新型廢水處理技術突破：低能耗高效脫氮，絲狀細菌成“關鍵功臣”

導語
在城市化進程加速的今天，污水處理廠的能耗與脫氮效率矛盾日益突出。傳統工藝需消耗大量能源，且難以應對低碳氮比污水。近日，西安建筑科技大學與日本東北大學聯合團隊在《環境科學與工程前沿》發表重磅研究成果：通過AnMBR-NF-PDA耦合工藝，成功實現污水中化學需氧量（COD）和氮的高效去除，總氮去除率突破90%，能耗降低44.8%。這項技術不僅破解了低碳污水脫氮難題，更讓絲狀細菌從“麻煩制造者”逆襲為“核心功臣”，為全球污水處理行業提供了低碳轉型新范式。

傳統工藝遇瓶頸：高能耗、低效率催生技術革命

傳統污水處理依賴“硝化-反硝化”工藝，需消耗大量氧氣和碳源，處理1毫克氨氮需4.57毫克氧，且總氮去除率不足85%。而新興的厭氧氨氧化（Anammox）技術雖節能，卻對水質波動敏感，易受有機物干擾。

研究團隊獨辟蹊徑，將厭氧膜生物反應器（AnMBR）、**完全硝化（NF）和部分反硝化-厭氧氨氧化（PDA）**三大單元創新耦合：

  1. AnMBR單元：通過厭氧發酵將COD轉化為甲烷，同步將有機氮轉化為銨態氮（NH4+），COD去除率高達96.7%。
  2. NF單元：在好氧條件下將NH4+完全氧化為硝酸鹽（NO3?），為后續反應提供穩定底物。
  3. PDA單元：利用絲狀細菌將NO3?部分反硝化為亞硝酸鹽（NO2?），再由厭氧氨氧化菌（AnAOB）將NH4+與NO2?直接轉化為氮氣，實現“一步脫氮”。

通過調節進水比例，系統在COD/NO3?-N比為3.44時達到峰值性能：COD總去除率97.3%，總氮去除率86.1%，且無需外加碳源。

絲狀細菌逆襲：從污泥膨脹元兇到脫氮“橋梁”

傳統觀念中，絲狀細菌常引發污泥膨脹，被視為運行障礙。但本研究首次揭示：特定絲狀菌（如不動桿菌Acinetobacter）竟是PDA單元的“秘密武器”。

關鍵機制解析：

  • 精準控碳：通過調控原水比例，絲狀菌將NO3?轉化為NO2?后“戛然而止”，避免過度反硝化消耗碳源，為AnAOB提供穩定底物。
  • 顆粒化助推：絲狀菌形成網狀骨架，促使污泥顆粒直徑從300微米增至528微米，沉降速度提升45%，系統穩定性大幅增強。
  • 基因級證據：宏基因組分析顯示，絲狀菌高表達硝酸鹽還原酶基因（NarGHI），而亞硝酸鹽還原酶基因（NirK/S）活性受抑，確保NO2?高效積累。

實驗中，絲狀菌豐度達31.59%時，系統脫氮效率提升至90.14%，證實其“橋梁作用”不可替代。

三大突破點：低成本、低能耗、高兼容性

  1. 能耗直降44.8%：AnMBR回收甲烷能源，PDA單元利用原水碳源，相比傳統工藝減少氧氣消耗1.89毫克/毫克氨氮，綜合能耗降低近半。
  2. 抗波動性強：NF單元徹底消除氨氧化不徹底的風險，即使進水COD波動（62.6-102.2 mg/L），系統仍保持穩定運行。
  3. 污泥減量30%：顆粒化污泥減少剩余污泥產量，配合甲烷回收，系統碳減排潛力顯著。

對比現有工藝（見表2），AnMBR-NF-PDA在同等處理規模下，無需外加碳源，總氮去除率較傳統工藝提升10%，較單一Anammox工藝穩定性提高50%。

從實驗室到現實：技術落地挑戰與前景

目前，該技術已在西安某中試基地連續運行12個月，處理規模達10噸/日。團隊負責人李倩教授指出：“下一步將攻關低溫適應性，目標在15℃下維持80%脫氮效率。”

應用前景展望：

  • 城市污水處理：特別適合低碳氮比（C/N<3）污水，可節省藥劑成本40%。
  • 工業廢水處理：食品加工、制藥等高氮廢水處理場景潛力巨大。
  • 資源回收：甲烷回收可滿足處理廠20%自用電需求，實現“以廢產能”。

結語：污水處理進入“精準控菌”時代

從“厭氧氨氧化”到“絲狀菌調控”，這項研究顛覆了傳統污水處理的微生物管理理念。當技術瓶頸轉化為創新跳板，污水處理不再只是環保課題，更成為能源回收與碳中和的關鍵一環。未來，隨著AnMBR-NF-PDA工藝的規模化應用，碧水藍天的愿景或將加速照進現實。

科學家寄語：“微生物是污水處理的‘無名英雄’，讀懂它們的語言，就能解鎖綠色未來的密碼。”——李倩教授團隊

來源: FESE Message