一种混合工艺，结合了部分亚硝化/厌氧氨氧化（anammox）、固相反硝化以及诱导磷酸钙结晶技术，用于从高强度污泥干燥废水中的去除氮元素和回收磷元素

《Process Safety and Environmental Protection》：Hybrid process of partial nitritation/anammox, solid-phase denitrification, and induced calcium phosphate crystallization for nitrogen removal and phosphorus recovery from high-strength sewage sludge drying wastewater

氮磷协同去除与磷回收工艺研究|污泥干燥废水处理|部分硝化-反硝化-固相反硝化|诱导钙磷结晶|微生物群落解析|氮磷去除效率|能量与化学药剂节约|低碳污水处理

　　本研究聚焦于高浓度污泥干燥废水的高效氮去除与磷回收，提出了一种集成部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A）、固相反硝化（SPD）以及诱导钙磷（Ca-P）结晶的复合处理工艺。这种工艺不仅能够有效解决污泥干燥过程中产生的高营养废水问题，还为实现低能耗、低化学试剂消耗和减少碳排放的污水处理提供了可行方案。在当前全球范围内，随着城市化进程的加快，污水处理的需求日益增加，而如何在保障处理效率的同时降低环境负担，成为科研人员和工程技术人员关注的焦点。本文通过实验研究与微生物群落分析，揭示了该复合工艺在实际应用中的潜力与优势，为未来污水处理技术的发展提供了理论支持与实践指导。

污泥焚烧作为一种常见的污泥处置方式，因其能够实现污泥体积的大幅缩减、有机物的有效降解以及能源的回收利用，已被广泛应用于污水处理厂（WWTPs）的污泥处理过程中。特别是在中国长江三角洲地区，这一技术占据了超过80%的污泥处理能力（Zhang et al., 2021）。然而，污泥在热干燥过程中会释放出大量细胞外聚合物和细胞内物质，形成高浓度的营养废水。这种废水通常具有较高的化学需氧量（COD），总氮（主要为NH??-N）和总磷（TP）含量，同时可能含有多种有毒有机化合物，如多环芳烃（PAHs）等（Kacprzak et al., 2017, Ozaki et al., 2017）。传统的活性污泥法虽然能够实现氮磷的去除，但其能耗高、化学试剂使用量大，且碳排放强度较高，限制了其在工业应用中的推广。因此，探索更加高效、经济、环保的污水处理方法，成为当前研究的重要方向。

近年来，基于厌氧氨氧化（anammox）的工艺因其能够在低能耗条件下实现高效的氮去除，逐渐受到关注。这些工艺通常结合了COD回收与磷去除单元，以提高整体处理效率（Song et al., 2022, Wan et al., 2016, Zhang et al., 2024b）。部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A）颗粒污泥因其高固相保留率和微生物分层分布的特性，被认为是实现高效自养氮去除的理想方法。PN/A颗粒污泥能够在有机碳有限的条件下，同时富集硝化细菌（AOB）和厌氧氨氧化细菌（AnAOB），从而在有机碳含量较低的废水中实现稳定的氮去除效果（Kosgey et al., 2021, Xue et al., 2023）。相比传统的活性污泥系统，PN/A颗粒污泥具有更高的氮负荷率（NLR）、更低的曝气需求、更少的污泥产生以及对有机碳添加的依赖性较低等优势（Zhang et al., 2022, Zhang et al., 2024b）。此外，本研究团队近期的研究表明，将PN/A颗粒污泥与固相反硝化（SPD）结合，可以实现超过97%的氮去除效率，远高于A/A/O工艺的85-90%（He et al., 2025, Qian et al., 2024）。在SPD工艺中，可生物降解的聚合物，如聚羟基烷酸酯（PHBV），被用作缓释碳源，以减少厌氧氨氧化反应产生的硝酸盐。

在磷去除方面，增强生物除磷（EBPR）工艺虽然能够有效去除废水中的磷，但其产生的富磷污泥仍需进一步处理以实现磷的回收。传统的化学结晶方法，如添加镁、铁等金属离子在碱性条件下形成磷酸镁铵（MAP）、羟基磷灰石（HAP）和维里安石（vivianite）等沉淀物，已被广泛应用于磷回收研究（Egle et al., 2016）。相比之下，钙离子的使用在工业应用中具有更低的运营成本，并且能够生成具有农业应用价值的HAP（Di Capua et al., 2022）。因此，诱导钙磷结晶技术作为一种简化磷回收过程的方法，逐渐受到重视。该技术通过引入钙磷晶核，如方解石、大理石或水泥基材料（CMs），能够降低HAP形成所需的活化能，从而促进微晶沉淀物在材料表面的生成（Deng et al., 2024, Zhang et al., 2024a）。然而，目前关于将基于厌氧氨氧化的工艺与诱导钙磷结晶技术结合用于实际营养废水处理的研究仍较为有限。

在本研究中，针对实际污泥干燥废水的处理需求，我们开发了一种集成了PN/A-SPD和诱导钙磷结晶的复合工艺。该工艺的设计目标是实现高效氮去除与磷回收，同时降低能源消耗和化学试剂使用量，减少碳排放。为了实现这一目标，我们首先建立了一种控制策略，通过调节氮负荷率（NLR）、水力停留时间（HRT）和曝气强度，协调自养氮去除与异养反硝化过程在连续流模式下的运行。随后，我们通过宏基因组测序分析，揭示了PN/A颗粒污泥和SPD生物膜中微生物群落的结构差异及其在碳氮代谢途径中的作用。在PN/A颗粒污泥中，硝化细菌（如Nitrosomonas）和厌氧氨氧化细菌（如Candidatus Kuenenia和Brocadia）是主要的微生物类群，它们在三羧酸循环（TCA cycle）和氮代谢途径中占据主导地位。而在SPD生物膜中，水解细菌（HB）和异养反硝化细菌（DNB）如Anaerolinea、Rhodocyclaceae和Thauera，则主要参与固体碳源的水解以及异养反硝化过程。

为了进一步评估诱导钙磷结晶技术在磷回收中的应用效果，我们进行了批次和连续实验，以分析在水泥基材料（CMs）填充柱中形成的钙磷晶体产品的组成。实验结果表明，该技术能够实现高达94.47%的磷回收效率，且在CMs表面形成了针状的羟基磷灰石和无定形钙磷。这些晶体产品的形成不仅提高了磷的回收率，还为磷的资源化利用提供了新的思路。此外，与传统的活性污泥法相比，该复合工艺在能源消耗、化学试剂使用量和碳排放强度方面均表现出显著优势。这些优势主要源于PN/A-SPD工艺本身的高效性和低能耗特性，以及诱导钙磷结晶技术在磷回收过程中的高效率和低成本。

在实际应用中，该复合工艺的优势不仅体现在处理效率上，还体现在其对环境的友好性上。随着全球对可持续发展的重视，污水处理行业正朝着更加绿色、低碳的方向发展。本研究提出的工艺通过整合多种功能单元，实现了对高浓度污泥干燥废水的高效处理，同时减少了对传统处理方法的依赖。这不仅有助于降低污水处理的运营成本，还为实现碳中和目标提供了新的技术支持。此外，该工艺的推广和应用对于缓解水资源短缺、减少环境污染以及促进资源循环利用具有重要意义。

从微生物学的角度来看，本研究揭示了PN/A颗粒污泥和SPD生物膜中微生物群落的结构差异及其在氮磷去除过程中的作用。在PN/A颗粒污泥中，硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的协同作用是实现高效氮去除的关键。这些微生物在低有机碳条件下能够稳定运行，表现出较强的适应性和抗干扰能力。而在SPD生物膜中，水解细菌和异养反硝化细菌的参与则决定了碳源的利用率和反硝化效率。通过宏基因组测序分析，我们发现这些微生物在处理过程中具有重要的功能，其群落结构的变化直接影响了整个系统的运行效果。因此，理解微生物群落的组成及其功能是优化处理工艺、提高系统稳定性的关键。

在实验过程中，我们还发现，当诱导钙磷结晶技术应用于PN/A工艺的出水时，能够有效防止外源性钙离子对硝化细菌和厌氧氨氧化细菌活性的抑制作用。这表明，该技术不仅能够提高磷的回收效率，还能够改善整个系统的运行稳定性。此外，通过调节工艺参数，如钙磷晶核的种类和浓度、pH值以及反应时间等，可以进一步优化磷回收效果。这些参数的调整不仅影响了晶体的形成速率和形态，还决定了最终产物的组成和性质。因此，在实际工程应用中，需要根据具体的水质条件和处理需求，对这些参数进行精细化调控，以实现最佳的处理效果。

在环境效益方面，该复合工艺的低能耗和低化学试剂消耗特性使其在实际应用中具有较高的可行性。与传统活性污泥法相比，PN/A-SPD工艺能够显著降低曝气需求，从而减少能源消耗。同时，由于SPD工艺中使用的缓释碳源（如PHBV）具有较高的利用率，减少了对额外有机碳的依赖，进一步降低了运营成本。此外，诱导钙磷结晶技术的使用不仅提高了磷的回收率，还减少了化学试剂的使用量，从而降低了碳排放强度。这些优势使得该复合工艺在应对高浓度污泥干燥废水的处理需求时，能够实现环境效益与经济效益的双重提升。

从应用前景来看，该复合工艺在污水处理领域具有广阔的推广空间。特别是在资源回收和低碳发展的背景下，该工艺能够有效实现氮磷的去除与回收，为污水处理厂提供了一种更加环保和经济的解决方案。此外，该工艺还可与其他污水处理技术相结合，如膜分离、高级氧化等，以进一步提高处理效果和资源回收率。在实际工程应用中，还需要进一步优化工艺参数，如反应器的设计、操作条件的调控以及微生物群落的管理，以确保系统的长期稳定运行。

总之，本研究提出的复合工艺为高浓度污泥干燥废水的处理提供了一种新的思路和方法。通过整合PN/A-SPD和诱导钙磷结晶技术，该工艺不仅能够实现高效的氮去除和磷回收，还能够在降低能耗、减少化学试剂使用和降低碳排放方面表现出显著优势。这些优势使得该工艺在实际应用中具有较高的可行性，为实现污水处理的绿色转型和资源循环利用提供了有力支持。未来的研究可以进一步探索该工艺在不同水质条件下的适用性，以及如何通过微生物调控和工艺优化提高系统的稳定性和效率。同时，还需要关注该工艺在实际工程中的实施细节，如反应器的选型、操作参数的设定以及运行成本的控制，以确保其能够广泛应用于污水处理行业。