通过反硝化作用与部分反硝化厌氧氨氧化（anammox）耦合，同步去除二级出水中的碳和氮的性能与机制

《Journal of Cleaner Production》：Performance and mechanism of synchronous carbon and nitrogen removal from secondary effluent by denitrification coupled with partial-denitrification anammox

本研究构建实验室脱氮滤器（DF），结合水解细菌和厌氧氨氧化菌，处理混合二次 effluent（SE）和进水（SI）。通过调整SI比例，COD和TN去除率分别达82.50%、96.19%，揭示水解-脱氮耦合机制及功能菌群作用，提出高效低成本同步脱碳除氮新工艺。

　　在现代污水处理技术中，同步去除碳（C）和氮（N）的效率与成本控制是关键问题。特别是在城市污水处理厂（MWWTPs）的二级处理后出水（SE）中，由于有机物的生物降解性差以及碳源不足，导致C和N的去除效果不理想，无法满足日益严格的排放标准。为此，研究团队开发了一种新型的同步碳氮去除技术，该技术基于厌氧氨氧化（Anammox）细菌与适应性水解细菌的协同作用，通过构建实验室规模的脱氮滤池（DF）系统，实现了对SE中碳和氮的高效去除，同时避免了化学药剂的使用，降低了运行成本。

本研究中，DF的进水为实际二级出水与二级进水（SI）的混合物。随着SI比例的增加，出水中的总氮（TN）浓度逐步下降，最终达到8.94 mg/L的COD和0.85 mg/L的TN，相应的去除率分别为82.50%和96.19%。这表明，通过调整SI的比例，可以有效提升DF的处理性能。值得注意的是，水解和脱氮过程共同作用，不仅高效地去除了有机物，还将大部分有机物转化为二氧化碳和水，从而实现了碳的高效转化。此外，厌氧氨氧化过程与部分脱氮（PDA）相结合，使得氮的去除更加高效，仅需消耗1.98 mg COD即可去除1 mg TN，且其中约30.41%的氮通过PDA去除。这一结果展示了该技术在降低碳源需求和提高氮去除效率方面的显著优势。

在DF系统中，水解过程起到了关键作用，它能够改善SE中难降解有机物（ROMs）的生物可降解性，为后续的脱氮过程提供充足的碳源。同时，水解过程还将有机氮转化为氨氮（NH??-N），从而为厌氧氨氧化反应提供了必要的底物。研究表明，当DF中引入适应性水解细菌后，COD的去除率可以显著提高，甚至达到16.73 mg/L的水平。而在进一步优化DF系统，使其同时包含适应性水解细菌和生物锰氧化物的生成后，COD的去除效果进一步提升至8.12 mg/L。这说明，适应性水解细菌在DF系统中的作用至关重要，它们不仅能够提高有机物的可利用性，还能够促进氮的同步去除。

脱氮过程的理论碳源需求较高，例如，每去除1 mg NO??-N需要消耗2.86 mg COD，而每去除1 mg NO??-N则需要1.14 mg COD。然而，由于SE中的碳源有限，仅依靠脱氮过程难以完全去除所有氮形态。此外，SE中氨氮和有机氮的去除率较低，导致TN无法降至1.0 mg/L以下。为了解决这一问题，DF系统引入了PDA技术，该技术通过将硝酸盐脱氮至亚硝酸盐，再与氨氮同步去除，从而大幅降低了碳源的需求。理论计算表明，每去除1 mg TN仅需消耗0.74 mg COD，这比传统脱氮方法更加经济高效。

SI中含有丰富的可生物降解有机物（BOMs）和氨氮，为DF系统中的脱氮与PDA过程提供了充足的电子供体。这种组合不仅提高了氮的去除效率，还增强了碳的同步去除能力。相比之下，SE中的有机物由于生物可降解性差，导致其去除效果有限，进而影响整个系统的处理能力。因此，将SI与SE混合作为DF的进水，是一种有效的策略，可以在不增加额外化学药剂的前提下，实现对C和N的高效去除。

为了验证该技术的可行性，研究团队构建了一个实验室规模的DF系统，并进行了为期211天的连续运行实验。实验结果表明，该系统在长期运行过程中保持了稳定的处理性能，且主要功能细菌和相关基因的分布与活性也发生了显著变化。这些变化进一步解释了C和N去除的机制，即通过水解和脱氮过程的协同作用，以及PDA与Anammox的结合，实现了对有机物和氮的高效同步去除。

此外，本研究还强调了该技术在实际应用中的重要性。传统的高级氮去除技术通常需要额外的碳源，这不仅增加了运行成本，还可能带来二次污染的风险。而DF系统通过利用SE和SI中的内源碳源，避免了这些问题，同时实现了极高的去除效率和极低的运行成本。这种技术为城市污水处理厂的二级出水深度处理提供了新的思路，尤其是在需要满足更严格排放标准的地区，具有广阔的应用前景。

从环境工程的角度来看，DF系统不仅能够高效去除C和N，还能够在不依赖外部化学药剂的情况下，实现对污染物的深度处理。这使得该技术在实际应用中更加环保和可持续。同时，该系统对温度、硝酸盐回流比、溶解氧（DO）和污泥停留时间等运行参数的适应性较强，能够在多种工况下保持稳定的处理效果，这为该技术的推广和应用提供了良好的基础。

综上所述，本研究提出了一种基于Anammox细菌和适应性水解细菌的新型同步C和N去除技术，通过DF系统的构建和运行，验证了其在实际应用中的高效性和经济性。该技术不仅能够显著降低COD和TN的排放浓度，还能够有效转化有机物为无害的二氧化碳和水，从而实现对污染物的深度处理。此外，该技术在运行过程中无需添加化学药剂，避免了二次污染的风险，符合现代污水处理的绿色和可持续发展趋势。未来，随着对DF系统运行机制的进一步研究和优化，该技术有望在更多城市污水处理厂中得到应用，为改善水环境质量、减少污染负荷提供有力支持。