青岛理工大学毕学军团队赵伟华ACS ES&T Engg.：新型前置反硝化除磷——工艺、微生物和机理

环境人Environmentor · 公众号 · · 2025-05-29 12:23

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工艺的缺点，如出水氨氮浓度高的瓶颈。它为低碳氮比废水通过反硝化除磷工艺处理提供了一个可行的技术解决方案，通过反硝化除磷“一碳两用”减少了碳源和化学物质的使用，降低了碳排放，显示出非常有潜力的工程应用前景。

图文导读

实验装置和运行时序图

本实验由一个厌氧 / 缺氧 / 好氧序批式反应器 A ₂ SBR 和一个硝化序批式反应器 NSBR 组成。系统命名为 pre-A ₂ NSBR 。两个反应器有效体积均为 9 L 。其中 NSBR 填充有 40% 的聚丙烯悬浮填料。进水、搅拌、曝气、硝化液回流和排水均通过时控制开关控制。根据运行模式的不同整个试验分为六个阶段。图 1(a) 为反应装置图，图 1 (b) 为不同阶段运行时序。

Fig. 1 Different operating stages of the pre-A ₂ NSBR system: (a) reactant diagram and (b) runtime diagram.

长期运行期间污染物去除情况

前置 A ₂ NSBR 系统 300 天运行实验表明，基于除磷电子受体和其他工况差异可分为 6 个阶段：Ⅰ - Ⅲ阶段为好氧除磷阶段，通过厌氧 / 好氧模式与 10 d 短污泥龄富集好氧聚磷菌， COD 平均去除率 83.4% ， PO ₄ ^3- -P 去除率提升至 87.9% ， NH ₄ ⁺ -N 去除率达 97.2% ，但因缺乏 NO ₃ ^- -N 回流导致总无机氮（ TIN ）去除率仅 41.4% ；Ⅳ - Ⅵ阶段为反硝化除磷（ DPR ）阶段，通过 NSBR 出水内回流强化反应， COD 去除率升至 86.6% ， PO ₄ ^3- -P 去除率达 96.3% ，反硝化聚磷菌（ DPAOs ）成为优势菌群， NH ₄ ⁺ -N 去除率提升至 99.0% ， TIN 去除率提高至 71.4% ，实现了低 C/N 污水的高效脱氮除磷与有机物去除。

Fig. 2. Nutrient removal under long-term operation: (a) COD, (b) NH ₄ ⁺ -N, (c) PO ₄ ³ ^- -P, and (d) TIN.

不同阶段典型周期试验结果

好氧除磷典型周期（阶段 II ，第 104 天）显示，厌氧阶段释磷量达 17.6 mg/L （图 3a ），但吸磷效果较差。此时， NH ₄ ⁺ -N 在进水稀释后于 A ₂ SBR 好氧段发生硝化反应，结合后续微生物测序结果表明反应器中存在大量硝化细菌。 A ₂ SBR 出水 PO ₄ ^3- -P 、 COD 和 NH ₄ ⁺ -N 浓度分别为 4.5 、 63.0 和 1.2 mg/L ；随后污水进入 NSBR 硝化， NSBR 出水对应浓度为 3.5 、 38 和 0.4 mg/L 。该阶段因缺乏 NO ₃ ^- -N 回流，出水 NO ₃ ^- -N 浓度较高（ 19.1 mg/L ）。阶段 III 典型周期（第 162 天）的污染物变化表明，厌氧段释磷量达 35.0 mg/L （图 3b ），好氧段过量吸磷现象显示系统已具备良好的释磷 - 吸磷能力。进水稀释后， A ₂ SBR 中 NH ₄⁺ -N 浓度仅波动 2 mg/L ，说明系统中的硝化细菌已被排出。 A ₂ SBR 出水 PO ₄ ^3- -P 、 COD 和 NH ₄ ⁺ -N 浓度为 0.83 、 48 和 25.82 mg/L ；经 NSBR 硝化后，出水浓度分别降至 0.16 、 34 和 0.82 mg/L 。同样因缺乏 NO ₃ ^- -N 回流，出水 NO ₃ ^- -N 浓度为 24.73 mg/L 。该周期结果表明，好氧除磷阶段已实现高效除磷。

阶段 VI 典型周期（第 248 天，反硝化除磷阶段）的污染物变化显示，厌氧段释磷量达 42 mg/L （图 3c ），优于阶段 II 。随后好氧段发生过量吸磷，且 NH ₄ ⁺ -N 在进水稀释后因 NO ₃ ^- -N 回流进一步被稀释， A ₂ SBR 好氧段 NH ₄ ⁺ -N 浓度基本稳定，表明 A ₂ SBR 中硝化细菌含量已极低。 A ₂ SBR 出水 COD 、 NH ₄ ⁺ -N 和 PO ₄ ^3- -P 浓度为 50.0 、 15.1 和 0.4 mg/L ， NSBR 出水则降至 29.0 、 0.2 和 0.1 mg/L 。该阶段因 NO ₃ ^- -N 回流量增加，出水 NO ₃ ^- -N 浓度降至 10.2 mg/L ，表明反硝化除磷阶段实现了优异的同步脱氮除磷效果。

Fig. 3. Pollutant removal during typical cycles: (a) Phase II, day 104; (b) Phase III, day 162; and (c) Phase VI, day 248.

除磷 A ₂ SBR 反应器微生物组成情况

通过高通量测序和宏基因组学对系统微生物结构分析显示：好氧除磷阶段功能菌：聚磷菌 Candidatus Accumulibacter （丰度从 0.2% 升至 7.6% ）和具反硝化除磷功能的 Dechloromonas （丰度从 0.7% 升至 5.2% ）为主要功能菌，实现高效好氧除磷。反硝化除磷阶段功能菌： Dechloromonas （丰度增至 21.8% ）主导同步脱氮除磷， Thauera( 丰度从 3.9% 升至 6.2% ）强化反硝化。工艺模式转变驱动功能菌群演替，反硝化除磷阶段菌群结构更优，系统脱氮除磷效率显著提升。