隨著我（wǒ）國經濟社會快速發展，焦化（huà）、化工、石油（yóu）、屠宰、製藥、養殖、垃圾填埋等重點行業發展迅速，但同時也排放出了（le）大量廢水。這些廢水常具有汙染物（COD、氨氮、有機氮）濃度高、可生化性差等特點。近年來，隨著《水汙染防治行動計劃》（水（shuǐ）十條）的發布，對這些重點行業排（pái）放廢水的（de）深度處理提出了更（gèng）嚴（yán）苛（kē）的要求。然而，應用於含氮有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、藥耗多、工（gōng）藝流程長等問題，嚴重阻礙了廢水處理的可持續發展。基於（yú）厭氧（yǎng）氨氧化(Anammox)的自養生（shēng）物脫（tuō）氮工藝是廢水脫（tuō）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（gòng）了新的思路和方向。然而（ér），廢水中較高（gāo）的COD對Anammox的成功應用提出了（le）巨大挑戰；另（lìng）一方麵，Anammox是自養生（shēng）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（qì）內發揮（huī）Anammox菌高效低耗脫氮的同（tóng）時，實現同（tóng）步COD去（qù）除？對此，來自太原理工大學的周（zhōu）鑫教授團（tuán）隊與新加坡南洋理工大學（xué）的劉雨（yǔ）教授合（hé）作研發了一種異（yì）養/自養耦合型部分Anammox一體化生物膜新（xīn）工藝—SCONDA®(SimultaneousCarbonOxidation, partialNitritation,Denitritation andAnammox)，該（gāi）工藝有機結合了短程硝化-反硝化-Anammox等異養（yǎng）與自養脫氮過程，可實現高濃度（dù）含氨有機廢水（shuǐ）的一步式高效處理，相關成果已發表於（yú）Bioresource Technology、Chemosphere等，有望為該領（lǐng）域提供一種經濟高效、普適性強的新型脫氮處理技術，應用前景廣（guǎng）闊。

       反應係統與啟動（dòng）

       為實現SCONDA，*先建立了有效容積為5 L的SBBR係統（圖1），內部填充聚氨酯泡綿載體，以SBR方式運（yùn）行；進（jìn）水中添加高濃（nóng）度NH4+-N和葡萄糖作為反應底物（NH4+-N：300 mg/L；COD：600~900 mg/L；C/N：2~3）。水溫控（kòng）製為（wéi）30±1℃；pH為（wéi）7.5-7.8。接（jiē）種汙泥分別采用城市汙水（shuǐ）處理廠的好氧（yǎng）活（huó）性汙泥和焦（jiāo）化廢（fèi）水處理（lǐ）廠的短程硝化汙泥（ní），在啟動大約3個月後進入試驗階段。


       運行策略與係統脫氮（dàn）性能

       在運行階段，為促進（jìn）短程脫氮過程中NO2--N積累和Anammox的脫氮性能，分別采用兩種不同的運行（háng）策略實現SCONDA過程。

       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汙泥為接（jiē）種汙泥（ní）。為淘汰亞硝酸氧化菌（NOB），氨氮濃度從100 mg-N/L逐步增加到300 mg-N/L以提高遊離氨（FA）濃度，DO約為1.2 mg/L，C/N為3。運行160多個周期後，反應（yīng）係統COD、NH4+-N和TN去（qù）除率*高（gāo）分別（bié）達94.3%、92.6%、86%（圖2所示）。出水中TN以NH4+-N和NO2--N為主，載體（tǐ）上生（shēng）物膜顏色由棕黃色逐漸變成微紅色。

采用高（gāo）通量測序研（yán）究了反應係統中的微生物（wù）群落結構。結果顯（xiǎn）示，優勢微生物為異養菌（jun1），包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等好氧異養菌及Thauera，Azospira，Comamonas等反硝化菌；自養（yǎng）菌方麵，Nitrosomonas（2.4%）為主要的氨氧化菌（AOB），而CandidatusKuenenia（3.7%）為優（yōu）勢厭（yàn）氧氨氧化菌。該結果表明係統成（chéng）功（gōng）實（shí）現了短程硝化、反硝化和厭氧氨氧（yǎng）化等脫氮過程。


       策略Ⅱ：直接從短程硝化過程轉換

       以短程（chéng）硝化汙泥為接種汙泥，在*階段保持氨氮濃度為300 mg/L，C/N比為2。由於高FA和限氧作用，係（xì）統能夠實現穩（wěn）定的短程硝化，然（rán）而受低C/N比影響TN去除率僅為40%。在第二階段通（tōng）過（guò）縮短水力（lì）停留時間的方式，進水（shuǐ）氨氮負（fù）荷從（cóng）0.09提高到0.18 kg-N/(m3·d)；DO從2.5 mg/L降至1.2 mg/L。結果（guǒ）顯示（shì）（圖3所示），盡管NH4+-N和COD去除有一定的（de）下降，但TN去除提升至（zhì）80%以上，且氮去除負荷顯著提高。此（cǐ）時生物膜顏色轉（zhuǎn）變成紅色。

       采用高通量測序研究了反應係統中的微（wēi）生物群落結構。結（jié）果顯示，在兩運行階段（duàn）中異養菌（jun1）均為優勢菌，但在（zài）階段（duàn）二條件（jiàn）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（háng）後反應係統中AOB豐度下降了32%，而厭氧氨氧化菌CandidatusKuenenia由未（wèi）檢出提高至2.7%。上述結果表明，通過運（yùn）行控製（zhì）反應係（xì）統已由完全短程硝化（huà）-反硝化過程轉換為短程硝化-反硝（xiāo）化耦合厭氧氨氧化過程，其中Anammox的實現對係統TN去除提高具有重要作用。


       物料平衡分析

       對SCONDA體係中的碳和氮（dàn）進行物料衡（héng）算分析。結果顯示（圖4），在（zài）氮素（sù）去除方麵，短程（chéng）硝化-反硝化貢獻了TN去除的（de）53%，而短程硝化-Anammox貢獻了43%，表明這兩種脫氮途徑在係統中對高效脫氮（dàn）均具有（yǒu）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（ér）32%的COD經反（fǎn）硝化途徑去（qù）除（chú）。


       碳氮去除（chú）過程

       基於以上結果，推斷SCONDA工藝中碳氮去除過程（圖（tú）5所示）。*先，約80%的氨氮經短程硝化被（bèi）氧化為亞硝氮，其（qí）中部分在（zài）低C/N作用下經反硝化去（qù）除，而剩餘亞硝氮與20%的氨氮（dàn）通過Anammox反應去除。高FA、低DO的運行方式和生物膜空間分層（céng）結構促進了Anammox的富集與活性發（fā）揮。化學（xué）計（jì）量學計算進一步表明（míng），SCONDA工藝對氧和有機碳的需求量分別為2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統硝化（huà）-反硝化脫氮工藝（yì）相（xiàng）比，SCONDA工藝可節省40%供氧（yǎng）和67%有機碳源的需求（qiú），COD和TN去除效率高（gāo），溫室氣體（tǐ）減（jiǎn）排明顯，顯示了良（liáng）好的技術和經濟性（xìng）能，具有較好的競爭（zhēng）優勢。


       SCONDA生物（wù）膜解構

       采用微電極測（cè）試和（hé）分層測序對SCONDA生物（wù）膜進行解構。結果表明（圖6），低（dī）氧曝氣方式下生物膜內部存在（zài）明顯的氧梯度，由（yóu）外向內依次為好氧區、缺氧區和厭氧區。在（zài）好氧區，好氧異養菌（HOB）和AOB可去除大部分COD，同時由於低DO和高FA條件（jiàn）有助於實現短程硝化；在缺氧區（qū），異養（yǎng）反硝化菌（jun1）（DHB）利（lì）用（yòng）少量剩餘COD進行反硝化；在（zài）厭氧區，殘留的NH4+-N和NO2--N在（zài）Anammox菌的作用下實現進一步氮的去除。綜上，由於SCONDA生（shēng）物膜內部微空間的生態位分異（yì），實現了HOB、AOB、DHB及Anammox菌的功能互補和代謝（xiè）互促，進而提高了廢水總氮的去（qù）除效果。


       應（yīng）用展望

       綜上研究，SCONDA顯示了優良的脫氮除碳性能。在高濃度含（hán）氨有機廢水廢（fèi）水處理（lǐ）應用方麵，SCONDA可直（zhí）接應用於具有中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）廢水的一（yī）體化處理（lǐ）；而對於較高C/N廢水，可預設高（gāo）速厭氧消化單元進行部（bù）分COD去除及產甲烷回（huí）收，然後與SCONDA工藝耦合實現工藝簡化與節能（néng）降（jiàng）耗的目的。目前，研究團隊已將（jiāng）SCONDA工藝成（chéng）功應用於含苯酚、含吡啶（dìng）等有毒難降解高濃度（dù）含氮有機模擬廢水處理，並同步開展煤化工、屠宰等實際行業廢水處理技術應用。此外，基於SCONDA的理念亦正在拓（tuò）展應用於低氨氮（dàn）城（chéng）市汙水主流脫（tuō）氮（dàn）中。相信在未（wèi）來含氮有機（jī）廢水可持續處理領域，SCONDA工藝將具有更廣闊的應用前景。