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FESE研究 | 部分硝化-厌氧氨氧化系统中生物炭介导的微生物协同作用 |
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论文标题：Biochar mediated microbial synergy in Partial nitrification–anammox systems: enhancing nitrogen removal efficiency and stability
期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering
作者：Jingwei Fu, Yifei He,Hexiang Zhao,Hao Yang,Qian Li,Rong Chen, Yu-You Li
发表时间：15 Jul 2025
DOI：10.1007/s11783-025-2015-6
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近日，西安建筑科技大学环境与市政工程学院李倩教授在Frontiers of Environmental Science & Engineering期刊第19卷第7期发表了题为“Biochar mediated microbial synergy in Partial nitrification–anammox systems: enhancing nitrogen removal efficiency and stability”的研究论文。
部分硝化-厌氧氨氧化（PN/A）工艺通过耦合氨氧化细菌（AOB）与厌氧氨氧化细菌（AnAOB）实现高效脱氮，较传统硝化反硝化工艺减少了63%的曝气能耗及有机碳需求。然而，该技术面临两大挑战：亚硝酸盐氧化细菌（NOB）与AOB竞争溶解氧导致亚硝酸盐积累率对氮负荷波动敏感；AnAOB代谢产生的硝酸盐及NOB副产物导致出水总氮超标。生物炭具有多孔结构、丰富的表面官能团及氧化还原调节能力，被视为潜在的优化材料，但其在PN/A系统中的协同作用机制尚未明确。
研究团队构建了包含序批式反应器（SBR）与两个膨胀颗粒污泥床反应器（ACK对照组与ABC生物炭组）的实验系统，在进水氨浓度为300-800 mg/L的条件下开展了长期的运行实验。结果显示，生物炭显著提升了系统的脱氮性能：在高氨负荷（800 mg/L）下，ABC组脱氮效率（NRE）达到83.58%，较ACK组提高了10%，且硝酸盐积累量降低了30.43 mg/L（图1）。
图1 部分硝化厌氧氨氧化（PN/A）系统的脱氮性能。
进一步分析表明，生物炭通过多重机制发挥作用。一方面，其表面的醌基与酚羟基等氧化还原活性基团作为电子穿梭体，加速了直接种间电子传递（DIET），使电子传递系统活性（ETSA）较对照组提高13%-46%，显著增强了部分反硝化（PD）过程，减少了硝酸盐的生成。另一方面，多孔结构为AnAOB与反硝化细菌（DNB）提供了附着位点，促进其富集。高通量测序显示ABC组中Candidatus Brocadia（AnAOB的一种）丰度在阶段III达到2.39%，显著高于对照组的1.43%，DNB丰度从阶段I的44.6%增至阶段III的55.7%，且两者的动态平衡得以维持（图2）。同时生物炭上调了氮代谢关键基因的表达，使AnAOB的比厌氧氨氧化活性（SAA）提升1.25-1.46倍，进一步巩固了系统的稳定性。
图2 （a）属水平微生物群落组成；（b）ABC组厌氧氨氧化菌（AnAOB）和反硝化菌（DNB）与环境因子的Mantel分析；（c）阶段III中氮代谢相关功能基因的拷贝数。
本研究表明，生物炭通过强化电子传递、调控微生物互作及功能基因表达，有效缓解了PN/A系统的硝酸盐积累问题并提升了稳定性。在工程层面，生物炭的应用可降低曝气需求，显著减少了能耗，同时实现了“以废治废”的碳循环利用。未来研究需进一步探索生物炭在单级PN/A系统中的作用机制，并解决其在大规模应用中可能面临的流失风险与长期稳定性问题，为推动废水处理工艺的低碳化发展提供技术支持。
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本文内容来自FESE期刊2025年第19卷第7期发表的研究文章“Biochar mediated microbial synergy in Partial nitrification–anammox systems: enhancing nitrogen removal efficiency and stability”。通讯作者为西安建筑科技大学环境与市政工程学院李倩教授。
引用格式：Jingwei Fu, Yifei He, Hexiang Zhao, Hao Yang, Qian Li, Rong Chen, Yu-You Li. Biochar mediated microbial synergy in Partial nitrification–anammox systems: enhancing nitrogen removal efficiency and stability. Front. Environ. Sci. Eng., 2025, 19(7): 95 https://doi.org/10.1007/s11783-025-2015-6
期刊简介
Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊。
主编：曲久辉院士，John Crittenden院士
期刊官网1（国内免费获取）
https://journal.hep.com.cn/fese/EN
期刊官网2
www.sprnger.com/journal/11783
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