同济大学王亚宜教授：原位硝酸盐驱动氧化将活性污泥升级为厌氧氨氧化菌种

9月17日，同济大学王亚宜教授团队在Nature Sustainability发表了“Upcycling sewage sludge into anammox seeds via in situ nitrate-driven oxidation”的研究论文，提出通过原位硝酸盐驱动氧化方法将污水污泥升级为厌氧氨氧化菌种。

污水污泥是污水处理的副产品，其中浓缩了污水中近半的污染物和有机化合物，同时含有复杂的物质混合物。这种污泥包含蛋白质、多糖和脂类等高分子化合物，以及重金属、持久性有机污染物和病原体等有害物质。因此，污水污泥既是一种潜在污染物，也是一种宝贵资源。随着全球人口持续增长（2022年估计已超过80亿），污水污泥产量也迅速增加，预计到2025年全球湿污泥产量将超过1亿吨。作为不受欢迎的副产品，污水污泥通常通过焚烧或填埋处理，这不仅浪费了污泥中的有价值成分，而且成本高昂（占废物处理总成本的30%至50%），并可能对环境造成长期影响。若处理得当，它也可成为重要的二次资源，因为其中含有许多功能性微生物群落和有用养分。因此，在减少环境影响的同时最大化利用污水污泥具有重要意义。

本研究提出了一种原位硝酸盐驱动氧化方法，将污水污泥升级为高价值（>4000美元/立方米）的厌氧氨氧化（anammox）菌种。这些菌种是实现污水处理设施中快速启动厌氧氨氧化工艺（一种低碳脱氮工艺）的关键成分。该方法可有效升级富含内源性还原剂（如有机物和硫基化合物）但缺乏氧化物质的污水污泥。具体而言，该方法利用含硝酸盐废水作为氧化剂来源，通过硝酸盐氧化污泥中的还原剂，为厌氧氨氧化菌生长提供亚硝酸盐。该方法可在45天内启动厌氧氨氧化菌种，并在90天内形成具有生物标志物的成熟菌种。研究证实了培养的厌氧氨氧化菌种具有高效脱氮能力，并阐明了负责氮转化途径的微生物耦合机制。这一高度经济且可持续的系统解决了当前污水处理厂面临的两大环境挑战：既实现了污水污泥的升级利用，又生产了高活性厌氧氨氧化菌种。该工作有望减少污水处理过程中的碳足迹，并推动污水污泥的资源化利用，从而促进未来可持续发展。这项工作揭示了污水污泥作为功能性微生物来源的潜力，并为可持续污水管理开辟了新途径。

从技术角度看，该方法易于实施，仅需添加硝酸盐。培养周期短（不足2个月），且无需额外提供厌氧氨氧化工艺所需的初始底物（铵盐和亚硝酸盐）。从经济性来看，该方法实现了污水污泥的可持续回收和高价值厌氧氨氧化污泥的生产。尽管该方法具有广泛适用性，但实际应用中需考虑硝酸盐的可获得性。针对未来大规模生产厌氧氨氧化污泥的需求，建议两种潜在的硝酸盐来源：一是经济实惠的农业肥料（如硝酸铵钙价格通常低于0.3美元/公斤），二是实际含硝酸盐废水（如电镀和钢铁制造业产生的废水）。该方法为基于厌氧氨氧化技术的可持续污水污泥处理提供了一种简单、高效、经济且可复现的低碳解决方案。

来源：环境工程与科学

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