本研究由Xinjie Gao、Xiaofei Xue、Lingyun Li、Yongzhen Peng、Xiaoyan Yao、Jianxing Zhang和Weihang Liu共同完成，分别来自北京工业大学国家先进城市污水处理与回用技术国家工程实验室和北京企业水务集团有限公司（BEWG）。该研究于2022年8月17日在线发表在《Water Research》期刊上，论文标题为“Balance nitrogen and phosphorus efficient removal under carbon limitation in pilot-scale demonstration of a novel anaerobic/aerobic/anoxic process”。
该研究属于环境工程领域，特别是污水处理技术。随着全球对水体富营养化问题的关注，污水处理厂（WWTPs）面临着严格的氮磷排放标准。然而，碳源不足的废水处理仍然是一个技术瓶颈，尤其是在高效脱氮除磷的同时实现节能降耗。传统的后反硝化工艺虽然理论上可以实现完全脱氮，但需要额外的外部碳源，增加了成本和温室气体排放风险。因此，开发一种能够在碳源受限条件下高效脱氮除磷的工艺具有重要意义。
本研究首次提出并验证了一种新型的厌氧/好氧/缺氧（AOA）工艺，旨在通过内源反硝化（endogenous denitrification）和脱氮除磷（denitrifying phosphorus removal, DPR）机制，在碳源受限的条件下实现高效的氮磷去除。该工艺的核心是通过“饥饿-饱食”循环（feast-famine cycling）增强细胞内碳源的储存和利用，从而减少对外部碳源的依赖。
中试系统建立与运行
研究建立了一个日处理能力为100立方米的中试AOA系统，包括一个54立方米的工作体积生物反应器和一个27立方米的二次沉淀池。生物反应器分为厌氧、好氧和缺氧三个区域，分别用于不同的生物处理过程。系统运行了近300天，期间通过污泥回流和溶解氧（DO）控制来优化处理效果。水力停留时间（HRT）为10.8小时，其中厌氧阶段2.7小时，好氧阶段2.7小时，缺氧阶段5.4小时。
批次实验
在系统运行的第90天、125天和180天，研究人员进行了脱氮除磷的批次实验。通过添加市政废水和化学试剂，模拟了厌氧和缺氧条件下的脱氮除磷过程。实验结果表明，AOA系统在缺氧阶段能够通过内源反硝化有效去除硝酸盐，同时通过DPR机制进一步去除磷。
化学分析
研究对中试系统的水样和污泥进行了化学分析，包括化学需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3–N）、总氮（TN）、总磷（TP）等指标的测定。此外，还通过气相色谱法测定了细胞内碳源（如聚羟基脂肪酸酯PHAs和糖原Gly）的含量。
微生物群落分析
通过高通量测序技术，研究人员分析了AOA系统中微生物群落的变化。结果表明，Tetrasphaera和Candidatus Competibacter是系统中的优势菌群，分别负责磷的积累和糖原的储存。这些微生物的富集和稳定是系统高效脱氮除磷的关键。
长期运行效果
在近300天的稳定运行中，AOA系统在碳氮比（C/N）为5的条件下，实现了高效的氮磷去除。出水中总氮（TN）和总磷（TP）的浓度分别为3.60 ± 1.55 mg/L和0.24 ± 0.13 mg/L，平均去除效率分别为85.29%和91.82%。
内源反硝化活性
内源反硝化活性随着系统运行逐渐增强，到第350天时达到1.45 mgN/(gVSS·h)。这一结果表明，AOA系统通过内源反硝化机制有效去除了硝酸盐，减少了对额外碳源的需求。
微生物群落变化
高通量测序结果显示，Tetrasphaera和Candidatus Competibacter在系统中占据主导地位，分别负责磷的积累和糖原的储存。这些微生物的富集和稳定是系统高效脱氮除磷的关键。
本研究通过中试规模的AOA系统，验证了在碳源受限条件下实现高效脱氮除磷的可行性。该工艺通过内源反硝化和脱氮除磷机制，减少了对额外碳源的依赖，同时实现了低能耗和高处理效率。研究结果表明，AOA工艺在新建和改造的污水处理厂中具有广泛的应用前景。
研究还通过批次实验和化学分析，深入探讨了AOA系统中氮磷去除的机制，特别是内源反硝化和脱氮除磷的协同作用。这些结果为未来污水处理工艺的优化提供了重要的理论依据。