新型廢水處理技術(shù)突破：低能耗高效脫氮，絲狀細菌成“關(guān)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(tǒng)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(lián)合團隊在《環(huán)境科學與工程前沿》發(fā)表重磅研究成果：通過AnMBR-NF-PDA耦合工藝，成功實現(xiàn)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(shù)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(yè)提供了低碳轉(zhuǎn)型新范式。

傳統(tǒng)工藝遇瓶頸：高能耗、低效率催生技術(shù)革命

傳統(tǒng)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(shù)雖節(jié)能，卻對水質(zhì)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(chuàng)新耦合：

1. AnMBR單元：通過厭氧發(fā)酵將COD轉(zhuǎn)化為甲烷，同步將有機氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)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(xù)反應提供穩(wěn)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(zhuǎn)化為氮氣，實現(xiàn)“一步脫氮”。

通過調(diào)節(jié)進水比例，系統(tǒng)在COD/NO3?-N比為3.44時達到峰值性能：COD總?cè)コ?7.3%，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(tǒng)觀念中，絲狀細菌常引發(fā)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(guān)鍵機制解析：

• 精準控碳：通過調(diào)控原水比例，絲狀菌將NO3?轉(zhuǎn)化為NO2?后“戛然而止”，避免過度反硝化消耗碳源，為AnAOB提供穩(wěn)定底物。
• 顆粒化助推：絲狀菌形成網(wǎng)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(tǒng)穩(wěn)定性大幅增強。
• 基因級證據(jù)：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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)仍保持穩(wěn)定運行。
3. 污泥減量30%：顆?；勰鄿p少剩余污泥產(chǎn)量，配合甲烷回收，系統(tǒng)碳減排潛力顯著。

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

從實驗室到現(xiàn)實：技術(shù)落地挑戰(zhàn)與前景

目前，該技術(shù)已在西安某中試基地連續(xù)運行12個月，處理規(guī)模達10噸/日。團隊負責人李倩教授指出：“下一步將攻關(guān)低溫適應性，目標在15℃下維持80%脫氮效率?！?/p>

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(jié)省藥劑成本40%。
• 工業(yè)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(xiàn)“以廢產(chǎn)能”。

結(jié)語：污水處理進入“精準控菌”時代

從“厭氧氨氧化”到“絲狀菌調(diào)控”，這項研究顛覆了傳統(tǒng)污水處理的微生物管理理念。當技術(shù)瓶頸轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新跳板，污水處理不再只是環(huán)保課題，更成為能源回收與碳中和的關(guān)鍵一環(huán)。未來，隨著AnMBR-NF-PDA工藝的規(guī)?；瘧?，碧水藍天的愿景或?qū)⒓铀僬者M現(xiàn)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?！薄钯唤淌趫F隊