北京工商大学环境科学与工程系孙迎雪教授团队发表了《氮负荷对采用长污泥龄的活性污泥工艺中微生物群落结构与脱氮性能的影响》论文。生物脱氮除磷工艺在控制城市污水处理及再生利用厂氮、磷污染方面发挥着关键作用。城市污水处理效率受进水水质波动的影响较大。本研究探讨了氮负荷对长污泥龄（SRT）活性污泥系统脱氮效率及微生物群落结构的影响。结果表明，出水氨氮（NH₄⁺-N）和亚硝酸盐氮（NO₂⁻-N）浓度均低于 0.5 mg/L，总氮（TN）去除率分别为 79.77% 和 65.80%。随着氮负荷的增加，脱氢酶活性、比耗氧速率、比硝化速率和比反硝化速率均呈上升趋势。在门水平上，两个系统中最优势的细菌均隶属于变形菌门（Proteobacteria），占比分别为 60.65% 和 48.62%。在属水平上，不动杆菌属（Acinetobacter）、陶厄氏菌属（Thauera）和动胶菌属（Zoogloea）在反硝化过程中发挥重要作用。氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）分别为属于 r 对策者的亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）和属于 K 对策者的硝化螺旋菌属（Nitrospira）。

本研究的反应器的运行性能在 153 天的时间内进行了评估，结果如图 1 所示。进水化学需氧量（COD）平均浓度呈现相对稳定的趋势，为 296.94±22.19 mg/L。在第一阶段（1-51 天）的初始启动期，出水总氮（TN）浓度出现波动，这归因于活性污泥对新运行条件的适应过程。此阶段观察到总氮浓度整体下降、总氮去除效率逐步上升的趋势。随着运行的推进，出水总氮浓度逐渐趋于稳定，总氮浓度持续下降，而总氮去除效率则不断提高。在第二阶段（52-102 天），平均氮负荷率为 18.2±1.1 mgTN/gSS・d，出水 COD、TN 和硝酸盐氮（NO₃⁻-N）的平均浓度分别为 52.06±7.32 mg/L、6.07±0.91 mg/L 和 2.30±0.91 mg/L。在进水 COD/TN 比平均为 10 的条件下，COD 和 TN 的去除效率分别为 82.6% 和 79.8%。在随后的第三阶段（103-153 天），平均氮负荷率为 31.5±2.4 mgTN/gSS・d，出水 COD、TN 和硝酸盐氮的平均浓度分别为 43.81±5.06 mg/L、17.51±1.48 mg/L 和 14.32±1.60 mg/L。在进水 COD/TN 比平均为 5.6 的条件下，COD 和 TN 的去除效率分别为 84.6% 和 65.8%。在各个阶段中，出水氨氮（NH₄⁺-N）和亚硝酸盐氮（NO₂⁻-N）浓度始终低于 0.5 mg/L，氨氮去除效率超过 99%。但随着氮负荷的增加，总氮去除效率下降了 14%。此外，研究发现较低的碳氮比有利于 COD 的去除，这与先前的研究结果一致。

图1 不同进水总氮负荷下进出水污染物浓度及去除效率变化：

（a）化学需氧量（COD）（b）氮素（c）氨氮（NH₄⁺-N）和总氮（TN）去除效率

图 2展示了不同进水氮负荷条件下，碳源在脱氮和除碳路径中的分配情况。碳源主要用于微生物同化作用、好氧微生物氧化作用以及反硝化细菌的反硝化作用等过程。结果显示，在第二阶段，出水、微生物同化、好氧氧化和反硝化过程中化学需氧量（COD）的占比分别为 13.5%、29.6%、40.9% 和 16.0%。相反，在第三阶段，这些占比分别为 13.1%、28.2%、35.4% 和 23.3%。出水 COD 的占比相对稳定，表明在不同氮负荷条件下存在难降解有机物。在第三阶段，用于脱氮的 COD 分配更为均衡。然而，在第二阶段，40% 的 COD 被好氧细菌直接氧化，导致碳源利用不充分。

图2 不同进水总氮负荷下化学需氧量（COD）的分布情况

脱氢酶是一种与有机物氧化磷酸化密切相关的胞内酶，可作为污水处理系统中微生物活性的指标。如图 3 所示，在第二阶段和第三阶段的初始进水后，脱氢酶活性（DHA）分别达到3.31 mgTF/(gMLSS・h) 和5.04 mgTF/(gMLSS・h) 的峰值。随着反应时间的推移，每个阶段的脱氢酶活性开始下降。具体而言，在 120 分钟的缺氧反应阶段，第二阶段和第三阶段的脱氢酶活性分别降至 1.84 mgTF/(gMLSS・h) 和 4.73 mgTF/(gMLSS・h)。在第 130 分钟反应从缺氧模式转为好氧模式时，脱氢酶活性出现显著上升，这主要是由于缺氧条件下有机物降解不完全，而反应器转为曝气运行后，有氧环境的突然转变促进了有机物更高效的降解和硝化作用，从而导致脱氢酶活性激增。随后，脱氢酶活性在 140 分钟后呈下降趋势，并在 180 分钟时趋于稳定。这一现象归因于高浓度有机物、良好的生物降解性以及大量脱氢酶的存在。当有机物含量不足时，脱氢酶含量会下降。在曝气阶段结束时，第二阶段和第三阶段的脱氢酶活性分别为 1.85 mgTF/(gMLSS・h) 和 3.92 mgTF/(gMLSS・h)。在整个运行期间，第三阶段的脱氢酶活性始终高于第二阶段，这可能是因为较高的氮负荷通常会导致微生物对额外氮的处理需求增加，从而使微生物活性增强。这种活性的提高会促使脱氢酶产生量增加，而脱氢酶是微生物代谢活性的指标之一。氮负荷引起的微生物群落组成变化可能是脱氢酶活性升高的另一个原因，因为某些参与脱氮的微生物类群可能会变得更为普遍和活跃，进而导致脱氢酶水平上升。

图3 不同进水总氮负荷下典型周期内脱氢酶活性（DHA）的变化

通过测量比耗氧速率（SOUR）、比硝化速率（SNR）和比反硝化速率（SDNR），对不同进水氮负荷下活性污泥的代谢活性进行了量化，结果如图 4 所示。在第二阶段，比耗氧速率、比硝化速率和比反硝化速率分别为 3.51 mgDO/(gSS・h)、8.72 mgNH₄⁺-N/(gVSS・h) 和 24.40 mgNO₃⁻-N/(gVSS・h)。相比之下，第三阶段的这些速率分别为 3.96 mgDO/(gSS・h)、13.56 mgNH₄⁺-N/(gVSS・h) 和 61.42 mgNO₃⁻-N/(gVSS・h)。比耗氧速率用于衡量单位时间内活性污泥的耗氧量，可反映其生理状态和底物代谢情况。高氮负荷阶段观察到更高的比耗氧速率，表明该阶段活性污泥对有机物的降解更高效。比硝化速率随氮负荷的增加而上升，且在整个硝化过程中亚硝酸盐氮的积累量极少，峰值积累量分别为 0.47 mg/L 和 0.56 mg/L。硝化过程中硝酸盐氮浓度持续稳定上升，生成速率分别为 6.64 mgNO₃⁻-N/(gVSS・h) 和 7.81 mgNO₃⁻-N/(gVSS・h)。比反硝化速率也随进水氮负荷的升高而增加，这与 earlier 观察到的高进水氮负荷可增强活性污泥特定代谢活性的结果一致。

图4 活性污泥的代谢活性

图 5 展示了不同总氮负荷下序批式反应器（SBR）中微生物群落结构特征。在门水平上（图 5a），变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、硝化螺旋菌门（Nitrospirota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和粘球菌门（Myxococcota）为优势菌门，在第二阶段和第三阶段的总占比达 91.8%。作为最优势的菌门，变形菌门的相对丰度在两个阶段呈现显著差异，第二阶段为 60.7%，第三阶段为 48.6%。拟杆菌门在第二阶段和第三阶段的占比分别为 12.5% 和 12.3%。这些发现与以往研究结果一致，即变形菌门和拟杆菌门是污水处理厂中的主要菌门。在低氮负荷的第二阶段，硝化螺旋菌门、酸杆菌门和粘球菌门的相对丰度分别为 8.3%、7.0% 和 3.5%；而在高氮负荷的第三阶段，其相对丰度分别上升至 15.4%、10.4% 和 5.1%。硝化螺旋菌门包含常参与氮循环的细菌，尤其在硝化过程中（将氨氧化为亚硝酸盐）发挥作用，部分硝化螺旋菌门细菌能够同时进行氨氧化和羟胺氧化。一些酸杆菌门细菌参与有机物分解，可释放氮供其他生物利用。粘球菌门则参与有机物分解和养分循环。高氮负荷下这些菌门相对丰度的增加表明，在氮可利用性提高的条件下，它们可能在氮循环和有机物分解中发挥重要作用，这有助于理解细菌群落对环境变化的响应。

低氮负荷条件下变形菌门的相对丰度比高氮负荷条件下高 12.0%，这一结果表明进水氮负荷会影响微生物群落结构，且变形菌门物种的生长与氮、有机化合物等污染物的去除相关，在反硝化过程中至关重要。大多数与氮代谢相关的微生物属于变形菌门。拟杆菌门主要存在于缺氧或厌氧环境中，参与反硝化过程，主要分解蛋白质和氨基酸，对有机污染物和养分的去除尤为有效。此外，绿弯菌门（Chloroflexi）和厚壁菌门（Firmicutes）在第二阶段和第三阶段均有存在。随着氮负荷的增加，绿弯菌门的相对丰度从 1.41% 降至 1.14%，而厚壁菌门的占比从第二阶段的 1.53% 上升至第三阶段的 2.55%。绿弯菌门是重要的反硝化微生物，厚壁菌门能产生孢子以抵抗不利环境。高氮负荷的第三阶段厚壁菌门丰度的升高表明，部分微生物的表型可能在高氮负荷条件下发生了变异。除上述 8 个优势菌门外，其他 24 个菌门在所有样品中的相对丰度均低于 1%，被归为 “其他菌门” 类别，包括浮霉菌门（Planctomycetota）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）、脱硫菌门（Desulfobacterota）等。

在属水平上，图 5b 展示了丰度排名前 35 的菌属。从各系统特有菌群的行聚类结果来看，这 35 个主要菌群可分为两个主要类群，分别对应不同的进水氮负荷。Subgroup_17 至 Ellin6067 为低负荷阶段特有菌属，Ahniella 至 Ideonella 为高负荷阶段特有菌属。图 5c 列出了本研究中的优势硝化细菌和反硝化细菌，共鉴定出 16 种反硝化细菌。在低氮负荷的第二阶段，反硝化细菌的相对丰度为 19.02%，优势反硝化细菌为不动杆菌属（Acinetobacter），其次是陶厄氏菌属（Thauera）和动胶菌属（Zoogloea）。在高氮负荷条件下，不动杆菌属的占比从 17.66% 降至 1.31%。已有研究表明，不动杆菌属能进行异养硝化过程，是参与氮磷去除的关键类群，高浓度氨氮（约 2000 mg/L）有利于不动杆菌属对脱氮的贡献，这表明不动杆菌属具有耐受高浓度氨氮的优势，脱氮效率快，且对水质波动的适应性强。然而，不动杆菌属的相对丰度与氨氮浓度以及氨氮、COD 和总氮的去除率呈正相关。碳氮比的变化会导致微生物群落发生较大变化。在本研究中，当进水氨浓度从 30 mg/L 增至 50 mg/L 时，不动杆菌属的占比下降，优势菌被硝化螺旋菌属（15.38%）取代。硝化螺旋菌属是已知的亚硝酸盐氧化细菌（NOB），主要负责硝化过程中的亚硝酸盐氧化，其生长速率较低但底物亲和力较高，属于 K 对策者。已有研究在生物炭填充反应器中探究氮负荷对硝化和反硝化过程的影响，高通量测序结果显示氮负荷会增加硝化螺旋菌属的丰度并降低反硝化细菌（如中村菌属、热单胞菌属和动胶菌属）的丰度，这与本研究结果一致。陶厄氏菌属和动胶菌属均为反硝化细菌，在第二阶段和第三阶段的相对丰度分别为 0.37%、1.80% 和 0.14%、0.66%。陶厄氏菌属作为污水处理系统的核心成员之一，在低碳源污水的氮磷去除中发挥重要作用，能够同时利用可溶性微生物产物（SMP）和胞外聚合物（EPS）作为反硝化的电子供体，其富集可提高 COD 和总氮的去除率。许多研究表明，污水进水中的碳氮比会影响微生物群落中陶厄氏菌属的丰度。例如，在气浮序批式反应器中，随着碳氮比从 4 降至 1，陶厄氏菌属的丰度从 0.19% 升至 35.42%；在序批式反应器中，随着碳氮比从 10 降至 5，陶厄氏菌属的丰度从 11.25% 升至 19.5%。这表明在低碳源生活污水处理系统中，陶厄氏菌属相较于其他竞争者具有生态优势，因此在碳氮比较低的高氮负荷条件下，其相对丰度会上升。动胶菌属能产生胞外聚合物，这对生物膜形成和污泥沉降至关重要，所产生的胞外聚合物可作为反硝化的碳源，保障较好的脱氮效果。较高的氮水平能促进动胶菌属等生物膜形成细菌的生长，因为氮为胞外聚合物的合成提供了必要底物，氮可利用性的提高有助于支持微生物群落中动胶菌属的整体生长和活性。

第二阶段反硝化细菌的相对丰度是第三阶段的三倍以上，这与低氮负荷条件下出水硝酸盐氮浓度较低、总氮去除效率较高的结果一致。随着进水氮负荷的增加，优势反硝化细菌从不动杆菌属转变为陶厄氏菌属和动胶菌属。本研究中的氨氧化细菌（AOB）为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），能将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，是硝化过程中的关键细菌之一，其在第二阶段和第三阶段的相对丰度分别为 0.25% 和 0.30%。亚硝化单胞菌属生长速率较高但底物亲和力较低，属于 r 对策者。在整个实验过程中，亚硝化单胞菌属在氨氧化反应中占主导地位，虽然占比低，但氨氮去除能力优异。部分硝化螺旋菌属能够进行完全氨氧化，即不经过亚硝酸盐生成的中间步骤，直接将氨转化为硝酸盐。因此，富集的硝化螺旋菌属也可能有助于稳定的氨氮去除效率。

图5 基于扩增子序列变体（ASVs）的不同污泥样品多样性分析：（a）门水平微生物群落结构分布（相对丰度＞1%）（b）属水平微生物群落结构分布（排名前 35 的已分类属）（c）优势氨转化细菌在属水平的相对丰度