《ACS Omega》：Insights into the Implementation of Partial Denitrification-Anammox in Actual Municipal Wastewater: A Comparison of Two Strategies
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为解决城市污水主流厌氧氨氧化（Anammox）因碳源不足及硝酸盐（NO3–）转化难而受限的问题，本研究对比了渐进（Gradual）与突进（Abrupt）两种PDA启动策略。结果表明，渐进策略通过调控NO3––NO2–供给，促进了AnAOB与反硝化菌（DNB）的协同，总氮去除率（NRE）达75.4±5.0%，且异养反硝化（HD）贡献显著；而突进策略虽富集了Thauera菌（1.2%→28.2%），但氨氮去除率（ARE）仅33.1±0.8%。研究为低C/N比实际污水的高效脱氮提供了技术支撑。
背景：城市污水脱氮的“节能”与“缺粮”困境
随着环保排放标准日益严苛，传统的硝化-反硝化工艺因能耗高、成本大，已难以满足绿色发展的需求。厌氧氨氧化（Anammox）技术被誉为污水脱氮领域的“革命性”突破，它能利用氨氮（NH4+）和亚硝酸盐（NO2–）直接转化为氮气，无需有机碳源且大幅降低能耗。然而，这项技术在处理低浓度的“主流”城市污水时，面临两大核心挑战：一是污水中自带的亚硝酸盐极少，无法满足Anammox的“口粮”；二是经过厌氧预处理（APMW）后，污水中残留的有机碳（COD）往往不足，导致传统的异养反硝化（HD）过程也“吃不饱”。
短程反硝化-厌氧氨氧化（PDA） 应运而生。它巧妙地将“短程反硝化”作为Anammox的“前置厨房”：让反硝化菌（DNB）先将污水中常见的硝酸盐（NO3–）还原为亚硝酸盐（NO2–），再供给Anammox菌（AnAOB）使用。但如何在实际污水中“唤醒”并平衡这两类菌群的合作，特别是启动策略（是“温柔”地渐进适应，还是“粗暴”地突进刺激）对系统稳定性的影响，此前缺乏系统的对比研究。
关键技术方法
本研究在37°C下运行0.7 L上流式反应器，接种厌氧氨氧化颗粒污泥，通过6个阶段（P1–P6）逐步将进水从合成培养基（SM）切换为实际厌氧预处理城市污水（APMW，COD≈56.3 mg/L）。重点对比了渐进PDA策略（P4阶段：逐步降低NO2–、增加NO3–）与突进PDA策略（P6阶段：直接以NO3–完全替代NO2–）。通过氮素质量平衡计算脱氮贡献，并利用16S rRNA测序（NCBI: PRJNA1135914）解析微生物群落演变。
研究结果
3.1. 从“温室”到“野外”：Anammox的驯化之路（P1–P3）
在纯合成培养基（P1）中，系统表现优异，氮去除效率（NRE）达85.5%，且NH4+与NO2–的消耗比例接近理论值（1:1.32）。当逐步引入APMW（P2）直至完全替代（P3），系统展现了惊人的适应性，NRE进一步提升至94.3%。这表明通过渐进式驯化，AnAOB能有效适应实际污水的复杂环境。研究还发现，控制较低的COD/N比（约0.9）是关键，它既抑制了过度生长的异养菌对NO2–的竞争，又保证了必要的有机物去除。
3.2. 渐进式PDA：合作与竞争的平衡（P4）
在P4阶段，研究人员尝试“教”系统自己生产“口粮”：逐步减少直接投加的NO2–，增加NO3–，试图引导DNB进行短程反硝化。结果NRE维持在75.4%，异养反硝化的贡献上升至57.4%，说明DNB被成功激活。但代价是氨氮去除效率（ARE）波动下降至50.7%，表明AnAOB开始面临亚硝酸盐供应不足的困境，两类菌群从“合作”转向了“竞争”。
3.3. 突进式PDA：菌群剧变与功能失衡（P6）
在恢复纯Anammox（P5）后，研究采用了更激进的策略（P6）：直接切断NO2–供应，完全依赖NO3–。这一“休克疗法”导致了截然不同的结局。虽然系统内Thauera（典型的短程反硝化菌）的丰度从1.2%飙升至28.2%，证明菌群具备了产NO2–的能力，但实际的氨氮去除率却暴跌至33.1%。原因在于，实际污水中的难降解有机物限制了DNB产生足够NO2–的速率，导致AnAOB长期处于“饥饿”状态。
结论与意义
本研究清晰地揭示：在处理实际城市污水时，渐进式PDA启动策略优于突进式。渐进策略通过温和的底物切换，促进了AnAOB与DNB的协同共生，实现了较高的氮去除稳定性；而突进策略虽然能快速富集功能菌（如Thauera），但因底物供给脱节，导致脱氮功能严重失衡。
该研究发表于《ACS Omega》，其重要意义在于为主流厌氧氨氧化的实际工程化应用提供了关键的启动操作指南。它证明，在低C/N比条件下，通过精细调控硝酸盐与亚硝酸盐的供给节奏，而非盲目追求菌群丰度，才是实现高效节能脱氮的可行路径。
