隨（suí）著我國經濟社會快速發展（zhǎn），焦化、化工、石油、屠宰、製藥、養殖、垃（lā）圾填埋等重點行業（yè）發展迅速，但同時（shí）也排放出了大量廢水（shuǐ）。這些廢水常具有汙（wū）染物（COD、氨氮、有機氮）濃度高、可生化性差等（děng）特點。近年來，隨著《水（shuǐ）汙染防（fáng）治行動計劃》（水十條）的發布，對這些重點（diǎn）行業排（pái）放（fàng）廢水的深度處理提出了更嚴苛的要求。然而（ér），應用於含氮有（yǒu）機廢水處理的傳統硝化-反硝化脫氮工藝，常存在著總氮去除率低、能耗高、藥耗（hào）多、工藝流程長等問（wèn）題，嚴重（chóng）阻礙了廢水處理的可持續發（fā）展。基於厭氧氨氧化(Anammox)的自（zì）養生物（wù）脫氮工藝是廢水脫氮領域湧現的新型脫氮技（jì）術（shù），為廢水高效節能處理提供了新的思路和方向。然而，廢水中較高的COD對Anammox的（de）成功應用提（tí）出了巨大挑戰；另一方麵，Anammox是自養生物過程，對COD去除幾乎無能為力。因此，能否建立一種新型工藝，在同一反應器內發揮Anammox菌（jun1）高效低耗脫氮的同時（shí），實現同步COD去除？對此，來自太原理（lǐ）工大學的周鑫教授團隊與新（xīn）加坡南洋理工（gōng）大學的劉雨教授合作研發了（le）一種異養/自養（yǎng）耦合型（xíng）部分Anammox一體（tǐ）化（huà）生物膜（mó）新工藝—SCONDA®(SimultaneousCarbonOxidation, partialNitritation,Denitritation andAnammox)，該工藝有機結合了短程硝化-反硝（xiāo）化（huà）-Anammox等異養與自養脫氮過程（chéng），可實現高濃度含氨有機廢水的一（yī）步式高（gāo）效處理，相關成果（guǒ）已發表於Bioresource Technology、Chemosphere等，有望為該領域提供一種經濟高效、普適性強（qiáng）的（de）新（xīn）型脫氮處理技術，應用前景廣（guǎng）闊。

       反應係統與啟動

       為實現SCONDA，*先建立了（le）有效容（róng）積為5 L的SBBR係統（圖1），內部填充聚氨酯泡（pào）綿載體，以SBR方（fāng）式運行；進水中添加高（gāo）濃度NH4+-N和葡萄糖作（zuò）為反應底物（NH4+-N：300 mg/L；COD：600~900 mg/L；C/N：2~3）。水溫控製為30±1℃；pH為7.5-7.8。接種汙泥分別采用城市汙水處理（lǐ）廠的好氧活性汙泥和焦化（huà）廢水處理廠的短程硝化汙泥，在啟動大約3個月後進入試驗階段。


       運行策略與係（xì）統脫氮性（xìng）能

       在（zài）運行階（jiē）段，為促進（jìn）短程脫氮過程中NO2--N積累和（hé）Anammox的脫氮性能，分別采用兩種不同的運行策略實現SCONDA過（guò）程。

       策略Ⅰ：逐步提高進水氨氮濃度

以城市汙水處理廠好氧活性（xìng）汙泥（ní）為接種汙泥。為淘汰亞（yà）硝酸氧化菌（NOB），氨氮（dàn）濃度從100 mg-N/L逐步增（zēng）加到300 mg-N/L以提高遊離氨（FA）濃度（dù），DO約為1.2 mg/L，C/N為3。運行160多個周期（qī）後（hòu），反應係統COD、NH4+-N和TN去除率*高分別達94.3%、92.6%、86%（圖2所示）。出水中TN以（yǐ）NH4+-N和NO2--N為主，載體上生物膜顏色由棕黃色逐漸變成微紅色。

采用高通量測序研究了反應係統中的微生物群落結構。結果顯示，優勢（shì）微生物為（wéi）異養（yǎng）菌，包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等好氧異養菌及Thauera，Azospira，Comamonas等反硝化菌；自養菌方（fāng）麵，Nitrosomonas（2.4%）為主要的氨氧化菌（AOB），而CandidatusKuenenia（3.7%）為優（yōu）勢厭氧氨氧化菌。該結果表明係（xì）統成功（gōng）實現了短程硝化（huà）、反硝化和（hé）厭氧氨氧化等脫氮過程。


       策略（luè）Ⅱ：直接（jiē）從短程硝化過程轉換

       以短程硝化（huà）汙泥為接種汙泥（ní），在*階段保持氨氮濃（nóng）度為300 mg/L，C/N比為2。由於高FA和限氧作（zuò）用，係統能夠實現穩定的短程硝化，然而受低C/N比影（yǐng）響TN去除率僅為40%。在第二階段（duàn）通過縮短水力停留時間的方式，進水氨氮負荷從（cóng）0.09提高到（dào）0.18 kg-N/(m3·d)；DO從2.5 mg/L降（jiàng）至1.2 mg/L。結果顯示（圖3所示），盡管NH4+-N和COD去（qù）除有一定的下降，但TN去除（chú）提升至80%以上，且氮去除負荷顯著提高。此時生物膜顏色轉變成（chéng）紅色。

       采用高通量測序研究了反應係統中的微生物群落結構。結果（guǒ）顯示，在兩運行階段中異養菌均為優勢菌，但在（zài）階段二條件下微生物群落更具多樣化。在自養菌方麵，較階段一，經過階段二運行後反（fǎn）應係（xì）統中AOB豐度下降了32%，而厭氧氨氧化菌CandidatusKuenenia由未檢出提高至2.7%。上述結果表明，通過（guò）運行控製反（fǎn）應係統已由完（wán）全短程硝化-反硝化過程轉換為短程硝化-反硝化耦合厭氧氨氧化過程（chéng），其中Anammox的實現對係（xì）統TN去除提高具有重（chóng）要作用。


       物料平衡分析

       對SCONDA體係中的碳和氮進行物料衡算分析。結果顯示（圖4），在氮素去除方麵，短程（chéng）硝化-反硝（xiāo）化貢獻了TN去除的（de）53%，而（ér）短程硝化-Anammox貢獻了43%，表（biǎo）明這兩種脫（tuō）氮途徑在係統中對高效脫氮均具有重要作用。在碳素去除方麵，55%的COD通過好氧過程被降（jiàng）解，而32%的COD經反硝化途徑去除。


       碳氮（dàn）去除過程

       基於以上結果，推斷SCONDA工藝中碳氮去除過程（圖5所示）。*先，約（yuē）80%的氨氮經短程硝化被氧（yǎng）化為亞硝氮，其中部分在低（dī）C/N作用下經反硝（xiāo）化去除（chú），而剩（shèng）餘亞硝氮與20%的氨氮通過Anammox反應去（qù）除。高FA、低DO的運行方式和（hé）生物膜空間分層結構促進了Anammox的富集與活性發揮。化學計量學計算進一步表明，SCONDA工藝對氧和有機碳（tàn）的需求量分別為2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統硝化-反硝（xiāo）化脫氮工藝（yì）相比，SCONDA工藝可節省40%供氧（yǎng）和（hé）67%有機碳源的需求，COD和TN去除（chú）效率高，溫室氣體減排明顯，顯示了良好的技術和經濟性能，具有較好的競爭優勢。


       SCONDA生物（wù）膜解構

       采用微電極測試和分層測序對SCONDA生物膜進行解構。結果表明（圖6），低氧曝（pù）氣方式下生物膜內部存在明顯的氧梯度（dù），由外向內依次為好氧區、缺氧區和（hé）厭氧區。在好氧區，好氧異養菌（HOB）和AOB可去除（chú）大部分COD，同時由於低（dī）DO和高FA條件有助於實現短程硝化；在缺氧（yǎng）區，異（yì）養反硝化菌（DHB）利用少量剩餘（yú）COD進（jìn）行反硝化；在厭氧區，殘（cán）留的NH4+-N和NO2--N在Anammox菌的作用下實（shí）現進一步氮的去除（chú）。綜上，由於SCONDA生物膜內部微空間的生態位分異，實現了（le）HOB、AOB、DHB及（jí）Anammox菌的功能互補和代謝互促，進而提高了（le）廢水總（zǒng）氮的去（qù）除效果。


       應用展望

       綜上研究，SCONDA顯示了優良的脫氮除（chú）碳性（xìng）能（néng）。在高濃度含氨有（yǒu）機廢水廢水（shuǐ）處理應用方麵，SCONDA可直接應用於具（jù）有中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）廢水的一（yī）體化處理；而對於較（jiào）高C/N廢（fèi）水，可預設高速（sù）厭氧消化單元（yuán）進行（háng）部分COD去除及產甲烷回收，然後與SCONDA工藝耦合實現工藝簡化與節能降耗的目的。目前，研究團隊已（yǐ）將SCONDA工藝成功應用於含苯酚、含吡（bǐ）啶等有（yǒu）毒難（nán）降解高濃度含氮有機模擬廢水處理，並同步開展煤（méi）化（huà）工、屠宰等實際行業廢水處（chù）理技術應用。此外，基於SCONDA的（de）理念亦正在拓（tuò）展應用於（yú）低氨氮城市汙水主流脫氮中。相信在未來含氮有機廢水可持續處理（lǐ）領域（yù），SCONDA工藝將具有更廣闊的應用前景。