在序列化双生物膜批次反应器中同时启动部分硝化、厌氧氨氧化（anammox）和反硝化磷去除过程：优化与微生物群落动态研究

《Journal of Water Process Engineering》：Start up of simultaneous partial nitrification, anammox, and denitrifying phosphorus removal in a sequencing dual-biofilm batch reactor: optimization and microbial community dynamics

同步部分硝化、厌氧氨氧化与反硝化除磷工艺在双生物膜反应器中实现总氮、磷酸盐和COD的高效去除（效率分别为98.69%、92.48%和90.85%），并通过微生物群落分析揭示功能菌群的空间分布协同机制。

　　本研究聚焦于一种新型的污水处理工艺，旨在解决传统方法在能源效率和污染物去除方面的局限性。随着城市化进程的加快，污水排放量不断增加，对高效、节能的污水处理技术提出了更高的要求。在众多污水处理技术中，厌氧氨氧化（ANAMMOX）因其显著的经济和环境优势，被认为是目前最有效的氮去除方法之一。然而，ANAMMOX的应用仍然受到一定限制，尤其是在有机碳预处理和磷去除方面。为此，研究团队开发了一种结合部分硝化、厌氧氨氧化和反硝化除磷（DPR）的同步工艺，即同步部分硝化、厌氧氨氧化与反硝化除磷（SNADPR）系统，以期在处理模拟城市污水时实现对碳、氮和磷的高效同步去除。

SNADPR工艺通过在序列批处理双生物膜反应器（SBBR）中引入两种类型的载体——复合填料和生物绳载体，从而构建了一个新型的污水处理系统。这种设计不仅有助于提高处理效率，还通过功能细菌的分区分布，实现了对不同污染物的协同去除。实验结果显示，在优化条件下，该系统能够实现高达98.69%的总氮（TN）去除率、92.48%的磷酸盐（PO?3?-P）去除率以及90.85%的化学需氧量（COD）去除率，显示出其在实际应用中的巨大潜力。

在污水处理领域，微生物群落的分布和演变对于工艺性能有着重要影响。通过高通量测序分析，研究团队发现，在复合填料中主要富集的是好氧氨氧化细菌（Nitrosomonas）和厌氧氨氧化细菌（如Ca. Jettenia、Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia），而在生物绳载体上则主要分布着聚磷菌（如Acinetobacter、Bacillus、Pseudomonas、Accumulibacter、Aeromonas和Dechloromonas）以及糖原积累菌（如Ca. Competibacter）。这种功能细菌的分区分布，有助于提高氮和磷的去除效率，同时减少不同菌群之间的相互干扰。

此外，研究团队还探讨了不同操作参数对SNADPR工艺性能的影响，包括碳氮比（C/N）、间歇曝气的曝气与非曝气时间比以及溶解氧（DO）浓度。通过系统实验，他们发现当C/N比为4.0、曝气与非曝气时间比为2:1、DO浓度为0.8 mg/L时，SNADPR工艺能够达到最佳的污染物去除效果。而当C/N比升高至6.0时，氮和磷的去除效果则有所下降。这表明，C/N比在SNADPR工艺中扮演着关键角色，需要在适宜范围内进行调控，以确保系统的稳定运行。

在实际应用中，SNADPR工艺相较于传统的两段式处理系统，具有更高的操作效率和更低的运行成本。例如，研究团队发现，当将反硝化除磷（DPR）与同步部分硝化、厌氧氨氧化（SNAD）工艺结合在一个反应器中时，可以实现对氮、有机碳和磷的高效同步去除，且整体操作更为简便。这一成果为SNADPR技术在实际城市污水处理中的推广提供了重要的理论依据和技术支持。

本研究还关注了SNADPR工艺在实际应用中的可行性。通过分析不同类型的生物膜载体对功能细菌的适应性，研究团队发现，生物绳载体能够提供更丰富的碳源，从而促进聚磷菌的生长和磷的高效去除。同时，复合填料则有助于好氧氨氧化细菌的稳定生长，为整个系统提供足够的硝化能力。这种双重载体的协同作用，不仅提高了系统的处理效率，还增强了其对高碳氮比环境的适应能力。

从生态和经济角度来看，SNADPR工艺具有显著的优势。首先，它能够有效降低能源消耗，减少对有机碳的依赖，从而实现能源中性甚至能源正向的污水处理目标。其次，该工艺能够减少污泥产量和温室气体排放，为污水处理行业提供了一种更加环保的解决方案。最后，SNADPR工艺的稳定性较高，能够适应不同水质条件，为实际工程应用提供了更大的灵活性。

为了进一步验证SNADPR工艺的可行性，研究团队进行了详细的实验分析，包括对微生物群落演变的跟踪以及对污染物去除性能的评估。实验结果表明，该系统在启动阶段能够实现对氮和磷的高效去除，同时在运行过程中保持良好的稳定性。此外，通过调节操作参数，如C/N比、曝气时间比和DO浓度，研究团队发现可以有效优化系统的运行效果，提高污染物去除率。

在实际应用中，SNADPR工艺的推广需要克服一些技术挑战。例如，如何在不同水质条件下保持系统的稳定性，如何优化操作参数以提高处理效率，以及如何实现对功能细菌的精准调控。这些问题需要进一步的研究和实践探索。此外，还需要关注该工艺在实际工程中的经济性和可行性，以确保其能够在大规模污水处理中得到广泛应用。

总体而言，本研究为SNADPR技术的发展和应用提供了重要的理论基础和实践指导。通过构建新型的双生物膜反应器，研究团队成功实现了对碳、氮和磷的高效同步去除，同时优化了系统的运行条件，提高了处理效率和稳定性。这些成果不仅有助于推动污水处理技术的进步，也为实现可持续的城市水环境管理提供了新的思路。未来，随着对SNADPR工艺的深入研究，有望进一步提高其在实际应用中的适应性和效率，为全球污水处理行业带来更大的价值。