厭氧氨氧化是一項極具前景的生物脫氮工藝，具有污水處理能源自給自足的潛能。目前，大多數厭氧氨氧化系統的建立需要通過接種厭氧氨氧化污泥實現，然而由于AnAOB生長緩慢，厭氧氨氧化污泥難以大量獲取，限制了該工藝的推廣應用。近期有研究發現，AnAOB廣泛存在于污水處理的各個系統，并且其對脫氮的貢獻不可忽視，這表明原位富集AnAOB是可行性的。并且，通過合適的運行條件，如缺/好氧交替運行模式形成的飽食/饑餓條件，可促進顆粒污泥的形成，而顆粒污泥也有利于AnAOB的有效持留和富集。因此，推測在傳統的污水處理系統中，如果通過合適的運行模式有望培養厭氧氨氧化顆粒污泥，從而實現AnAOB的原位富集，促進厭氧氨氧化工藝的應用和推廣。基于此，本研究探究了在傳統硝化-反硝化絮體污泥系統中原位培養厭氧氨氧化顆粒污泥強化污水脫氮的可行性，并分析了相關機理。

丹麥Unisense微電極分析系統應用：

一種尖端在5~25um的微型傳感器，可在不破壞污泥結構的同時,測定其內部物質濃度的連續分布特性，進而獲取微生物原位活性的分布規律。

微電極測試方案:從厭氧生物轉盤進水口處挑取粒徑約為5mm的顆粒,置于測試槽中的尼龍網上，并用昆蟲針固定.使用微控制器將微電極尖端緩慢刺入顆粒污泥中心，步長設定為100μm,信號由數據采集系統記錄。微電極測定在20℃進行，測試槽中配置不同濃度溶液。每種濃度用微電極測定3次。

圖文導讀

脫氮性能與污泥特征變化

在運行初期，由于DO較低，系統硝化效果較差，出水NH4+-N約為100 mg N/L左右，并有一定的NO2--N積累。同時出水中NO3--N濃度較高（約為20 mg N/L），這可能是由于接種污泥中NOB活性較高。至階段I末期，出水NH4+-N逐漸降低至40±10 mg N/L，與此同時，系統出水NO3--N濃度也逐步降低至6 mg N/L左右，表明NOB受到了有效抑制。氨氮和TN去除率僅分別為66%和24%。在階段II（89-145天）將DO提高至0.12-0.14mg/L，系統出水NH4+-N由40-50 mg N/L逐漸降低至13 mg N/L左右，平均出水NO3--N濃度為11±5 mg N/L，脫氮性能明顯提高。經過113天的運行后，系統實現了良好的氮去除效果，在進水碳氮比僅為1-1.3的條件下，TN去除率達到了84±4%，表明成功啟動了厭氧氨氧化工藝。

圖1系統氮去除效果變化

本試驗接種污泥為傳統硝化-反硝化絮體污泥，在運行后期，SBR中形成了部分紅色的顆粒污泥（粒徑>200μm），其與厭氧氨氧化顆粒污泥的表觀形態一致，表明系統中可能實現了AnAOB的原位富集。隨著系統運行，顆粒污泥的占比逐漸增加，最終穩定在18%左右。

圖2(A)SBR中紅色顆粒污泥的形成，(B)顆粒污泥和絮體污泥質量占比的變化

微生物群落結構分析

Candidatus Brocadia為優勢AnAOB菌屬，其豐度由“未檢出”（Day 1）增加至0.19%（Day 135），其在顆粒污泥中的豐度（0.57%）明顯高于絮體污泥（0.02%），進一步證實系統中成功培養了厭氧氨氧化顆粒。AOB（Nitrosomonas與Nitrosomonadaceae）的豐度由初始的0.11%增長至0.2%左右。相比而言，系統中的優勢NOB菌屬Nitrospira的豐度在階段I明顯降低，由2.06%（Day 1）減少至0.23%（Day 135），這有利于促進PNA作用。此外，AOB與NOB主要分布在絮體中。隨著系統運行，反硝化菌的豐度也明顯增加，如Thauera、Candidatus Competibacter、Limnobacter、Denitratisoma等，其中Thauera與Candidatus Competibacter逐漸成為優勢的反硝化菌，在第135天，其豐度分別為5.75%和2.45%，這兩種菌可發揮短程反硝化作用，從而為AnAOB提供反應基質NO2--N，并且進一步降低出水中的NO3--N，提高脫氮性能。Candidatus Competibacter還能促進多糖的分泌，而多糖在加速顆粒污泥的形成和維持顆粒污泥的穩定性方面發揮著重要作用。作為一種典型的絲狀菌，Anaerolineaceae從0.86%增加到1.15-2.27%，它可以作為微生物附著的骨架，促進顆粒污泥的形成。此外，norank_f_norank__ SBR1031作為系統中的優勢的菌屬，其豐度為18.01-62.67%，該菌屬在厭氧氨氧化系統中廣泛存在，并且在微生物聚集過程中發揮重要作用，這可能與SBR中顆粒污泥的形成密切相關。

圖3脫氮及污泥顆粒化相關功能微生物相對豐度變化

為進一步探究SBR中功能微生物間潛在的相互作用，進行了微生物相關性網絡分析（ρ>0.5或<-0.5，p<0.05）。一些參與脫氮的功能微生物之間具有密切的正相關關系，例如Candidatus Brocadia、Candidatus Competibacter、Thauera和Limnobacter，這表明反硝化菌和AnAOB之間具有協同作用，有利于高效脫氮和系統的穩定運行。

圖4微生物相關性網絡

氮去除路徑分析

在整個運行周期中，TN濃度減少了78.0±1.0 mg N/L，而COD僅減少69.6±0.3 mg/L，根據化學計量分析計算可知，反硝化作用最多僅可去除24.3±0.1 mg N/L的TN，表明厭氧氨氧化自養脫氮是系統中主要的脫氮路徑，其脫氮貢獻率大于68.8±0.3%。此外，需要說明的是，系統中不僅存在PNA作用，還存在短程反硝化反應，其可為AnAOB提供更多的NO2--N基質，從而強化系統脫氮性能。

圖5第115天典型周期內COD和氮濃度的變化

AnAOB原位富集和污泥顆粒化的機制

原位富集AnAOB、形成厭氧氨氧化顆粒污泥的原因可能有以下幾點：首先，試驗前期系統在A/O/A交替模式下運行，并且結合極低的DO（0.04±0.01 mg/L），可以有效抑制NOB活性，這有利于短程硝化作用，隨后在階段II通過適當提高DO濃度，強化AOB活性，可為AnAOB提供充足的NO2--N基質，從而促進其生長；其次，A/O/A的運行模式也有利于AnAOB的生長富集。通過這種運行方式，系統中富集了部分內源反硝化菌，如：Comamonadaceae unclassified（0.33%）、Candidatus Competibacter（2.45%）和Thauera（5.75%），可將進水中有機物儲存為內碳源，減少有機物對AnAOB的抑制，促進好氧段的自養脫氮作用，并且可以強化后置缺氧段的內源短程反硝化作用，進一步促進了AnAOB的生長。

顆粒污泥的形成也有利于AnAOB的富集，顆粒污泥為AnAOB提供了適宜的缺氧微環境并增強了系統污泥持留能力。系統內顆粒污泥的形成與A/O/A交替運行模式有關。這種飽食/饑餓的運行方式刺激了EPS的分泌，通過增強微生物之間的聚合作用來促進顆粒污泥的形成。系統中EPS含量由初始的123.9±1.5（Day 1）增長到177.0±2.5 mg/L（Day 145），其中蛋白質與多糖的比值由1.6±0.0增長到2.4±0.1，這有利于微生物聚集與顆粒污泥的形成。此外，系統中也富集了一些與微生物聚集和附著有關的菌屬，比如norank_f_SBR1031和Anaerolineaceae，其可能與污泥顆粒化有關。

圖6 EPS含量變化

小結

本試驗成功原位培養了厭氧氨氧化顆粒污泥，顆粒質量占比約為18%。顆粒污泥中AnAOB的活性和豐度分別為29.4±0.7 mg N/(g MLVSS?h)和0.57%。在低C/N（1-1.3）的污水系統中，實現了良好的脫氮效果，平均脫氮率為84±4%。厭氧氨氧化作用在脫氮貢獻中占主導地位，對脫氮的貢獻率超過68.8±0.3%。A/O/A交替運行模式對厭氧氨氧化顆粒污泥的形成發揮了重要作用。該運行模式可有效抑制NOB，促進反硝化菌與AnAOB的協同作用，并且有利于AnAOB的富集和顆粒污泥的形成。