在國家雙碳戰(zhàn)略背景下，厭氧氨氧化脫氮技術(shù)因可助推污水處理減污降碳而備受關(guān)注。然而厭氧氨氧化菌生長緩慢（倍增時間約為2周），對環(huán)境因子敏感，導(dǎo)致厭氧氨氧化種泥培育周期過長，制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。我院王亞宜教授團(tuán)隊(duì)提出一種硝酸鹽驅(qū)動的原位氧化策略將污水廠污泥升級為厭氧氨氧化種泥的創(chuàng)新研究思路，成功實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化種泥的快速培育和污泥的循環(huán)利用。相關(guān)成果“Upcycling sewage sludge into anammox seeds via in situ nitrate-driven oxidation”發(fā)表在2025年9月17日的Nature Sustainability期刊上。王亞宜教授為通訊作者，博士生盛豪為第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金（No. 52225001）和國家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合項(xiàng)目（No. U24A20185）的資助。
人口快速增長導(dǎo)致全球范圍內(nèi)污水廠污泥產(chǎn)量顯著增加，預(yù)計到2025年全球每年污泥產(chǎn)量將超過1億噸。厭氧氨氧化被認(rèn)為是下一代污水處理廠實(shí)現(xiàn)低碳、高效脫氮的核心技術(shù)，該技術(shù)的工程應(yīng)用高度依賴充足的高活性種泥。然而，厭氧氨氧化功能菌生長緩慢導(dǎo)致其種泥培育周期過長，極大制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。利用污泥高效轉(zhuǎn)化為厭氧氨氧化種泥兼具推進(jìn)污泥資源化和污水高效低碳脫氮的雙重意義，是一條“以廢治廢”的新路徑。30年前，研究人員在一個處理含高濃度有機(jī)物、硫化物和銨鹽廢水的反硝化流化床中首次觀察到硝酸鹽與銨鹽同步消耗現(xiàn)象，從而發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化過程。同時，在河湖底泥投加硝酸鈣原位修復(fù)過程中，也發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化功能基因絕對豐度在氮循環(huán)相關(guān)功能基因中增長最為顯著。受到以上現(xiàn)象啟發(fā)，本研究團(tuán)隊(duì)開展了利用硝酸鹽驅(qū)動的原位氧化策略將污水廠污泥轉(zhuǎn)化為厭氧氨氧化種泥的研究。
以污水廠厭氧消化污泥為研究對象，設(shè)置了實(shí)驗(yàn)組（前37天進(jìn)水僅添加硝酸鹽，后續(xù)進(jìn)水底物切換為銨鹽和亞硝酸鹽）和對照組（進(jìn)水為銨鹽和亞硝酸鹽反應(yīng)底物，全程未添加硝酸鹽）兩組反應(yīng)器。結(jié)果表明，實(shí)施該策略的實(shí)驗(yàn)組在1–15天觀察到明顯的亞硝酸鹽積累現(xiàn)象（圖1d），17天后出水銨鹽和亞硝酸鹽開始同步降低，表明發(fā)生明顯的厭氧氨氧化反應(yīng)（圖1a, d），而對照組在47天后才出現(xiàn)明顯的厭氧氨氧化反應(yīng)（圖1j, k）。隨后，實(shí)驗(yàn)組中觀察到厭氧氨氧化種泥在三個月內(nèi)形成（圖3g），并快速發(fā)育為成熟的厭氧氨氧化污泥（圖3h, i, j），而對照組中未觀察到明顯的厭氧氨氧化種泥形成。穩(wěn)定運(yùn)行200天后，實(shí)驗(yàn)組和對照組平均總氮去除率均可達(dá)到90%以上（圖2f），而72小時沿程實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組總氮去除速率（kg/m3/d）較對照組提升70%（圖2l）。
圖1：厭氧氨氧化種泥培育期（1–37天）和富集期（38–102天）理化指標(biāo)
圖2：厭氧氨氧化種泥成熟期（103–210天）和72小時沿程實(shí)驗(yàn)（207–210天）理化指標(biāo)
圖3：實(shí)驗(yàn)組與對照組中厭氧氨氧化種泥的形態(tài)發(fā)育差異
通過分析厭氧氨氧化菌群共生菌屬、共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和氮素轉(zhuǎn)化功能基因結(jié)果表明，異養(yǎng)反硝化菌Denitratisoma 、硫驅(qū)動的自養(yǎng)反硝化菌Thiobacillus和反硝化厭氧甲烷氧化古菌（DAMO）參與了硝酸鹽還原為亞硝酸鹽反應(yīng)（圖4a），它們可利用污泥釋放的碳、還原性硫和甲烷作為電子供體，為厭氧氨氧化菌提供了穩(wěn)定的底物（NO2-）來源。這部分亞硝酸鹽與污泥自身釋放的氨氮共同為厭氧氨氧化菌的生長提供了底物驅(qū)動，促進(jìn)了其快速增殖。
圖4：硝酸鹽驅(qū)動的原位氧化策略機(jī)制和污水廠污泥原位升級為厭氧氨氧化種泥路線
作者創(chuàng)新提出了一種硝酸鹽驅(qū)動的原位氧化策略，充分利用污泥自身釋放的還原性物質(zhì)作為電子供體（碳、硫、甲烷和氨氮），誘導(dǎo)驅(qū)動短程反硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)，繼而實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化菌快速增殖。該策略為厭氧氨氧化種泥快速培育提供了一種高效、經(jīng)濟(jì)的新途徑，有力推進(jìn)了污泥資源化利用和污水低碳高效脫氮(圖4b)，助力了污水處理行業(yè)減污降碳協(xié)同增效的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-025-01635-4
