基于离子交换耦合部分亚硝化/厌氧氨氧化技术的城市污水主流处理工艺创新研究

针对传统生物脱氮(BNR)工艺能耗高、化学药剂消耗大的问题，本研究创新性地开发了离子交换(IX)耦合部分亚硝化/厌氧氨氧化(PN/A)的序批式生物膜反应器(SBBR)。通过天然沸石(斜发沸石)的离子交换富集氨氮，利用PN/A生物膜实现沸石生物再生，在两年运行中实现81%总无机氮(TIN)去除率，为城市污水低碳处理提供了新范式。

　　

随着全球城市化进程加速，城市主流污水(MMW)处理面临严峻挑战。传统生物脱氮(BNR)工艺虽广泛应用，却存在"双高"痛点——需消耗大量能源满足硝化过程的氧气需求，又需投加外碳源支撑异养反硝化。更棘手的是，这种工艺让本可用于生物能源生产的有机碳源在脱氮过程中被白白消耗。在此背景下，部分亚硝化/厌氧氨氧化(PN/A)技术因其"一石三鸟"的优势（节能60%、减碳40%、污泥减量90%）成为研究热点，但该技术应用于低氨氮、高有机物的城市污水时，面临亚硝酸盐氧化菌(NOB)和异养反硝化菌(HD)竞争抑制的核心瓶颈。

美国南佛罗里达大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表创新成果，提出"离子交换(IX)-PN/A"耦合工艺。该研究设计了一种含斜发沸石的序批式生物膜反应器(SBBR)，通过三步走策略破解难题：首先用沸石选择性吸附污水中的铵离子(NH₄⁺)，再投加厌氧消化侧流提高游离氨(FA)浓度抑制NOB，最后利用分层培养的PN/A生物膜同步脱氮并再生沸石。关键技术包括qPCR定量功能基因(amoA、amx)、高通量测序分析微生物群落、以及通过回流速率调控反应器内的溶解氧梯度。

突破性启动
反应器启动阶段，斜发沸石对40 mg/L NH₄⁺-N的污水展现出21小时半饱和吸附能力。Thomas模型拟合显示，离子交换容量达0.43 meq/g，钠离子为主要置换阳离子。

高效脱氮性能
在1.43 m/h回流速率下，系统实现81% TIN去除率和0.11 g N/L/d的氨氮去除速率。功能基因检测显示，反应器上层富集氨氧化菌(amoA基因2.0×10² copies/ng DNA)，下层富集厌氧氨氧化菌(amx基因1.0×10⁴ copies/ng DNA)。

微生物群落特征
核心菌群包含变形菌门(Pseudomonadota,15-21%)、微小菌门(Patescibacteria,12-20%)、绿弯菌门(Chloroflexota,9-14%)和浮霉菌门(Planctomycetota,8-13%)，呈现出典型的PN/A功能菌群结构。

长期运行稳定性
历经35个运行周期(>2年)，系统未更换沸石介质、未添加再生盐溶液、未产生高盐废水，证实了工艺的可持续性。通过优化碳氮比(COD/N≤3)和侧流投配比(17-25%)，成功抑制了NOB和HD的竞争干扰。

该研究开创性地实现了城市污水脱氮过程的"三无"目标——无化学药剂添加、无介质更换、无浓盐水排放。特别是通过沸石生物再生技术，将传统IX工艺的"吸附-化学再生"模式转变为"吸附-生物再生"的闭环系统，为污水处理厂迈向"碳中和"提供了关键技术支撑。研究揭示的微生物分层规律(好氧层AOM/缺氧层anammox)为单级PN/A反应器设计提供了理论依据，而斜发沸石与PN/A菌群的协同机制则为新型生物-矿物复合材料的开发指明方向。