《Bioresource Technology》：Salinity-induced microbial acclimation and kinetic responses in continuous self-circulating granular sludge process
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Zier反应器在1%-3%盐度下处理高氮废水，通过抑制硝化细菌维持部分硝化-反硝化路径，总氮去除率达82%。动力学分析表明，氨氧化细菌对盐耐受性随驯化浓度升高而增强，半抑制浓度分别为27.3、57.1、71.0 g/L，且Luong模型更适于描述盐抑制效应。
魏康琦 | 建松 | 刘立芳 | 张淑君 | 彭永珍 | 王聪
国家先进市政废水处理与回用技术工程实验室，北京工业大学，北京 100124，中国
摘要
本研究评估了一种新型连续流好氧颗粒污泥（AGS）反应器（Zier）处理含盐废水（盐度1%-3%）的性能和抑制动力学。在盐度为3%且碳氮比为2.3的情况下，通过选择性抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB），维持了稳定的部分硝化-反硝化（PND）过程，总氮去除率达到82%。当盐度为1%-2%时，NOB的活性恢复，系统转变为完全硝化状态，但氮去除效率降低。此外，该污泥在所有盐度水平下均能成功形成颗粒，并表现出优异的沉淀性能。动力学分析表明，氨氧化菌（AOB）的耐盐性随适应盐度的增加而增强。在盐度为1%、2%和3%时，AOB的半数抑制浓度（IC50）分别为27.3、57.1和71.0 g/L。Aiba模型显示，适应高盐度的NOB比AOB更具耐盐性，但Luong模型能更准确地描述所有污泥的盐抑制现象。适应高盐度的AOB表现出协同抑制（n > 1），这为系统提供了耐盐缓冲，但超过临界阈值时存在功能突然崩溃的风险。相反，NOB表现出渐进性抑制（n < 1），具有更高的耐盐极限，显示出在盐度波动下的优异稳定性。Zier系统通过PND过程有效去除含盐废水中的氮，这些动力学研究结果为过程控制提供了重要策略。
引言
含盐废水被视为一个重大的环境挑战。这类废水约占全球工业废水的5%（Nguyen等人，2025年）。这些废水通常含有高浓度的氮。典型例子包括烟气脱硫废水（盐度：3–40 g/L，NH4+-N：< 300 mg/L）和气田废水（约30 g/L NaCl，NH4+-N：150–200 mg/L）（Li等人，2018年）。生物处理方法比物理化学方法更具成本效益。然而，传统的活性污泥系统常受到高盐度和氨毒性的抑制。具体而言，高渗透压会导致细胞质壁分离，从而显著降低处理效率（Corsino等人，2019年）。
好氧颗粒污泥（AGS）因其致密的结构和高生物量保留能力而成为一种有前景的技术（Wang等人，2022年）。AGS内部的溶解氧（DO）梯度自然支持同时硝化和反硝化（SND）过程（He等人，2020年）。先前的研究表明，AGS可以结构上适应盐胁迫。例如，低盐度条件可以促进颗粒形成（Amancio Frutuoso等人，2024年），大多数颗粒可以适应高达3%的盐度（Zhou等人，2025年）。一些研究表明，连续流反应器的好氧颗粒污泥系统在高盐度下仍能保持高效的部分硝化和化学需氧量（COD）去除（Wan等人，2014年）。然而，实现高总氮（TN）去除仍是一个主要挑战。在含盐废水中，TN去除效率很少超过70%（Corsino等人，2016年）。
Zier反应器是一种创新的连续自循环颗粒污泥工艺。该系统仅通过曝气来精确控制多次自循环（RSCMT）和上流速度。频繁的自循环提供了必要的水力剪切力，促进了颗粒的形成并确保了优异的沉淀性能。例如，Wang等人报告称Zier工艺成功保持了颗粒污泥的形状和稳定性，颗粒中值粒径保持在300至1210 μm之间。同样，Liu等人使用该反应器培养出了边缘光滑的致密颗粒，平均粒径从93 μm增加到378 μm（Liu等人，2025年；Wang等人，2024年）。
此外，Zier反应器通过精确的供氧系统实现高效氮去除。准确的曝气在不同反应柱之间创建了稳定的DO梯度，这些DO梯度增强了SND过程并缩短了氮去除路径，从而提高了COD的利用效率和氮去除率。因此，先前的研究表明Zier反应器对COD（95%）和TN（90%）的去除效率很高（Liu等人，2025年）。由于高盐度对亚硝酸盐氧化菌（NOB）的抑制作用比对氨氧化菌（AOB）更严重（Wan等人，2014年），Zier反应器为同时实现部分硝化和反硝化（SPND）提供了理想的环境。因此，该工艺在处理高氮含盐废水方面具有巨大潜力。
然而，关于高盐度、高氮含量和低COD/N比（TN > 100 mg/L，COD/N < 4）废水中的SND研究有限（Yan等人，2024年）。有趣的是，高盐度和氮负荷可以促进部分硝化（PN），从而显著减少氧气和碳的消耗。因此，在AGS中实施基于部分硝化-反硝化（PND）的SND过程是处理这种特定类型废水的一种有前景的策略。
系统优化需要明确理解盐度胁迫与微生物动力学之间的关系。然而，大多数现有的动力学模型基于絮凝污泥或短期实验，这些模型无法反映适应盐度的颗粒更高的韧性和独特的动力学特性。因此，确定颗粒中AOB和NOB的具体抑制动力学对于过程控制至关重要。本研究旨在评估三种Zier反应器在不同盐度（1%、2%和3%）和低C/N比下的性能。研究探讨了利用功能细菌的不同耐盐性实现PND的可行性，并确定了适应盐度的颗粒污泥的盐抑制动力学。这些发现为含盐、高氮废水的连续流处理提供了实际框架。
反应器设计与流程
实验装置的示意图如图1a所示。三个相同的Zier反应器（R1、R2和R3）并行运行。每个反应器由三个依次连接的丙烯酸柱组成：一个缺氧柱（Zier-AP）、一个曝气柱（Zier-AC）和一个好氧柱（Zier-O）。这些柱通过回流管连接，将一个柱的顶部与下一个柱的底部相连。每个反应器的有效体积为21 L，直径为7.5 cm，高度为200 cm。
盐度对氮去除的影响
三个Zier反应器（R1、R2和R3）分别在不同盐度（1%、2%和3%）下运行180天，处理高氮废水（进水NH4+-N约为200 mg/L）（图2）。pH值保持弱碱性（7.4–7.5）。参数q根据运行指标和出水质量实时控制（见补充材料）。
第一阶段是无盐的预备阶段，出水中的NH4+-N最终降至5 mg/L以下。在第20天（第二阶段），突然添加盐分导致了...
结论
本研究成功评估了一种新型连续流AGS反应器（Zier系统）在1%-3%盐度下处理富氮废水的能力。结果表明，Zier工艺可以有效提高微生物的耐盐性并实现稳定的TN去除。3%的盐度有效抑制了NOB，但使AOB保持活性。这种盐敏感性差异建立了稳定的PND过程，因此3%盐度下的反应器实现了最高的TN去除效率。
作者贡献声明
魏康琦：监督、方法论、资金获取、概念设计。
建松：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、数据管理。
刘立芳：数据可视化、资源准备。
张淑君：数据可视化。
彭永珍：数据可视化。
王聪：监督、方法论、概念设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42277054）的支持。
