《Journal of Water Process Engineering》：Evaluating nitrogen removal and microbiome resilience in a Filtralite?-based anammox biofilter treating primary settled urban wastewater
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【编辑推荐】主流anammox应用面临低温与高COD挑战。本研究构建Filtralite?生物滤池处理初沉污水，在23.4?°C下实现氮负荷108?g?N·m?3·d?1（去除率51.3%）及COD去除率89%，证实了其在环境温度下的工程潜力。
背景：城市污水脱氮的“节能革命”与低温困境
随着城市化进程加快，污水中的氮素已成为水体富营养化的主要元凶之一。传统的硝化-反硝化工艺虽然技术成熟，但存在能耗高、需投加外碳源、剩余污泥产量大等痛点。在此背景下，厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation, anammox）技术应运而生，它能在无氧条件下直接将氨氮（NH??）和亚硝酸盐（NO??）转化为氮气（N?），无需有机碳源，可降低约60%的曝气能耗和90%的污泥产量，被誉为污水脱氮领域的“革命性”技术。
然而，这一“明星”技术从实验室走向大规模工程应用的道路并不平坦。目前anammox多成功应用于高温（约35°C）、高氨氮的侧流污水（如污泥消化液），而在处理低浓度、高有机质、且温度波动大的主流污水（市政污水）时，面临着两大核心挑战：
- 1.
温度瓶颈：主流污水温度通常在15–25°C，低于anammox菌（AnAOB）的最适生长温度（30–35°C），导致其活性显著降低。
- 2.
竞争抑制：主流污水中高浓度的可生物降解有机物（BOD）会刺激异养菌大量繁殖，与生长缓慢的AnAOB竞争空间和底物，甚至将其“挤出”生态系统。
为了突破这些瓶颈，研究人员将目光投向了生物膜工艺。生物膜内部形成的氧梯度（外层好氧、内层缺氧）天然适合anammox菌栖息，并能有效抵抗水力冲击。本研究团队利用Filtralite?（一种膨胀粘土滤料）构建生物滤池，旨在验证其在真实城市污水环境温度下，能否同时实现高效脱氮并维持微生物群落的稳定性。
关键技术方法概览
本研究构建了中试规模（7.9 L）的Filtralite?生物滤池，在23.4±1.38°C下连续运行150天。实验分为两阶段：Phase I（1–27天）投加合成污水进行启动驯化；Phase II（28–150天）切换至真实的初沉池出水（含高COD/BOD）。研究综合运用了常规水质分析（NH??、NO??、NO??、COD、BOD?）、qPCR定量（细菌/古菌16S rRNA、amoA、anammox功能基因）及16S rRNA高通量测序（结合FAPROTAX功能预测），系统解析了脱氮效能与微生物生态演替的关联。
研究结果深度解析
3.1. Filtralite?生物滤池处理初沉污水的长期性能
脱氮效能稳健：在150天的运行中，系统展现了良好的适应性。Phase I（合成污水）氮负荷高达256 g N·m?3·d?1，去除率达65.3%；切换至Phase II（真实污水）后，尽管氮负荷降至108 g N·m?3·d?1且水质波动剧烈，系统仍保持了51.3%的脱氮效率。特别是在运行后期（约100天后），面对进水氨氮浓度从35 mg/L骤增至60 mg/L的冲击以及温度下降，系统虽短暂受影响（去除率降至约60%），但随后迅速恢复至70%以上，证明了其功能韧性。
同步去除有机物：该生物滤池并非“专一”的anammox反应器，而是发挥了复合功能。其对COD和BOD?的去除率分别达到89%和96%，悬浮固体（SS）截留率超过85%。这表明系统内异养菌与自养anammox菌形成了协同代谢网络，既能脱氮又能净化水质。
3.2. 微生物群落结构与功能演替
从“外来户”到“土著统治”的生态演替：微生物群落经历了剧烈的重构。初期接种物以Denitratisoma（反硝化菌）和Caldilinea为主；随着运行进入Phase II，群落演替为以Thiothrix（硫氧化丝状菌）和Paraclostridium（梭菌属）为主导的成熟生物膜。值得注意的是，尽管环境变迁，anammox菌的核心类群——CandidatusBrocadia和CandidatusJettenia——在整个实验期间持续存在，表现出极强的韧性（resilience）。
功能基因的“数量”与“活性”之谜：qPCR结果显示，细菌总丰度保持稳定，但anammox特异基因（Ca. Brocadiales）和氨氧化基因（amoA）的拷贝数随时间下降。这一看似矛盾的现象（脱氮效能稳定但基因数减少）可能意味着存活下来的anammox菌代谢活性更强，或者存在其他未知的脱氮途径（如硫自养反硝化耦合）。古菌群落则在进水波动下显著衰退，表明其在主流污水环境中竞争力较弱。
功能预测揭示代谢 versatility：FAPROTAX分析显示，系统内不仅存在硝酸盐还原、亚硝酸盐氧化等氮代谢功能，还富含发酵、硫化合物代谢等途径。这种代谢多功能性解释了系统为何能同时高效去除氮和有机物——Thiothrix等菌属可能通过硫循环辅助脱氮，而Paraclostridium等则负责降解有机物。
3.3. 环境因子驱动群落构建
冗余分析（RDA）表明，温度和BOD?浓度是驱动微生物群落结构变化的最关键环境因子。网络分析进一步揭示，在应对环境扰动时，微生物间形成了密集的共现网络，正相关关系占主导，说明菌群间更多是协同合作而非单纯竞争，这种“抱团取暖”的策略是系统维持稳定的生态基础。
结论与意义
本研究证实，Filtralite?基厌氧氨氧化生物滤池是实现主流城市污水高效脱氮的可行技术。其在环境温度（~23°C）和高有机负荷（BOD? ~256 mg/L）的双重压力下，不仅能实现超过50%的脱氮效率，还能同步去除约90%的有机物，且污泥产量极低。
这项研究的核心价值在于：
- 1.
工程指导意义：为污水处理厂（WWTPs）提供了一种无需加热、能耗低、占地少的升级改造方案，有力推动了anammox技术从“侧流”走向“主流”。
- 2.
生态学启示：揭示了anammox菌群在复杂环境中的韧性并非依赖于数量优势，而是通过形成代谢多元化的生物膜微生态位（如与Thiothrix共生）来抵御环境压力。这为后续通过调控微生物生态（而非单纯富集anammox）来优化工艺提供了新思路。
该成果发表于 Journal of Water Process Engineering，为全球水资源可持续管理贡献了重要的技术路径。
