微曝搅拌对厌氧氨氧化反应器脱氮影响

更高效地净化废水

现代工厂和城市产生的废水中富含氮和有机污染物，会损害河流、湖泊和沿海水域。处理这些水成本高昂，特别是传统方法需要大量曝气和添加化学药剂。本研究考察了一种更新、低能耗的工艺——厌氧氨氧化（anammox），并提出一个实用问题：在anammox罐底部仅加入少量空气，能否在不杀死对氧敏感的驱动微生物的情况下，提高出水水质？

一种新的氮去除方式

厌氧氨氧化是去除氮的一种生物学捷径。与需大功率鼓风机和额外富碳化学物质的传统多步工艺不同，anammox细菌在无氧条件下将铵和亚硝酸盐直接转化为无害的氮气。这使其在处理高氮且需节能的工业废水（如大豆或果糖加工废水）时具有吸引力。然而，这类实际废水也含有以化学需氧量（COD）表示的有机物，会利于生长更快的微生物，后者会与anammox细菌竞争，削弱氮去除效果。

以微量空气温和搅拌

研究人员搭建了一根填充红褐色anammox颗粒并加入真实工业废水的高透明有机玻璃柱式反应器。他们在罐底测试了三种极低的曝气速率：几乎不搅拌（1.5 L/h）、中度微曝（12 L/h）和相对较强的曝气（45 L/h）。目标有两方面：一是在底部为需氧微生物提供少量氧以分解有机物，二是利用上升气泡作为温和的混合方式，使废水与细菌充分接触，同时不把整个反应器变成富氧环境。在数周稳定运行期间，研究人员监测了COD、不同形态的氮、溶解氧以及关键anammox细菌的活性。

寻找合适的曝气“甜点”

中度微曝被证明是最有效的折衷方案。在12 L/h时，反应器去除了约63%的COD和近73%的总氮，其中超过92%的氮去除来自anammox通路。anammox细菌的比活性上升到约0.25克氮/克生物量·日，表明核心微生物工作更积极、更高效。气泡既为其他细菌分解有机物提供了足够的氧，又充当了内部搅拌器，改善了污染物与颗粒污泥的接触。当曝气过低时，有机物堆积抑制了anammox活性；当曝气过高时，氧气开始损害对氧敏感的anammox群落。

观察微生物群落的变化

DNA测序显示了随曝气改变而发生的微生物群落演替。在最佳微曝条件下，实际执行anammox的细菌（属于拟环藻门，含有Candidatus Brocadia等属）在群落中占有可观比例，与反应器中强劲的氮去除相一致。当气流提高到45 L/h时，这些有益的厌氧菌几乎消失，被偏氧的微生物如某些芽孢杆菌属和变形菌门所取代。尽管整体COD去除率相近，但反应器对anammox的依赖减少，更多依靠常规需氧通路——这类途径能效较低，削弱了该技术的主要优势。

对现实处理厂的启示

研究表明，精确控制的微曝——既能提供去除有机物的搅拌和抛光作用，又不至于将罐体充满氧气——可以使anammox反应器在处理工业废水时更稳健。对非专业读者来说，结论很直接：在合适的水平上给予这些微生物一丝空气，能帮助它们更好地完成任务，同时以比传统系统更低的能耗去除废水中的碳和氮。但空气过多会破坏关键微生物并削弱处理效果。找到并维持这个微曝的“甜点”对于未来低能耗污水处理厂的设计至关重要，以更可持续地保护水体。

引用: Yan, Z., Xu, Y., Yang, H. et al. Effect of micro-aeration stirring on nitrogen removal in anammox reactor. Sci Rep 16, 6561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37758-7

关键词: 废水处理, 厌氧氨氧化, 微曝, 氮去除, 工业废水