隨著我（wǒ）國經濟社會快速發展，焦化（huà）、化工、石油、屠宰、製藥、養殖、垃圾填埋等（děng）重點行業發展迅速（sù），但同時也排放出了大（dà）量廢水（shuǐ）。這些廢水常具有汙染（rǎn）物（COD、氨氮、有機氮）濃度高、可生（shēng）化性差等特點。近年來（lái），隨著《水汙染防治行動計劃》（水十條）的發布，對這些重點行業排放廢水的深度處理提出了更嚴苛的要（yào）求。然（rán）而，應用於（yú）含氮有機廢水（shuǐ）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、工藝流程長等問（wèn）題（tí），嚴重阻礙（ài）了廢水處理的可持續發展。基於厭氧氨氧化（huà）(Anammox)的自養生物脫氮工藝是廢水脫氮領域湧現的新型（xíng）脫氮技（jì）術，為廢水高效節能處理提供了新的思路和方向。然（rán）而，廢水中較高的COD對Anammox的成功（gōng）應用提出（chū）了巨大挑戰；另一方麵，Anammox是自養生物過程，對COD去（qù）除幾乎無能為力（lì）。因此，能否建立（lì）一種新型工藝，在同一反應（yīng）器內發揮（huī）Anammox菌高效低耗脫氮的（de）同時，實現同步COD去除？對此，來自（zì）太原理工大學的周鑫教授團隊與新加坡南洋理工大學的劉雨教授合作（zuò）研發了一種異養/自養耦合型部分（fèn）Anammox一體化生物膜新工（gōng）藝—SCONDA®(SimultaneousCarbonOxidation, partialNitritation,Denitritation andAnammox)，該工藝有機結合了短程硝化-反硝化-Anammox等異養與自（zì）養脫氮過程，可實（shí）現高濃度含氨有機廢水的一步式高（gāo）效處（chù）理（lǐ），相（xiàng）關（guān）成果已發表於Bioresource Technology、Chemosphere等，有望為該領（lǐng）域提供一種（zhǒng）經濟高效、普適性強的新型脫氮處理技術，應用（yòng）前景廣闊。

       反應係統（tǒng）與啟動

       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方式運行；進水中添加高濃度NH4+-N和葡萄糖作為反應底物（wù）（NH4+-N：300 mg/L；COD：600~900 mg/L；C/N：2~3）。水溫控製（zhì）為（wéi）30±1℃；pH為（wéi）7.5-7.8。接種汙泥分別采用城（chéng）市汙（wū）水處理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（dòng）大約3個月後進入試驗階段。


       運行策略與係統脫氮性能

       在運行階段，為促（cù）進短程脫氮過程（chéng）中NO2--N積累和Anammox的脫氮性（xìng）能，分（fèn）別采用兩種不同的運行策略（luè）實（shí）現（xiàn）SCONDA過程（chéng）。

       策略Ⅰ：逐（zhú）步提高進水氨氮濃度

以城市汙水（shuǐ）處理廠好氧活性汙泥（ní）為接種汙泥。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，反應係統COD、NH4+-N和TN去（qù）除率*高分別達94.3%、92.6%、86%（圖2所示）。出水中TN以（yǐ）NH4+-N和（hé）NO2--N為主，載體上生物膜顏色由棕黃色逐漸變成微（wēi）紅色。

采用高通量測序研究了反應係統中的微生物群落（luò）結構。結果顯示，優勢微生（shēng）物為異養菌，包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等好（hǎo）氧異養（yǎng）菌及Thauera，Azospira，Comamonas等反（fǎn）硝化（huà）菌；自養菌方麵，Nitrosomonas（2.4%）為主要的氨氧化菌（AOB），而（ér）CandidatusKuenenia（3.7%）為優勢厭氧（yǎng）氨氧化菌。該結果表（biǎo）明係（xì）統成功實（shí）現了短程硝化、反硝化和厭氧氨氧化等脫氮過程。


       策略Ⅱ：直接從短程硝化過程轉換

       以短程硝化汙泥為接（jiē）種汙泥，在*階段保持氨氮濃度為300 mg/L，C/N比為2。由於（yú）高FA和限氧作用（yòng），係統能夠實（shí）現穩定的短程硝化，然而受低（dī）C/N比影響TN去除率僅為40%。在第二階段通過縮短（duǎn）水力停留時間的方式，進水氨氮負荷從0.09提高到0.18 kg-N/(m3·d)；DO從2.5 mg/L降至1.2 mg/L。結（jié）果顯示（圖（tú）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80%以上，且氮去除負荷顯著提高。此（cǐ）時生物膜顏色轉變（biàn）成紅色。

       采用高通量測序（xù）研究了反應係統中的微生物群落結構。結果顯示，在兩運行階（jiē）段中異養菌均為優勢（shì）菌，但（dàn）在（zài）階段二條件（jiàn）下微生物群落更具多樣化。在自養菌方麵，較階段（duàn）一，經過階段二運行後反應係統（tǒng）中AOB豐度下降了32%，而厭氧（yǎng）氨氧化菌CandidatusKuenenia由（yóu）未檢出（chū）提高至2.7%。上述結（jié）果表明，通過運行控製反（fǎn）應係統已由完（wán）全短程硝化-反硝化過程轉（zhuǎn）換（huàn）為（wéi）短程硝化-反硝化耦合厭氧氨氧（yǎng）化（huà）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（xī）

       對SCONDA體（tǐ）係中的碳和氮進行物料衡算分析（xī）。結果顯示（圖4），在氮素去（qù）除方麵，短程硝化-反硝化（huà）貢獻了TN去除的53%，而短程硝化-Anammox貢（gòng）獻（xiàn）了43%，表明這兩種脫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（guò）好（hǎo）氧過（guò）程被降解，而（ér）32%的COD經反硝化（huà）途徑去除。


       碳氮去除過程

       基於以上結果，推斷（duàn）SCONDA工藝（yì）中碳氮（dàn）去除過程（圖5所示）。*先，約80%的氨氮（dàn）經短程硝化被氧化為亞硝氮，其（qí）中（zhōng）部分在低C/N作用下（xià）經反硝化去（qù）除，而剩（shèng）餘亞硝氮與20%的氨氮（dàn）通過Anammox反應去除。高FA、低DO的運（yùn）行方式和（hé）生物膜空間分層結構促進（jìn）了Anammox的富集與活性發揮（huī）。化學計量學計算進一步表明，SCONDA工藝對氧和有機碳的（de）需（xū）求量（liàng）分（fèn）別為2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統（tǒng）硝化-反硝化脫氮工藝相比，SCONDA工藝可節（jiē）省40%供氧和67%有機碳源的需求，COD和TN去除效率高（gāo），溫室氣體減排明顯，顯示了良好的技術和經濟性（xìng）能，具有較好的競（jìng）爭優勢。


       SCONDA生物膜解構

       采用微電極（jí）測試（shì）和分層測序對SCONDA生物膜進行解構。結果表明（圖（tú）6），低氧曝氣方式下生物膜內部存在（zài）明顯的氧梯度（dù），由外向內依次為好氧區、缺氧（yǎng）區和厭氧區。在好氧區，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（huà）；在缺氧區（qū），異養反硝化菌（DHB）利用少（shǎo）量剩餘（yú）COD進行反硝化；在厭氧區，殘留的NH4+-N和NO2--N在Anammox菌的（de）作用下實現進一（yī）步氮的去除。綜上，由於SCONDA生物膜內部微空（kōng）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互促，進而提高了廢水總氮（dàn）的去除效果。


       應（yīng）用展望

       綜（zōng）上研究，SCONDA顯示了優良的脫氮除碳性能。在高濃度含氨有機廢水廢水處理應用方麵（miàn），SCONDA可直（zhí）接應用於具有（yǒu）中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）廢水的一體化處理；而（ér）對於較（jiào）高C/N廢水，可預設高速厭氧消（xiāo）化單元進行部分COD去除及產甲（jiǎ）烷回（huí）收，然後與SCONDA工藝耦合實現工（gōng）藝簡化與節能降耗的目的。目前，研（yán）究團隊已將SCONDA工藝成功應用於含苯酚、含吡啶等（děng）有毒難降解高濃度含氮有機模擬廢水處理，並同（tóng）步開展煤化工、屠宰等實際行業廢水（shuǐ）處理技術應用。此外，基於SCONDA的理念亦正在（zài）拓展應用於低氨（ān）氮城市汙水主流脫氮中。相信在未來含氮有機廢水（shuǐ）可持續（xù）處理領域，SCONDA工藝（yì）將（jiāng）具有更廣闊的應用（yòng）前景。