厌氧氨氧化是一项极具前景的生物脱氮工艺，具有污水处理能源自给自足的潜能。目前，大多数厌氧氨氧化系统的建立需要通过接种厌氧氨氧化污泥实现，然而由于AnAOB生长缓慢，厌氧氨氧化污泥难以大量获取，限制了该工艺的推广应用。近期有研究发现，AnAOB广泛存在于污水处理的各个系统，并且其对脱氮的贡献不可忽视，这表明原位富集AnAOB是可行性的。并且，通过合适的运行条件，如缺/好氧交替运行模式形成的饱食/饥饿条件，可促进颗粒污泥的形成，而颗粒污泥也有利于AnAOB的有效持留和富集。因此，推测在传统的污水处理系统中，如果通过合适的运行模式有望培养厌氧氨氧化颗粒污泥，从而实现AnAOB的原位富集，促进厌氧氨氧化工艺的应用和推广。基于此，本研究探究了在传统硝化-反硝化絮体污泥系统中原位培养厌氧氨氧化颗粒污泥强化污水脱氮的可行性，并分析了相关机理。


丹麦Unisense微电极分析系统应用：


一种尖端在5~25um的微型传感器，可在不破坏污泥结构的同时,测定其内部物质浓度的连续分布特性，进而获取微生物原位活性的分布规律。


微电极测试方案:从厌氧生物转盘进水口处挑取粒径约为5mm的颗粒,置于测试槽中的尼龙网上，并用昆虫针固定.使用微控制器将微电极尖端缓慢刺入颗粒污泥中心，步长设定为100μm,信号由数据采集系统记录。微电极测定在20℃进行，测试槽中配置不同浓度溶液。每种浓度用微电极测定3次。


图文导读


脱氮性能与污泥特征变化


在运行初期，由于DO较低，系统硝化效果较差，出水NH4+-N约为100 mg N/L左右，并有一定的NO2--N积累。同时出水中NO3--N浓度较高（约为20 mg N/L），这可能是由于接种污泥中NOB活性较高。至阶段I末期，出水NH4+-N逐渐降低至40±10 mg N/L，与此同时，系统出水NO3--N浓度也逐步降低至6 mg N/L左右，表明NOB受到了有效抑制。氨氮和TN去除率仅分别为66%和24%。在阶段II（89-145天）将DO提高至0.12-0.14mg/L，系统出水NH4+-N由40-50 mg N/L逐渐降低至13 mg N/L左右，平均出水NO3--N浓度为11±5 mg N/L，脱氮性能明显提高。经过113天的运行后，系统实现了良好的氮去除效果，在进水碳氮比仅为1-1.3的条件下，TN去除率达到了84±4%，表明成功启动了厌氧氨氧化工艺。

图1系统氮去除效果变化


本试验接种污泥为传统硝化-反硝化絮体污泥，在运行后期，SBR中形成了部分红色的颗粒污泥（粒径>200µm），其与厌氧氨氧化颗粒污泥的表观形态一致，表明系统中可能实现了AnAOB的原位富集。随着系统运行，颗粒污泥的占比逐渐增加，最终稳定在18%左右。

图2(A)SBR中红色颗粒污泥的形成，(B)颗粒污泥和絮体污泥质量占比的变化


微生物群落结构分析


Candidatus Brocadia为优势AnAOB菌属，其丰度由“未检出”（Day 1）增加至0.19%（Day 135），其在颗粒污泥中的丰度（0.57%）明显高于絮体污泥（0.02%），进一步证实系统中成功培养了厌氧氨氧化颗粒。AOB（Nitrosomonas与Nitrosomonadaceae）的丰度由初始的0.11%增长至0.2%左右。相比而言，系统中的优势NOB菌属Nitrospira的丰度在阶段I明显降低，由2.06%（Day 1）减少至0.23%（Day 135），这有利于促进PNA作用。此外，AOB与NOB主要分布在絮体中。随着系统运行，反硝化菌的丰度也明显增加，如Thauera、Candidatus Competibacter、Limnobacter、Denitratisoma等，其中Thauera与Candidatus Competibacter逐渐成为优势的反硝化菌，在第135天，其丰度分别为5.75%和2.45%，这两种菌可发挥短程反硝化作用，从而为AnAOB提供反应基质NO2--N，并且进一步降低出水中的NO3--N，提高脱氮性能。Candidatus Competibacter还能促进多糖的分泌，而多糖在加速颗粒污泥的形成和维持颗粒污泥的稳定性方面发挥着重要作用。作为一种典型的丝状菌，Anaerolineaceae从0.86%增加到1.15-2.27%，它可以作为微生物附着的骨架，促进颗粒污泥的形成。此外，norank_f_norank__ SBR1031作为系统中的优势的菌属，其丰度为18.01-62.67%，该菌属在厌氧氨氧化系统中广泛存在，并且在微生物聚集过程中发挥重要作用，这可能与SBR中颗粒污泥的形成密切相关。

图3脱氮及污泥颗粒化相关功能微生物相对丰度变化


为进一步探究SBR中功能微生物间潜在的相互作用，进行了微生物相关性网络分析（ρ>0.5或<-0.5，p<0.05）。一些参与脱氮的功能微生物之间具有密切的正相关关系，例如Candidatus Brocadia、Candidatus Competibacter、Thauera和Limnobacter，这表明反硝化菌和AnAOB之间具有协同作用，有利于高效脱氮和系统的稳定运行。

图4微生物相关性网络


氮去除路径分析


在整个运行周期中，TN浓度减少了78.0±1.0 mg N/L，而COD仅减少69.6±0.3 mg/L，根据化学计量分析计算可知，反硝化作用最多仅可去除24.3±0.1 mg N/L的TN，表明厌氧氨氧化自养脱氮是系统中主要的脱氮路径，其脱氮贡献率大于68.8±0.3%。此外，需要说明的是，系统中不仅存在PNA作用，还存在短程反硝化反应，其可为AnAOB提供更多的NO2--N基质，从而强化系统脱氮性能。

图5第115天典型周期内COD和氮浓度的变化


AnAOB原位富集和污泥颗粒化的机制


原位富集AnAOB、形成厌氧氨氧化颗粒污泥的原因可能有以下几点：首先，试验前期系统在A/O/A交替模式下运行，并且结合极低的DO（0.04±0.01 mg/L），可以有效抑制NOB活性，这有利于短程硝化作用，随后在阶段II通过适当提高DO浓度，强化AOB活性，可为AnAOB提供充足的NO2--N基质，从而促进其生长；其次，A/O/A的运行模式也有利于AnAOB的生长富集。通过这种运行方式，系统中富集了部分内源反硝化菌，如：Comamonadaceae unclassified（0.33%）、Candidatus Competibacter（2.45%）和Thauera（5.75%），可将进水中有机物储存为内碳源，减少有机物对AnAOB的抑制，促进好氧段的自养脱氮作用，并且可以强化后置缺氧段的内源短程反硝化作用，进一步促进了AnAOB的生长。


颗粒污泥的形成也有利于AnAOB的富集，颗粒污泥为AnAOB提供了适宜的缺氧微环境并增强了系统污泥持留能力。系统内颗粒污泥的形成与A/O/A交替运行模式有关。这种饱食/饥饿的运行方式刺激了EPS的分泌，通过增强微生物之间的聚合作用来促进颗粒污泥的形成。系统中EPS含量由初始的123.9±1.5（Day 1）增长到177.0±2.5 mg/L（Day 145），其中蛋白质与多糖的比值由1.6±0.0增长到2.4±0.1，这有利于微生物聚集与颗粒污泥的形成。此外，系统中也富集了一些与微生物聚集和附着有关的菌属，比如norank_f_SBR1031和Anaerolineaceae，其可能与污泥颗粒化有关。

图6 EPS含量变化


小结


本试验成功原位培养了厌氧氨氧化颗粒污泥，颗粒质量占比约为18%。颗粒污泥中AnAOB的活性和丰度分别为29.4±0.7 mg N/(g MLVSS⋅h)和0.57%。在低C/N（1-1.3）的污水系统中，实现了良好的脱氮效果，平均脱氮率为84±4%。厌氧氨氧化作用在脱氮贡献中占主导地位，对脱氮的贡献率超过68.8±0.3%。A/O/A交替运行模式对厌氧氨氧化颗粒污泥的形成发挥了重要作用。该运行模式可有效抑制NOB，促进反硝化菌与AnAOB的协同作用，并且有利于AnAOB的富集和颗粒污泥的形成。