在生物膜-絮体系统中，通过协同整合反硝化除磷工艺与部分反硝化/厌氧氨氧化（anammox）工艺，实现混合市政废水和腌制废水中高级营养物质的高效去除

《Bioresource Technology》：Synergistic integration of denitrifying phosphorus removal with partial denitrification/anammox in biofilm-floc system for advanced nutrient removal from mixed municipal and pickling wastewater

本研究开发了一种生物膜-絮体双污泥系统，集成部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）与反硝化除磷（DPR），用于协同处理低碳氮比市政废水与高硝酸工业废水。通过优化碳源组成、溶解氧及碳氮比，系统实现97.6%±1.2%的磷去除和99.4%±0.4%的总无机氮去除。生物膜通过PD途径稳定硝酸盐前体，絮体通过DPR途径协同实现硝化磷释放与碳源双利用，解决污泥停留时间冲突问题，为复杂水质下高效低碳污水处理提供新策略。

　　

余江|李梓欣|王汉斌|李喜瑶|张琼|张亮|彭永珍

国家先进城市废水处理与回用技术工程实验室，北京工业大学工程研究中心，北京100124，中国

摘要

对于低碳氮比（C/N）的城市废水与高硝酸盐工业废水联合处理而言，同时去除氮和磷仍然是一个具有挑战性的问题。本研究开发了一种生物膜-絮体双污泥系统，该系统结合了部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）和反硝化磷去除（DPR）技术，用于处理混合城市废水和酸洗废水。通过系统地调节碳源组成、溶解氧（DO）以及外部碳氮比（C/NO₃^?-N），该系统实现了97.6?±?1.2%的磷去除率和99.4?±?0.4%的总无机氮去除率。通过生物膜介导的PD和基于絮体的DPR实现的双源亚硝酸盐（NO₂^?-N供应机制，维持了以厌氧氨氧化为主的氮去除率（82.4?±?3.2%）。使用城市废水进行培养后，反硝化磷积累菌（DPAOs）与糖原积累菌（GAOs）之间的竞争平衡发生了变化，DPAOs用于碳储存的比例（P_PAO）增加到了74.5?±?3.8%。空间生态位的差异化使得厌氧氨氧化菌（AnAOB，包括Candidatus_Brocadia和Candidatus_Jettenia，占比分别为3.05%和1.23%）能够在生物膜中存活，而DPAOs（Dechloromonas，占比2.59%）则在絮体中占主导地位。这种配置解决了AnAOB和DPAOs之间固有的污泥停留时间（SRT）冲突问题，为碳限制条件下的混合废水处理提供了一种高效且节能的策略。

引言

快速的城市化和工业化加剧了城市废水与工业废水联合处理的挑战（[AuthorError]等人，2024年；Tiwari等人，2024年）。城市废水的特点是有机成分复杂、碳氮比（C/N）低，且氮和磷浓度较高，容易导致水体富营养化（Wang等人，2023a）。相比之下，不锈钢酸洗废水是一种典型的工业废水，来源于金属表面酸洗过程，其中硝酸盐（NO₃^?-N）浓度较高（700–3000?mg/L），同时还含有微量重金属和盐分（Zeng等人，2023年）。这些污染物对生态系统和人类健康构成双重威胁。

传统的生物营养物去除（BNR）工艺在处理此类混合废水时面临诸多技术瓶颈，包括高曝气能耗和大量外部碳的需求（Wang等人，2025a）。关键问题是，这些工艺无法解决单一反应器中去除氮和磷的功能微生物在污泥停留时间（SRT）要求上的固有冲突（Lu等人，2021年）。当将需要长SRT的厌氧氨氧化菌（AnAOB）与需要短SRT的反硝化磷积累菌（DPAOs）结合时，这一问题尤为突出（Yin等人，2021年）。

部分反硝化与厌氧氨氧化（PD/A）技术因其高效的碳源利用、降低的曝气能耗和减少的污泥产生而成为一种有前景的技术（Wang等人，2020年）。然而，城市废水的低C/N比和水质波动严重影响了亚硝酸盐（NO₂^?-N）积累的稳定性。此外，缺乏综合的磷去除策略从根本上限制了混合废水中氮和磷的协同去除（Zhao等人，2024a）。

反硝化磷去除（DPR）是一种新兴的生物技术，它利用DPAOs将有机底物储存为细胞内的聚β-羟基烷酸酯（PHA），并在厌氧条件下释放磷酸盐（PO₄^3?-P）（Li等人，2024b）。在缺氧条件下，DPAOs利用NO₃^?-N作为电子受体，实现双重功能的碳源利用并减少外部碳的需求（Lin等人，2023年）。然而，通过污泥排放去除磷会导致去除氮的功能微生物容易被冲走，从而破坏氮-磷去除的平衡（Xia等人，2024年）。

尽管PD/A和DPR技术在治疗单一类型废水方面取得了进展，但针对城市废水和酸洗废水联合处理的集成工艺方案仍不成熟（Zhao等人，2024a）。现有研究主要集中在单一的NO₂^?-N供应途径上，或在均匀的废水系统中进行操作，忽视了PD和DPR在混合废水系统中对NO₂^?-N生成的潜在协同效应，从而影响厌氧氨氧化的稳定性能。同时，传统单污泥系统中AnAOB和DPAOs之间的固有SRT冲突问题仍未得到解决，这限制了它们的稳定共存和综合营养物去除的实际应用。因此，集成PD/A-DPR系统在处理混合废水时的主要技术挑战在于建立稳定的NO₂^?-N积累机制，并在复杂水质条件下解决SRT冲突（Wu等人，2021年）。

本研究开发了一种创新的生物膜-絮体双污泥系统，结合了PD/A和DPR技术，在厌氧-好氧-厌氧（AOA）运行模式下联合处理城市废水和酸洗废水。在364天的运行过程中，系统经历了系统的三阶段适应过程，并对操作参数进行了动态调节。通过长期监测、质量平衡分析和高通量测序，研究了系统性能、代谢途径贡献和微生物群落结构。研究表明，生物膜-絮体配置实现了AnAOB和DPAOs的稳定共存。该系统通过生物膜介导的PD和基于絮体的DPR建立了双源NO₂^?-N供应机制，维持了以厌氧氨氧化为主的氮去除。这些发现为低C/N比的城市废水和高硝酸盐酸洗废水的可持续联合处理提供了可靠的技术解决方案，为高效、低碳的混合废水处理铺平了道路。

实验设置和操作策略

在一个有效体积为10?L的序批式反应器（SBR）中建立了生物膜-絮体双污泥系统。反应器主要由透明有机玻璃制成，并配备了一个转速为80–100?rpm的悬臂式机械搅拌器（详见补充材料）。反应器温度保持在28.5?±?1?°C。整个实验持续了364天，以建立并维持一个稳定的生物处理系统。反应器每天运行3个周期，每个周期

长期营养物去除性能

AOA-PD/A-DPR双污泥系统运行了364天，并被战略性地分为三个阶段。营养物去除性能的时间演变如图1所示。

DPAOs与GAOs的竞争及磷去除机制

DPAOs与GAOs之间在碳底物储存方面的竞争平衡从根本上决定了各运行阶段的微生物活性和磷去除途径的演变。在初期阶段（第40天），DPAOs在碳储存方面占据主导地位（P_PAO占比为52.9?±?3.2%），保持了磷酸盐浓度（PRA）为16?±?2.2?mg/L（图3b）和多聚磷酸盐与挥发性固体悬浮物（VSS）的比例为0.04?mg P/mg VSS（图3c），证实DPAOs具有有效的PO₄^3?-P去除能力

氮去除动力学和途径贡献

双污泥系统中稳定的氮去除是通过厌氧段中厌氧氨氧化、反硝化和DPR的协同作用实现的。通过原位定量功能细菌活性和途径贡献，阐明了从系统启动到稳定处理混合废水的机制演变（Gao等人，2023年）。

在接种DPR污泥之前，纯PD/A生物膜系统表现出良好的氮去除效果。NH₄⁺-N的去除率（r′NH₄⁺）达到

结论

本研究建立了一种创新的生物膜-絮体PD/A-DPR系统，在AOA运行模式下实现了从混合城市废水和酸洗废水中去除97.6?±?1.2%的PO₄^3?-P和99.4?±?0.4%的总无机氮（TIN）。通过生物膜相关的PD和基于絮体的DPR实现的双源NO₂^?-N供应机制，维持了以厌氧氨氧化为主的氮去除（贡献率为82.4?±?3.2%），DPR则提供了11.2?±?3.3%的协同贡献。使用城市废水作为有机碳源进一步优化了系统性能

作者贡献声明

余江：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学研究，调查，数据分析，概念构建。 李梓欣：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，调查，数据分析，概念构建。 王汉斌：撰写 – 审稿与编辑，监督，数据分析，概念构建。 李喜瑶：资源获取，方法学研究。 张琼：资金获取，概念构建。 张亮：概念构建，资金获取。 彭永珍：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了京津冀区域环境综合治理国家科技重大项目（项目编号：2025ZD1203701）和高等教育学科创新项目（“111项目”，项目编号：D16003）的财政支持。