碳源可利用性对单污泥回流连续流厌氧氨氧化系统处理低浓度废水时长期营养物去除的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Carbon availability and long-term nutrient removal in a single-sludge-recirculation continuous-flow AOA system for low-strength wastewater treatment

　　

摘要

厌氧/好氧/缺氧（AOA）工艺是一种具有前景的碳高效生物脱氮除磷策略，但在简化连续流操作下，碳的可用性如何影响脱氮除磷的稳定性和微生物响应仍不够清楚。本研究建立了一个单污泥回流连续流AOA系统，用于处理以乙酸钠为基础的模拟低浓度废水，并评估了其脱氮除磷性能和微生物响应。反应器运行约200天，实现了稳定的有机质和氮的去除，COD平均去除率为88.00% ± 7.70%，NH??-N为96% ± 7%，TN为91.53% ± 7.05%。相比之下，磷的去除稳定性较差，表现出明显的时程波动，尤其是在运行后期。空间分布特征显示，厌氧区COD快速吸收和磷释放，好氧区氨氮氧化效率高且NO??-N积累有限，后置缺氧区TN进一步降低，尽管液相COD消耗很少。这表明后置缺氧区的脱氮可能主要依赖于内源碳的利用。与反硝化相关的属，包括Azospira和Dechloromonas的富集，以及低丰度硝化种群的存在，与观察到的氮转化模式一致。然而，污泥膨胀、TP波动和颗粒化的不稳定揭示了操作稳定性的限制。单污泥回流AOA配置为AAO升级提供了简化路线，但污泥结构和磷去除稳定性需要进一步优化。

引言

市政废水处理越来越需要实现可靠的脱氮除磷，同时降低化学和能源需求[1], [2]。在传统异养生物脱氮除磷（BNR）中，进水有机碳必须在厌氧基质吸收和储存、反硝化以及好氧氧化之间分配[1], [3], [4]。碳分配效率低下会加剧脱氮和除磷之间的竞争，特别是当回流污泥携带的硝酸盐进入厌氧区，干扰聚磷菌（PAOs）对易生物降解COD的厌氧吸收和储存时[4], [5], [6]。因此，传统的厌氧/缺氧/好氧（AAO）及相关配置依赖大量内回流或补充碳来维持反硝化，这已成为该工艺升级的限制因素[3], [7]。

厌氧/好氧/缺氧（AOA）工艺通过重新排列氧化还原序列来改善碳分配，最近引起了广泛关注[7], [8]。进水碳首先在厌氧条件下被吸收，部分保留在污泥中，随后在好氧区进行氨氮氧化和磷吸收。保留的碳可以在后置缺氧区重复利用，以支持反硝化和反硝化除磷，从而减少外碳添加的需求[7], [8], [9]。然而，AOA工艺的碳分配优势并不能保证其自动低碳和高效运行。据报道，AOA的性能与胞内碳储存、内源反硝化以及反硝化聚磷菌（DPAOs）或反硝化聚糖菌（DGAOs）有关[4], [10]。这些影响因素的相对贡献因进水组成、微生物群落结构和操作条件而异，AOA工艺的稳定性控制仍然是必要的[11], [12]。

最近的连续流AOA研究通过调整厌氧/好氧/缺氧HRT比例、增加污泥回流或引入旁路和替代流动布置来改善后置缺氧反硝化，以增强内源碳利用和下游NO??-N的降低[3], [11]。这些策略可以增加下游缺氧生物量和NO??-N与可用电子供体之间的接触，但也增加了液压和操作复杂性。同时，推流AOA运行显示对操作条件的强烈依赖性，在长时间运行期间报告了无效的内源反硝化和削弱的硝化；硝化的恶化与低DO和长时间无曝气有关[13]。这些发现表明，AOA性能不仅取决于氧化还原序列本身，还取决于主流中碳和活性生物量的分布和利用。在工艺层面，简化AOA运行取决于有氧硝化过程中产生的NO??-N是否可以在下游使用主流污泥中保留的碳进行降低。这使得空间氮转化和下游碳可用性成为评估该配置的关键指标[1], [4], [7]。在本研究中的单污泥回流配置中，回流污泥仅从沉降区引导至前端厌氧区。与采用额外污泥回流至后置缺氧区的AOA配置相比，这种布置消除了第二污泥回流线和相关的分流和泵送操作。然而，这种简化配置的长期运行行为，特别是下游脱氮、碳可用性和污泥稳定性之间的关系，仍没有得到充分的表征。因此，本研究建立了一个单污泥回流连续流AOA反应器，在模拟市政废水和无后置缺氧碳添加的条件下运行了约200天。回流污泥仅导向前端厌氧区，主流污泥依次通过厌氧、好氧和后置缺氧区。目标是：(1)评估长期COD、氮和磷的去除；(2)分析空间氮转化分布，并通过碳需求分析推断后置缺氧脱氮；以及(3)检查长期运行期间的污泥结构演变和微生物群落响应。本研究有望为评估AAO升级简化AOA配置的脱氮除磷性能和操作限制提供实验参考。

系统运行

如图1所示，建立了一个单污泥回流连续流AOA反应器。反应器由七个相同的串联室组成，每个室尺寸为12 cm × 12 cm × 40 cm（长×宽×高），操作水位35 cm。1-6室构成生物反应区，总有效容积约30 L，而第7室作为专用的沉降区用于泥水分离。每个生物反应室...

长期处理性能

单污泥回流AOA系统运行了约200天。根据系统的运行状态，运行期可分为阶段I（1-64天）和阶段II（65-200天）。如图2a所示，在整个运行期内，平均进水COD浓度为246.29 mg/L，出水COD大部分时间低于20 mg/L，平均去除率为88.00% ± 7.70%，表明系统能够维持...

结论

在本研究中，一个处理以乙酸钠为基础的模拟低浓度废水的单污泥回流连续流AOA系统运行了约200天，后置缺氧区没有外碳添加。系统维持了稳定的有机质和氮的去除，COD平均去除率为88.00% ± 7.70%，NH??-N为96% ± 7%，TN为91.53% ± 7.05%。空间浓度分布显示厌氧区COD快速吸收和磷释放...

CRediT作者贡献声明

Xinrui Zhang：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，可视化，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Xinru Li：撰写—审阅与编辑，验证，调查，数据管理。Yueying Song：撰写—审阅与编辑，资源，方法论，调查。Peng Bi：撰写—审阅与编辑，可视化，验证，正式分析。Ying Han：撰写—审阅与编辑，调查，正式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Xinrui Zhang | Xinru Li | Yueying Song | Peng Bi | Ying Han | Hui Sun | Shiquan Ren | Jiankang Huang | Jingwei Ma | Qiulai He

湖南大学土木工程学院，水安全技术与应用湖南省工程研究中心，长沙 410082，中国