《Bioresource Technology》：Mechanistic insights into enhanced carbon and phosphorus capture and low-carbon nitrification–autotrophic denitrification in two-stage wastewater treatment
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两阶段A/B工艺整合化学增强预处理与硫自养反硝化技术，实现低碳氮去除及资源回收，低铁剂量（15–20 mg Fe/L）下稳定运行，温度波动时仍保持高效碳磷截留与氮去除，能耗0.32 kWh/m3，碳减排显著。
邓梦轩|康旭|邱珊|王静辉|徐驰|邱杰
中国哈尔滨工业大学污泥安全处置与资源回收国家工程研究中心，哈尔滨 150090
摘要
本研究采用了一个中试规模的二级A/B工艺，将化学强化一级处理（A阶段）用于高效碳捕获，与硝化-硫自养反硝化（SAD）结合用于下游营养物质去除（B阶段）。该配置提高了碳和磷的捕获效率，同时降低了碳足迹。在低铁剂量（15–20 mg Fe/L）下，通过污泥回流实现了高有机碳和磷的回收。当进水温度从24°C降至13°C时，系统仍能稳定运行。在B阶段，通过SAD实现了完全硝化和有效的硝酸盐还原，无需外加有机碳。平均能耗为0.32 kWh/m3，相当于0.29 kg CO?–eq/m3。这些发现凸显了集成A/B配置在市政废水处理中实现资源回收和低碳氮去除的潜力。
引言
近年来，废水处理的目标已从单纯的污染物去除转变为同时关注能源效率提升和资源回收。然而，传统的活性污泥（CAS）工艺严重依赖曝气和外部有机碳源进行深度氮去除，通常能耗为0.40–0.60 kWh/m3（Longo等人，2016年）。因此，减少主流废水处理的能耗并降低对外部碳源的依赖已成为一个紧迫问题。两级吸附-生物降解（A/B）系统被认为具有资源和能源回收的潜力。在传统的A/B工艺中，A阶段通常采用高速活性污泥（HRAS），快速捕获进水中的颗粒有机物，有效减少了进入下游B阶段的有机负荷（Wett等人，2013年）。然而，传统A阶段的处理条件在去除胶体和溶解性化学需氧量（CODcoll和SCOD）方面能力有限（张和陈，2019年），导致部分有机物随水相进入后续处理单元而未能被充分截留。
化学强化一级处理（CEPT）可以显著提高上游有机碳的捕获效率。在一些新兴的A/B工艺中，CEPT可作为A阶段。在优化运行条件下，CEPT对颗粒COD（CODpart）和CODcoll的去除率可达60–80%（张和陈，2019年）。此外，一些全规模运行结果显示，Kloten–Opfikon和Sha Tin污水处理厂的COD去除率分别达到了55–65%和60–80%（De Graaff等人，2010年；Gu等人，2010年）。然而，CEPT运行通常需要较高的混凝剂剂量。先前的研究表明，引入污泥回流可以增强絮体形成，同时减少铁基混凝剂的用量并保持有效的有机碳捕获性能（段和Gregory，2003年；Jarvis等人，2005年；Yin等人，2022年）。此外，CEPT可以将大部分有机碳和磷转移到污泥系统中，从而为资源回收创造条件。富含铁的污泥可以在厌氧发酵过程中促进有机物的溶解并生成短链脂肪酸（SCFAs）（陈等人，2007年；刘等人，2021年）。此外，通过热电联产可以从这种污泥的焚烧中回收部分电能，且焚烧产生的灰烬中的磷具有相当大的回收潜力（Wilfert等人，2018年；Herzel等人，2016年）。
A阶段中有机碳的重新分配不可避免地会导致进入B阶段的进水C/N比降低。一些研究人员提出了各种先进的B阶段工艺配置来解决这个问题，包括简化硝化-反硝化过程、生物过滤器和主流的anammox工艺（Laureni等人，2019年；Zhao等人，2019年；Lotti等人，2015年）。此外，硫自养反硝化（SAD）作为一种潜在的B阶段工艺受到了关注。SAD使用还原态硫（如元素硫S?和硫化物）作为电子供体，硝酸盐/亚硝酸盐作为电子受体，无需外加有机碳即可实现反硝化。在进水温度为10–20°C的情况下，无需外加有机碳源即可维持0.05–0.30 kg N/(m3·d)的硝酸盐还原速率（Chen等人，2023年；Sun等人，2024年；Dang等人，2025年）。在一些全规模工程应用中，SAD在低C/N条件下实现了70–85%的总氮去除率（Lu等人，2018年）。然而，尽管SAD具有广阔的应用前景，但其运行过程中硫的氧化会持续消耗系统的碱度，可能影响系统的长期运行稳定性。此外，对SAD作为B阶段工艺的工程性能仍缺乏系统的评估。
本研究构建并连续运行了一个中试规模的二级A/B（CEPT–硝化–SAD）工艺，旨在开发一种结合深度营养物质去除、低能耗、低碳排放和资源回收潜力的废水处理工艺。在A阶段，采用化学强化一级处理（CEPT），结合低剂量铁盐和污泥回流来提高碳和磷的捕获效率。分析了絮体尺寸分布和分形特性，以探讨絮体结构与捕获性能之间的关系。在B阶段，硝化和硫自养反硝化（SAD）通过水力分离，研究了进水温度从24°C降至13°C时氮去除性能和微生物群落的变化。通过质量流量分析量化了碳、氮和磷在主流系统和污泥系统之间的分配情况。在统一的系统边界条件下，计算了系统的能耗和温室气体（GHG）排放，并与代表性的废水处理工艺进行了比较。
系统描述
构建了一个中试规模的二级A/B处理系统，其中A阶段（CEPT）用于碳和磷的捕获，B阶段用于硝化和硫自养反硝化（SAD）（图1）。A阶段包括一个快速混合池（50 L）、一个絮凝池（154 L）和一个沉淀池（120 L），总有效工作体积约为324 L。在进水流量为2–3 m3/d的条件下，整体水力停留时间（HRT）为
不同运行条件下的碳和磷捕获性能
为了比较PFS和FC在不同反应时间和污泥回流比下的COD去除性能，进行了一系列平行实验，并使用GLM方法进行了分析（图2A；见补充材料）。在两个系统中，COD去除受反应时间和回流比（p < 0.001）的显著影响，去除效率呈现出先增加后下降的趋势。随着反应时间的延长，去除率显著提高
结论
CEPT–硝化–SAD A/B配置实现了稳定高效的主流市政废水处理性能。在A阶段，污泥回流增强了絮体的紧凑性，并在低铁剂量下实现了有效的碳和磷捕获，将有机碳重新导向污泥系统。尽管有上游的碳拦截，但在B阶段通过SAD实现了稳定的硝化和氮去除，无需外加碳
未引用的参考文献
Carrère等人，2010年；中国电力委员会（CEC），2022年；Fytili和Zabaniotou，2008年；Gu等人，2017年；Jefferson等人，2006年；Metcalf & Eddy Inc，2014年；Werther和Ogada，1999年。
CRediT作者贡献声明
邓梦轩：撰写——初稿，资源提供，方法论设计，数据管理，概念构思。康旭：资金获取。邱珊：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取。王静辉：资源提供。徐驰：资源提供。邱杰：资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFC3905604）、国家自然科学基金（编号U23A20674）、黑龙江省春燕研究项目（编号CYCX24022）、黑龙江省科技项目（编号CG22007）、哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室（编号2023TS17）以及深圳市科技项目（编号KCXFZ20230731093259010）的支持。
