本研究由Dong Li（通讯作者，北京工业大学）、Shirui Zhang、Shuai Li、Huiping Zeng和Jie Zhang合作完成，研究团队分别来自北京工业大学水科学与水环境恢复工程重点实验室及哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室。研究成果发表于2019年的《Bioresource Technology》期刊（卷272，页370-378），标题为《The nitrogen removal of autotrophic and heterotrophic bacteria in aerobic granular reactors with different feast/famine ratio》。

学术背景

好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）技术因其优异的沉降性能和同步脱氮除磷能力被广泛应用于污水处理。传统观点认为，同步硝化反硝化（Simultaneous Nitrification-Denitrification, SND）依赖于颗粒内部形成的缺氧/好氧分层结构，但近年研究发现，异养氨氧化细菌（Heterotrophic Ammonia-Oxidizing Bacteria, HAOB）兼具好氧硝化和反硝化能力，且对恶劣环境耐受性更强。然而，关于不同饥饿/饱食（Feast/Famine）条件下异养与自养细菌的竞争关系及其对SND的影响尚不明确。本研究旨在：（1）探究不同Feast/Famine比对AGS系统启动的影响；（2）解析异养与自养细菌的生长竞争机制；（3）提出新型脱氮路径并评估系统性能。

研究流程与方法

1. 反应器设置与运行

• 实验设计：采用三个实验室规模柱状反应器（R1、R2、R3），工作体积6.16 L，分别设定Feast/Famine比为1:7、1:11、1:15（通过调整周期时间为4、6、8小时实现）。
  
• 操作条件：每个周期包含厌氧进料、厌氧反应、好氧反应和沉降四个阶段（详见表1）。空气流量恒定为0.6 L/min，接种污泥来自北京某污水处理厂的常规活性污泥。
  
• 合成废水：含NH₄Cl（30 mg N/L）、KH₂PO₄（5 mg P/L）、C₃H₅O₂Na（300 mg COD/L）等成分。
  

2. 长期运行与监测

• 监测指标：每3天测定出水COD、NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N、PO₄³⁻-P；每周测定混合液悬浮固体（MLSS）、挥发性悬浮固体（MLVSS）和污泥容积指数（SVI）。
  
• 颗粒形态分析：通过激光粒度分析仪（Mastersizer 2000）和光学显微镜（Olympus BX 51/52）观察颗粒尺寸与结构。
  

3. 周期试验与动力学分析

• 测试方法：在伪稳态下进行周期试验，测定COD消耗速率、氨摄取速率（AUR）、亚硝酸盐/硝酸盐生成速率（NIPR/NAPR），并通过质量平衡计算SND贡献率（αSND）。
  
• 生物量估算：采用批次好氧消化试验，通过耗氧速率（OUR）区分异养与自养细菌活性，结合ASM1模型计算其生物量占比。
  

4. 异养硝化验证

• 活性测试：通过添加自养细菌抑制剂（Allylthiourea, ATU）的1小时批次试验，测定异养与自养细菌的比氨摄取速率（SAUR）。
  

主要结果

1. 颗粒形成与稳定性：

   • R2（Feast/Famine=1:11）的颗粒平均尺寸最大（931 μm），且分布最均匀（d₀.₉/d₀.₁=3.09）。R3（1:15）因长期饥饿导致颗粒尺寸较小（612 μm），但未出现解体现象。
     
   • 异养细菌占比随饥饿时间延长显著增加（R1:49.80%；R3:91.39%），表明长饥饿期有利于异养菌富集。
     

2. 脱氮性能与SND能力：

   • 所有反应器均实现高效脱氮（NH₄⁺-N去除率>95%），但R3的SND贡献率最高（αSND峰值0.662），且异养硝化占比达61.54%。
     
   • 传统认为SND依赖颗粒尺寸形成的缺氧区，但R1与R2颗粒尺寸相近而SND能力差异显著，表明微生物群落差异是关键因素。
     

3. 新型脱氮路径：

   • 提出异养细菌主导的SND路径：NH₄⁺-N→NH₂OH→N₂，部分菌株（如Bacillus sp.）可能通过异化硝酸盐还原为铵（DNRA）参与脱氮。
     

结论与价值

1. 科学价值：

   • 揭示了Feast/Famine比通过调控异养/自养细菌竞争影响脱氮效率的机制，为优化AGS工艺提供了理论依据。
     
   • 证实异养细菌在低底物条件下的竞争优势及其对SND的突出贡献，挑战了传统以自养菌为核心的脱氮理论。
     

2. 应用价值：

   • 建议实际工程中采用中等Feast/Famine比（如1:11）以平衡颗粒尺寸与脱氮效率，高负荷场景可优先富集异养菌提升SND能力。
     

研究亮点

• 方法创新：结合OUR测试与ASM1模型量化异养/自养细菌活性，克服了传统分子生物学方法的局限性。
  
• 发现异养菌优势：首次系统比较不同饥饿条件下异养菌的硝化贡献，为低C/N比废水处理提供新思路。
  
• 工程指导性：明确了颗粒尺寸并非SND的唯一决定因素，需同步调控微生物群落结构。
  

其他发现

• 采用实际污水验证时，异养菌主导的R3对难降解COD的适应性更强，但需注意NO₂⁻-N积累风险。
  
• 补充材料中提供了详细的氧渗透深度计算（式7），证实R3的缺氧区占比仅20.8%，进一步佐证异养SND的重要性。
  

（注：文中专业术语如“好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）”等首次出现时标注英文原文，后续直接使用中文术语。）