新型中试规模的空气提升内循环生物反应器：通过部分亚硝化-反硝化作用提高猪粪废水中的氮去除效率

《Journal of Water Process Engineering》：Novel pilot-scale air-lift inner circulation bioreactor for enhanced nitrogen removal from digested swine wastewater via partial nitritation–anammox

单阶段部分硝化-厌氧氨氧化（PN/A）工艺结合空气升流内循环生物反应器（AiCBR）可有效处理高氨氮低碳氮比的下猪废水，通过分区曝气和循环系统建立梯度微环境，促进氨氧化菌（AOB）与厌氧氨氧化菌（AnAOB）代谢协同，实现84.1%的氮去除率（NRE）和0.94 kg N/m3/d的氮去除速率（NRR），形成稳定的AnAOB颗粒污泥，基因表达分析显示amo和hdh基因显著上调。

　　在当前全球范围内，随着畜牧业的快速发展，特别是中国作为全球最大的生猪养殖国之一，其产生的废水处理问题日益突出。这些废水通常具有高氮浓度和低碳氮比（C/N）的特点，给传统的生物脱氮工艺带来了严峻挑战。传统的硝化-反硝化（nitrification-denitrification）过程需要额外的碳源补充，这不仅增加了运行成本，还可能导致系统复杂性上升，限制了其在实际应用中的推广。为了解决这一问题，研究人员提出了一种新的单级部分硝化-厌氧氨氧化（PN/A）工艺，旨在减少对外部碳源的依赖，提高脱氮效率。然而，单级PN/A系统在实际运行中仍然面临诸多挑战，例如，如何在单一反应器中同时满足好氧氨氧化细菌（AOB）和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）的环境需求，以及如何确保系统在处理水质波动较大的实际废水时的稳定性。

针对上述问题，本研究开发了一种创新的空气提升内循环生物反应器（AiCBR），该系统通过集成分区供气与空气提升循环，实现了在单一反应器内建立梯度微环境，从而促进AOB与AnAOB之间的代谢协同作用。AiCBR的设计不仅考虑了反应器内部的结构优化，还引入了新型的内部组件，如固定空气提升区，以降低对气提速率的依赖，提升系统的流体稳定性、质量传递效率和对实际废水波动的适应能力。这一创新设计为处理高氨氮、低C/N比的厌氧消化猪废水（ADSW）提供了一种高效、灵活且可扩展的解决方案。

在实验过程中，AiCBR连续运行了275天，对系统的氮去除性能、污泥颗粒化情况以及功能微生物群落的演变进行了全面评估。结果表明，AiCBR的氮去除效率（NRE）达到了84.1%，氮去除速率（NRR）为0.94 kg N/m3/d，显示出卓越的脱氮能力。此外，系统内形成了稳定的AnAOB颗粒污泥，平均颗粒大小为294 μm，这为系统长期稳定运行提供了重要保障。质量平衡分析进一步揭示了，85.4%的氮去除过程是通过厌氧氨氧化途径实现的，这表明AnAOB在系统中发挥了主导作用。同时，通过宏基因组分析，研究人员确认了在稳定运行阶段，Nitrosomonas（5.88%）和Candidatus Brocadia（2.24%）等关键功能微生物得到了显著富集。这些微生物的富集不仅提高了系统的脱氮能力，还增强了其对环境变化的适应性。

在功能基因层面，研究人员对氨单加氧酶（amo）和肼脱氢酶（hdh）等关键脱氮相关基因的表达水平进行了分析。结果显示，amo和hdh基因的表达量分别提高了21.8倍和57.9倍，这表明系统在运行过程中，AOB和AnAOB的代谢活动得到了显著增强。这些基因的高表达不仅反映了微生物群落的适应性变化，还为理解系统内部的氮代谢机制提供了重要线索。此外，系统运行期间的环境参数，如pH值和溶解氧（DO）浓度，保持了较高的稳定性，这有助于维持微生物群落的活性，提高系统的整体性能。

在AiCBR的运行过程中，研究人员还观察到了反应器内部的水力循环和质量传递效率的显著提升。通过合理的结构设计，系统能够有效促进反应器内不同区域之间的物质交换，从而确保微生物群落的均匀分布和高效代谢。这种水力循环的优化不仅提高了系统的处理能力，还增强了其对实际废水波动的适应性。例如，在处理水质变化较大的ADSW时，AiCBR能够维持较高的氮去除效率，显示出良好的运行稳定性。此外，系统的设计还考虑了工程应用的可行性，通过降低反应器的高度与直径比（通常≥2.0），使得AiCBR更容易与现有的传统废水处理设施进行改造和集成，提高了其在实际工程中的应用价值。

AiCBR的创新设计和优化策略不仅解决了单级PN/A系统在实际运行中面临的诸多挑战，还为未来高氨氮、低C/N比废水的处理提供了新的思路。通过建立梯度微环境，系统能够满足AOB和AnAOB的不同环境需求，促进它们之间的代谢协同，从而实现高效的氮去除。同时，AiCBR的结构设计和内部组件的引入，使得系统在处理水质波动较大的废水时表现出更高的稳定性和适应性，这对于实际工程中的废水处理具有重要意义。此外，系统的运行数据和微生物群落分析结果也为进一步优化和推广该技术提供了理论依据。

在实际应用中，AiCBR的高效性能和良好的运行稳定性使其成为处理高氨氮废水的理想选择。与传统的多级系统相比，AiCBR的单级设计大大简化了操作流程，降低了运行成本，同时提高了空间利用率和处理效率。这种高效、经济且环保的处理方式，不仅有助于减少氮污染，还能降低能源消耗和碳排放，符合可持续发展的理念。因此，AiCBR的应用前景广阔，有望在未来的废水处理领域中发挥重要作用。

综上所述，本研究通过开发和优化AiCBR系统，成功解决了单级PN/A工艺在实际应用中的诸多瓶颈问题。系统在氮去除效率、污泥颗粒化、功能微生物群落富集以及基因表达调控等方面均表现出优异的性能。这些成果不仅为高氨氮、低C/N比废水的处理提供了新的技术路径，还为相关领域的进一步研究奠定了基础。随着技术的不断进步和工程应用的深入，AiCBR有望成为未来废水处理领域的重要创新之一，为实现更高效、更环保的氮去除提供有力支持。