中国环境科学

参数		运行时间
厌氧时间（min）	120	120	120	120	120
缺氧时间（min）	60	40	30	20	40
好氧时间（min）	60	60	60	60	60
运行天数（d）	20	20	20	20	40

参数		运行时间
厌氧时间（min）	120	120	120	120	120
缺氧时间（min）	60	40	30	20	40
好氧时间（min）	60	60	60	60	60
运行天数（d）	20	20	20	20	40

基于缺氧时间调控内源性亚硝酸盐强化N-EPD-CANON工艺脱氮研究

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李冬 ¹^,^* , 陈晓义 ¹ , 傅思博 ¹ , 张景昭 ¹ , 张杰 ¹^,²

中国环境科学 | 水污染与控制 2025,45(5): 2470-2480

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中国环境科学 | 水污染与控制 2025, 45(5): 2470-2480

基于缺氧时间调控内源性亚硝酸盐强化N-EPD-CANON工艺脱氮研究

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李冬¹^,^*, 陈晓义¹, 傅思博¹, 张景昭¹, 张杰¹^,²

作者信息

^1.北京工业大学，水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京 100124

^2.哈尔滨工业大学，城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150090

李冬（1976-），女，辽宁丹东人，教授，博士，主要研究方向为水环境恢复理论及关键技术.发表论文200余篇.lidong2006@bjut.edu.cn.

通讯作者:

^* 责任作者，教授，lidong2006@bjut.edu.cn

Enhanced nitrogen removal in the N-EPD-CANON process by regulating endogenous nitrite accumulation based on anoxic time

Dong LI¹^,^*, Xiao-yi CHEN¹, Si-bo FU¹, Jing-zhao ZHANG¹, Jie ZHANG¹^,²

Affiliations

^1.Key Laboratory of Water Quality Science and Environment Restoration Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

^2.National Key Laboratory of Urban Water Resources and Water Environment, Harbin Institute of Technology Harbin 150090, China

出版时间: 2025-05-20

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摘要

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采用SBR反应器，以模拟市政污水为进水基质，启动硝化-内源部分反硝化-全程自养脱氮（N-EPD-CANON）工艺.实验通过调控EPD单元缺氧时间考察了单元内亚硝酸盐积累量变化对CANON工艺脱氮性能，功能菌活性以及微生物群落结构的影响.结果表明:在缺氧时间为40min时，EPD单元可以有效地捕获进水有机物，同时维持有利于CANON稳定运行的适量浓度的内源性亚硝酸盐.长期稳定运行下CANON反应器的总氮去除率达到86.43%，比厌氧氨氧化活性（SAA）达到0.82gN/（gVSS·d）.此外，EPS质量分数逐渐增长到69.17mg/gVSS，再通过3D-EEM结合PARAFAC技术对污泥的EPS荧光组分进行分析表明，内源性亚硝酸盐的强化作用能够在不改变EPS组成成分的前提下，有效提升了芳香族蛋白质的含量，有助于污泥颗粒化及其稳定性的提高.微生物群落分析揭示，在EPD系统中Candidatus Competibacter为优势菌属占24.61%，CANON系统中Nitrosomonas的相对丰度为2.67%，这保证了AnAOB菌的NO₂^--N供应.此外，AnAOB的主要组成部分Candidatus Brocadia菌属的相对丰度也达到了13.34%.

关键词

全程自养脱氮工艺 / 内源部分反硝化 / 反硝化聚糖菌 / 市政污水

Abstract

收起

Employed a SBR to simulate municipal wastewater as the influent matrix and initiated the Nitritation-Enhanced Partial Denitrification-Complete Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite（N-EPD-CANON）process. The anoxic duration within the EPD system was meticulously adjusted to scrutinize the impact on endogenous nitrite accumulation and the consequent performance alterations within the CANON system. The objective was to elucidate the influence of anoxic time on endogenous nitrite concentration and its subsequent effects on nitrogen removal efficiency, the activity of functional microbial groups, and the structure of microbial communities within the CANON process. The findings revealed that an anoxic duration of 40minutes within the EPD system was optimal for capturing influent organic matter while concurrently promoting the endogenous nitrite to accumulate at a favorable concentration of approximately 4mg/L. Under sustained operational conditions, the CANON reactor achieved a total nitrogen removal rate of 86.43%. The specific anammox activity（SAA）was determined to be 0.82gN/（gVSS·d）, the particular nitrate production rate（SNPR）was reduced to 0.28gN/（gVSS·d）, and the specific ammonium removal rate（SAOR）was recorded at 0.70gN/（g VSS·d）. Additionally, the application of 3D-EEM and PARAFAC techniques to analyze the fluorescence components of EPS in the sludge indicated that the intensification of endogenous nitrite had a beneficial effect on increasing the content of aromatic proteins within the EPS without altering its composition. Microbiota community analysis reveals that Candidatus_Competibacter is the dominant genus in the EPD system, accounting for 24.61%. In contrast, in the CANON system, the relative abundance of Nitrosomonas at 2.67% ensures the NO₂^--N supply for AnAOB, and Candidatus Brocadia, as the main genus of AnAOB, accounts for 13.34%.

Key words

complete autotrophic nitrogen removal over nitrite（CANON） / endogenous partial denitrification / denitrifying glycogen accumulating organisms（DGAOs） / municipal wastewater

引用本文

李冬, 陈晓义, 傅思博, 张景昭, 张杰. 基于缺氧时间调控内源性亚硝酸盐强化N-EPD-CANON工艺脱氮研究. 中国环境科学, 2025 , 45 (5) : 2470 -2480 .

Dong LI, Xiao-yi CHEN, Si-bo FU, Jing-zhao ZHANG, Jie ZHANG. Enhanced nitrogen removal in the N-EPD-CANON process by regulating endogenous nitrite accumulation based on anoxic time[J]. China Environmental Science, 2025 , 45 (5) : 2470 -2480 .

正文

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全程自养脱氮（CANON）工艺是一种经济高效的废水深度脱氮技术，不依赖有机碳源^[1-2].该工艺的核心在于氨氧化细菌（AOB）和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）的协调作用，其中NH₄⁺-N在AOB的作用下部分氧化为NO₂^--N，随后NO₂^--N被AnAOB菌作为底物进一步转化为氮气（N₂）^[3].相较于传统的硝化-反硝化工艺，CANON工艺理论脱氮率可达89%^[4].该工艺可降低60%的曝气需求，无需额外碳源，减少污水处理厂的氮去除投入成本，减少90%的剩余污泥产生量，并且产生的温室气体较少^[5-6].

尽管CANON工艺在城市生活污水处理领域展现出潜力，但其应用过程中仍面临诸多挑战，例如，亚硝酸盐氧化菌（NOB）的抑制困难，亚硝酸盐的稳定供给问题以及城市污水中有机物含量较高时系统处理性能下降等问题^[7-9].其中NOB的抑制方法在低温，低氨氮条件下的主流CANON处理中无法实现较好的抑制，导致短程硝化不稳定问题.此外，高有机物含量可能导致异养菌与AnAOB之间的底物竞争^[10]，降低AnAOB的脱氮效能，并且未能充分利用城市污水中的有机碳源，导致资源的浪费.

为解决上述问题，付昆明等^[11]通过在CANON反应器中添加25mg/L的亚硝酸钠，成功实现了89.09%的总氮去除率.与此同时，Szatkowska等^[12]在25℃的MBBR单级PN/A系统中引入亚硝酸盐，使中试装置达到了1.92kgN/（m³·d）的最大氮去除率.这些研究表明，亚硝酸盐的添加对提升氮去除效率具有显著效果.然而，这种额外添加化学药剂的方法与当前节能和环保的理念相悖，且增加了污水处理厂的运营成本^[13].

基于此，本文提出了一种耦合内源短程反硝化的新型脱氮工艺，即N-EPD-CANON工艺.该工艺利用原废水中的有机物，在厌氧阶段积累聚羟基脂肪酸酯（PHAs），作为内碳源；然后在缺氧条件下，利用这些储存的PHAs推动部分反硝化过程，实现亚硝酸盐的有效积累^[14].研究表明，硝酸盐还原酶（Nar）相较于亚硝酸盐还原酶（Nir）具有更强的电子获取能力^[15].因此，通过调整EPD反应器的缺氧运行时间，可以有效调控系统内源性NO₂^--N的积累量，提升AnAOB的活性，从而实现CANON系统运行性能的稳定和提高.本文旨在验证N-EPD-CANON工艺处理低C/N比模拟生活污水的可行性，并探索EPD系统缺氧反应时间对内源性NO₂^--N积累量的影响.同时，研究内源性NO₂^--N强化条件下CANON系统的处理效能，功能菌活性和微生物菌群结构的影响.通过120d的运行考察了N-EPD-CANON系统的长期运行性能，并利用Illumina高通量测序技术解析了该系统的菌群结构，以探究其氮去除机理.

1　材料与方法

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1.1　接种污泥和实验进水

EPD和N反应器为稳定运行的反应器，CANON接种污泥来自实验室运行的CANON系统.实验使用人工配水模拟城市低氨氮废水，其成分如下：300mg/L C₃H₅O₂Na；70mg/L NH₄⁺-N；300mg/L NaHCO₃；2mg/L KH₂PO₄；30mg/L MgSO₄·7H₂O；50mg/L CaCl₂·5H₂O；以及1mL/L的微量元素浓缩液Ⅰ和Ⅱ^[16].

1.2　反应装置及运行方式

实验使用3个SBR反应器：N-SBR反应器（3L），EPD-SBR反应器（6L）和CANON-SBR反应器（6L），采用机械搅拌（图1）.反应器的运行通过时控开关控制，底部设有曝气盘，曝气量通过气体流量计控制.N-SBR反应器的体积交换率为67%，EPD-SBR和CANON反应器的排水比为83%，EPD反应器的污泥停留时间（SRT）为20d.每个反应器的温度控制在（24±1）℃，进水pH值在7~8.

N-SBR反应器全程曝气，DO控制在（3.5±0.5）mg/L；EPD-SBR反应器采用厌氧-缺氧-好氧模式运行，具体运行参数见表1；CANON反应器采用间歇曝气模式（好氧=10min；缺氧=20min），DO控制在（0.5±0.1）mg/L.

如图1所示，污水首先进入EPD反应器的厌氧区，部分上清液转移到硝化反应器进行完全硝化，处理后的含硝酸盐的液体回流至EPD反应器的缺氧区，还原为亚硝酸盐.最终，含亚硝酸盐和氨氮的上清液进入CANON反应器，实现氨氮的深度去除.

1.3　测定项目与检测方法

COD, NH₄⁺-N, NO₂^--N, NO₃^--N，混合液悬浮固体含量（MLSS）和挥发性悬浮固体含量（MLVSS）采用标准方法测定^[17]：COD采用重铬酸钾法测定，NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法测定，NO₂^--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定，NO₃^--N采用溴麝香草酚蓝紫外分光光度法测定.采用电子显微镜观察颗粒形态变化.

采用热萃取法从混合液中提取EPS^[18].分别测定松散结合的EPS（LB-EPS）及紧密结合的EPS（TB-EPS）中PN，PS，HA含量. EPS总量被确定为多糖（PS），蛋白质（PN）和腐殖酸（HA）的总和^[19].以牛血清白蛋白（BSA）为参考，采用改良的Lowry Folin法测定PN和HA含量^[20].以葡萄糖为参照物，采用硫酸蒽酮法测定PS的含量^[21].

在各阶段的稳定期，收集20~30mL泥水混合物，加0.5mL 1%甲醛溶液终止反应，用于细胞内碳的测定.冷冻干燥生物质后的PHAs和Gly根据之前报道的方法使用安捷伦7780气相色谱仪进行测定和分析^[22].PHAs根据聚-β-羟基丁酸酯（PHB），聚-β-羟基戊酸酯（PHV）和聚羟基-2-甲基戊酸酯（PH2MV）的总和计算.

1.4　AOB, NOB, AnAOB活性测定

根据已有的方法^[23]对AOB,NOB和AnAOB的活性进行测定.从CANON反应器中取出200mL泥水混合物，用去离子水洗涤三次，直至其不含任何底物.然后将污泥转移到500mL厌氧瓶中（DO<0.02mg/L），置于（33±1）℃的水浴摇床中，加入微量元素和氮源.加入50mg/L NH₄⁺-N和10mg/L NO₂^--N作为底物，试验开始后，连续曝气，控制反应体系内的DO浓度为6.0mg/L.每隔20min从系统中取5mL水样，测定水样中NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度，反应时间为120min，用以测定AOB和NOB活性.测定AnAOB活性时，加入30mg/L NH₄⁺-N和40mg/L NO₂^--N作为底物，每隔20min取5mL水样，持续120min，用于分析NH₄⁺-N和NO₂^--N的浓度.参照Li等^[24]的方法计算比厌氧氨氧化活性（SAA）.

1.5　微生物高通量测序分析

为考察系统中微生物菌群结构变化，采集稳定运行阶段第120d的EPD-SBR和CANON-SBR污泥样品进行菌群分析.使用土壤提取试剂盒（E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit，OMEGA）提取DNA.使用正向引物（GACTACHVGGGTATCTAATCC）通过聚合酶链式反应（PCR）扩增细菌16S rRNA基因的V3-V4区域.通过Sangon Biotech（中国上海）的Illumina MiSeq系统（Illumina Miseq2x300bp，USA）进行测序分析.

1.6　计算公式

氨去除率（ARE）的计算公式：

（1）

式中：NH₄⁺-N_int为进水中氨氮的浓度，mg/L；NH₄⁺-N_eff为出水中氨氮的浓度，mg/L.

总氮去除率（TNRE）的计算公式：

（2）

式中：TN_inf为进水总氮浓度，mg/L；TN_eff为出水总氮浓度，mg/L.

AOB, NOB和AnAOB的降解活性分别用生物量特定的氨氮去除速率SAOR,SNPR和SAA表示，计算方法如下：

（3）

式中：SAOR为比氨氮去除速率，mg/（gVSS·h）；[NH₄⁺-N]₀为0时刻氨氮浓度，mg/L；[NH₄⁺-N]_t为t时刻氨氮浓度，mg/L；t为反应时间，h；MLVSS为污泥浓度，g/L.

（4）

式中：SNPR为比硝酸盐氮生成速率，mg/（gVSS·h）；NO₃^--N_t为t时刻硝酸盐氮浓度，mg/L；NO₃^--N₀为0时刻硝酸盐氮浓度，mg/L；t为反应时间，h；MLVSS为污泥浓度，g/L.

（5）

式中：SAA为比厌氧氨氧化活性，mg/（gVSS·h）；C₀为0时刻基质浓度，mg/L；C_t为t时刻基质浓度，mg/L；t为反应时间，h；MLVSS为污泥浓度，mg/L.

2　结果与讨论

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2.1　不同缺氧时间下各系统性能

图2（a）为EPD-SBR运行120d过程中COD，NH₄⁺-N，NO₂^--N以及NO₃^--N的变化情况在长期运行情况.在实验中，EPD-SBR展现出稳定的COD去除性能.EPD-SBR进水COD浓度介于288.6~306.7mg/L，厌氧末端与出水的COD浓度基本一致，出水COD浓度稳定在28.91~37.46mg/L，表明EPD-SBR有效去除了易降解有机物，减轻了后续N-SBR和CANON-SBR处理单元的有机负荷.实验初期，设定60min的缺氧时长（1~20d），足以消耗全部NO₃^--N和NO₂^--N；随着缺氧时间缩短至40min（21~40d）和30min（41~60d），NO₂^--N浓度显著提升至（4.20±0.61）mg/L和（10.65±0.45）mg/L，而NO₃^--N几乎被完全反应掉，此现象归因于反硝化聚糖菌（DGAOs）优先利用NO₃^--N而非NO₂^--N的特性.进一步缩短缺氧时间至20min（61~80d），尽管NO₂^--N浓度稳定在（7.51±0.21）mg/L，但NO₃^--N未完全反应，出水有剩余.根据CANON的脱氮性能和AnAOB的活性，最终确定EPD的缺氧时间为40min，确保出水亚硝酸盐稳定在（4.85±0.25）mg/L且无硝酸盐存在.故寻找适宜缺氧反应时间对EPD系统中亚硝酸盐的积累至关重要.本实验结果表明，EPD系统能为CANON-SBR提供可靠且稳定的内源性NO₂^--N来源.

图2（b）为在长达120d的运行过程中N-SBR运行0~120d过程中NH₄⁺-N，NO₂^--N，NO₃^--N以及氨氮去除率的变化情况.N-SBR始终保持良好的硝化性能，出水NO₃^--N浓度稳定在45.3~51.0mg/L，NH₄⁺-N转化率大于90%，且出水NO₂^--N浓度接近于0mg/L，表明有机物在EPD-SBR中已被充分预处理，N-SBR的稳定运行为后续步骤提供了可靠的NO₃^--N供给，同时微小的总氮损失归因于微生物生长代谢需求.

图2（c）为CANON-SBR运行0~120d过程中NH₄⁺-N，NO₂^--N，NO₃^--N，总氮去除率以及ΔNO₃^--N/ΔTN的变化情况.反应器进水来自EPD-SBR的出水，NH₄⁺-N浓度维持在（37.03±2.95）mg/L.初始阶段（1~20d），由于新接种环境中AnAOB与AOB的活性受限，TN去除效率（TNRE）仅达50.82%，但随着生物群落的适应，TNRE迅速提升至71.94%，出水TN降至（9.54±1.05）mg/L，出水中NO₂^--N浓度较高为（4.17±0.64）mg/L，说明AnAOB活性较低，ANAMMOX反应未高效进行，但出水硝酸盐氮浓度较低，表明NOB活性被抑制.在21~40d，随着进水NO₂^--N浓度的提升，TNRE增强至81.99%，氨氮接近完全去除，出水中的NO₂^--N水平进一步降低，揭示了内源性NO₂^--N供应下AnAOB活性的不断增强.需注意的是，出水亚硝酸盐浓度维持在（0.99±1.20）mg/L，暗示进水亚硝酸盐含量成为CANON反应的限制因素，因此再次调整EPD单元缺氧时间.在41~60d，进水NO₂^--N进一步升高，初期观测到出水NO₂^--N浓度的再度减低，但随后出水硝酸盐氮上升，伴随TNRE略降至76.20%.这可能是部分NO₂^--N被转化为硝酸盐氮，且在亚硝酸盐作为充足底物的条件下，NOB活性有所回升，短程硝化过程被破坏.在61~80d，尽管进水NO₂^--N含量略有下降，但出水中的NO₂^--N浓度亦随之减少，表明NOB活性受到抑制.分析认为，这是由于高浓度亚硝酸盐环境下AnAOB活性显著增强，与NOB之间的竞争加剧所致^[25].

2.2　不同缺氧时间调控下CANON系统典型周期物质代谢分析

为了深入探究不同内源性NO₂^--N浓度对CANON工艺脱氮效果的影响，本研究在第20,40,60,80d监测了CANON反应器的特定周期，并分析了反应器中各氮形态元素的变化情况.

根据图3（a）的结果，反应器在不同阶段对NH₄⁺-N的去除效率分别为89.86%, 99.56%, 99.99%,98.40%.在最初的1h内，第40,60,80d的反应器内氨氮去除速率显著快于第20d.这一现象可能归因于CANON颗粒污泥独特的生物学结构和本实验间歇曝气策略，在颗粒污泥中AOB和AnAOB紧密共生，形成一种特殊的空间分布，使得在好氧条件下也能进行厌氧氨氧化反应，AOB主要位于颗粒表面进行氨的氧化，而AnAOB则主要位于颗粒内部进行厌氧氨氧化.间歇曝气为CANON系统提供了必要的氧气供应，同时避免了过高的DO水平，后者对AnAOB具有抑制作用.通过间歇曝气，可以创造一个适宜的微环境，促进AOB和AnAOB的活性.此外，内源性NO₂^--N浓度的供给为ANAMMOX过程提供了获得NO₂^--N的另一条道路.

图3（b）显示，NO₂^--N的消耗速率低于其生成速率，这表明反应初期AnAOB菌受到底物NO₂^--N浓度的限制.在第20d，NO₂^--N浓度在2h内先增加至3.59mg/L，随后逐渐稳定，最终上升至4.08mg/L.这些NO₂^--N主要来源于好氧阶段的短程硝化过程，表明AnAOB的氨氧化速率与AOB产生的亚硝酸盐速率密切相关^[26].在第40d，反应器内NO₂^--N浓度在反应最初的2h内基本维持在4mg/L左右，随后逐渐减少至1.07mg/L.而第60d和第80d的反应器内NO₂^--N浓度持续下降，表明较高的初始内源性NO₂^--N浓度能够提高AnAOB的活性并增加ANAMMOX速率.如果仅依赖AOB的短程硝化作用来提供NO₂^--N，ANAMMOX反应在初期将无法达到最大效率.因此，向系统适量供给初始内源性NO₂^--N可以激发AnAOB的活性.

图3（c）展示了反应器中NO₃^--N的浓度变化，四个周期的反应器内NO₃^--N浓度均呈现逐渐增加的趋势.第60d的NO₃^--N增加量最为显著，出水NO₃^--N浓度达到8.65mg/L可能由于系统高NO₂^--N负荷引起NOB活性有所恢复.尽管第80d的出水NO₃^--N浓度与第60d基本一致，但主要原因在于系统进水NO₃^--N浓度较高，而非NOB活性的增强.此外，第20d的NO₃^--N浓度略低于理论值，表明系统内存在一定程度的反硝化作用，从而在一定程度上提高了总氮去除率.

2.3　不同阶段CANON反应器中功能菌活性分析

如图4所示，实验初期反应器的SAOR为0.65gN/（gVSS⋅d），至第38d，SAOR值达到峰值，为0.72gN/（gVSS⋅d）.这可能是由于AOB在实验过程中逐渐适应了反应器内的环境条件，从而在有限的氨底物供应下，通过自身的代谢调节机制，更高效地进行氨氧化反应.此后，在后续的运行过程中，SAOR值未出现显著变化，直至实验结束时，略微变化至0.70gN/（gVSS⋅d）.这主要是因为进水氨浓度始终保持在较低水平，持续限制了AOB的降解速率，使得其活性无法进一步大幅提升，仅因一些微小的环境波动等因素产生略微的数值变动.

在实验初期，反应器的SAA为0.45gN/（gVSS⋅d）.此阶段，AnAOB难以适应新的环境条件，在与NOB竞争电子受体NO₂^--N的过程中处于劣势.这种竞争主要围绕NO₂^--N展开，由于AnAOB在竞争中不占优势，其基质供应受到严重影响，进而抑制了AnAOB的活性.随着系统的运行，到第18d，SAA增至0.58gN/（gVSS⋅d），但这一增长可能是由于系统在启动初期自身的一些调整，并非AnAOB活性的真正提升.在夏琼琼等^[27]的研究中，间歇曝气能通过增加AOB活性而抑制NOB，并且AnAOB对间歇曝气模式有很好的适应性，从而提高系统的TN去除率.因此，适应过程完成后，AnAOB的活性逐渐恢复，这一现象在实验数据中得到了体现.

在第38d，进水内源性NO₂^--N浓度为3.6~4.8mg/L.由于充足的NO₂^--N基质，AnAOB活性得到提升，在与NOB的电子受体竞争中取得了优势，使NOB的活性受到抑制.这导致SAA增至0.71gN/（gVSS·d），SNPR降至0.30gN/（gVSS·d）.到第58d，进水中的NO₂^--N浓度升至10.2~11.3mg/L，高浓度的NO₂^--N促使NOB活性恢复，使得AnAOB在竞争中处于劣势，从而导致SAA降至0.52gN/（gVSS·d）.到第78d，进水中的NO₂^--N浓度为7.2~7.7mg/L.与之前阶段相比，NOB的活性较低，但AnAOB的活性有所恢复，SAA提高至0.65gN/（gVSS·d）.在第81至120d期间，进水中的NO₂^--N浓度维持在约4mg/L，这一浓度有利于AnAOB的活性提升，并抑制了NOB.到第118d，SAA进一步提升至0.82gN/（gVSS·d），SNPR降至0.28gN/（gVSS·d）.总体而言，基于内源性NO₂^--N的调控和间歇曝气的模式，AnAOB的活性得到了有效提升，同时抑制了NOB的活性.

2.4　CANON污泥理化特性及EPS分析

2.4.1　污泥理化特性分析

如图5所示，实验初期，污泥呈现出细小，形状不规则的絮状结构，颜色为浅色调.随着内源性NO₂^--N供应的影响，污泥特性逐渐改变.当AnAOB活性因内源性NO₂^--N提升时，其新陈代谢加快，胞内血红蛋白含量增加，使得污泥区域灰度值降低，在显微镜下形成深色颗粒，这些高对比度颗粒在第20d和第40d的观测中显著增多.

相反，当NOB活性恢复时，如第60d，深色颗粒数量减少；而当NOB再次被抑制，如第80d，污泥区域的整体灰度值进一步下降.在第81~120d，适宜的内源性NO₂^--N供应使AnAOB活性保持较高水平，污泥颗粒通过聚集形成更规则且密实的结构，显微图像中可见明显的颗粒边界和致密纹理特征.这一过程不仅反映了微生物活性的变化，也揭示了内源性NO₂^--N在调控微生物活性中的关键作用.具体来说，内源性NO₂^--N作为调控因素，通过影响AnAOB的活性，进而影响了整个微生物群落的代谢活动，最终表现为污泥颜色的变化.

2.4.2　EPS质量分数变化

EPS对于颗粒污泥的形成和稳定至关重要，由PN和PS组成^[28-29].EPS的PN主要影响颗粒污泥相对疏水性和表面电荷，而PS主要起架桥作用，有助于形成稳定地三维网状结构^[30].在不同阶段下，CANON污泥的EPS质量分数总体上呈现不规则增长趋势，从开始的69.171mg/gVSS增长到105.625mg/gVSS（图6）.这主要归因于内源性NO₂^--N强化作用下，AnAOB菌的活性增加，其生长代谢增强，分泌了更多的EPS.EPS作为微生物新陈代谢分泌的高分子聚合物，聚集在细胞外形成凝胶状物质，有效抵抗外界环境的胁迫，保护细胞内部结构免受有害物质的破坏^[31].在本研究中，内源性NO₂^--N的供给和间歇曝气模式，不需要精确控制溶解氧，为AnAOB菌提供了适宜的环境.

PS的质量分数仅有轻微变化，而PN的质量分数显著增加，有利于CANON污泥的长期稳定运行，表明PN在污泥聚集形成颗粒过程中起关键作用.此外，PN/PS的比例从3.38增加到4.19.PN的增加和PN/PS比例的提高，增强了污泥表面的疏水性，促进了污泥的聚集，这对于CANON污泥的长期稳定运行至关重要，有助于实现系统的稳定脱氮.

2.4.3　三维荧光的平行因子分析

利用PARAFAC模型对EPS的荧光组分进行了深入分析，包括组分的拆分与残差分析，将荧光组分解析为数个独立组分.根据文献[31]的分类，组分被划分为五个区域：区域一和区域二主要包含芳香族蛋白质；区域三为类富里酸；区域四为类可溶性微生物副产物；区域五则为类腐殖酸.如图7（a）所示，在整个实验期间，EPS的荧光组分变化不明显.在高浓度内源性亚硝酸盐的影响下，芳香族蛋白质略有减少.在最适浓度的内源性亚硝酸盐强化下，芳香族蛋白质呈现增加趋势，尤其是酪氨酸类蛋白的荧光强度有所上升（图7（b）），与前文中提到的EPS组分中PN质量分数的增加相一致.具体来说，芳香族蛋白质在15d时占比为25%，在115d时增至53%；相对地，类可溶性微生物副产物的占比从72%降至35%.芳香族蛋白质比例的增加和类可溶性微生物副产物比例的减少，共同促进了CANON污泥的颗粒化进程，这是微生物为适应颗粒化环境调整代谢途径的结果，有助于提高污泥的稳定性和系统的脱氮效率.

2.5　N-EPD-CANON系统菌群结构解析

图8展示了EPD和CANON反应器在属水平上的微生物群落分布情况.典型的GAOs有Candidatus_Competibacter, Defluviicoccus和Dechloromonas，在EPD-SBR系统中，Candidatus_Competibacter是优势菌属，相对丰度为24.61%，Defluviicoccus的相对丰度为7.24%.这些功能菌对于EPD-SBR系统内碳源的转化和反硝化过程至关重要.在CANON-SBR系统中，检测到与短程硝化有关的亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas，2.67%），这确保了AnAOB的NO₂^--N供应.同时，还检测到了少量的硝化螺旋菌属（Nitrospira，0.06%），这表明内源性NO₂^--N的加入并未破坏短程硝化过程.此外，AnAOB相关的主要菌属包括Candidatus Brocadia（13.34%）和Candidatus Kuenenia（5.69%），在内源性NO₂^--N的强化作用下，AnAOB的丰度较高，其中Candidatus Brocadia是优势菌属.

2.6　N-EPD-CANON工艺的深度脱氮途径研究

在工艺运行的115d对EPD系统和CANON系统中的化学计量进行研究，以分析N-EPD-CANON工艺脱氮途径.如图9所示，本研究监测了一个典型周期内COD, N, PO₄^3--P, PHAs和Gly浓度变化，以探究EPD系统胞内外物质的变化情况.在厌氧阶段，COD浓度迅速下降至29.75mg/L，厌氧释磷量达到3.80mg/L，Gly浓度从26.77mmol C/L下降至20.19mmol C/L，PHAs从18.01mmol C/L增加至48.33mmol C/L（主要是PHV变化，PHB和PH2MV在整个厌氧阶段基本保持不变）.在缺氧阶段，COD浓度保持稳定，表明外部碳源在厌氧阶段已基本消耗完毕；PO₄^3--P浓度在40min内下降至0.27mg/L，缺氧吸磷量达到4.88mg/L. NO₃^--N浓度在40min内从16.72mg/L下降至0.83mg/L，而NO₂^--N浓度随之上升至4.62mg/L，ΔPHAs/ΔGly（1.56mmol C/mmol C）接近模型^[33]（1.59mmol C/mmol C）.根据文献[33]公式计算，在厌氧阶段DPAOs菌释磷量为3.80mg/L，储存为内碳源的COD为265.85mg/L，DPAOs菌对细胞内碳源储存的贡献比例仅占2.86%，而DGAOs菌对细胞内碳源储存的贡献显著（97.14%）.在缺氧阶段，DPAOs菌吸磷量为3.99mg/L，根据DPAOs菌模型^[35]（PUA/NaRA=2.1mgP/mgN）进行计算，DPAOs菌在缺氧阶段对硝酸盐去除的贡献比例为14.64%，NO₃^--N的去除主要是DGAOs菌代谢活动所主导.

TayàC等^[36]通过在缺氧条件下使用亚硝酸盐作为电子受体（30~50mg/L），对丙酸喂养的污泥进行了超过50d的处理，最终富集的污泥中PAO丰度（85%），GAO（<10%）.鞠洪海等^[37]研究发现，NO₂^--N浓度增加对DGAOs的活性有明显的抑制作用，缺氧段PHAs消耗量由97.8mg/g降至60.8mg/g，且消耗PHA产生的能量更多地被转移到其他途径，如Gly的合成中，而非用来支持DGAOs的增殖.以上研究说明EPD系统不适合单独为ANAMMOX过程提高浓度亚硝酸盐，适合用于提供低浓度的亚硝酸盐.

如图10所示，进水污水中的90%的COD在EPD-SBR厌氧段被DGAOs吸收并转化为内碳源.EPD-SBR系统厌氧段中的氮以氨氮形式为主，氨氮在进水完全混合后的浓度为58.47mg/L，并在厌氧段可能会发生微量（4.5%）的下降，这是由于微生物吸附和生长代谢导致的氨氮下降.N-SBR系统硝化率为90.83%，出水NO₃^--N浓度在50.72mg/L.在EPD-SBR缺氧段中，硝酸盐氮混合后浓度在16.91mg/L，内源短程反硝化将硝酸盐氮先还原为亚硝酸盐氮，部分亚硝酸盐氮进一步被DGAOs还原为N₂. EPD-SBR最终出水COD为33.47mg/L，氨氮为39.46mg/L，亚硝酸盐氮4.62mg/L.在CANON-SBR系统通过间歇曝气控制和内源性NO₂^--N强化，系统氨氮去除率达到99.67%，TNRE在87.62%，出水TN为5.53mg/L，绝大部分为硝酸盐氮（4.6mg/L）.在长达120d的运行中，EPD系统表现了稳定优越的亚硝酸盐供给能力，CANON系统表现了稳定的短程硝化和高效厌氧氨氧化氮去除能力.对溶解氧和FA抑制控制短程硝化而言，本策略操作简单，同时将碳捕捉和氮去除放在不同反应器中，有效的避免了异养菌对生长缓慢的AnAOB菌的底物竞争，为AOB菌和AnAOB菌的生长代谢提供了有利环境.

3　结论

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3.1　本文通过控制EPD系统缺氧时间，实现内源性NO₂^--N积累，N-EPD-CANON工艺总氮去除率平均为86.43%，能够有效应对高有机负荷条件低氨氮下的废水处理挑战.

3.2　通过功能菌活性分析结果表明，在4mg/L左右的内源性亚硝酸盐浓度下，CANON系统中的AnAOB（SAA，0.82）和AOB菌活性较高，两者之间实现良好的平衡，并有效抑制了NOB菌的活性.

3.3　内源性亚硝酸盐的强化作用在不改变EPS组成成分的前提下，有效提升了芳香族蛋白质的含量，有助于污泥颗粒化及其稳定性的提高.

3.4　EPD系统的优势菌属是Candidatus Competibacter，其相对丰度达到了24.61%.同时，在CANON系统中，亚硝化单胞菌属Nitrosomonas的相对丰度为2.67%.AnAOB的优势菌属Candidatus Brocadia表现出较高的相对丰度（13.34%），是ANAMMOX过程高效进行的一个重要体现，同时内源性NO₂^--N对AnAOB活性的促进作用，两者共同作用实现了高效的脱氮效果.

基金

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2025年第45卷第5期

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接收时间：2024-09-26
首发时间：2026-03-18
出版时间：2025-05-20

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收稿日期：2024-09-26

基金

北京高校卓越青年科学家计划项目(BJJWAZYJH01201910005019)

作者信息

^1.北京工业大学，水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京 100124

^2.哈尔滨工业大学，城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150090

通讯作者:

^* 责任作者，教授，lidong2006@bjut.edu.cn

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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