高效稳定去除猪粪消化液中碳氮磷：高速活性污泥耦合单级短程硝化/厌氧氨氧化-羟基磷灰石工艺研究

针对猪粪消化液(SMD)高有机物抑制anammox工艺效率及磷回收难题，本研究创新性地开发了高速活性污泥(HRAS)耦合单级PN/A-HAP工艺体系。通过HRAS预处理将BOD5/COD降至0.31，显著缓解有机物胁迫；PN/A-HAP系统在Ca/P比4条件下实现92%脱氮率、63%除磷率和66%COD去除率，HAP微晶作为成核核心促进颗粒重构。该研究为高负荷有机废水同步脱氮除磷提供了关键技术参考。

　　

猪粪消化液(Swine manure digestate, SMD)处理一直是环境工程领域的棘手难题。这种废水不仅含有高达3600 mg/L的NH₄⁺-N和2600 mg/L的COD，还富含宝贵的磷资源。传统处理工艺面临两大瓶颈：一方面，高浓度有机物会破坏厌氧氨氧化菌(AnAOB)的微碱性环境，导致羟基磷灰石(HAP)结晶受阻；另一方面，磷回收通常需要额外化学沉淀单元，增加处理成本。更棘手的是，有机物胁迫与磷回收需求往往相互制约，形成技术死结。

针对这一双重挑战，某大学研究团队在《Bioresource Technology》发表创新成果，开发了高速活性污泥(HRAS)耦合单级短程硝化/厌氧氨氧化-羟基磷灰石(PN/A-HAP)的新型工艺。该研究历时93天，通过四阶段实验证实：在Ca/P质量比4条件下，系统可实现92%脱氮率、63%除磷率和66%COD去除率，且PN/A-HAP颗粒能通过"破碎-重组"机制维持长期稳定。这一突破不仅解决了有机物抑制难题，更实现了氮磷资源同步回收，为畜禽废水处理提供了全新范式。

研究采用了两大关键技术：一是10L气升式HRAS反应器通过控制SRT(23.3-27.8天)将BOD₅/COD从0.72降至0.31；二是5L PN/A-HAP反应器通过CaCl₂·2H₂O调节Ca/P比(2.5-4)，结合16S rRNA测序(PRJNA1274595)和XRD分析揭示微生物-晶体互作机制。实验采用日本养猪场的真实SMD，通过MASTERSIZER 3000分析颗粒粒径分布，ICP-OES检测元素组成。

研究结果

HRAS工艺性能
HRAS在OLR 1.82-4.33 gCOD/L/d下稳定运行，COD去除率66%，BOD₅去除率61%。关键突破在于将出水NO₂^--N/NO₃^--N控制在<5 mg/L，避免后续PN/A工艺受NOB干扰。pH 8.8±0.1的微碱环境为后续HAP结晶奠定基础。

PN/A-HAP系统效能
在NLR 1.0 gN/L/d条件下，系统呈现显著相变特征：当Ca/P比从2.5升至4时，PRE从12%跃升至55%，ΔCa/ΔP比从8.08降至1.95，证实HAP成为主要结晶形态。值得注意的是，ΔNO₃^--N/ΔNr比理论值低9%，揭示反硝化菌(DNB)利用残留COD强化脱氮。

元素迁移规律
质量平衡分析显示：HRAS单元转化50.8% COD为CO₂，PN/A-HAP单元中DNB贡献63.5% COD去除。AnAOB主导95.6%脱氮，而34%的磷通过HAP沉淀去除，形成"碳氧化-氮转化-磷结晶"的协同路径。

颗粒特性演化
随Ca/P比升高，>500μm颗粒占比从38.6%降至8.6%，而<100μm碎片增至21.1%。这些碎片含7.65-13.78% Ca和3.56-6.48% P（Ca/P≈2.15），其5.42-6.34 m/s的沉降速度远超传统PN/A颗粒。EPS中PN/PS比上升，证实蛋白质主导颗粒重构。

微生物群落特征
Ca. Kuenenia相对丰度与HAP饱和指数(SI)显著正相关(p<0.05)，在Ca/P比4时仍保持29.5%占比。Mantel检验揭示_Nitrosomonas_与_Ca_. Kuenenia存在生态位竞争(R²=0.99)，而_Phaeodactylibacter_(OHOs)与_Nitrosomonas_呈现协同共生(R²=0.98)。

结论与展望
该研究创新性地提出"有机物梯级去除-氮磷协同回收"策略：HRAS作为"有机物过滤器"降低BOD₅/COD至0.31，而PN/A-HAP颗粒通过"HAP核心-生物膜"双层结构实现功能耦合。特别值得注意的是，颗粒的"可控破碎"现象：大颗粒(>500μm)在机械剪切下解离，释放的HAP微晶(<100μm)作为成核位点促进颗粒再生，这种自调节机制保障了长期运行稳定性。

从应用角度看，污泥中5.47-6.48%的磷含量显著高于传统PN/A污泥(2.57-2.86%)，具备直接农用价值。研究者建议后续可耦合短程反硝化/厌氧氨氧化-羟基磷灰石(PD/A-HAP)工艺，处理系统出水中的残留NO₃^--N(119.4 mg/L)，实现深度脱氮。该技术路线对畜禽养殖废水处理具有重要指导意义，尤其为高氮磷有机废水的资源化提供了新思路。