隨著我國經（jīng）濟社會快速發展，焦（jiāo）化、化工、石油、屠宰、製藥、養殖、垃圾填埋等重點行業發展迅速（sù），但同時也排放出了（le）大量廢水。這些廢水常具（jù）有汙染物（wù）（COD、氨氮、有（yǒu）機氮）濃度高、可生化性差等（děng）特點。近年來，隨著（zhe）《水汙染防治行動計（jì）劃（huá）》（水（shuǐ）十條）的發布，對這些重點行業排放廢水的（de）深度處（chù）理提出（chū）了更嚴苛（kē）的要求（qiú）。然（rán）而，應用於含氮有機廢水處理的傳統硝（xiāo）化-反硝化脫氮工藝（yì），常存在著總氮去除（chú）率低、能（néng）耗高、藥耗多、工藝流（liú）程長等問題，嚴重阻礙了廢水處理的可持續發展。基於厭氧氨（ān）氧化(Anammox)的自養生物（wù）脫（tuō）氮工藝是廢水（shuǐ）脫（tuō）氮領域湧現的新型脫氮技術，為廢水高效節能處理（lǐ）提供了新的思路和方向（xiàng）。然而，廢水中（zhōng）較高的COD對Anammox的成功應用提出了（le）巨大挑戰；另一方麵，Anammox是自養生物過程，對COD去除幾乎無能為力。因此，能否建立一種新型工藝（yì），在同一反應器內發揮Anammox菌高效低耗脫氮的同時，實現同步COD去除？對此，來自太原理工大學的周鑫教授團隊與新加坡南洋理工（gōng）大學的劉雨教授合作研發了一種異養（yǎng）/自養耦合（hé）型部分Anammox一體化生（shēng）物膜（mó）新工藝—SCONDA®(SimultaneousCarbonOxidation, partialNitritation,Denitritation andAnammox)，該工藝有機結合了短程硝化-反硝化-Anammox等異養與自養脫氮過程，可實現高濃度含（hán）氨（ān）有機廢水的一（yī）步（bù）式高效處理，相關（guān）成果已發表於Bioresource Technology、Chemosphere等，有望為該領域提供一（yī）種經濟高效、普適性（xìng）強的新型脫氮處理技術，應用前景廣闊。

       反應係統與（yǔ）啟動

       為實（shí）現SCONDA，*先建立了有效（xiào）容積為5 L的（de）SBBR係統（圖1），內部填（tián）充（chōng）聚氨酯泡綿（mián）載體，以SBR方式運行；進水中（zhōng）添加高（gāo）濃度NH4+-N和葡萄糖作為反應底物（NH4+-N：300 mg/L；COD：600~900 mg/L；C/N：2~3）。水溫控製為30±1℃；pH為7.5-7.8。接種汙泥分別采用城市汙水處理廠的好氧活性汙（wū）泥和焦化廢水處理廠（chǎng）的短程（chéng）硝化汙泥，在啟動大約3個月後（hòu）進入試（shì）驗階段。


       運行策略與（yǔ）係（xì）統脫氮性能

       在運（yùn）行階段，為促進短程脫氮過程（chéng）中NO2--N積累和（hé）Anammox的脫氮（dàn）性能，分別采用兩種不同的運行策略實現SCONDA過程。

       策略Ⅰ：逐步提高進水氨氮濃度

以城（chéng）市汙水處理廠好氧活性汙泥為接種汙泥。為淘汰亞硝酸氧化菌（NOB），氨氮濃度從100 mg-N/L逐步增加到300 mg-N/L以提（tí）高遊（yóu）離氨（FA）濃度，DO約為1.2 mg/L，C/N為3。運行（háng）160多（duō）個周期後，反應係統COD、NH4+-N和TN去除率*高分別達94.3%、92.6%、86%（圖2所示）。出水中TN以NH4+-N和NO2--N為主，載體上生物膜顏色由棕黃色逐漸變成微（wēi）紅色。

采用高通量測序研究了反（fǎn）應（yīng）係統中的微（wēi）生物（wù）群落結構（gòu）。結果顯示，優勢微生物為異養菌，包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等（děng）好氧異養菌及Thauera，Azospira，Comamonas等反硝化菌；自養菌方麵，Nitrosomonas（2.4%）為主要的氨氧化菌（AOB），而CandidatusKuenenia（3.7%）為優勢（shì）厭氧氨氧（yǎng）化（huà）菌。該結果表（biǎo）明係統（tǒng）成功實現了短程硝化（huà）、反硝化（huà）和厭氧氨氧化等脫氮過程。


       策略Ⅱ：直接從短程（chéng）硝化過程轉換

       以短程硝化汙泥為接種（zhǒng）汙（wū）泥，在*階段保持氨氮濃（nóng）度為300 mg/L，C/N比為2。由於高FA和限氧作用，係統能夠實現穩定的短程硝（xiāo）化，然而受低C/N比影響TN去除率僅為（wéi）40%。在第二階段通過縮（suō）短水力停留時間的（de）方式，進水氨氮負荷從0.09提高到0.18 kg-N/(m3·d)；DO從2.5 mg/L降至1.2 mg/L。結（jié）果顯示（圖3所示），盡管NH4+-N和COD去（qù）除有一（yī）定的下降，但TN去除提升（shēng）至80%以上，且氮去除負荷顯著提高。此時生物膜顏色（sè）轉變成紅色。

       采用高通量測序研究（jiū）了反應係統（tǒng）中的微生物群落結構。結果顯示，在兩運行階（jiē）段中異（yì）養菌均為優勢菌，但在階段二（èr）條件下微生物群落更具多樣化。在自養菌方麵，較階段一，經過階段二運行後反應係統中AOB豐度下降了32%，而厭氧氨（ān）氧（yǎng）化菌CandidatusKuenenia由未檢出提（tí）高至2.7%。上述結果表明，通過運行控製反（fǎn）應係統已由完（wán）全短程硝化-反（fǎn）硝化過程轉換為短程硝化-反硝化耦合厭氧氨（ān）氧化過程，其中Anammox的實現對係統（tǒng）TN去除提高具有重要作用。


       物料平衡分析（xī）

       對SCONDA體係中的碳和氮進行物料衡算（suàn）分析。結果顯示（圖4），在氮素去除方麵，短程硝化-反硝化貢獻了TN去（qù）除的53%，而短程硝化-Anammox貢獻了43%，表明這（zhè）兩種脫氮途徑在（zài）係統中對高效脫氮均具有（yǒu）重要作用。在碳素去除方麵，55%的COD通過好氧過程被降解，而32%的COD經（jīng）反硝化途徑去（qù）除。


       碳氮去除過程

       基於以上結果，推斷（duàn）SCONDA工藝（yì）中碳氮去除（chú）過程（圖5所示）。*先，約80%的氨氮經短程（chéng）硝化被氧化為亞硝氮，其中（zhōng）部分在低C/N作用下經反硝化去除，而剩餘亞硝氮與20%的氨氮通過Anammox反應去除。高（gāo）FA、低DO的運行方式和生物膜空間分（fèn）層結構促進了Anammox的富（fù）集與活性（xìng）發（fā）揮。化學（xué）計量學（xué）計（jì）算進一步表（biǎo）明，SCONDA工藝對氧和有（yǒu）機碳的需求量分別為2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統（tǒng）硝化-反硝化脫氮工藝相比，SCONDA工藝可節省40%供氧和（hé）67%有（yǒu）機碳源的需求，COD和TN去除效率高，溫室氣體減（jiǎn）排明顯（xiǎn），顯（xiǎn）示了良好的技（jì）術和經濟性能，具（jù）有較好的（de）競爭（zhēng）優勢。


       SCONDA生物膜解構（gòu）

       采用微電極測試和分層測序（xù）對SCONDA生物（wù）膜進行解構。結果（guǒ）表明（圖6），低氧曝（pù）氣方式（shì）下生物膜內部存在明顯的氧梯度，由外向內依次為（wéi）好氧區、缺氧區和厭（yàn）氧區（qū）。在好氧區，好氧異養（yǎng）菌（HOB）和AOB可去除大（dà）部分COD，同時由（yóu）於低DO和高FA條件有助於實現短程硝化；在缺氧區，異養反（fǎn）硝化菌（jun1）（DHB）利（lì）用少量剩餘COD進行（háng）反硝化；在厭氧區，殘留的NH4+-N和（hé）NO2--N在Anammox菌的作用下實現進一步氮的去除（chú）。綜上（shàng），由於SCONDA生物膜內部微空間的生態位分異，實現了HOB、AOB、DHB及（jí）Anammox菌的功能互補和代（dài）謝互促（cù），進而提高了廢水總氮的去除效果（guǒ）。


       應用展望

       綜上研究，SCONDA顯示了優良的脫氮除（chú）碳性能。在高濃度含（hán）氨有機廢水廢水處理（lǐ）應用方麵，SCONDA可直（zhí）接應用於具有中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）廢水的一體化處理；而對於較高C/N廢水，可預（yù）設高速厭氧消化單元（yuán）進行部分（fèn）COD去除及（jí）產甲烷（wán）回收，然後與SCONDA工藝耦合實現工藝簡化與節（jiē）能降耗的目的。目前（qián），研究（jiū）團隊已將SCONDA工藝成功應用（yòng）於含苯（běn）酚、含吡啶等有毒難降解高濃度（dù）含氮有機模擬廢水處理，並同步開展（zhǎn）煤化工、屠宰等實際行業廢（fèi）水（shuǐ）處理技術應用。此（cǐ）外，基於（yú）SCONDA的理念亦正在拓（tuò）展應用於低氨氮城市（shì）汙水主流脫氮中。相信在未來含氮有（yǒu）機廢水可持續（xù）處理領域，SCONDA工藝將具有更廣闊的應（yīng）用前景。