隨著我國經（jīng）濟社會快（kuài）速發展，焦化、化工、石油、屠（tú）宰、製藥、養殖、垃圾填埋等重點行業發（fā）展迅速，但同時也排放（fàng）出了大量廢水。這些廢水常具（jù）有汙染物（COD、氨氮、有機氮）濃度高（gāo）、可生化性（xìng）差等特點（diǎn）。近年來，隨著《水汙染防治行動（dòng）計劃》（水十條）的（de）發布，對這些重（chóng）點行業排放廢水的深度處理（lǐ）提出了更嚴苛（kē）的要求。然而，應用於（yú）含氮有機廢水處理（lǐ）的傳統硝化-反硝化脫氮工藝，常存在著總氮去除（chú）率低、能耗（hào）高、藥耗多、工藝流（liú）程長等問（wèn）題，嚴重阻礙了（le）廢水處理的（de）可（kě）持續發展。基於厭氧氨氧化(Anammox)的自養生物脫氮工藝是廢水脫氮領域湧現的新型脫氮技術，為廢水高效（xiào）節能處理提供了新的思路和方向。然而（ér），廢（fèi）水中較（jiào）高（gāo）的COD對Anammox的成功應（yīng）用提出了巨大（dà）挑戰；另一方麵，Anammox是自養生物過程，對COD去除幾（jǐ）乎無能為力。因此，能否建立一種新型工藝，在同一反應器內發揮Anammox菌（jun1）高效低耗脫氮的同時，實現同步COD去除？對此，來（lái）自太原理工（gōng）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（fā）了一種異養/自養耦合型（xíng）部分Anammox一體（tǐ）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等異養與自養脫氮過程，可實現高濃度含氨有（yǒu）機廢水的一步式高效處理，相關成果已發表於Bioresource Technology、Chemosphere等，有望為該領域提供（gòng）一種經濟高（gāo）效、普適性強的新型（xíng）脫氮處理（lǐ）技術，應用前景廣闊。

       反應係統與啟動

       為實現SCONDA，*先建立了有效容積為5 L的SBBR係統（圖（tú）1），內部（bù）填充（chōng）聚氨酯泡綿載體，以（yǐ）SBR方式運行；進水中添加高濃度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泥（ní）和焦化廢水處理廠的短程（chéng）硝化汙泥，在（zài）啟動大約3個月後進入試驗階段（duàn）。


       運行策略與係統脫氮性能

       在運行階段，為（wéi）促進短程脫氮過程中NO2--N積累和Anammox的脫氮性能，分（fèn）別采用兩種不同的運行策略實（shí）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（wū）泥為接種汙泥。為（wéi）淘汰亞（yà）硝酸氧化（huà）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（shēng）物膜顏（yán）色由（yóu）棕黃色逐漸（jiàn）變成微紅色。

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


       策略Ⅱ：直接從短程硝化過程轉（zhuǎn）換

       以短程硝化汙泥為接種汙泥，在*階段保持氨（ān）氮（dàn）濃度為300 mg/L，C/N比為2。由於高FA和限氧作用，係統能夠實現穩（wěn）定的短程硝化，然而受低（dī）C/N比影響TN去除率僅為40%。在第（dì）二階段通（tōng）過（guò）縮短水力停留時（shí）間的方式，進水氨（ān）氮負荷從0.09提（tí）高到0.18 kg-N/(m3·d)；DO從2.5 mg/L降至1.2 mg/L。結果顯示（圖3所（suǒ）示），盡管NH4+-N和COD去除有一（yī）定的（de）下（xià）降（jiàng），但TN去除提升至80%以上，且氮（dàn）去除（chú）負荷顯著提高。此時生物膜顏色轉變（biàn）成紅色。

       采用高通量（liàng）測序研究了（le）反應係統中的微生物（wù）群（qún）落結構。結果（guǒ）顯示，在兩運行階段中異養（yǎng）菌均為優勢菌，但在階段二條件下微生物群落更具多樣化。在自養菌方麵（miàn），較階段一，經過階（jiē）段二運（yùn）行後反應（yīng）係統中AOB豐度下降了32%，而厭氧氨氧化菌CandidatusKuenenia由未檢出（chū）提高至（zhì）2.7%。上述結果表明，通（tōng）過運行（háng）控製（zhì）反應係統（tǒng）已由完全短程硝化-反硝化過程轉換為短（duǎn）程硝化-反硝化耦合（hé）厭氧氨氧化過程，其中Anammox的實現對係統TN去（qù）除提高（gāo）具有重要作用。


       物料平衡分析

       對SCONDA體係中的碳和氮進行物（wù）料衡算分析。結（jié）果（guǒ）顯示（圖4），在氮素（sù）去除方（fāng）麵，短程硝化-反硝化貢獻（xiàn）了TN去除的（de）53%，而短程硝化-Anammox貢獻了43%，表明（míng）這兩種脫氮途徑在係統中對高效脫氮均具有重要作用。在碳素去除（chú）方麵，55%的COD通過好氧過程被降解，而32%的（de）COD經反硝化途徑去除。


       碳氮去除過程

       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%的氨氮經短程（chéng）硝化被氧化為亞硝氮，其中部分在低C/N作用下經反硝化去除，而剩（shèng）餘亞硝氮與20%的氨（ān）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，SCONDA工藝（yì）對（duì）氧和（hé）有機（jī）碳的需求量（liàng）分別為（wéi）2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統硝化-反（fǎn）硝化脫氮工藝相比，SCONDA工藝（yì）可節省40%供氧和67%有機碳源的需求，COD和TN去除效率高，溫室氣體減排（pái）明顯，顯（xiǎn）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

       采用微電極（jí）測試和分層測序對（duì）SCONDA生物膜進行解構。結果表明（圖6），低氧（yǎng）曝氣方式下生物膜內部存在明顯的氧梯度（dù），由外向內依次為好氧（yǎng）區、缺氧區和厭氧區。在好氧區，好氧異養菌（HOB）和AOB可去除大部分COD，同時由（yóu）於低DO和高FA條件有助於實現短程硝化；在缺（quē）氧區，異養反硝化（huà）菌（DHB）利用少量剩餘COD進行反硝化；在厭氧區，殘留的NH4+-N和NO2--N在Anammox菌的（de）作用下實現進一步（bù）氮的去除。綜（zōng）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（jun1）的功（gōng）能互補（bǔ）和代謝互促，進而提高了廢水總氮的去除（chú）效（xiào）果。


       應用展望

       綜上研究，SCONDA顯示了優良的脫氮除碳性能。在高濃度含（hán）氨有機廢水廢水處（chù）理應用（yòng）方麵，SCONDA可直接（jiē）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，可預設高速厭（yàn）氧消化單元進行部分COD去除及產甲烷回收，然後與SCONDA工藝耦合實（shí）現工藝簡化與節能降耗的目的（de）。目前，研（yán）究團隊已將SCONDA工藝成功應用（yòng）於含苯酚（fēn）、含吡啶等（děng）有毒難降解（jiě）高濃度含氮有機模擬廢水處理，並同步開展煤化工、屠宰等實際行業（yè）廢水（shuǐ）處理（lǐ）技術應用。此外，基於SCONDA的理念亦正在拓展應用於低氨氮城市汙（wū）水（shuǐ）主流脫氮中。相信在未（wèi）來含氮（dàn）有機廢水可持續（xù）處（chù）理領域（yù），SCONDA工藝將具有更（gèng）廣闊的應（yīng）用前景。