分离式EBPR-PN/A双级SBR工艺：实现市政污水能源中和型营养物去除的创新路径

针对传统污水处理工艺脱氮能耗高、碳源竞争激烈的问题，北京工业大学研究团队开发了EBPR-PN/A双级序批式反应器系统。该工艺通过EBPR单元高效分离碳/磷（去除率95.4%），并在PN/A单元精准投加外源碳源（COD/N比=0.6），实现anammox与内源反硝化协同脱氮（氮去除率75.5%，速率0.23 kg N/(m3·d)）。该研究为市政污水处理厂能源中和运行提供了关键技术路径。

　　

传统污水处理面临着一个棘手的矛盾：脱氮过程需要消耗大量有机碳源，而除磷又依赖这些碳源驱动的聚磷菌代谢。常规A²O工艺将碳氮磷处理集中在单一系统，导致碳源竞争激烈，需额外投加甲醇等外源碳（维持COD/N比4:1-6:1），显著增加能耗与成本。更严峻的是，全球水资源短缺与"双碳"目标要求污水处理厂从"能耗大户"转向"能源工厂"，亟需开发能源中和甚至产能的新路径。

北京工业大学彭永臻院士团队在《Water Research X》发表创新研究，通过构建双级序批式反应器（SBR）系统——EBPR（强化生物除磷）耦合PN/A（部分亚硝化-厌氧氨氧化）工艺，成功实现市政污水中碳/磷分离去除与氮素高效回收。该系统首先在EBPR单元去除92.9-338.0 mg/L COD（去除率72.1%）和3.0-9.5 mg-P/L磷酸盐（去除率95.4%），出水氨氮（61.7 mg-N/L）成为PN/A单元的"营养源"；随后在PN/A单元通过添加外源碳源（COD/N比0.6），激发anammox菌与内源反硝化菌协同脱氮，最终达到总无机氮去除率75.5%、去除速率0.23 kg/(m³·d)的稳定效能。

核心方法

1. 双SBR工艺设计：EBPR采用厌氧/好氧模式（DO 0.5-1.5 mg/L），PN/A采用厌氧/好氧/缺氧（AOA）模式（DO 0.2-0.5 mg/L），分别控制污泥龄（SRT）为10天和30天。

2. 碳源精准调控：分四阶段对比COD/N比（0.93→0.6→1.2）对PN/A的影响，使用实际污水与乙酸钠模拟外源碳。

3. 微生物功能解析：通过qPCR定量功能基因（如AOB的amoA、anammox的16S rRNA），高通量测序分析颗粒/絮体污泥菌群结构，结合耗氧速率（OUR）和厌氧呼吸速率测定功能菌活性。

突破性发现

1. EBPR实现碳磷高效分离

   在低溶解氧（0.5-1.5 mg/L）和短好氧时长（1-1.5 h）策略下，EBPR成功抑制硝化菌生长（氨氮去除率仅8.3%），使COD和磷通过聚磷菌（PAOs）代谢途径被捕获至污泥中，为后续资源化奠定基础。典型周期数据显示：厌氧阶段磷释放量达29.9 mg-P/L，好氧阶段磷降至0.1 mg-P/L。

2. PN/A需外源碳激活协同脱氮

   当PN/A直接处理EBPR出水（COD/N比=0.93），初期脱氮率可达81.9%，但随运行时间延长，亚硝酸盐氧化菌（NOB）增殖导致硝酸盐积累（ΔNO₃^--N/ΔNH₄⁺-N比升至21.4%），脱氮效能下降。添加外源碳（COD/N比=0.6）后：

   • 脱氮率回升至85.4%，关键功能菌丰度提升（如Thauera负责硝酸盐还原）

   • 形成"部分亚硝化+anammox+内源反硝化"（SNAD-EPD/A）多路径耦合：好氧段氨氧化生成亚硝酸盐供anammox消耗，缺氧段内源碳驱动反硝化消除残余硝酸盐

3. 有机质类型决定菌群结构

   投加实际污水时，AOB活性受毒性有机物抑制（OUR从83.4降至19.9 mgO₂/(L·h)）；改用乙酸钠后，颗粒污泥中anammox菌（Candidatus Brocadia）与絮体污泥中反硝化菌（Dechloromonas、Competibacter）形成共生体系，实现脱氮功能再平衡。

行业变革性意义

该研究首次验证了"分离式营养物管理"的工程可行性：

1. 能源转化突破：EBPR单元富集的碳/磷可通过厌氧消化产甲烷（CH₄）或结晶回收磷，驱动污水处理厂能源自给。

2. 脱氮成本革新：PN/A单元仅需补充传统工艺1/5的碳源（COD/N比0.6 vs 4-6），大幅降低药剂费用。

3. 工艺设计范式转移：双级SBR打破传统单体反应器的局限，为新建/改造污水厂提供模块化方案。

挑战与展望

当前PN/A的30℃恒温需求制约了寒冷地区应用，未来需研发低温适应性菌群（如Candidatus Brocadia低温菌株）。研究团队建议将厌氧消化产生的甲烷用于n-DAMO（硝酸盐/亚硝酸盐依赖型甲烷氧化）耦合anammox，进一步挖掘"以废治废"的碳循环潜力。

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（注：解读严格依据原文数据，专业术语首次出现标注中英文全称，菌属名保留斜体格式，上/下标采用HTML标签规范呈现）