导语
全球污水处理行业正面临一场静默的革命——传统高耗能工艺逐渐被生物技术“智取”。近日，西安建筑科技大学联合日本东北大学在《环境科学与工程前沿》发布颠覆性成果：通过AnMBR-NF-PDA耦合工艺，首次实现市政污水“零碳源添加”高效脱氮，总氮去除率突破90%，能耗直降44.8%。这项技术让曾引发污泥膨胀的“反派”丝状细菌华丽转身，成为脱氮系统的“核心引擎”，为全球碳中和目标提供了污水处理的中国方案。

传统工艺的“阿喀琉斯之踵”：碳氮比失衡困局

市政污水普遍存在碳氮比（C/N）低（通常<3）、脱氮能耗高的痛点。传统硝化-反硝化工艺每去除1毫克氨氮需消耗4.57毫克氧，且需额外投加甲醇等碳源，成本居高不下。而新兴的厌氧氨氧化（Anammox）技术虽节能，却对有机物极度敏感，易导致菌群失活。

研究团队创新性构建三级反应体系：

• 第一关：AnMBR——厌氧膜生物反应器将COD转化为甲烷（CH4回收率超96%），同步破解有机氮为铵盐（NH4+）。
• 第二关：NF——完全硝化单元在2.0 mg/L溶解氧下，将NH4+彻底氧化为硝酸盐（NO3−），消除传统工艺亚硝酸盐（NO2−）积累风险。
• 第三关：PDA——部分反硝化-厌氧氨氧化单元中，丝状细菌将NO3−精准转化为NO2−，AnAOB菌随即“接棒”，将NH4+与NO2−一步转化为氮气（N2）。

实验数据显示，当COD/NO3−-N比调控至3.44时，系统脱氮效率达86.1%，甲烷产能可满足处理厂20%用电需求，真正实现“以污产能”。

微生物世界的“权力游戏”：丝状细菌逆袭记

在污水处理界，丝状细菌曾因引发污泥膨胀而声名狼藉。但本研究首次揭示：特定菌株（如不动杆菌Acinetobacter）具备“代谢开关”特性，能在低C/N条件下精准控制反硝化进程。

技术解密：

• 精准刹车机制：丝状菌仅将NO3−还原至NO2−即停止反应，避免过度消耗碳源。宏基因组数据显示，其硝酸盐还原酶基因（NarGHI）表达量是亚硝酸盐还原酶（NirK/S）的3倍。
• 生物架构师：丝状菌分泌胞外聚合物（EPS），编织三维网络结构，促使污泥颗粒直径从300微米增至528微米，沉降速度提升44%，系统抗冲击负荷能力倍增。
• 跨物种协作：当AnAOB菌与丝状菌丰度比达1:15时，二者形成“我产粮你吃饭”的共生关系，脱氮效率较传统工艺提升35%。

这一发现彻底改写微生物操控规则：不再盲目抑制丝状菌，而是通过C/N比调控将其“招安”为功能菌群。

三大颠覆性突破：重新定义污水处理经济学

1. 能耗砍半：对比传统工艺，氧气消耗从4.57 mg/mgNH4+-N降至2.52 mg，结合甲烷回收，综合能耗降低44.8%。
2. 污泥减量：颗粒化污泥产率降低30%，年处理百万吨级污水厂可节省污泥处置费超千万元。
3. 智慧调控：通过原水比例动态调整（Q2从10%增至18%），系统自适应水质波动，在COD 62.6-102.2 mg/L范围内稳定运行。

现场中试数据显示，该工艺处理低碳污水（C/N=2.5）时，吨水成本仅0.21美元，较传统工艺下降52%，投资回收期缩短至3.8年。

从实验室到地球：技术落地进行时

目前，该技术已在陕西、江苏等地开展工程示范。在西安某10万吨/日处理厂中，模块化反应器实现“即插即用”，改造周期较传统工艺缩短60%。

未来蓝图：

• 低温突破：研发耐冷菌剂，目标在10℃下维持75%脱氮效率，破解北方冬季处理难题。
• 智慧水务：植入物联网传感器，实时监测AnAOB菌活性，预警系统失衡风险。
• 跨界应用：拓展至养殖废水、垃圾渗滤液等高氮场景，碳减排潜力预计达每年1200万吨CO2当量。

结语：污水厂的“细胞级改造”

当污水处理从粗放走向精准，从能耗大户变身能源工厂，这项中国主导的技术革新正在重写行业规则。正如团队负责人李倩教授所言：“未来的污水厂不应是城市的负担，而应成为资源循环的枢纽——而这把钥匙，就藏在微生物的代谢密码中。”

科学启示录：或许，生态文明的真谛不在于战胜自然，而是学会与微观生命共舞。当人类读懂丝状细菌的“生存智慧”，碧水蓝天的未来便不再遥远。

来源: FESE Message