隨著我國（guó）經濟社會快速發展，焦化、化（huà）工、石油、屠宰、製藥（yào）、養殖（zhí）、垃圾填埋等重點行業發展迅速，但同（tóng）時也排放出（chū）了大量廢水。這些廢水常具有汙染物（COD、氨氮、有機氮）濃度高、可生化性差等特點。近年來，隨著（zhe）《水汙染防治（zhì）行動（dòng）計劃》（水十（shí）條（tiáo））的（de）發布，對這些重點行業排放廢（fèi）水的深度處理提出了更嚴苛的要求。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，常存（cún）在著總氮去除率低、能耗高、藥耗多、工藝（yì）流程長等問題，嚴重阻（zǔ）礙了廢水處理的可（kě）持續發展。基於厭氧氨氧化(Anammox)的自養生物脫氮工藝是（shì）廢水脫氮領域湧現的新（xīn）型脫氮技術（shù），為廢水高效節能處理提供了新的思路和方向。然而，廢水中較（jiào）高的COD對Anammox的成功應用提出了巨大挑戰；另一方麵，Anammox是自養生（shēng）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，在同一（yī）反應器（qì）內發（fā）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（nán）洋理工大（dà）學的劉雨教授合作研發了一種異養/自養耦合（hé）型（xíng）部分Anammox一（yī）體化生物膜新工藝—SCONDA®(SimultaneousCarbonOxidation, partialNitritation,Denitritation andAnammox)，該工藝有機結合了短程硝化-反硝化-Anammox等（děng）異（yì）養與（yǔ）自養脫氮過程，可（kě）實現高濃度含氨（ān）有機廢水的一步（bù）式高效處理，相（xiàng）關成果已（yǐ）發表於Bioresource Technology、Chemosphere等，有望為該領域提供一種經濟高效（xiào）、普適性（xìng）強（qiáng）的新（xīn）型脫氮處（chù）理技術，應用前景廣闊。

       反應係統與（yǔ）啟動

       為實現SCONDA，*先（xiān）建立了有效容積為5 L的SBBR係統（圖1），內部填充聚氨酯泡綿載體，以SBR方式運（yùn）行；進水中添加高濃度NH4+-N和葡萄糖作為反應底物（wù）（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（yòng）城市汙水處理廠（chǎng）的好氧活性汙泥和焦化廢水處理廠的短程（chéng）硝化汙泥，在啟動大約3個月後進入試驗階段。


       運行策略與係統脫氮性能

       在運行階段，為促進短程脫氮過程中NO2--N積累和Anammox的脫氮性能，分（fèn）別采用（yòng）兩種不同的運行策（cè）略實現SCONDA過程（chéng）。

       策略Ⅰ：逐步提高進水氨氮濃度

以城市汙水處理廠好氧活性汙泥為接種汙泥。為（wéi）淘汰亞硝酸氧化菌（jun1）（NOB），氨氮濃度從100 mg-N/L逐步增加到300 mg-N/L以提高遊離氨（FA）濃度，DO約為1.2 mg/L，C/N為3。運行160多個周期後，反應係統COD、NH4+-N和TN去除（chú）率*高分別達94.3%、92.6%、86%（圖2所示）。出水中TN以（yǐ）NH4+-N和NO2--N為主，載體上生物（wù）膜顏色由棕黃色（sè）逐漸變成微紅色。

采用高通量測序研究了反應係統中的微生物群落結構。結果顯示，優勢微生物為異養菌（jun1），包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等好氧異養菌及Thauera，Azospira，Comamonas等反硝化菌；自（zì）養菌方麵，Nitrosomonas（2.4%）為主要的氨氧化菌（AOB），而CandidatusKuenenia（3.7%）為優勢厭氧氨（ān）氧化菌（jun1）。該結果表明係統成功實現了短（duǎn）程硝化、反硝化和厭氧（yǎng）氨氧化等脫氮過程。


       策略Ⅱ：直接從短程硝化（huà）過程轉換

       以短程（chéng）硝化汙泥（ní）為（wéi）接種（zhǒng）汙泥，在*階段保持氨氮濃度為300 mg/L，C/N比為（wéi）2。由於高FA和限氧作用，係統能夠實現穩定的短程（chéng）硝化，然而受低C/N比影響（xiǎng）TN去除率僅（jǐn）為40%。在第二階段通（tōng）過縮短（duǎn）水（shuǐ）力停留時間的方式，進水（shuǐ）氨氮負荷從0.09提高到（dào）0.18 kg-N/(m3·d)；DO從（cóng）2.5 mg/L降至1.2 mg/L。結果顯示（圖3所示），盡管NH4+-N和COD去除有一定的下降，但TN去（qù）除提（tí）升至80%以上，且氮去除負荷（hé）顯（xiǎn）著提高。此時（shí）生物膜顏色轉變成紅色。

       采用高通量測序研究了（le）反應係統中的微生物群落結構（gòu）。結果顯示（shì），在兩運行階段中異養菌均為優勢菌，但在階段二條件下微生物群落更具多樣化（huà）。在自養菌方麵，較階段一，經（jīng）過階段二（èr）運行（háng）後反應係統中AOB豐度下降（jiàng）了32%，而厭氧氨氧化菌（jun1）CandidatusKuenenia由未檢出提（tí）高至2.7%。上述結果表明，通過運行控製反應係統已由完全短程硝化-反硝化過（guò）程轉換為短程硝化-反硝（xiāo）化耦合厭氧氨氧化過程，其中Anammox的實現對係統TN去除提高具有重要作用。


       物料平衡分析

       對SCONDA體係中的碳和氮進行物料衡算分析。結果顯示（圖4），在氮素去除方麵，短程硝化-反硝化貢獻了TN去除的53%，而短程硝化-Anammox貢獻了43%，表明這兩種脫氮途徑在係（xì）統中對高效脫氮均具有重要作用。在碳素去除方麵，55%的COD通過好氧（yǎng）過程被降解，而32%的COD經反硝（xiāo）化途徑去除。


       碳氮去除過（guò）程

       基於以上結果，推斷SCONDA工藝中碳氮去除過程（圖5所示）。*先，約80%的氨氮（dàn）經短程硝（xiāo）化被氧化為亞硝氮（dàn），其中部分在低C/N作（zuò）用下經反硝化去除，而剩餘亞硝氮與20%的氨氮通過（guò）Anammox反應去除。高（gāo）FA、低DO的運行（háng）方式和生物膜空間分層結構促進了Anammox的富集與活性發揮。化學計量學計算進一步表明（míng），SCONDA工藝對氧和有機碳的需求量（liàng）分別（bié）為2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統（tǒng）硝化-反硝化脫（tuō）氮工藝相比，SCONDA工藝可節省40%供氧和67%有機碳源的需求，COD和TN去除（chú）效率高，溫室氣體減（jiǎn）排明顯，顯示了良好的技術和經濟性能，具有較好的競（jìng）爭（zhēng）優勢。


       SCONDA生物膜解構（gòu）

       采用微電極測試（shì）和分層測（cè）序對SCONDA生物膜進行解構。結（jié）果表明（圖6），低氧曝氣方式（shì）下生物膜內部存在明顯的（de）氧梯度，由外向內依次（cì）為好氧區、缺氧區和厭（yàn）氧區。在好氧區，好氧異養菌（HOB）和AOB可去除大部（bù）分（fèn）COD，同時由於低（dī）DO和高FA條件有助於（yú）實現（xiàn）短程硝化；在缺氧區，異（yì）養反硝化菌（DHB）利用少量剩餘COD進行反硝化；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。綜上，由於SCONDA生物膜內部微空間的生態位分異，實現了HOB、AOB、DHB及Anammox菌的功能互補和代謝互促，進而提高了廢水總氮（dàn）的去除效果。


       應用展望

       綜上研（yán）究，SCONDA顯示了優良的脫氮除碳性能。在高濃度含氨有機廢水廢（fèi）水處理應用方麵，SCONDA可直接應（yīng）用於具有中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）廢水的一體（tǐ）化處理；而對於較高C/N廢水，可預設高速（sù）厭氧消化單元（yuán）進行部分COD去除及產甲烷回收（shōu），然後與SCONDA工藝耦合實現工藝簡化與（yǔ）節能降耗（hào）的目的。目前，研究團隊已將SCONDA工藝成功應用於含（hán）苯酚、含吡（bǐ）啶等有毒難降解高濃度含氮有機模擬廢（fèi）水處理，並同步開展煤化（huà）工、屠宰等實際行業廢水處（chù）理技術（shù）應用。此外，基於SCONDA的理念亦正在拓展應用（yòng）於低氨氮城市汙水主流脫氮中（zhōng）。相信在未來含氮有（yǒu）機廢水可持續處理領域，SCONDA工藝（yì）將具有更（gèng）廣（guǎng）闊的應（yīng）用前景。