关于SPDAF工艺用于高效去除生活污水与含硝酸盐废水中氮污染物的研究报告
本研究由北京工业大学的彭永臻教授团队主导，主要作者包括纪建涛、彭永臻*、王博、李晓瑶和张琼。该研究成果以论文形式发表于环境科学领域的权威期刊《Environmental Science & Technology》2020年第54卷第6期（页码3702-3713），论文标题为“Synergistic Partial-Denitrification, Anammox, and In-Situ Fermentation (SPDAF) Process for Advanced Nitrogen Removal from Domestic and Nitrate-Containing Wastewater”。
一、 学术背景与研究目的
本研究隶属于环境科学与工程领域，具体聚焦于污水生物脱氮技术。传统生物脱氮主要依赖硝化（需氧）与反硝化（厌氧，需有机碳源）的串联过程，存在能耗高、碳源需求大、剩余污泥产量多等缺点。厌氧氨氧化（Anammox）技术的出现为节能降耗带来了革命性希望，它能在厌氧条件下，以亚硝酸盐（NO₂⁻）为电子受体，直接将氨氮（NH₄⁺）氧化为氮气（N₂），无需氧气和额外有机碳源。然而，Anammox反应需要稳定的亚硝酸盐供应。目前主流的组合工艺是短程硝化（Partial Nitritation, PN）与Anammox的耦合（PN/A），但此工艺无法去除进水中的硝酸盐（NO₃⁻），且Anammox反应自身会产生约11%的硝酸盐，导致系统总氮去除效率受限（51-87%）。
近年来，另一种为Anammox提供亚硝酸盐的途径——部分反硝化（Partial Denitrification, PD，即NO₃⁻ → NO₂⁻）受到关注。PD/Anammox组合工艺理论上可以同时去除氨氮和硝酸盐，更具应用潜力。然而，将该工艺应用于处理实际生活污水时面临核心挑战：生活污水中的有机物总量不足（低碳氮比），且含有大量难以被反硝化菌直接利用的慢速可生物降解有机物（如多糖、蛋白质）。以往研究通常需要投加乙酸、丙酸等外碳源来驱动PD过程，增加了运行成本和复杂性。
因此，本研究旨在探索并验证一种全新的、能够“变废为宝”的集成工艺。其核心科学问题是：能否通过引入原位发酵（In-situ Fermentation）过程，将生活污水及系统内自身产生的慢速降解有机物转化为易被PD菌利用的挥发性脂肪酸（VFAs），从而在不投加外碳源和曝气的条件下，实现PD与Anammox的高效协同，最终对含有硝酸盐的废水与实际生活污水的混合液进行深度脱氮。研究目标即评估这种协同部分反硝化、厌氧氨氧化与原位发酵（SPDAF）工艺的可行性、性能及内在机理。
二、 详细研究流程与方法
本研究是一个系统的、包含长期连续流实验、批次实验和宏基因组学分析的综合性研究，工作流程清晰，环环相扣。
第一环节：SPDAF工艺的长期运行与性能评估 研究构建了一个实验室规模的上流式厌氧污泥床（UASB）反应器（有效容积5L），作为SPDAF工艺的核心装置。进水由两部分组成：1）来自北京工业大学居民区化粪池的实际生活污水（低碳氮比，约3.3）；2）人工配制的含硝酸钠的硝酸盐废水。接种污泥为实验室已有的部分反硝化（PD）污泥与颗粒厌氧氨氧化（Anammox）污泥，按挥发性悬浮固体（VSS）比例1:2混合。为了强化发酵功能，在运行第87天向反应器内投加了取自一个发酵罐的混合液（VSS = 6866.9 mg/L）。
整个实验连续运行了180天，分为六个阶段（Phase I-VI），通过调整硝酸盐废水的浓度（70-180 mg N/L）、生活污水与硝酸盐废水的进水体积比以及水力停留时间（HRT，6-16小时），来考察系统在不同负荷和条件下的脱氮性能。期间定期监测进、出水中的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、化学需氧量（COD）等关键水质指标，并计算总无机氮（TIN）去除效率、Anammox贡献率等参数。此外，还采用三维荧光光谱（EEM）分析了进水及不同阶段出水中溶解性有机物（DOM）组分的变化，以间接揭示有机物转化情况。
第二环节：批次实验验证SPDAF系统中的活性生物反应 在长期运行达到稳定后（第180天左右），研究人员从SPDAF-UASB反应器中取泥，进行了三组密封的批次实验，旨在剥离并证实系统中各生物反应的活性及其相互关系。 * 批次测试1：模拟实际运行条件，向污泥中投加生活污水和硝酸盐，初始COD/NO₃⁻-N约为3.0。此实验旨在验证在实际碳源存在下，PD和Anammox的协同过程。 * 批次测试2：仅向污泥中投加铵盐和硝酸盐，不添加任何外源有机物。此实验旨在探究在无外碳源条件下，系统是否仍能通过内源代谢驱动PD-Anammox反应，并监测DOM（多糖、蛋白质、腐殖质）的变化。 * 批次测试3：不添加任何底物（无碳、氮源）。此实验旨在直接证实“原位发酵”过程的存在，即监测系统内是否能够自发产生乙酸、丙酸等VFAs。
所有批次实验均在严格厌氧（N₂吹扫）、恒温（26±1°C）条件下进行，定时取样分析氮形态及有机物指标。
第三环节：宏基因组测序解析微生物群落与代谢机制 在长期运行结束时（第180天），从SPDAF-UASB反应器中采集污泥样品，进行鸟枪法宏基因组测序。DNA提取后，在Illumina HiSeq 4000平台上进行测序，获得了超过1亿条高质量序列。通过Megahit等软件进行序列组装、基因预测和功能注释。分析重点包括： 1. 微生物群落结构：在属水平上鉴定与PD、Anammox和发酵相关的功能菌群及其相对丰度。 2. 关键功能基因与代谢通路：通过比对NCBI NR数据库和KEGG等数据库，定量分析参与氮代谢（如硝酸盐还原酶nar/nap、亚硝酸盐还原酶nirK/nirS、联氨合成酶hzs、联氨脱氢酶hdh等）和发酵代谢（如葡萄糖脱氢酶、氨基酸脱氢酶、乙酸激酶等）的关键功能基因的丰度（以比对命中数hits表示），从而从遗传潜能层面揭示系统的代谢机制。
三、 主要研究结果
1. 长期运行性能：高效脱氮的达成 经过180天的运行调试，SPDAF系统在第六阶段（第115-180天）实现了卓越的脱氮性能。在进水TIN为92.5 mg N/L、COD/TIN比值低至1.6、NO₃⁻-N/NH₄⁺-N比值约为1.13的条件下，系统无需投加任何外碳源和曝气，TIN去除效率高达93.1%，出水氨氮和硝酸盐氮浓度分别低至3.2 mg N/L和2.8 mg N/L。计算表明，Anammox途径对总氮去除的贡献率达到95.6%。这一结果充分证明了SPDAF工艺处理低碳氮比含硝酸盐废水的可行性和高效性。
运行过程显示，前期（I-IV阶段）未接种发酵污泥时，尽管延长了HRT，出水COD仍较高，TIN去除效率仅约67%，表明系统中的慢速降解有机物未能被有效利用。在第87天接种发酵污泥后（V-VI阶段），出水COD显著下降，同时氮去除效率大幅提升至82.9%并最终稳定在93.1%。这强烈暗示了发酵过程在破解慢速降解有机物、为PD提供电子供体方面起到了关键作用。
2. EEM光谱证据：有机物转化的可视化 三维荧光光谱分析为发酵的作用提供了间接但有力的证据。对比接种发酵污泥前后（Phase IV vs. Phase VI）的出水EEM图谱发现，代表芳香类蛋白质和可溶性微生物产物（SMPs，如色氨酸、蛋白质类物质）的荧光峰强度在接种后显著降低。这表明接种发酵菌后，系统中积累的或由微生物代谢产生的慢速降解有机物被更多地转化消耗了。同时，仅在接种后的出水中检测到微弱的腐殖酸类物质荧光峰，而腐殖酸在污泥发酵过程中可转化为VFAs。这些光谱变化与出水COD降低、脱氮效能提升的现象相互印证，支持了“原位发酵改善有机物利用”的推论。
3. 批次实验证据：生物反应路径的直接证实 * 批次测试1证实了在存在生活污水碳源时，系统能快速启动PD过程积累亚硝酸盐，并随后发生Anammox反应，同时消耗氨氮和亚硝酸盐。有趣的是，在后期碳源表观不足时，硝酸盐的持续减少暗示了可能存在内源发酵供能。 * 批次测试2在无外碳源添加的情况下，前期氨氮无变化，后期却出现了氨氮和硝酸盐的同步去除，并伴有亚硝酸盐的微弱积累。与此同时，溶液中的腐殖质、蛋白质和多糖含量先升后降。这证明系统内的微生物（可能源于衰亡或应激）产生了SMPs，而这些SMPs随后被发酵转化，为PD提供了驱动硝酸盐还原为亚硝酸盐所需的电子供体，进而支持了Anammox反应。 * 批次测试3提供了最直接的证据：在不添加任何底物的条件下，反应器中自发产生了乙酸和丙酸，且浓度随时间延长而增加。这无可辩驳地证实了SPDAF系统内确实存在活跃的“原位发酵”过程，能够将复杂的有机物或内源代谢产物转化为PD菌偏好的碳源（VFAs）。
4. 宏基因组学证据：功能菌群与代谢潜能的揭示 测序分析从微生物组成和基因功能层面揭示了SPDAF系统稳定运行的微观基础。 * 功能菌群共存：系统中成功富集了与Anammox相关的菌属（如Candidatus Brocadia, 丰度4.36%）、与PD相关的菌属（如Thauera, 丰度1.23%）以及与发酵水解/酸化相关的菌属（如unclassified_p_Chloroflexi, Streptomyces等）。这种功能菌群的共存是SPDAF工艺成功的生态学基础。 * 关键代谢基因丰度：Anammox的关键功能基因（hzs和hdh）被高丰度检测到，解释了高效的氨氮去除能力。在反硝化相关基因中，编码细胞质硝酸盐还原酶（narGHI）和周质硝酸盐还原酶（napAB）的基因丰度远高于编码亚硝酸盐还原酶（nirK, nirS）的基因。这种基因表达潜能上的不平衡，从遗传学角度支持了系统中硝酸盐还原速率可能快于亚硝酸盐还原速率，从而有利于亚硝酸盐积累（即PD发生）的推断。 * 发酵代谢通路完整：检测到大量参与糖类、氨基酸、脂肪酸等水解酸化过程的关键酶编码基因（如gcdH, aaDH, acyl-CoA DH等），以及将丙酮酸转化为乙酸、丙酸等途径的基因（如pta-ak途径）。而产甲烷过程的关键基因（F420, mtr）丰度极低，表明发酵过程主要停留在产酸阶段，这正好为PD提供了所需的易降解碳源。
四、 研究结论与价值
本研究成功开发并验证了一种创新的协同部分反硝化、厌氧氨氧化与原位发酵（SPDAF）工艺。该工艺的核心价值在于，它创造性地将“原位发酵”模块整合到PD/Anammox系统中，通过发酵菌将进水中的慢速降解有机物及系统内产生的SMPs转化为挥发性脂肪酸，从而自给自足地为部分反硝化过程提供优质碳源，驱动硝酸盐向亚硝酸盐的转化，进而耦合Anammox实现高效脱氮。
其科学意义在于：1）突破了PD/Anammox工艺处理实际低碳氮比污水时对外加碳源的依赖；2）揭示了慢速降解有机物通过原位发酵驱动PD-Anammox链式反应的新途径；3）通过宏基因组学深入解析了SPDAF系统中功能菌群共存、关键代谢基因高表达的微观机理。
其应用潜力巨大：1）可用于处理城市污水处理厂侧流PN/A工艺产生的富硝酸盐上清液与主流生活污水的混合液，实现“侧流-主流”氮污染物的协同深度去除，避免高硝酸盐回流增加主流处理负荷，有望实现节能降耗的“闭环”处理；2）可用于低碳氮比污水的深度脱氮，或作为三级处理单元去除二级出水中的残余硝酸盐；3）对处理高硝酸盐工业废水也具有潜在应用价值，因其理论上比传统反硝化节省约60%的碳源需求。
五、 研究亮点