新型废水处理技术突破：低能耗高效脱氮，丝状细菌成“关键功臣”

导语
在城市化进程加速的今天，污水处理厂的能耗与脱氮效率矛盾日益突出。传统工艺需消耗大量能源，且难以应对低碳氮比污水。近日，西安建筑科技大学与日本东北大学联合团队在《环境科学与工程前沿》发表重磅研究成果：通过AnMBR-NF-PDA耦合工艺，成功实现污水中化学需氧量（COD）和氮的高效去除，总氮去除率突破90%，能耗降低44.8%。这项技术不仅破解了低碳污水脱氮难题，更让丝状细菌从“麻烦制造者”逆袭为“核心功臣”，为全球污水处理行业提供了低碳转型新范式。

传统工艺遇瓶颈：高能耗、低效率催生技术革命

传统污水处理依赖“硝化-反硝化”工艺，需消耗大量氧气和碳源，处理1毫克氨氮需4.57毫克氧，且总氮去除率不足85%。而新兴的厌氧氨氧化（Anammox）技术虽节能，却对水质波动敏感，易受有机物干扰。

研究团队独辟蹊径，将厌氧膜生物反应器（AnMBR）、**完全硝化（NF）和部分反硝化-厌氧氨氧化（PDA）**三大单元创新耦合：

1. AnMBR单元：通过厌氧发酵将COD转化为甲烷，同步将有机氮转化为铵态氮（NH4+），COD去除率高达96.7%。
2. NF单元：在好氧条件下将NH4+完全氧化为硝酸盐（NO3−），为后续反应提供稳定底物。
3. PDA单元：利用丝状细菌将NO3−部分反硝化为亚硝酸盐（NO2−），再由厌氧氨氧化菌（AnAOB）将NH4+与NO2−直接转化为氮气，实现“一步脱氮”。

通过调节进水比例，系统在COD/NO3−-N比为3.44时达到峰值性能：COD总去除率97.3%，总氮去除率86.1%，且无需外加碳源。

丝状细菌逆袭：从污泥膨胀元凶到脱氮“桥梁”

传统观念中，丝状细菌常引发污泥膨胀，被视为运行障碍。但本研究首次揭示：特定丝状菌（如不动杆菌Acinetobacter）竟是PDA单元的“秘密武器”。

关键机制解析：

• 精准控碳：通过调控原水比例，丝状菌将NO3−转化为NO2−后“戛然而止”，避免过度反硝化消耗碳源，为AnAOB提供稳定底物。
• 颗粒化助推：丝状菌形成网状骨架，促使污泥颗粒直径从300微米增至528微米，沉降速度提升45%，系统稳定性大幅增强。
• 基因级证据：宏基因组分析显示，丝状菌高表达硝酸盐还原酶基因（NarGHI），而亚硝酸盐还原酶基因（NirK/S）活性受抑，确保NO2−高效积累。

实验中，丝状菌丰度达31.59%时，系统脱氮效率提升至90.14%，证实其“桥梁作用”不可替代。

三大突破点：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单元利用原水碳源，相比传统工艺减少氧气消耗1.89毫克/毫克氨氮，综合能耗降低近半。
2. 抗波动性强：NF单元彻底消除氨氧化不彻底的风险，即使进水COD波动（62.6-102.2 mg/L），系统仍保持稳定运行。
3. 污泥减量30%：颗粒化污泥减少剩余污泥产量，配合甲烷回收，系统碳减排潜力显著。

对比现有工艺（见表2），AnMBR-NF-PDA在同等处理规模下，无需外加碳源，总氮去除率较传统工艺提升10%，较单一Anammox工艺稳定性提高50%。

从实验室到现实：技术落地挑战与前景

目前，该技术已在西安某中试基地连续运行12个月，处理规模达10吨/日。团队负责人李倩教授指出：“下一步将攻关低温适应性，目标在15℃下维持80%脱氮效率。”

应用前景展望：

• 城市污水处理：特别适合低碳氮比（C/N<3）污水，可节省药剂成本40%。
• 工业废水处理：食品加工、制药等高氮废水处理场景潜力巨大。
• 资源回收：甲烷回收可满足处理厂20%自用电需求，实现“以废产能”。

结语：污水处理进入“精准控菌”时代

从“厌氧氨氧化”到“丝状菌调控”，这项研究颠覆了传统污水处理的微生物管理理念。当技术瓶颈转化为创新跳板，污水处理不再只是环保课题，更成为能源回收与碳中和的关键一环。未来，随着AnMBR-NF-PDA工艺的规模化应用，碧水蓝天的愿景或将加速照进现实。

科学家寄语：“微生物是污水处理的‘无名英雄’，读懂它们的语言，就能解锁绿色未来的密码。”——李倩教授团队

来源: FESE Message