单级生物反应器，结合厌氧氨氧化（anammox）和硫驱动的自养反硝化过程，用于去除垃圾填埋场渗滤液中的氮

《Journal of Hazardous Materials》：Single-stage bioreactor integrating anammox and sulfur-driven autotrophic denitrification for nitrogen removal from landfill leachate

一种单阶段厌氧氨氧化-硫驱动自养反硝化集成生物反应器在无外部碳源条件下实现了高效稳定处理高浓度垃圾渗滤液，总氮去除率达85-89%，出水TN<60mg/L。通过动态调整水力停留时间（0.5-1.1d）和部分硝化预处理调控NO2-：NH4+比例（1.2-1.5），验证了反应器在波动工况下的运行稳定性。硫氧化促进的硫酸盐积累与厌氧氨氧化副产碱度协同作用维持了系统pH平衡，微生物组学分析揭示了氮硫代谢网络的协同进化机制。

　　

梁旭|徐伟|杨宇伟|吴俊伟|苏晓梅|冯东|肖潇|陈崇军|郑晓旭|孙法倩

中国浙江省金华321004，浙江师范大学地理与环境科学学院，数字智能监测与流域环境修复重点实验室

摘要

开发了一种集成的厌氧铵氧化-硫自养反硝化（Anammox-SAD）生物反应器，用于在无需外加有机碳的情况下去除实际填埋场渗滤液中的氮。该系统在逐步减少的水力停留时间（HRT）条件下连续运行了105天，通过部分硝化作用保持了稳定的进水NO₂^--N/NH₄⁺-N比值（1.2–1.5）。Anammox区表现出良好的性能，出水中的NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO₃^--N平均浓度分别为18±5、6±9和110±16 mg/L。即使在低至0.5天的HRT下，最大氮去除率也能达到2.04 kg N/(m³ d)。尽管进水中的总氮浓度波动（600–840 mg/L），该集成反应器仍实现了85–89%的稳定总氮去除率。下游的SAD区有效净化了由Anammox产生的硝酸盐，将NO₃^--N浓度从80–150 mg/L降低到35–60 mg/L。通过硫酸盐浓度的升高证实了硫的氧化作用，而Anammox过程中产生的碱度为SAD提供了内在的pH缓冲，维持了有利条件。宏基因组分析揭示了协调的氮-硫代谢网络，表明缩短HRT增强了微生物多样性和功能冗余性，但也揭示了底物还原的动态限制。总体而言，这种集成的Anammox-SAD系统为处理高浓度填埋场渗滤液提供了一种稳健且低碳的策略。

引言

填埋场渗滤液是一种高度复杂的废水，通常含有高浓度的铵氮（NH₄⁺-N）、难降解的有机化合物和重金属，其性质因填埋场年龄、废物组成和特定操作条件而异[1]、[2]。在这些污染物中，氮化合物（尤其是NH₄⁺-N）对生态系统构成重大风险[3]、[4]。传统的生物氮去除技术主要基于硝化-反硝化过程，但对于成熟填埋场渗滤液往往效果不佳，因为这些废水通常碳氮比（C/N）较低，盐度较高，并含有抑制微生物活性的物质[5]。因此，这些系统通常需要大量外加碳源，且性能不稳定，这使得开发稳健、低碳且可扩展的填埋场渗滤液氮去除技术成为一个持续挑战[6]。

自养氮去除工艺因其对有机碳的需求较低、产生的污泥较少以及能源效率较高而成为处理富氮贫碳废水的有前景的替代方案[7]。其中，厌氧铵氧化（Anammox）因其能够在无需有机碳输入的情况下直接将NH₄⁺-N和亚硝酸盐（NO₂^--N）转化为氮气（N₂）而受到广泛关注[8]、[9]。与传统工艺相比，Anammox显著降低了氧气消耗、污泥产量和温室气体排放[10]。然而，Anammox会生成硝酸盐（NO₃^--N）作为副产物，且其活性容易受到底物不平衡和盐度的影响，而这些在处理实际填埋场渗滤液时难以避免[11]、[12]。硝酸盐的积累不仅限制了整体氮去除效率，也削弱了Anammox作为独立解决方案的可行性。

因此，提出了以硫为驱动力的自养反硝化（SAD）作为有效的补充工艺。SAD利用还原态硫化合物（如元素硫）作为电子供体，在缺氧条件下还原NO₂^--N和NO₃^--N，从而在碳受限和盐度较高的环境中实现高效反硝化[13]。与异养反硝化相比，SAD对盐度和进水波动具有更高的耐受性，更适合处理填埋场渗滤液[12]。然而，SAD的反应动力学较慢，并且会产生硫酸盐作为不可避免的副产物，可能导致二次盐度积累，从而限制长期运行[14]。将Anammox与SAD结合使用可以克服这些各自的局限性。Anammox以最小的碳输入高效去除NH₄⁺-N，而SAD则进一步净化由Anammox产生的NO₃^--N，实现几乎完全的氮去除，而无需外加有机碳[15]、[16]、[17]。

除了工艺兼容性外，反应器配置在实现这种协同作用中起着决定性作用。尽管Anammox和SAD需要不同的微环境，但将它们集成到一个具有空间区分的單阶段反应器中，可以显著降低系统复杂性、占地面积和运行成本，相比多反应器配置更为优越[18]。通过设计合理的反应器（包括结构化的载体、硫介质分布和可控的水动力条件），可以稳定微生物的停留时间，调节质量传递，并在高负荷和波动条件下维持Anammox和SAD之间的功能耦合[19]、[20]。然而，大多数先前的研究依赖于合成废水或短期运行，因此在处理实际填埋场渗滤液的單阶段集成系统的长期稳定性、微生物适应性和功能机制方面仍存在关键知识空白。

因此，本研究开发并系统评估了一种用于实际填埋场渗滤液高级氮去除的單阶段集成Anammox-SAD生物反应器。具体目标是：（1）评估在不同负荷率下的氮去除性能和运行稳定性；（2）利用宏基因组分析阐明氮和硫的转化途径及微生物群落演替；（3）揭示提高性能的潜在机制。这些结果为开发稳健且低碳的填埋场渗滤液及其他高浓度、贫碳废水的氮去除系统提供了宝贵见解。

部分内容摘录

填埋场渗滤液和种子污泥

填埋场渗滤液来自中国浙江省金华市的一个市政填埋场，该填埋场自1993年底以来一直处于连续运行状态。该渗滤液被归类为老化填埋场渗滤液，其生物降解性较低，碳氮比约为1.2。为了满足Anammox过程的化学计量要求，使用实验室规模的部分硝化系统对原始渗滤液进行了预处理，调整了进水中NO₂^--N与NH₄⁺-N的比值

Anammox区的氮去除

经过部分硝化处理后，渗滤液中的NO₂^--N与NH₄⁺-N比值控制在1.2–1.5范围内，符合Anammox过程的化学计量要求[28]。Anammox区的氮去除变化情况如图1所示。在第一阶段（0–40天），反应器在初始HRT为1.1天的条件下表现出稳定且高效的氮去除效果。出水中NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO₃^--N的平均浓度分别为20±5 mg/L、5±4 mg/L和108±20 mg/L

结论

一种单阶段集成Anammox-SAD生物反应器在不添加外加碳的情况下实现了实际填埋场渗滤液的稳定和高效率氮去除。当进水总氮浓度为600–840 mg/L时，系统的去除效率保持在85–89%，出水总氮浓度低于60 mg/L。在该系统中，Anammox过程中产生的碱度为SAD提供了内在的pH缓冲，维持了有利条件。宏基因组分析进一步揭示了不同反应室内的特征

环境影响

填埋场渗滤液是一种严重的环境危害，其特征是铵浓度高、碳氮比低以及含有抑制传统处理方法的化合物。本研究开创了一种将厌氧铵氧化与硫驱动的自养反硝化结合使用的单阶段生物反应器，实现了高级氮去除。该系统在高浓度渗滤液条件下实现了稳健且无碳的运行，总氮去除效率始终超过

CRediT作者贡献声明

杨宇伟：软件开发、实验研究。吴俊伟：监督、方法学设计、实验研究、资金获取。梁旭：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、实验研究。徐伟：初稿撰写、软件开发、实验研究、数据管理。孙法倩：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金获取。陈崇军：监督、资源协调、方法学设计。郑晓旭：监督、资源协调、资金获取。肖潇：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了杭州重点科研项目（2024SZD1B25）、长江三角洲创新中心开放研究项目（2025KFKY001）以及中国金华市科学技术局（2023-3-004和2026-1-003）的支持。