在处理高氨含量的光伏废水的中试规模单级部分亚硝化/反硝化（anammox）系统中实现高效的氮去除：系统适应性及潜在的抑制因素

《Bioresource Technology》：Efficient nitrogen removal in pilot-scale single-stage partial nitritation/anammox system treating high-ammonia photovoltaic wastewater: System adaptation and potential inhibition

该研究构建35m3单阶段生物膜部分硝化-厌氧氨氧化（PN/A）系统处理光伏PECVD高氨氮废水（NH4+-N 2000-4000 mg/L，pH 12-14），运行175天实现氮去除率0.25-0.4 kgN/(m3·d)，总氮去除效率65-80%。16S rDNA测序显示有效富集厌氧氨氧化菌（AnAOB 15.54%，未分类Brocardiaceae），但高游离氨和铝积累导致AnAOB活性受限。提出两阶段PN/A系统优化方案，为光伏废水低碳处理提供新思路。

　　

顾鑫|李翔|王涵|王健|沈海旭|王雅怡

中国上海同济大学环境科学与工程学院，上海污染控制与生态安全研究所，国家水污染控制与绿色资源回收重点实验室，上海200092

摘要

光伏产业在等离子体增强化学气相沉积（PECVD）过程中会产生高氨废水（NH₄⁺-N：2000–4000?mg/L；碳氮比：0.05–0.1；pH值12–14），这对环境造成了挑战。为此，建立了一个中试规模的单级生物膜部分亚硝化/厌氧铵氧化（anammox，PN/A）系统（35?m³）来处理PECVD废水。该系统运行了175天后，氮去除率（NRR）为0.25–0.4?kg N/(m³·d)，总氮去除效率达到65–80％。16S rDNA基因测序结果显示，生物膜中有效富集了anammox细菌（AnAOB，15.54％属于unclassified_f_Brocadiaceae），这支持了高效的氮去除效果。然而，PECVD废水中高浓度的游离氨抑制了AnAOB的活性（<0.04??g?N/(g?VSS·d)）。生物膜上长期积累的铝（质量百分比10％–20％）也抑制了AnAOB的活性，限制了氮去除效果（NRR < 0.2??kg?N/(m³·d)）。因此，开发优化策略至关重要，两级PN/A系统是一个潜在的选择。本研究为基于低碳anammox技术的光伏高氨废水处理提供了实用见解。

引言

全球向碳中和的转型显著推动了光伏产业的发展，其中钝化发射极和背电池（PERC）技术成为主导力量。自2021年以来，PERC一直在光伏市场中占据主导地位，预计到2030年其全球价值将几乎翻倍（Chi等人，2023年）。然而，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）过程产生的高浓度氨废水对环境构成了重大挑战。PECVD废水通常具有高氨浓度（NH₄⁺-N：2000–4000?mg/L）、极强的碱性（pH值12–14）以及低碳氮比（C/N比：0.05–0.1）（Khan等人，2014年）。由于其独特的化学成分，PECVD废水的处理难度大且成本高昂。因此，开发高效且低碳的PECVD废水处理策略对于光伏产业的可持续发展至关重要。

传统的硝化-反硝化过程由于消耗大量化学资源和能源而难以有效处理PECVD废水（Ge等人，2017年）。相比之下，部分亚硝化/厌氧铵氧化（anammox，PN/A）过程通过减少60％的曝气能耗并消除有机碳需求，提供了一种低碳替代方案（Lawson等人，2021年；Xu等人，2025年）。尽管有这些优势，但由于anammox细菌（AnAOB）生长缓慢（倍增时间超过11天）（Liu等人，2024年）以及它们对高氨废水中的各种抑制因素（如游离氨（FA）、重金属、腐殖酸）的敏感性（Wang等人，2022年），anammox技术的广泛应用受到限制。为了解决这些问题，开发了基于生物膜的PN/A系统以增强生物量滞留并提高AnAOB的耐受性（Du等人，2024年）。其三维结构增强了嵌入生物膜中的AnAOB对环境抑制因子的耐受性（Li Wong等人，2023年），为将PECVD废水处理转向低碳运营模式提供了有前景的解决方案。

对于PECVD废水，pH值范围为12至14，这意味着超过85％的氨氮以游离氨（FA）的形式存在，这会通过轻易穿过细胞膜并干扰酶活性来抑制AnAOB的活性（Liu等人，2019年）。PECVD废水中含有硅颗粒、硅酸盐（10–100?mg/L）和铝酸盐离子（5–40?mg/L），而与交叉流废水的频繁混合会引入氢氟酸、重金属（Fe²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺）和难降解有机物（如光刻胶）。这些污染物的存在也会限制anammox过程的氮去除能力。关于anammox在光伏废水处理中的应用的研究非常有限；迄今为止，只有一项研究对此进行了探讨。本研究探索了anammox过程在高氨光伏废水处理中的适应性，但当进水负荷超过0.2?kg N/(m³·d)且NH₄⁺-N浓度超过200?mg/L时，系统性能会下降。重要的是，潜在的抑制机制尚未得到进一步阐明（Zheng等人，2024年）。因此，为了填补这一研究空白，并考虑到基于生物膜的anammox系统的增强耐受性，有必要进一步研究基于生物膜的anammox技术处理高氨光伏废水的适应性和工程可行性。

在这项研究中，建立了一个中试规模的单级生物膜PN/A反应器（有效工作体积：35?m³）来处理PECVD废水。主要目标是：i) 通过形成anammox生物膜实现PN/A系统的快速启动；ii) 评估基于生物膜的PN/A过程处理PECVD废水的可行性和适应性。通过评估生物膜的发展、功能细菌的活性测定以及微生物群落的变化来评估生物膜PN/A系统对PECVD废水的适应性。此外，利用能量色散光谱（EDS）和电感耦合等离子体光发射光谱（ICP-OES）的元素分析阐明了PECVD废水对生物膜污泥的潜在抑制作用。这是首次针对PECVD废水处理的生物膜PN/A系统的中试研究，证实了基于生物膜的PN/A系统处理此类废水的可行性和微生物的稳健性，并为进一步开发优化的anammox过程提供了支持。

部分内容摘录

中试规模的PN/A系统及其运行

中试规模的单级生物膜PN/A反应器（图1）建立在中国嘉兴的一个光伏厂内。该反应器由不锈钢制成，体积为35?m³，高度为5.7?m，底部直径为2.8?m。配备了一个沉淀池（2?m³），包括一个方形的上部腔室（1.1?m?×?1.1?m?×?1.2?m）和一个锥形的底部（高度0.6?m）用于收集污泥。反应器采用连续流模式运行，进水从底部引入。

PN/A系统处理PECVD废水的长期性能

PN/A反应器稳定运行了175天，用于处理高pH值（12–14）和NH₄⁺-N浓度（2000–3000?mg/L）的PECVD废水。生物膜PN/A过程在70天内快速启动，并在120天内形成了成熟的anammox生物膜。PN/A过程成功启动后，系统连续运行了100天，实现了PECVD废水的有效氮去除，氮去除率为0.25–0.40 kgN/(m³·d），总氮去除效率为65％–80％。

结论

开发了一个35?m³的中试规模单级生物膜PN/A系统，用于处理高氨且碳氮比低的光伏厂废水。该系统在70天内快速启动，并在第120天形成了成熟的anammox生物膜。在进水流量为4–12?m³/d、NH₄⁺-N浓度为1500–2500?mg/L的条件下，系统性能稳定运行了100天以上，氮去除率为0.25–0.40?kg N/(m³·d），总氮去除效率为65–80％。AnAOB（15.54％，属于unclassified_f_Brocadiaceae）和AOB（4.10％，属于Nitrosomonas）在其中发挥了重要作用。

未引用的参考文献

Tokutomi等人，2011年；Wang等人，2024a年；Wang等人，2024b年。

CRediT作者贡献声明

顾鑫：撰写——初稿；概念构思。李翔：撰写——审稿与编辑。王涵：监督。王健：方法学研究。沈海旭：实验研究。王雅怡：监督、项目管理和资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家杰出青年科学基金（52225001）和国家自然科学基金联合项目（项目编号U24A20185）的支持。