基于磷回收策略优化电子供体利用方式，提高低碳氮比废水中的氮去除效率

《Environmental Research》：Enhancement of nitrogen removal from low C/N wastewater under the optimization of electron donors utilization based on phosphorus recovery strategy

高效去除低碳氮比废水中氮磷的研究与系统优化

　　

张宇|曹戈|翟思远|倪东|赵英新

天津大学环境科学与工程学院，中国天津300350

摘要

高效处理低碳氮比（C/N）废水对环境保护至关重要，然而传统的生物处理方法由于碳源有限，始终难以同时去除氮和磷。本研究旨在通过优化序批式生物膜磷回收反应器（SBBPR）系统来解决这一挑战，将其与生物膜电极反应器（BER）结合，并加入磷回收单元，以在同步硝化、反硝化和磷去除（SNDPR）过程中释放电子供体，从而改善去除效果。SBBPR和BER的创新结合通过电解提供额外的电子供体（如H₂），减少了对有机碳的依赖，同时活性氧化铝增强了磷的吸附能力并实现了资源的回收。在C/N为3.0和2.5的情况下，该系统分别实现了70.77±5.61%和65.53±6.27%的总氮（TN）去除率，以及92.01±10.39%和93.21±7.39%的总磷（TP）去除率。微生物分析显示，聚磷酸盐积累菌（PAOs）、反硝化磷积累菌（DPAOs）和反硝化糖原积累菌（DGAOs）得到了富集，它们的协同作用推动了SNDPR过程。此外，添加活性氧化铝有助于磷的去除，使其回收率达到了46.26±0.56%。活性氧化铝的加入为磷的吸附和回收提供了主要途径。通过吸附去除磷缓解了碳源竞争，从而间接提高了氮的去除效率。机制分析揭示了化学过程和生物过程的协同作用，优化了碳流动并推动了SND过程。本研究展示了一种可行的、可持续的低碳废水营养物去除和磷回收方法，为废水处理技术的发展提供了宝贵的见解。

引言

随着全球排放法规的日益严格，从废水中高效去除氮和磷已成为缓解富营养化和保护水生生态系统的重要措施[1]，[2]。然而，市政废水通常具有较低的碳氮比（C/N），这对传统的生物营养物去除过程构成了重大挑战[3]。在这种条件下，有机碳的有限可用性限制了关键功能微生物（特别是聚磷酸盐积累菌（PAOs）和异养反硝化细菌）的代谢活动，这些微生物为争夺稀缺的电子供体而激烈竞争[4]。因此，要实现高氮和磷去除效率，通常需要补充外部碳源（如乙酸盐或甲醇），这增加了运营成本并影响了过程的可持续性[5]，[6]。

为了解决碳源限制问题，同步硝化、反硝化和磷去除（SNDPR）作为一种在低C/N条件下（≤3.5）高效去除营养物的策略应运而生[6]。在SNDPR过程中，反硝化磷积累菌（DPAOs）和反硝化糖原积累菌（DGAOs）在厌氧阶段将挥发性脂肪酸储存为多羟基烷酸（PHAs），随后将其作为电子供体用于反硝化和磷的吸收，从而减少了对外部碳源的依赖[7]。例如，李等人（2022年）证明了SNDPR过程在处理低C/N（3.3-5.0）生活废水中的可行性，总氮（TN）和总磷（TP）的去除率分别高达84.3%和91.8%。然而，SNDPR在实际废水处理厂（WWTPs）中的应用仍受到各种功能微生物竞争的限制。糖原积累菌（GAOs）的代谢途径与PAOs相似，但它们不参与磷的去除。在碳源严重受限的情况下，GAOs可能会胜过PAOs，阻碍功能微生物的稳定富集，导致磷去除性能下降[6]，[9]。这突显了需要选择性地富集DPAOs同时抑制不需要的微生物种群的战略。

作为高效的氮和磷去除方法，序批式生物膜磷回收反应器（SBBPR）提供了一个稳定的生物膜环境，有利于PAOs的富集并抑制GAOs的增殖[10]。在交替的厌氧-好氧操作过程中，PAOs吸收挥发性脂肪酸并将其储存为PHAs，随后在好氧条件下进行磷的吸收和聚磷酸盐的合成[11]。更重要的是，如果向生物膜反应器中添加化学磷吸附剂（如活性氧化铝），不仅可以局部捕获磷，而且通过定期去除和再生吸附材料，磷可以作为有价值的资源进行回收，而无需排放生物质。这种生物吸收和化学回收的结合将磷从污染物转化为可回收商品，使系统超越了单纯的去除，迈向循环资源管理[12]。

尽管取得了这些进展，单独使用SBBPR处理低C/N废水仍面临重大挑战。虽然生物膜的形成增强了微生物的保留和功能稳定性，但碳的稀缺加剧了反硝化细菌和PAOs之间对电子供体的竞争，限制了整体营养物去除效率[13]。生物电化学系统，特别是生物膜电极反应器（BER），在实验室规模的研究中显示出一定的潜力[13]。它们通过电解生成无机电子供体（如H₂）来减少对有机碳的依赖[14]，[15]。然而，它们通常缺乏有效的磷回收机制。如果没有磷的出口途径，积累的磷最终可能会重新释放到系统中，影响长期性能。这些限制表明需要采用综合方法。通过结合生物营养物去除、电化学增强和化学磷回收技术，可以高效去除低C/N废水中的氮和磷。

本研究开发了一种添加活性氧化铝的SBBPR-BER系统，用于低C/N废水处理，以实现高效的营养物去除和磷资源回收，将废水处理从“污染控制”提升到“资源回收”。据我们所知，这是首次系统地整合两种协同机制：（1）通过电化学供应H₂作为替代电子供体，以减轻对有机碳的依赖；（2）使用可移除的活性氧化铝进行原位磷回收，无需排放生物质。本研究旨在：（1）评估SBBPR-BER在低C/N条件下实现高效营养物去除的可行性；（2）探讨添加活性氧化铝对营养物去除性能的影响；（3）利用化学计量和电子平衡分析量化电刺激条件下的碳通量分布；（4）揭示生物膜和微生物群落结构的特征。通过实现这些目标，本研究不仅提供了对机制的见解，还为促进低碳低氮废水的可持续处理提供了宝贵的理论和技术参考。

部分摘录

合成废水和接种物

本研究中使用的模拟废水是用自来水合成的，以CH₃COONa作为有机碳源，NH₄Cl作为氮源，KH₂PO₄作为磷源。使用NaHCO₃调节人工制备水的pH值，并添加0.5 mL/L的微量元素以促进微生物生长[16]。通过通入N₂使溶解氧浓度低于0.5 mg/L，创造厌氧条件。接种污泥来自

启动阶段（第一阶段）

通过应用SBBPR-BER系统，实现了C和N的稳定同时去除。图S2展示了C/N=5.0时R1、R2、R3（实验组）和R4（对照组）的碳和氮去除性能。

在启动阶段，四个反应器均运行稳定，生物膜处于高活性状态。运行9天后，R1、R2和R3的出水几乎不含硝酸盐，总氮（TN）去除率为91.63±0.8%。出水COD

结论

本研究证明了添加活性氧化铝的SBBPR系统在低C/N废水中的氮和磷同时去除效果。在C/N为3.0和2.5的情况下，TN去除率分别为70.77±5.61%和65.53±6.27%，P去除率分别为92.01±10.39%和93.21±7.39%。向SBBPR反应器中引入电流确保了生物膜结构的稳定性，其中富含DPAOs和DGAOs。当C/N（2.5）较低时

CRediT作者贡献声明

曹戈：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究。张宇：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据分析。翟思远：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。赵英新：撰写 – 审稿与编辑、概念化。倪东：撰写 – 审稿与编辑

未引用参考文献

[8]。

数据可用性

数据可根据要求提供。

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竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3207100 和 2018YFE0106400）的支持。