质量流控制增强处理餐厨垃圾沼液的三级部分亚硝化-厌氧氨氧化-部分反硝化/厌氧氨氧化系统脱氮性能及N2O释放特性

《Environmental Research》：Mass-flow control enhances nitrogen removal in a three-stage partial nitritation, anammox and partial denitrification/anammox system treating food waste digestate: Performance and N 2O release characteristics

　　

部分亚硝化/厌氧氨氧化（partial nitritation/anammox，PN/A）工艺是处理餐厨垃圾沼液（food waste digestate，FWD）的一种有前景的技术。然而，其脱氮效率被限制在约89%。为克服这一制约，研究人员建立了一个集成部分亚硝化、厌氧氨氧化和部分反硝化/厌氧氨氧化（partial denitrification/anammox，PN-A-PDA）的三级系统。通过质量流调控解决了实现稳定连续运行的挑战，总无机氮去除效率（total inorganic nitrogen removal efficiency，TINRE）达到97.6 ± 1.4%。PN单元出水NO₂^--N/NH₄⁺-N比值是整体质量流调控的关键控制变量，通过将曝气系数（aeration coefficient，AC）调节至311 - 372 m³ air/kg N以及pH反馈范围控制在8.25 - 8.31，维持该比值在1.15 - 1.23。厌氧氨氧化出水NO₃^--N/NH₄⁺-N比值随进水NO₂^--N/NH₄⁺-N比值呈指数增加，并维持在1.2 - 3.3，对应TINRE为91.4 ± 2.9%。基于周期性定量碳源投加模式，通过将HAc-COD/NO₃^--N调控在2.1 - 2.8范围内，PDA单元的TINRE维持在69.5 ± 9.5%。此外，三个反应器表现出不同的N₂O释放和消耗特征。PN反应器主导N₂O产生，其中97.8%释放到大气中，相当于进水氮的2.75%；其余2.2%以溶解态N₂O进入下游反应器，在厌氧氨氧化和PDA反应器中的阶段特异性去除效率分别为73.3%和58.8%。这些发现证明了质量流控制的PN-A-PDA系统的可行性，并阐明了其在餐厨垃圾沼液处理过程中的特定N₂O释放和消耗行为。

研究背景：厌氧甲烷发酵处理餐厨垃圾是可持续废弃物管理和可再生能源回收的途径，但其副产物餐厨垃圾沼液（FWD）氨氮浓度高、C/N比低，对常规生物脱氮构成挑战。厌氧氨氧化（anammox）作为一种低碳脱氮技术，基于其的两级部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/A）系统虽可承受高氮负荷，但理论最大脱氮效率仅为89%，难以满足严格排放标准。为突破该效率天花板，研究人员在PN/A下游集成部分反硝化/厌氧氨氧化（PDA）单元，构建三级PN-A-PDA系统，但实现三个功能单元的协调控制仍面临困难。此外，N₂O作为强温室气体（其增温效应约为CO₂的273倍）可能部分抵消工艺的环境效益，尤其在PN单元可能成为重要排放源。因此，本研究旨在确定关键操作参数及其关联、建立质量流调控策略，并考察整个系统的N₂O排放与消耗特征。该论文发表于《Environmental Research》。

研究方法：研究人员构建了由气提式PN反应器（10 L）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）anammox反应器（5 L）和EGSB PDA反应器（3 L）组成的三级系统。PN和anammox反应器接种污泥取自连续运行一年以上的两级PN/A系统，PDA反应器接种污泥来自处理合成废水的高负荷PDA反应器；实际废水取自处理餐厨垃圾的厌氧消化厂。研究通过常规水质指标测定（NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、COD、IC/TOC等）、污泥活性测试（AnAOB的SAA、AOB的SAOA、NOB的SNOA、PDB的SPDA和DB的SDA）、气态与溶解态N₂O浓度分析（GC-MS），结合宏基因组测序解析微生物群落，并利用XRD