环境科学与工程学院王亚宜团队在《自然·可持续发展》上发表基于硝酸盐驱动的原位氧化策略将污泥升级为厌氧氨氧化种泥
在国家“双碳”战略背景下，厌氧氨氧化脱氮技术因可助推污水处理减污降碳而备受关注。然而厌氧氨氧化菌生长缓慢（倍增时间约为2周），对环境因子敏感，导致厌氧氨氧化种泥培育周期过长，制约了该技术的推广应用。同济大学环境科学与工程学院王亚宜教授团队提出一种硝酸盐驱动的原位氧化策略将污水厂污泥升级为厌氧氨氧化种泥的创新研究思路，成功实现厌氧氨氧化种泥的快速培育和污泥的循环利用。相关成果以“Upcycling sewage sludge into anammox seeds via in situ nitrate-driven oxidation”为题发表在9月17日的《自然·可持续发展》（Nature Sustainability）期刊上。
人口快速增长导致全球范围内污水厂污泥产量显著增加，预计到2025年全球每年污泥产量将超过1亿吨。厌氧氨氧化被认为是下一代污水处理厂实现低碳、高效脱氮的核心技术，该技术的工程应用高度依赖充足的高活性种泥。然而，厌氧氨氧化功能菌生长缓慢导致其种泥培育周期过长，极大制约了该技术的推广应用。利用污泥高效转化为厌氧氨氧化种泥兼具推进污泥资源化和污水高效低碳脱氮的双重意义，是一条“以废治废”的新路径。30年前，研究人员在一个处理含高浓度有机物、硫化物和铵盐废水的反硝化流化床中首次观察到硝酸盐与铵盐同步消耗现象，从而发现了厌氧氨氧化过程。同时，在河湖底泥投加硝酸钙原位修复过程中，也发现了厌氧氨氧化功能基因绝对丰度在氮循环相关功能基因中增长最为显著。受到以上现象启发，研究团队开展了利用硝酸盐驱动的原位氧化策略将污水厂污泥转化为厌氧氨氧化种泥的研究。
以污水厂厌氧消化污泥为研究对象，设置了实验组（前37天进水仅添加硝酸盐，后续进水底物切换为铵盐和亚硝酸盐）和对照组（进水为铵盐和亚硝酸盐反应底物，全程未添加硝酸盐）两组反应器。结果表明，实施该策略的实验组在1至15天观察到明显的亚硝酸盐积累现象（图1d），17天后出水铵盐和亚硝酸盐开始同步降低，表明发生明显的厌氧氨氧化反应（图1a，d），而对照组在47天后才出现明显的厌氧氨氧化反应（图1j，k）。随后，实验组中观察到厌氧氨氧化种泥在三个月内形成（图3g），并快速发育为成熟的厌氧氨氧化污泥（图3h，i，j），而对照组中未观察到明显的厌氧氨氧化种泥形成。稳定运行200天后，实验组和对照组平均总氮去除率均可达到90%以上（图2f），而72小时沿程实验结果表明，实验组总氮去除速率（kg/m3/d）较对照组提升70%（图2l）。
图1、厌氧氨氧化种泥培育期（1–37天）和富集期（38–102天）理化指标
图2、厌氧氨氧化种泥成熟期（103–210天）和72小时沿程实验（207–210天）理化指标
图3、实验组与对照组中厌氧氨氧化种泥的形态发育差异
通过分析厌氧氨氧化菌群共生菌属、共现网络和氮素转化功能基因结果表明，异养反硝化菌Denitratisoma 、硫驱动的自养反硝化菌Thiobacillus和反硝化厌氧甲烷氧化古菌（DAMO）参与了硝酸盐还原为亚硝酸盐反应（图4a），它们可利用污泥释放的碳、还原性硫和甲烷作为电子供体，为厌氧氨氧化菌提供了稳定的底物（NO2-）来源。这部分亚硝酸盐与污泥自身释放的氨氮共同为厌氧氨氧化菌的生长提供了底物驱动，促进了其快速增殖。
图4、硝酸盐驱动的原位氧化策略机制和污水厂污泥原位升级为厌氧氨氧化种泥路线
作者创新提出了一种硝酸盐驱动的原位氧化策略，充分利用污泥自身释放的还原性物质作为电子供体（碳、硫、甲烷和氨氮），诱导驱动短程反硝化和厌氧氨氧化反应，继而实现了厌氧氨氧化菌快速增殖。该策略为厌氧氨氧化种泥快速培育提供了一种高效、经济的新途径，有力推进了污泥资源化利用和污水低碳高效脱氮(图4b)，助力了污水处理行业减污降碳协同增效的目标实现。
王亚宜教授为论文通讯作者，博士生盛豪为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金和国家自然科学基金区域联合项目的资助。
