原名：A novel partial nitrification-synchronous anammox andendogenous partial denitrification (PN-SAEPD) process for advancednitrogen removal from municipal wastewater at ambient temperatures

译名：短程硝化耦合同步内源性短程反硝化-厌氧氨氧化工艺实现环境温度下的城市污水深度脱氮

期刊：Water Research

IF:7.913

发表时间：2020年03月

通讯作者：彭永臻

作者单位：北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室

厌氧氨氧化（Anammox）以亚硝氮作为电子受体，在厌氧条件下将氨氮氧化为氮气，作为一种经济高效的废水脱氮工艺已被广泛认可。从理论上讲，厌氧氨氧化耦合短程硝化（PN，NH4+→NO2—）工艺可节省60％的曝气量和100％的有机碳消耗，并减少90％的污泥产量。目前，短程硝化/厌氧氨氧化工艺（PN/Anammox）已成功应用于处理含高氨氮的垃圾渗滤液、厌氧污泥消化废液等；同时也被提出用于高效低耗的主流市政废水处理。

通过短程硝化（PN）生成亚硝氮对于主流的PN/Anammox工艺至关重要。通过适当调节低溶解氧（DO）、间歇曝气、控制曝气时间、添加游离亚硝酸（FNA）以及羟胺（NH2OH）等诸多方法，可实现短程硝化；这些措施旨在提高氨氮氧化速率至远大于亚硝氮氧化速率，并淘汰亚硝酸盐氧化菌（NOB）。但是，在低氨氮浓度及常温条件下难以抑制NOB，主流的PN/Anammox工艺仍未能成功应用于市政废水处理。NOB的过度增长通常会引起NO2−/NH4+比例的波动，导致较低的脱氮效率（大约≤70%）和出水中较高的硝酸盐残留（尤其在低温情况下）。此外，市政废水中的有机物也会引起异养反硝化细菌和厌氧氨氧化菌对亚硝酸盐的竞争，对厌氧氨氧化工艺的可持续性产生不利影响。

近期，有文献报道由聚糖菌（GAOs）驱动的内源短程反硝化（EPD）可为厌氧氨氧化反应提供稳定的亚硝酸盐来源。厌氧条件下，GAOs能够充分吸收进水中的有机物，并合成聚羟基脂肪酸（PHAs），然后以PHAs作为碳源，在缺氧条件下将硝酸盐还原为亚硝酸盐。先前的研究工作已评估了主流厌氧氨氧化耦合EPD和硝化工艺实现模拟生活废水处理的可行性，EPD/Anammox工艺用于实际市政废水中的脱氮研究却十分罕见。值得注意的是，通过硝化反应产生硝酸盐而作为EPD电子受体时，该途径要比短程硝化（PN）能耗更多；此外，作为厌氧氨氧化反应副产物的硝酸盐会残留在EPD/Anammox工艺的出水中，也需进一步处理。

在单级EPD/Anammox耦合反应器中，EPD也可帮助提高脱氮效率；但是，这方面研究尚未开展。由于较低的曝气和有机物需求，与短程硝化整合后，EPD与Anammox的协同可进一步节省成本。在该工艺中，由亚硝酸盐氧化菌（NOB）和厌氧氨氧化菌产生的硝酸盐可被还原为亚硝酸盐，为厌氧氨氧化反应提供电子受体，并且剩余的亚硝酸盐可被进一步还原为氮气；由此实现二者的优势互补，不仅降低了厌氧氨氧化反应对NO2−/NH4+比例要求的敏感性，也潜在地提升了主流厌氧氨氧化工艺的鲁棒性。与传统的短程硝化-厌氧氨氧化工艺相比，该工艺在去除剩余硝酸盐方面具有独特优势，可显著提高了脱氮效率。而且，低有机碳需求也有利于该工艺与高效活性污泥技术耦合时，使更多的有机物转化为沼气。

本研究目标是研发一种新型同步短程硝化-厌氧氨氧化与内源短程反硝化（PN-SAEPD）工艺，应用于预处理后低C/N比的市政污水处理。评估了PN-SAEPD工艺205天（温度变化范围27.4°C~15.0°C）长期运行效果；借助高通量测序手段评估了PN和SAEPD反应器的微生物群落动态演变；通过PN-SAEPD工艺在一个代表性的周期中营养物浓度分析来探索其脱氮途径，并在不同工艺条件下开展批量实验评价SAEPD系统的鲁棒性。这项研究的结果可为高效节能的市政污水处理提供新的理念与技术。

1. 该工艺运行中，进水C/N比为1.7时，总无机氮（TIN）去除率高达91.2%。虽然，PN-SBR反应器中有10.8mg N/L的硝酸盐流入到SAEPD-SBR反应器中，且厌氧氨氧化反应也将20％的亚硝酸盐转化为硝酸盐；但是，最终出水中仅残留约1.1mg N/L的硝酸盐。这显示出了该工艺相对于传统的PN-Anammox工艺的独特优势，后者无法去除废水中残留的硝酸盐；

2. EPD产生的亚硝酸盐可补偿PN-SBR反应器出水中较低的亚硝酸盐积累（66.1%），可显著提升主流厌氧氨氧化系统的鲁棒性。在缺氧阶段，NO2−/NH4+比例降至0.89时，SAEPD-SBR对TIN去除的贡献率为98.2%，而77.2%和22.8%的总氮分别通过厌氧氨氧化与反硝化途径脱除；

3. 在PN-SBR中，NH2OH的添加导致NOB的相对丰度低于AOB，从而实现了亚硝酸盐的积累。但是，PN-SBR中确实也保留了部分NOB（0.74％）的存在，这可能导致部分亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，从而影响了短程反硝化的性能以及不理想的NAR（66.1％）；

4. 多种微生物，如厌氧氨氧化菌、聚糖菌（GAOs）、聚磷菌（PAOs）和普通异养菌（OHOs），共存于SAEPD-SBR中，协同实现了氨氮、亚硝氮和硝氮的去除，保证该系统具备处理不同NO2−-N/NH4+-N比例废水的能力。

图1. PN-SAEPD工艺实验装置-来自原文

图2. SAEPD-SBR和PN-SBR的进水和出水中COD、NH4+-N，NO2−-N和NO3−-N浓度；PN-SBR的NAR、温度和进水C/N比；PN-SAEPD的TIN去除效率和COD去除效率-来自原文

图3.PN-SAEPD缺氧阶段对TIN去除的贡献率以及缺氧阶段厌氧氨氧化和反硝化对TIN去除的贡献率（a）；在SAEPD-SBR缺氧阶段去除的NH4+-N和NO2—-N、所需理论NO2—-N和EPD产生提供的NO2—-N（b）-来自原文

图4. 在一个标准的循环周期中（第189天），PN-SBR中营养物质浓度、pH和DO的变化（a）；SAEPD-SBR中营养物质浓度的变化（b）-来自原文

图5.缺氧批量实验中含氮物质浓度的变化，初始NO3—-N/NO2—-N比分别为0（a）、0.5（b）、2（c）和+∞（d）；每组批量实验中，NOx—-N/NH4+-N的去除比、厌氧氨氧化和反硝化贡献的脱氮率（e）-来自原文

图6.PN-SBR（a）和SAEPD-SBR（b）在属水平上的生物学分类-来自原文

图7.与传统PN-Anammox工艺相比，新型PN-SAEPD工艺的优点-来自原文

文章来源：Water Research  WaterResearch  2020-04-03