厌氧氨氧化颗粒化热力学理论
细菌的粘附在颗粒化过程中产生一个新的界面，即通过相互作用使界面自由能从高到低的无粘附能。从热力学角度来看，氨氮被NO2−氧化，将能量转化为细胞增殖和EPS分泌（式1）。细胞增殖导致生物膜的生长和聚集，增加了絮凝物的大小，导致生物聚集物实现颗粒化。从絮凝物到颗粒的颗粒化过程消耗能量（式1），以形成所需尺寸和密度的颗粒。如图1所示，颗粒化的驱动力是氧化还原反应的吉布斯自由能，说明造粒过程是由体积自由能和表面自由能之间的氧化还原反应的吉布斯自由能之和所决定（式2）。
图1絮凝体到颗粒化过程的热力学理论。ΔG：自由能变化的总和；ΔGv（体积自由能）：形成新的生物膜层时体积自由能的变化；ΔGs（表面自由能）：新生物膜层形成过程中新旧生物膜层之间的界面自由能；rc：总自由能最大值的临界尺寸；ΔGrc：总自由能的最大值。
Anammox异质生长假说
本文从微观到宏观层面的发展描述了球形细胞形成球形团簇和球形团簇形成颗粒的机制。基于界面理论和非均匀成核机制，提出了异质颗粒化假说，其过程包括：
图2 颗粒的异质生长假说
基于EPS的生物聚集粘附机理
图3 基于EPS的粘附造粒机理。（a）EPS中的粘合剂相互作用；（b）DLVO粘附相互作用理论；（c）蛋白质二级结构中α-螺旋的粘附相互作用；（d）蛋白质二级结构中β-折叠的粘附相互作用；（e）“egg-box”结构：钙诱导的海藻酸盐凝胶化；（f）通过粘合剂相互作用形成的2D网络；（g）3D的网络结构作为EPS粘合剂；（h）压缩过程通过水力使用粘合剂EPS进行造粒
厌氧氨氧化的群体感应（QS）成粒机理
厌氧氨氧化的胞外自身诱导剂引起了研究酰基-高丝氨酸内酯(AHLs)信号分子研究人员的注意。AHLs包括C4–HSL、C6–HSL，3OC6–HSL，C8–HSL，3OC8–HSL和C12–HSL。AHL (C6-HSL、C8-HSL和C12-HSL)通过激活肼合酶(hzsB)、肼氧化还原酶(hzo)、羟胺氧化酶(hao)、亚硝酸盐还原酶(nirK和NirS)和细胞色素c生物合成蛋白(ccsB)等功能基因，提高厌氧氨氧化活性和生长速度。QS可以控制细胞簇的群落、密度和大小，形成的细胞簇作为一个群体能够抵抗冲击并适应各种环境。基于QS的细胞簇表现出细胞-细胞和簇-簇通信，进一步调节细胞簇以实现异质生长颗粒化。
基于生物矿化的厌氧氨氧化造粒机理
厌氧和好氧颗粒化提出了一种惰性核模型，其中细菌可以粘附在颗粒表面进行颗粒化。在该模型中，生物膜聚集悬浮固体作为载体，形成生物聚集体。厌氧氨氧化可以利用基于生物矿化的方法来形成厌氧氨氧化-羟基磷灰石（HAP）偶联颗粒(式4)。
如图4所示，厌氧氨氧化-HAP偶联颗粒是一种独特的颗粒结构， HAP晶体的积累导致颗粒分为三层结构：（i）厌氧氨氧化生物膜的外层，（ii）由附着有HAP颗粒的anammox生物膜的多颗粒堆叠的混合层，以及（iii）HAP矿物的多孔芯。三层结构的形成限制了传质和生物矿化，基质被生物膜消耗，颗粒中没有氮源的厌氧氨氧氧化细胞灭绝，随着残余氮源从外向内减少，厌氧氨氧化生物膜的生长速率逐渐低于HAP的积累速率，导致颗粒中的HAP比例增加。混合层是颗粒生物矿化过程的关键，且生物矿化是由生物体的胞外基质和厌氧氨氧化反应的碱度控制的。细胞簇内部积累碱度，EPS表面与Ca2+连接，形成富钙层，积累的碱度和钙导致HAP结晶。Anammox-HAP偶联颗粒的成粒机理涉及图4c所示的生物矿化生长模式：
大小约为10μm的成型HAP核在生物矿化过程附着在厌氧氨氧化细胞上，形成两层结构的颗粒；
颗粒形成多颗粒结构，通过生物膜和HAP生长的异质生长增加尺寸；
厌氧氨氧化生物膜将多颗粒结构与HAP包裹在一起，形成三层结构。
图4 基于生物矿化的造粒机制。（a）600℃预处理后的HAP核（b）扫描电镜观察的HAP核的多颗粒结构；（c）造粒循环机理。QS：群体感应；QQ：群体淬火；G′：储能模量；G′′：损耗模量。
一段式厌氧氨氧化工艺的造粒机理
(1) 漂浮性能
对有气孔的颗粒进行破碎，破碎的颗粒组分将继续参与造粒循环
添加Ca和P形成HAP核，填充气孔并提高沉降性
提取EPS。可以有效地防止使用离心、超声处理、阳离子交换树脂和加热等工艺的颗粒漂浮。
向具有漂浮颗粒的反应器中添加重质材料。
在反应器顶部添加机械破碎，打破漂浮的聚集体
图5漂浮性能和策略。（a）中空漂浮颗粒；（b）凝聚型悬浮颗粒；（c）浮选策略：①采用外置破碎设备的反应器；②带内部破碎设备的反应器；③添加与漂浮污泥混合的重矿物；（d） 有重量的添加剂嵌入漂浮污泥；（e）工业废弃物作为添加剂
(1) 丝状菌对反硝化-厌氧氨氧化颗粒的形成机制
在厌氧和好氧颗粒污泥中，形成了利用丝状菌的颗粒化机制。然而，没有研究关注反硝化-厌氧氨氧化颗粒中的丝状菌。因此，丝状菌在反硝化-厌氧氨氧化颗粒中的存在以及在颗粒化中的作用有待研究，丝状菌在造粒循环中的作用还需进一步解析。例如，在颗粒再生阶段，需要研究分离的生物膜如何被丝状菌结合以形成颗粒？假设丝状菌在造粒中的关键作用得到证实，QQ和QS如何影响丝状菌和厌氧氨氧化菌之间的微生物协同？
(2) 基于QS/QQ的自动诱导剂在厌氧氨氧化颗粒化循环中的应用
基于QS/QQ的自动诱导剂是评估颗粒性质和预测造粒周期的快速检测指标。未来，检测自动诱导剂在线探针的开发将促进基于QS机制在厌氧氨氧化颗粒化过程中的商业应用。
(3) 厌氧氨氧化颗粒化的多元机制
颗粒化过程具有物理、生物学和热力学等多种机制，有利于颗粒形成和颗粒的稳定性。在某一过程受到限制时，其他过程可以取代以实现颗粒化。例如，当功能微生物和EPS因操作条件的波动受到影响时，可以通过添加Ca和P在颗粒中形成矿物质实现颗粒化。未来的研究应尝试引入其他领域的成熟机制，以进一步解释颗粒化循环的性能。
(4)开发储存颗粒污泥的颗粒化循环机制
颗粒污泥可以实现快速的细胞增殖和再生。将Anammox颗粒作为种泥能够实现反应器的快速启动。此外，在反应器不稳定阶段，可以添加厌氧氨氧化颗粒快速恢复。先前的研究仅关注了厌氧氨氧化的生物量衰减率，细胞半衰期及活性恢复。然而，污泥的颗粒再生过程需要进一步研究。储存颗粒的颗粒化循环机制的开发，对于进一步优化颗粒保存和反应器的重新启动具有重要意义。
本文提出了颗粒化循环包括颗粒化过程和再生过程。颗粒化过程可以从热力学理论、异质生长、EPS作为生物粘合剂的功能、基于QS的自动诱导剂以及羟基磷灰石（HAP）在厌氧氨氧化颗粒内的生物矿化等角度来考虑。在再生阶段，物理因素对颗粒进行破碎，以获得新的絮凝物进行循环。生物因子QQ和QS之间的平衡导致生物膜的分散和颗粒的再生。颗粒浮选是颗粒再生的一种异常类型，分为中空型和聚集型悬浮颗粒。避免浮选的原理是重建稳定的造粒循环。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422012982
