第一作者：胡飞悦 博士研究生（郑州大学）

通讯作者：吉建涛 教授（郑州大学）论文DOI：10.1016/j.watres.2026.125901

论文题目：Enhancing carbon allocation and utilization via a sludge-bypass anaerobic/oxic/anoxic process for ultra-efficient nutrient removal from municipal wastewater under low C/N and temperature conditions

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004313542600583X

成果简介

近日，郑州大学吉建涛教授课题组在环境顶刊 Water Research 发表重磅研究成果。针对传统工艺在低碳氮比、低温市政污水中碳源匮乏、氮磷同步去除效率低的行业痛点，创新构建污泥超越泥膜混合AOA新工艺。

工艺核心创新：增设中沉过渡池，将厌氧区富集内碳源（PHAs）的污泥直接跨越好氧区导入缺氧区，从根源避免内碳源在好氧区无效氧化消耗。

经320天长期连续运行验证，在严苛工况：水温15.6 ℃、进水C/N仅3.8条件下，实现**总氮去除率92.8%、总磷去除率90.3%**，出水TN低至4.2 mg/L、TP低至0.6 mg/L。

研究结合批次试验、物料衡算、微生物群落解析，系统阐明工艺通过优化碳源时空分配、富集聚磷菌、激活内源短程反硝化/厌氧氨氧化/反硝化除磷多路径协同增效机制。工艺无需外加碳源、改造简便、抗冲击性强，为北方低温、低碳源地区污水厂提标改造与节能降碳提供全新技术方案。

研究引言

传统厌氧/好氧/缺氧（AOA）工艺存在固有短板： 好氧区易造成微生物内源碳源PHA无效代谢氧化，有限有机碳源难以留存至后续缺氧区；在低C/N、低温条件下，碳源不足问题被进一步放大，严重制约同步脱氮除磷效率，工程上往往依赖投加外碳源，增加运行成本与碳排放。

为突破该瓶颈，本研究创新设计污泥超越+泥膜耦合新型AOA工艺，通过泥水分离+污泥跨区超越，定向保护内源PHAs碳源、优化碳源时空分配；探究严苛工况下营养物去除性能、界面机制与微生物群落演替规律，为低温低碳源污水高效处理提供理论与工程支撑。

全文速览

研究面向低C/N、低温市政污水脱氮除磷瓶颈，开发新型污泥超越泥膜混合AOA工艺。通过厌氧区后增设中沉池，实现富碳污泥跨越好氧区直接进入缺氧区，杜绝内碳源无效损耗。

长周期运行证实工艺可在严苛低温低碳条件下稳定高效脱氮除磷；机理层面明晰：

1. 工艺重构碳源分配格局，缺氧区成为氮磷去除核心热点；
2. 生物膜富集功能微生物，活性显著优于絮体污泥；
3. 污泥超越策略定向富集聚磷菌、淘汰劣势传统反硝化菌；
4. 微生物共生网络优化，种间互养增强、功能分工专业化，系统稳定性与抗冲击能力大幅提升。

该工艺改造简易、无需外加碳源、运行低碳，适配现有污水厂升级改造，具备极强工程推广价值。

图文导读

1. 污泥超越AOA工艺营养物去除性能

在15.6 ℃、C/N=3.8严苛条件下：

• 总氮平均去除率92.8%，出水TN仅4.2 mg/L；
• 总磷平均去除率90.3%，出水TP仅0.6 mg/L； 相较于传统AOA及其他变体工艺，在温度更低、碳源更紧缺工况下仍实现更优脱氮除磷效果，工程适配性突出。

2. 污染物沿程去除路径与碳源利用规律

稳定运行阶段，缺氧区成为氮磷去除核心功能区：

• 总磷去除贡献占比52.1%；
• 总氮去除贡献占比75.0%；
• 缺氧区厌氧氨氧化路径对脱氮贡献率达59.3%。

厌氧段合成的PHAs内源碳被精准输送至缺氧区，支撑内源反硝化、反硝化除磷与厌氧氨氧化同步进行；实现PAOs聚磷菌、GAOs聚糖菌、DNB反硝化菌间碳源合理分配与高效利用。

3. 功能微生物活性特征

生物膜微生物硝化、厌氧氨氧化、内源反硝化活性显著高于絮体污泥，载体优化微生物空间生境与附着富集效果。 缺氧区PHB/PHV内源碳同步消耗，联动氨氮、硝氮、磷酸盐同步削减，实现厌氧氨氧化+内源短程反硝化+反硝化除磷多路径协同增效。

4. 微生物群落结构定向演替

污泥超越策略驱动菌群显著定向更替：

• 聚磷菌 Candidatus Accumulibacter 丰度由0.5%提升至2.6%；
• 传统反硝化菌 Denitratisoma 丰度由4.0%降至0.6%。

工艺通过优先将有限碳源分配给聚磷菌，长期维持PAOs优势地位，是低温低碳条件下高效同步脱氮除磷的微生物核心机制。

5. 微生物群落共现网络分析

系统稳定后群落结构显著优化：

• 微生物种间正相关性由52.0%升至54.7%，种间互养代谢增强；
• 群落模块度提升，功能菌群代谢分工更专业化；
• 群落多样性与结构复杂度同步提升，营造适配低温、碳限制的微生物生境，增强系统抗冲击与运行稳定性。

6. 工艺机理示意图

新型连续流污泥超越AOA，通过中沉池泥水分离+富碳污泥跨区超越，实现PHAs内源碳定向保留与精准利用，最大限度减少碳源无效损耗与能量浪费，为低温、低碳源城镇污水处理提供可持续高效新范式。

研究小结

1. 创新构建污泥超越泥膜混合AOA新工艺，通过工艺结构重构，实现内源碳源定向留存与精准分配，彻底解决好氧区PHA无效消耗难题；
2. 在15.6 ℃、低C/N=3.8严苛工况下，稳定实现TN 92.8%、TP 90.3%超高同步脱氮除磷效率；
3. 明晰多路径协同机制：内源短程反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷耦合增效，同时定向富集聚磷菌、优化微生物共生网络；
4. 工艺无需外加碳源、改造简易、运行低碳稳定，尤其适配我国北方低温、低碳源地区污水厂提标改造与节能降碳需求。

作者简介

第一作者｜胡飞悦

郑州大学生态与环境学院博士研究生。 研究方向：污水低碳高效脱氮除磷新工艺、磷回收技术。 以一作/通讯在Water Research、Bioresource Technology、Chemical Engineering Journal等中科院一区期刊发表SCI论文4篇，授权国家发明专利1项。

通讯作者｜吉建涛

郑州大学生态与环境学院教授、硕导，河南省优秀青年基金获得者。 研究方向：污水低碳高效生物脱氮除磷新工艺、资源化技术、新污染物控制。 主持国家自然科学基金2项、河南省优青及多项省部级/横向课题； 以第一/通讯作者在Water Research、ES&T等发表SCI论文26篇，总被引1000+次，ESI高被引论文1篇；授权发明专利9项，担任多本国际期刊青年编委。

参考文献

Hu, F., Zhao, Y., Li, H., Du, J., Wu, G., Shen, B., Liu, L., Jin, B. and Ji, J. 2026. Enhancing carbon allocation and utilization via a sludge-bypass anaerobic/oxic/anoxic process for ultra-efficient nutrient removal from municipal wastewater under low C/N and temperature conditions. Water Research, 125901.