

   • 在稳定阶段III，SAEPD-SBR的缺氧阶段贡献了系统98.2%的TIN去除。其中，Anammox途径和反硝化途径的贡献比例分别为77.2%和22.8%。
   • 尽管PN-SBR提供的亚硝酸盐量不足以去除全部进水铵盐（理论需求比为1.32，实际进水平均比为0.89），但EPD过程补充了缺失的亚硝酸盐。计算表明，缺氧阶段去除的亚硝酸盐中，有相当一部分来源于EPD对硝酸盐的还原。这直接证实了EPD与Anammox的协同作用。

3. 典型周期内的营养物质转化机制：

   • PN-SBR周期：好氧阶段前期pH下降（铵氧化产酸），铵盐耗尽后pH上升，DO出现跃升。实时控制在此刻停止曝气，但仍有部分亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，最终出水含有亚硝酸盐和硝酸盐。
   • SAEPD-SBR周期：
     • 厌氧阶段：COD下降，同时PO43–P浓度轻微上升，表明有机物主要被GAOs（而非聚磷菌PAOs）吸收并储存为PHA，这一过程消耗糖原并释放少量磷酸盐。
     • 缺氧阶段：NH4+-N和NO2–N浓度下降，表明发生Anammox反应。NO3–N浓度也下降，而COD基本不变，证明发生了以内部储存物（PHA）为碳源的内源反硝化。PO43–P浓度的轻微下降也支持GAOs驱动内源代谢的假设。物料平衡显示，被去除的亚硝酸盐量小于Anammox反应理论上所需的量，差额部分由EPD产生的亚硝酸盐补充。

4. 批次实验验证SAEPD途径鲁棒性：

   • 批次实验表明，即使初始没有亚硝酸盐（仅硝酸盐和铵盐），系统也能通过EPD快速将硝酸盐还原为亚硝酸盐，进而启动Anammox反应。
   • 随着初始NO3–N/NO2–N比例从0增加到2（即亚硝酸盐相对不足），铵盐的去除量仅有轻微下降，表明SAEPD系统对PN出水波动的强鲁棒性。在初始仅有硝酸盐的条件下，Anammox对总氮去除的贡献比例高达99.9%，且被去除的氮氧化物与铵盐的比例接近1.06，与反硝化氨氧化（Deamox）过程的理论值相符，进一步证实了EPD为Anammox提供基质的核心作用。

5. 微生物群落分析：

   • PN-SBR：阶段III（羟胺投加）后，氨氧化菌（AOB）*Nitrosomonas*的相对丰度（2.73%）高于亚硝酸盐氧化菌（NOB）*Nitrotoga*和*Nitrospira*的总和（0.74%），这解释了NAR的恢复。但NOB的持续存在导致了PN过程中不可避免的硝酸盐产生。
   • SAEPD-SBR：
     • Anammox菌：检测到*Candidatus Brocadia*和*Candidatus Kuenenia*，其在阶段III丰度增加至1.57%，与高脱氮性能相符。
     • EPD相关菌：鉴定出多种已知的GAOs，如*Candidatus Competibacter*、*Dechloromonas*、*Defluviicoccus*，总丰度较高（3.89-4.56%），远高于PAOs的丰度（如*Candidatus Accumulibacter*， 0.51-1.09%）。这支持了系统中内源反硝化主要由GAOs驱动的结论。
     • 其他异养菌：如*Denitratisoma*和*Thauera*也被检出，它们可能参与利用内源或复杂碳源的反硝化过程。
     • 这些功能微生物的共存与协同，是实现SAEPD系统同步去除铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐的微生物学基础。

研究结论与意义

本研究成功开发并验证了一种新型的PN-SAEPD工艺，用于处理常温、低碳氮比的城市污水。主要结论如下： 1. 高效深度脱氮：该工艺在15.4°C、进水C/N比仅为1.7的条件下，实现了91.2%的总氮去除率，出水硝酸盐浓度极低（~1.1 mg N/L）。这克服了传统PN/A工艺因硝酸盐残留而理论最大去除率受限（~89%）以及实际应用中因PN波动导致效率更低的问题。 2. 增强系统鲁棒性：通过EPD与Anammox的耦合，系统能够灵活应对PN过程产生的非理想NO2-/NH4+比例（本研究中为0.89）和过量硝酸盐。EPD既能为Anammox补充亚硝酸盐，又能将过量氮氧化物最终还原为氮气，使系统对前端PN的稳定性要求降低。 3. 微生物协同机制：SAEPD反应器中形成了Anammox菌、GAOs、PAOs等多种功能菌群共存的生态系统，它们协同作用，分别负责铵盐氧化、亚硝酸盐生产、硝酸盐还原及最终脱氮，这是工艺成功的核心。 4. 工艺应用潜力：该工艺特别适合与前置碳捕获工艺（如高负荷活性污泥法）结合。碳捕获工艺可回收污水中的大部分有机物用于产甲烷，同时产出低碳氮比的污水，恰好满足PN-SAEPD系统的需求。这种组合为实现高效脱氮与能源回收相结合的节能/产能型市政污水处理提供了极具潜力的新技术路线。

研究亮点

1. 工艺创新性：首次提出并将“部分亚硝化-同步厌氧氨氧化与内源部分反硝化（PN-SAEPD）”工艺概念应用于主流城市污水处理，通过精巧的功能组合解决了传统PN/A工艺在实际应用中面临的关键瓶颈。
2. 显著的性能提升：在低温、低碳源挑战性条件下，实现了超过90%的总氮去除率，并几乎完全去除了硝酸盐，展示了显著的性能优势。
3. 机制阐释深入：通过长期运行、批次实验、周期监测和微生物群落分析，多维度、多层次地阐明了工艺中复杂的氮转化途径、碳流方向以及功能微生物的协作机制，为工艺理解和优化提供了扎实的科学依据。
4. 明确的工程指导价值：研究不仅验证了工艺可行性，还通过对比不同PN控制策略（实时控制、FNA、羟胺）的效果，为实际应用中的PN单元调控提供了参考。同时，明确了该工艺与碳捕获工艺联用的应用场景，指明了实现未来污水处理厂能量自给甚至产能的技术方向。

其他有价值内容

研究还指出，在SAEPD反应器中，絮体污泥中的异养反硝化菌可能与Anammox菌竞争亚硝酸盐。为此，作者建议在未来应用中可考虑采用Anammox颗粒污泥与EPD絮状污泥优化组合的系统，通过排放部分絮体污泥来控制异养菌数量，从而进一步提升Anammox的主导地位和系统稳定性。这为工艺的进一步优化指出了具体方向。