垃圾填埋场渗滤液氨氮浓度堪比工业废水，传统处理需额外投加碳源，成本高昂；污水处理厂每年产生千万吨污泥，处置费用占运营成本近半。如何破局？北京工业大学团队在《Engineering》发布创新成果：通过自由亚硝酸（FNA）驱动污泥发酵，首次实现渗滤液脱氮与污泥减量的“双向奔赴”——无需外部碳源投加，系统能量收益达291.8千瓦时/吨污泥，较传统工艺实现从“耗能”到“产能”的颠覆性转变。

污泥里的“微生物钥匙”：0.1毫克FNA释放隐藏能源

废弃活性污泥（WAS）富含蛋白质、多糖等有机物，但被微生物细胞壁“锁住”。研究团队发现，FNA（亚硝酸的活性形态，浓度达0.105毫克/升时）能像“钥匙”般破坏细胞结构，释放可溶性有机物。这些物质恰好成为渗滤液脱氮的“燃料”，替代传统工艺中价格高昂的乙酸钠。

实验中，团队设计两级反应器：

• 部分硝化反应器：将渗滤液氨氮高效转化为亚硝酸盐（积累率95.4%），为后续提供FNA原料；
• 发酵-反硝化反应器：污泥与亚硝酸盐混合，FNA持续分解有机物，驱动亚硝酸盐还原为氮气。
  175天运行数据显示，系统每周期回收19350毫克有机物，相当于每吨干污泥“自产”1.9万克碳源，支撑0.46千克/立方米·天的脱氮速率。

从“实验室”到“污水厂”：四阶段优化破解工程难题

为提升稳定性，团队历经四个阶段调整：

1. 启动期（1-25天）：验证基础工艺，污泥减量达43.5%；
2. 回流优化（26-65天）：将发酵液回输至脱氮系统，二次利用残留有机物；
3. 发酵强化（66-90天）：延长水力停留时间至76.8小时，短链脂肪酸（SCFA）浓度提升至493毫克/升；
4. 稳定运行（91-175天）：调整进料比例，最终实现53.4%污泥减量和95.2%总氮去除率，出水氨氮浓度降至79.8毫克/升。

对比传统热解-厌氧消化工艺（能量赤字1503千瓦时/吨），新技术通过“以废治废”使吨污泥处理净赚291.8千瓦时电能，相当于一个家庭10天的用电量。

技术暗礁：腐殖酸残留与反应器稳定性挑战

尽管成效显著，团队指出两大风险：发酵后出水的腐殖酸类难降解有机物（占COD 15%-20%）可能增加深度处理负担；渗滤液水质波动可能导致FNA浓度不稳定，影响脱氮效率。对此，研究者建议开发实时pH-ORP监控系统，通过“氨谷值”“亚硝酸盐峰值”等特征参数动态调控反应进程。

展望未来，该技术有望推广至工业园区废水处理，并耦合光伏发电进一步降低能耗。正如论文通讯作者彭永臻院士所言：“让污水厂从能源消费者转变为生产者，是碳中和目标下的必由之路。”

来源: Engineering