隨著我國經濟社會快速發（fā）展，焦化（huà）、化工（gōng）、石油、屠（tú）宰、製藥、養殖、垃圾填埋等重點（diǎn）行業發展迅速，但同時也排放出了大量廢水。這些廢水常具有汙染物（COD、氨氮、有機氮（dàn））濃度高、可生化性差等特點。近年來（lái），隨（suí）著《水汙染防治行動計劃（huá）》（水十條（tiáo））的發布，對這（zhè）些重點行業排放廢水的深度處理提出了更嚴苛的要求（qiú）。然而，應用（yòng）於（yú）含氮有機廢（fèi）水處理的傳（chuán）統硝（xiāo）化-反硝化脫氮工藝，常存在（zài）著（zhe）總氮去除率低、能耗高、藥（yào）耗多、工藝流程（chéng）長等（děng）問題，嚴重阻礙（ài）了廢水處理的可持續發展。基於厭氧氨氧化(Anammox)的自養生（shēng）物脫氮工（gōng）藝是廢水脫氮領域湧現的新型脫氮技術，為廢水高效（xiào）節能處理（lǐ）提供了新的思路和方向。然而，廢水中較高的COD對Anammox的成功應用（yòng）提出了巨大挑戰；另一方麵，Anammox是自養生（shēng）物過（guò）程，對COD去除（chú）幾乎無能（néng）為力。因此（cǐ），能否建立一種新型工藝（yì），在同一（yī）反應器（qì）內發揮（huī）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（lǐ）工大學的周鑫教授團隊（duì）與新加坡南洋理工大學的劉雨教授合作研發了一種異養/自（zì）養耦合型部分（fèn）Anammox一體化生（shēng）物（wù）膜新工藝—SCONDA®(SimultaneousCarbonOxidation, partialNitritation,Denitritation andAnammox)，該工藝有機結（jié）合了短程（chéng）硝化-反硝化-Anammox等異養（yǎng）與自養脫氮過（guò）程，可實現高濃度含氨有機廢水的一步式高效處理，相關成果已發（fā）表於Bioresource Technology、Chemosphere等（děng），有望為該領域提供一種經濟高效、普適性強的（de）新型脫氮處理技術，應用前景廣闊。

       反應係統與啟動

       為實現SCONDA，*先建立了有效容（róng）積為5 L的SBBR係統（圖1），內部填充聚氨酯（zhǐ）泡綿載體，以（yǐ）SBR方式運行；進水中添加高濃度NH4+-N和（hé）葡萄糖作為反應（yīng）底（dǐ）物（NH4+-N：300 mg/L；COD：600~900 mg/L；C/N：2~3）。水溫控（kòng）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（yǎng）活性（xìng）汙泥和（hé）焦化廢水處理（lǐ）廠的短程硝化汙（wū）泥，在啟動大約3個月後（hòu）進入試驗階段。


       運行策略與係（xì）統脫（tuō）氮性能（néng）

       在（zài）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，分別采用兩種不同（tóng）的運行策略實現SCONDA過程。

       策略Ⅰ：逐步提高進（jìn）水氨氮濃度（dù）

以城（chéng）市（shì）汙水處理廠好氧活性汙（wū）泥為接種汙泥。為（wéi）淘汰亞硝酸氧（yǎng）化菌（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（wéi）1.2 mg/L，C/N為3。運行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（suǒ）示）。出水（shuǐ）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（chéng）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（yì）養（yǎng）菌（jun1），包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等（děng）好氧異養菌及Thauera，Azospira，Comamonas等反硝化菌（jun1）；自養菌方麵，Nitrosomonas（2.4%）為主要的氨氧化（huà）菌（AOB），而CandidatusKuenenia（3.7%）為優勢厭氧（yǎng）氨氧化菌。該結果表（biǎo）明係統成功實現了短程硝化、反硝化和厭（yàn）氧氨氧化等脫氮過程。


       策略Ⅱ：直接從短程硝化過程轉換

       以短程硝化汙泥為接種汙泥（ní），在（zài）*階段保持氨氮濃度為300 mg/L，C/N比為2。由於高FA和限氧作用，係（xì）統能夠實現穩定的短程硝化，然而受低C/N比影響TN去除率（lǜ）僅為40%。在（zài）第二階段通過縮短水（shuǐ）力停留時（shí）間的方式，進水氨氮負荷從0.09提高到0.18 kg-N/(m3·d)；DO從（cóng）2.5 mg/L降（jiàng）至1.2 mg/L。結果顯示（圖3所示），盡管NH4+-N和COD去除（chú）有一定的下降（jiàng），但TN去除提升至80%以上，且氮去除負荷顯著提高。此時生物膜顏色轉變成紅色。

       采用高通量測序研究了反應係統中的微生（shēng）物群落結構。結果顯（xiǎn）示，在（zài）兩運（yùn）行階段（duàn）中異養菌均為優勢菌，但在階段二條件下微生物（wù）群落更具多（duō）樣化。在自養菌方麵，較階段一，經過階段二運行（háng）後反應（yīng）係統中（zhōng）AOB豐（fēng）度下降了32%，而厭氧氨氧化菌CandidatusKuenenia由未檢（jiǎn）出提高（gāo）至2.7%。上（shàng）述結果表明，通過運（yùn）行控製反（fǎn）應係統已由完全短程硝（xiāo）化-反硝化過程轉換為短程硝化-反硝化耦（ǒu）合厭氧氨氧化過程，其（qí）中Anammox的實現對係統TN去除（chú）提（tí）高（gāo）具有重要作用。


       物料平衡分（fèn）析

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


       碳（tàn）氮去（qù）除（chú）過程（chéng）

       基於以上（shàng）結（jié）果，推斷SCONDA工藝中碳氮去除過程（圖5所示（shì））。*先，約（yuē）80%的氨氮經短程（chéng）硝化被氧化為亞硝氮（dàn），其中部分在低C/N作用下經反硝化去（qù）除，而剩（shèng）餘亞硝氮與20%的氨氮通過Anammox反應去除。高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（huó）性發揮（huī）。化學計量學計算進一步表明，SCONDA工藝對氧和有機碳的需求量分（fèn）別為2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統硝化-反硝化脫氮工藝相比，SCONDA工藝可節省40%供氧和67%有機碳源的需求（qiú），COD和TN去除效率高，溫室氣體減排明（míng）顯，顯示了良好的技術和經濟性能，具有較好的競爭優勢。


       SCONDA生物膜解構（gòu）

       采用微電極測試和分層測序（xù）對SCONDA生物膜進行解構（gòu）。結果（guǒ）表明（圖6），低氧曝氣方式下生物膜內（nèi）部存在明顯的氧梯度，由外向（xiàng）內依次為好氧區、缺氧（yǎng）區和厭氧區。在好氧區，好（hǎo）氧異養菌（HOB）和AOB可（kě）去除大部分（fèn）COD，同時由於（yú）低DO和高FA條件有助於（yú）實現短程硝化；在缺氧區，異養反硝化菌（DHB）利用少量剩餘COD進行反硝化；在厭氧區（qū），殘留的NH4+-N和（hé）NO2--N在Anammox菌的作用下實現（xiàn）進一步氮的去除。綜上，由於SCONDA生物膜內部微空間（jiān）的生態位分異，實現了HOB、AOB、DHB及（jí）Anammox菌（jun1）的功能互補和代謝互促，進而提高（gāo）了（le）廢（fèi）水總氮的去（qù）除效果。


       應用展望

       綜上研究，SCONDA顯示（shì）了優良的脫氮除碳性能。在高濃（nóng）度含氨有機廢水廢水處理應用方麵，SCONDA可直接應用於具（jù）有中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）廢水的一體化處理；而對（duì）於較高C/N廢水（shuǐ），可預設高速厭氧消（xiāo）化單元進行部分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節能降耗的目的。目前，研究團隊已將SCONDA工藝成功應用於含（hán）苯酚、含吡啶等（děng）有毒難降解高濃度含氮有機模擬廢水處理，並同步開展煤化工（gōng）、屠宰等實（shí）際行業（yè）廢水處理技術應用。此外（wài），基於SCONDA的理念亦正在拓展（zhǎn）應用於低（dī）氨氮城市汙水主流脫氮中。相信在未來含氮（dàn）有機廢（fèi）水可持續處理領域，SCONDA工藝將具有更廣闊的應用前景。