《Journal of Water Process Engineering》：Initial trial of high-concentration powder carrier bio-fluidized bed (HPB) technology in high-ammonia wastewater treatment: Performance and mechanism of a pilot-scale ultra-high biophase HPB system
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高氨氮废水处理中，UBH技术利用微米级硅藻土载体实现98.46%±0.32%的高效氮去除，无需外源碳源，出水COD≤300 mg/L、TN≤45 mg/L达标，通过多菌种协同代谢优化氮去除路径，同时提升生物量至14.02±0.49 g/L，为低碳氮处理提供新范式。
黄文章|方成然|王鹏程|王瑞哲|李东|卢斌|柴晓丽
深圳市水务（集团）有限公司技术部，中国深圳市南山中路1099号，518031
摘要
现有的生物脱氮工艺在处理高氨废水时仍面临重大挑战，并且伴随着较高的碳足迹（能源消耗和补充碳的消耗）。本研究基于高浓度粉末载体生物流化床（HPB）技术，提出了一种新型的超高效生物相HPB（UBH）技术，用于解决高氨废水处理问题。该技术使用微米级（约50 μm）的硅藻土基粉末载体，投加量为5 g/L。在稳定运行阶段，该中试规模的UBH系统实现了高达98.46 ± 0.32%的氮去除效率，且无需外部碳补充。UBH系统的出水符合中国广泛实施的标准（GB/T 31962–2015，COD ≤300 mg/L，总氮 ≤45 mg/L），可用于排放到市政污水系统中。通过对污泥形态和微生物群落的分析，建立了UBH系统高效处理高氨废水的机制。通过多种功能微生物的共生协作，优化了氮去除途径（部分硝化-反硝化作用），并调动了多种内源性电子供体，使UBH系统能够在不依赖外部碳补充的情况下实现高效氮去除。这些发现填补了关于HPB技术在高浓度废水应用中的研究空白，为低碳足迹的高氨废水处理提供了新的范式和技术指导，以符合碳中和政策和可持续发展目标。
引言
高氨废水（如厌氧消化出水、垃圾填埋场渗滤液）的处理在废水脱氮领域仍然是一个重大挑战，主要原因是氮浓度高以及化学需氧量（COD）与总氮（C/N）的比例不理想[1]、[2]。传统的硝化-反硝化工艺在处理此类废水时通常需要大量能源和补充碳源[3]。这一过程产生的大量碳排放严重阻碍了2030年可持续发展目标的实现[4]、[5]。此外，一些自养脱氮技术（如反硝化菌（Anammox）也被用于处理高氨废水，但它们仍存在启动缓慢、操作维护困难以及抗冲击能力差等问题[6]。因此，有必要开发符合高氨废水特点（低C/N比）的新处理工艺，以减少处理过程的碳足迹。
近年来，高浓度粉末载体生物流化床（HPB）技术在生物废水处理领域受到了广泛关注[7]。HPB技术通过投加微米级复合生物载体，增强了生物系统的生物量积累和氮去除性能，具有升级成本低、操作简单、处理效率高等优势[8]、[9]。HPB技术的另一个关键技术特点是其集成的载体回收系统，该系统能在二次沉淀池之前回收生物载体和附着的生物膜[10]、[11]。这种设计的好处包括：a) 回收生物载体以降低载体补充成本；b) 回收附着的微生物以增加其积累量，从而提高反应区的生物量和性能；c) 减少沉淀池的固体负荷[7]、[12]、[13]。通过生物载体与回收系统的协同作用，HPB系统的生物量通常可以达到传统工艺的1.5–2.0倍（混合液悬浮固体：6–8 g/L），促进了某些生长缓慢的自养脱氮功能微生物（如氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）和厌氧铵氧化菌（AnAOB）的积累[14]、[15]、[16]，从而提高了HPB工艺的氮去除效率并减少了对外部碳源的依赖[17]。得益于这些特点，HPB技术已被许多市政污水处理厂采用，帮助它们实现碳减排和效率提升[18]、[19]。
然而，HPB技术主要应用于低污染市政废水的处理，其在低C/N比高氨废水中的氮去除应用尚未有相关报道[18]。现有的HPB工艺大多基于传统的厌氧-缺氧-好氧（AAO）系统进行改造[9]、[19]。由于处理流程较短、水力停留时间（HRT）较短以及内源性碳源利用效率不足，在处理高氨废水时可能会产生较低的氮去除效果[20]。此外，当前HPB系统所能达到的生物量浓度可能不足以满足高效去除高氨废水氮的需求。因此，需要进一步优化现有的HPB工艺，以满足低C/N比高氨废水氮去除的要求[7]。同时，HPB工艺在高氨废水中的氮去除机制尚未明确，相关理论框架仍需进一步完善。
为填补这些研究空白，本研究构建了一个中试规模的超高效生物相HPB（UBH）系统，并研究了其在实际高氨废水处理中的性能，验证了HPB技术应用于高氨废水处理的可行性。此外，通过对污泥形态、胞外聚合物物质（EPS）特性以及系统内微生物群落的系统研究，阐明了UBH系统高效低碳去除氮的机制。中试规模UBH系统的成功运行为实际高氨废水处理的全规模UBH系统的应用提供了可行性验证和技术指导。这项研究为低碳足迹的高氨废水处理建立了一种高性能且可行的范式，拓宽了HPB技术的应用范围。
UBH系统的构建与运行
中试规模的UBH系统处理能力为1.5–2.0 m3/d，包括一个两段式厌氧/好氧（A/O）单元、一个超滤（UF）单元和一个旋流器载体回收单元（图1）。系统中两段式A/O单元的有效体积为42.4 m3，A1、O1、A2和O2区的体积比为2:5.7:1:1。两段式A/O单元的水力停留时间（HRT）为21.2–28.3天，温度保持在一定范围内
UBH系统的性能与运行特性
研究了UBH系统在运行过程中的性能（图2a）。在第一阶段，UBH系统以1.5 m3/d的处理能力启动，补充碳源的投加量为30 kg/d（醋酸钠）。在启动期间，UBH系统的出水总氮（TN）逐渐降低，约30天后系统性能稳定（性能波动<5%），表明UBH系统成功启动。随后，在第二阶段，碳源的投加量
结论
本研究构建了一个中试规模的UBH系统，并证实了其能够高效去除高氨废水中的氮（去除效率为98.46 ± 0.32%），出水质量（总氮和COD分别为15.88 ± 2.90 mg/L和266.00 ± 2.83 mg/L）直接符合排放标准。UBH系统的生物量水平（MLSS = 14.02 ± 0.49 g/L）明显高于传统废水处理工艺。通过多种功能微生物的共生协作，实现了高效的氮去除
CRediT作者贡献声明
黄文章：撰写——初稿撰写、数据整理、概念构建。方成然：撰写——审稿与编辑、方法论设计、资金获取、概念构建。王鹏程：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法论设计、数据分析。王瑞哲：可视化处理、方法论设计、数据分析、数据整理。李东：撰写——审稿与编辑、方法论设计、数据分析。卢斌：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划、中国科学技术部 [项目编号：2023YFC3207503、2020YFC1908603]、2022年跨学科联合研发项目、同济大学 [项目编号：2022-4-ZD-01]以及国家自然科学基金 [项目编号：42477406]的财政支持。
