隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，高氨氮、低碳氮比(C/N)廢水處理已成為環(huán)境工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。這類廢水常見于垃圾滲濾液、養(yǎng)殖廢水、化工廢水等，其特點是氨氮濃度高(通常超過200mg/L)、有機碳源不足(C/N多低于2.0)，采用傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝處理時，需額外投加有機碳源且曝氣能耗高，運行成本居高不下。短程反硝化耦合厭氧氨氧化(Partial Denitrification-Anammox，PD/A)工藝的提出，為解決這一難題提供了創(chuàng)新思路。該工藝通過短程反硝化將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再以厭氧氨氧化菌將氨氮與亞硝酸鹽直接轉(zhuǎn)化為氮氣，理論上可節(jié)省60%曝氣量、100%外加碳源和90%污泥產(chǎn)量。

近年來，PD/A工藝在填埋場礦化垃圾填料應(yīng)用、低溫適應(yīng)性優(yōu)化、一體化反應(yīng)器設(shè)計等方面取得顯著進展。本文將系統(tǒng)分析該工藝的核心機理、關(guān)鍵影響因素(如填料特性、運行參數(shù)、微生物群落等)，并探討不同反應(yīng)器構(gòu)型的優(yōu)劣，最后對工藝應(yīng)用前景提出建議，為低C/N氨氮廢水處理提供技術(shù)參考。

工藝原理與技術(shù)優(yōu)勢：協(xié)同脫氮的微生物機制

短程反硝化-厭氧氨氧化耦合工藝的脫氮效率依賴于兩類功能微生物的協(xié)同作用：短程反硝化菌(Partial Denitrifiers)和厭氧氨氧化菌(AnAOB)。如圖1所示，該工藝包含兩個關(guān)鍵反應(yīng)階段：在短程反硝化階段，異養(yǎng)反硝化菌在缺氧條件下將廢水中的硝酸鹽(NO??-N)還原為亞硝酸鹽(NO??-N)，且精準控制在亞硝酸鹽階段不再繼續(xù)還原；在厭氧氨氧化階段，AnAOB以氨(NH??-N)為電子供體、亞硝酸鹽(NO??-N)為電子受體，將兩者轉(zhuǎn)化為氮氣(N?)和少量硝酸鹽(NO??-N)。

與傳統(tǒng)工藝相比，PD/A工藝具有三重優(yōu)勢：一是節(jié)能降耗顯著，短程反硝化無需曝氣，厭氧氨氧化為自養(yǎng)反應(yīng)，整體能耗降低60%以上；二是碳源需求大幅減少，僅短程反硝化階段需少量碳源，且最優(yōu)C/N為2-3.5，遠低于傳統(tǒng)工藝的4-6；三是污泥產(chǎn)量極低，AnAOB世代周期長達10-30天，污泥產(chǎn)率僅為傳統(tǒng)活性污泥法的10%左右。青島理工大學的研究表明，采用該工藝處理模擬污水(氨氮38-45mg/L，硝酸鹽52-62mg/L)，僅需32天即可實現(xiàn)AnAOB原位富集，總氮去除率達95%以上，出水總氮穩(wěn)定低于5mg/L。

反應(yīng)器設(shè)計與運行優(yōu)化：從填料選擇到參數(shù)控制

填料特性對PD/A工藝的穩(wěn)定性具有決定性影響。江西某填埋場礦化垃圾填埋物(填埋8年以上)作為填料時，其比表面積達6.90m2/g，孔徑分布以12.03nm為主，表面粗糙多孔，為微生物附著提供了理想場所。該填料的元素組成以C、O、Al、Si為主，含有類似沸石的鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)，可通過離子交換輔助去除氨氮。更重要的是，礦化垃圾中富含Pseudomonas(相對豐度18.92%)等耐鹽反硝化菌，以及Candidatus Brocadia(12.0%)等AnAOB，形成了適應(yīng)高鹽環(huán)境的微生物群落。在工程實踐中，填料的填充比(30-50%)、孔隙率(>90%)和粒徑(10-70μm)需綜合優(yōu)化，以平衡生物量與傳質(zhì)效率。

反應(yīng)器構(gòu)型方面，一體化設(shè)計成為最新趨勢。某專利技術(shù)將短程硝化室與生物膜反應(yīng)室通過分離隔板整合于同一反應(yīng)器，省去了傳統(tǒng)好氧/厭氧池分區(qū)，占地面積減少50%以上。該裝置采用溶解氧(DO)與溫度聯(lián)動控制(DO 0.2-0.3mg/L，溫度26-30℃)，短程硝化亞硝酸鹽積累率(NAR)達51.4%，結(jié)合生物膜內(nèi)的AnAOB，實現(xiàn)了單級脫氮。另一項研究采用A-SBR(缺氧)與N-SBR(好氧)串聯(lián)的全生物膜系統(tǒng)，內(nèi)置五種不同特性的填料(如比表面積>5000m2/m3的立方體填料)，通過內(nèi)源碳源開發(fā)(將VFA轉(zhuǎn)化為PHA)，使低C/N污水(COD/N<2)的總氮去除率提升至80%以上。

溫度與DO是影響工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。研究表明，溫度從30℃降至15℃時，AnAOB活性不降反升，Brocadia的相對豐度從7.3%增至12.0%，其單基因表達水平提高9倍，補償了低溫對硝化的抑制。此時維持DO在0.2-0.5mg/L、好氧HRT為6小時，系統(tǒng)脫氮效率仍達89.4%。但對于C/N<1的極端水質(zhì)，需采用兩段式設(shè)計：前段短程反硝化(C/N=2，上流式進水)實現(xiàn)NO??-N積累(50mg/L)，后段厭氧氨氧化完成主體脫氮。

工程應(yīng)用挑戰(zhàn)與未來展望

盡管PD/A工藝在實驗室研究中表現(xiàn)優(yōu)異，但工程推廣仍面臨三項挑戰(zhàn)：一是啟動周期較長，單純依靠AnAOB自然富集需60-90天，而接種工程污泥(如垃圾滲濾液處理廠的成熟填料)可將啟動時間縮短至30天；二是水質(zhì)波動敏感，尤其是工業(yè)廢水中重金屬、有機物等抑制因子可能破壞微生物平衡，需通過前置混凝沉淀(如PAC+PAM聯(lián)用)或碳源捕捉單元(污泥負荷2-3kgBOD?/kgMLSS·d)進行預(yù)處理；三是低溫適應(yīng)仍需提升，當溫度低于8℃時，即使增加DO(≥4mg/L)，脫氮效率仍會驟降至22.4%，需開發(fā)耐冷菌劑或保溫措施。

未來發(fā)展方向應(yīng)聚焦于三個層面：微生物層面，通過合成生物學手段改造AnAOB的耐寒、耐低C/N特性；工藝層面，優(yōu)化基于AI的參數(shù)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)DO、C/N、回流量等參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)；材料層面，開發(fā)仿礦化垃圾結(jié)構(gòu)的人工填料，兼具高比表面積(>5000m2/m3)和選擇性微生物富集功能。隨著"雙碳"目標的推進，這一綠色低碳工藝有望在垃圾滲濾液、化工廢水等領(lǐng)域率先實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，為污水處理廠的能源自給與碳中和提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。