隨著我國經濟社會快速發（fā）展，焦化、化工、石（shí）油、屠宰、製藥、養殖、垃（lā）圾填埋等重（chóng）點行業發（fā）展迅速，但同時也（yě）排放出了大量廢水。這些廢水（shuǐ）常具有汙染物（COD、氨氮、有機氮）濃度高、可生化性（xìng）差等特點。近（jìn）年來，隨著《水汙染防治行（háng）動計劃》（水十條）的發布，對這些重點行業排放廢水（shuǐ）的深度處理提出了更嚴苛（kē）的要求。然而，應用於含氮有機廢水處理（lǐ）的傳統硝化-反（fǎn）硝化脫氮工藝，常存在（zài）著總氮（dàn）去除率（lǜ）低、能耗高、藥耗多、工藝流程長（zhǎng）等問題，嚴重阻礙了廢水處理的可持續發展。基於厭（yàn）氧氨氧化(Anammox)的自養生物脫氮工藝是廢水脫氮領域（yù）湧現的新型脫氮技術，為廢水高效節（jiē）能處理（lǐ）提（tí）供了（le）新的（de）思路和方向。然（rán）而，廢水中較高的（de）COD對Anammox的成功應用提出了巨大挑戰；另一方麵，Anammox是自（zì）養（yǎng）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，在同一（yī）反應器內發揮Anammox菌高效低（dī）耗脫氮的（de）同時，實（shí）現同步COD去除？對此，來自太原理工大學的周鑫教（jiāo）授團（tuán）隊與新加坡（pō）南洋理工大學的劉雨（yǔ）教授合作研（yán）發了一種異（yì）養/自養耦合型部分Anammox一體化生物膜新工（gōng）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（yǔ）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，相關成果已發表（biǎo）於Bioresource Technology、Chemosphere等，有望（wàng）為（wéi）該領域提供一種經濟高效、普適（shì）性強的新型脫氮處理技（jì）術，應（yīng）用前景廣闊。

       反應係統與啟動

       為實現SCONDA，*先建（jiàn）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方式運行；進水中添加高濃度NH4+-N和葡萄糖作（zuò）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（bié）采用城市汙（wū）水處理廠的好氧活性汙泥和焦化廢水處理廠的短程硝化汙泥，在啟動大約3個月（yuè）後進入試驗階段。


       運行策略與係統脫氮性能

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

       策略Ⅰ：逐步提（tí）高進水（shuǐ）氨氮濃度

以（yǐ）城市汙（wū）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（jiā）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（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紅色。

采用高通量測序研究了反應係統中的（de）微生物群落結構。結果顯示，優勢微生物為異養菌，包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等好氧異養菌及Thauera，Azospira，Comamonas等（děng）反硝化菌；自養菌方麵，Nitrosomonas（2.4%）為主要的氨（ān）氧化菌（AOB），而CandidatusKuenenia（3.7%）為優勢厭氧氨氧化菌。該（gāi）結果表明係統成功實現了短程硝（xiāo）化、反硝化和厭氧氨氧化（huà）等脫氮過（guò）程。


       策略Ⅱ：直接（jiē）從短程硝化過程轉換

       以短程硝化汙泥為接種汙泥，在*階段保持氨氮濃度為300 mg/L，C/N比（bǐ）為2。由於高FA和（hé）限氧作用，係統能夠實現穩（wěn）定的短程硝化，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。結果顯示（圖3所示），盡管NH4+-N和COD去除有一（yī）定（dìng）的下降，但TN去除提升至80%以上，且氮去除負荷顯著提（tí）高。此時生物膜顏（yán）色（sè）轉（zhuǎn）變成紅色。

       采用高通量測（cè）序研究了反應係統中的微生物群落（luò）結構。結果顯示，在兩運行階段中異養菌均（jun1）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（zì）養菌方麵，較階段一，經過階段二運（yùn）行後（hòu）反應（yīng）係統中AOB豐度下降了32%，而厭氧（yǎng）氨（ān）氧化菌CandidatusKuenenia由未檢出提高至（zhì）2.7%。上述結果表明，通過運行控製反應係統已由完全短（duǎn）程硝化-反硝化過程轉換為短程硝化-反硝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（xì）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（huà）-反硝化貢獻了TN去除的53%，而短程硝化-Anammox貢獻了43%，表（biǎo）明這兩種（zhǒng）脫氮途徑在係統中對（duì）高效脫氮均具有重要作用。在碳素去除方（fāng）麵，55%的（de）COD通過好（hǎo）氧過程被降（jiàng）解，而32%的COD經反硝化途（tú）徑去除。


       碳氮去除（chú）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%的氨氮經短程硝化被氧化（huà）為亞硝氮，其中部分在低C/N作用下經反（fǎn）硝化去除，而剩餘亞硝氮與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層結構促進了Anammox的（de）富集（jí）與活性（xìng）發揮。化學計量學（xué）計算（suàn）進一步表明，SCONDA工藝對氧和有機碳的需求量分別為2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統硝化-反硝化脫氮工藝相比，SCONDA工藝可（kě）節省40%供氧和67%有機碳源（yuán）的需（xū）求，COD和TN去除效率高，溫室氣體減排明顯，顯示了良好的技術和經濟性能，具有較好的競爭優（yōu）勢。


       SCONDA生物膜解構

       采（cǎi）用微電極測試和分層測序對SCONDA生物膜進行解構。結果表明（圖6），低氧（yǎng）曝（pù）氣方式下生物膜內部存在（zài）明顯的氧梯度，由外向（xiàng）內依次為好氧區、缺氧區（qū）和厭氧區。在好氧區，好氧（yǎng）異養菌（HOB）和AOB可去除大部分COD，同時由於低DO和高FA條件有助於實現短程硝化；在（zài）缺氧區，異養反硝（xiāo）化菌（DHB）利用少量剩餘COD進（jìn）行反硝化；在厭氧區，殘留的NH4+-N和NO2--N在Anammox菌的作用下實（shí）現進一步氮的去除。綜上，由於SCONDA生物膜內部（bù）微空間的生態位分（fèn）異，實現了HOB、AOB、DHB及（jí）Anammox菌的功能互補和代謝互促，進而（ér）提高了廢水總氮的去除效果。


       應用展望（wàng）

       綜上研究，SCONDA顯示了優良的脫氮除碳性能。在高濃度含氨有（yǒu）機廢水廢水處理應用方麵，SCONDA可直接應用（yòng）於具有中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）廢水的一（yī）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（yuán）進行部分（fèn）COD去除及產甲烷回收（shōu），然（rán）後與SCONDA工藝耦合（hé）實現工藝簡化與節能降耗的目的。目前，研究團隊已（yǐ）將SCONDA工藝（yì）成（chéng）功應用於含苯酚、含吡啶等有毒（dú）難降解高濃度（dù）含（hán）氮有（yǒu）機模擬廢水處理，並同（tóng）步開展煤化工、屠（tú）宰等實際行業廢水處理技術應用。此外，基於SCONDA的理念亦正在拓展應用於低氨（ān）氮城市（shì）汙水主（zhǔ）流脫氮中。相信在未來含氮有機廢水可持續處理領域，SCONDA工藝將具有更廣闊的應用前景。