在单阶段部分硝化-反硝化（single-stage partial nitritation–anammox）工艺中，针对外部捐赠剂（external donor）进行精准投加：这是一种碳效率高的控制方法，能够实现超高的总氮去除率

《Process Safety and Environmental Protection》：Targeted external donor dosing in single-stage partial nitritation–anammox: a carbon-efficient control framework sustaining ultrahigh total nitrogen removal

分室空气升流内循环反应器耦合微量化碳源投加策略实现总氮去除效率95.11%，通过溶解氧分区调控和精准电子供体管理抑制反硝化过度，提升氮去除效率并降低碳源需求。

　　

林成成|魏彦晓|吴莎|金娇|刘扬凯|陈宏|余汉波|莫哈末德·法迪尔·穆罕默德·丁|埃利·亨德里克·桑贾亚|王斌全

长沙理工大学水利与海洋工程学院，中国长沙410114

摘要

单级部分亚硝化-厌氧氨氧化（PN/A）过程受到硝酸盐生成的天然限制，这可能导致总氮去除效率（TNRE）低于监管目标，且在没有外部碳源的情况下无法实现；而大量添加碳源又会增加运行成本。本研究在一种分区曝气的内循环生物反应器中实施了靶向微量投加策略，将PN/A过程与污泥富集区的部分反硝化（PD）过程耦合起来，该区域是厌氧氨氧化颗粒的积累场所。在25°C、NH??–N浓度为250 mg L?1、水力停留时间为12小时的条件下，连续运行206天后，以每12小时12次脉冲的方式向污泥富集的厌氧区投加乙酸钠作为电子供体，每次投加量在0.86–3.00 g之间。系统最终实现了95.11 ± 2.39%的总氮去除效率，其中最高效率持续了26天。通过引入“投加效率指标”（EDNR，即每去除1单位氮所需的外部供体量），量化了投加量与处理效果之间的关系：当TNRE约为88.68%时，EDNR为0.43 g NaAc g?1 N；当TNRE提高至95.11–98.68%时，EDNR范围为1.35–1.40 g NaAc g?1 N。基于COD输入量计算，EDNR对应的COD/N比为0.34–1.09 g COD g?1 N，表明与传统大量投加方式相比，外部电子供体需求减少了52.21–56.43%。微生物群落分析显示，Nitrosomonas（约8.9%）、Ca. Brocadia（约4.2%）和Thauera（约3%）占据主导地位。宏基因组分析表明，相关酶基因（hzs和hdh）的表达稳定，且(nirK + nirS)/(napA + narG)比值介于0.60–0.77之间，这表明硝酸盐还原能力得到增强，同时限制了完全反硝化的发生。这些结果量化了实现厌氧氨氧化过程中硝酸盐循环所需的电子供体量，并为氮去除提供了可行的操作策略。

引言

在碳达峰和碳中和目标的推动下，废水处理领域迫切需要既能高效去除氮又能降低能耗的新技术（Deng等人，2024年）。部分亚硝化-厌氧氨氧化（PN/A）工艺依靠氨氧化细菌（AOB）和厌氧铵氧化细菌（AnAOB）的协同作用，是一种具有成本效益的氮去除方法（Wang等人，2021年）。然而，尽管该工艺具有优势，传统的单级PN/A系统仍会生成约11%的硝酸盐副产物，从而将理论总氮去除效率（TNRE）限制在约89%（Du等人，2023年），难以持续超过95%，这限制了其在深度氮去除和实际应用中的潜力。

现有研究通常采用全池电子供体添加或两阶段反应器配置来缓解硝酸盐积累问题（Sun等人，2025年；Gao等人，2023年），但这些方法结构复杂、能耗高且成本高昂，并且缺乏在单级系统中实现低电子供体输入下深度氮去除的有效策略（Pan等人，2025年）。此外，关于如何结合溶解氧（DO）分区与颗粒污泥的空间分布来进行“拓扑感知的靶向微量投加”的系统研究仍然不足，这意味着供体投加需要根据反应器的分区循环和污泥积累模式进行调整，以便将乙酸钠注入颗粒富集的低DO区域（Chen等人，2022年）。此外，目前还缺乏将电子供体投加量与氮去除效率联系起来的定量框架，导致成本-效率之间的权衡关系不明确。

为解决这些问题，本研究采用了一种具有DO分区的空气提升内循环生物反应器（AIPBR），并对颗粒富集的低DO区域进行了靶向微量投加。由于其独特的循环路径和AnAOB的聚集特性，颗粒污泥的形成促进了AnAOB、AOB和亚硝化细菌（NOB）之间的协同作用（Chen等人，2022年；Wang等人，2022a）。在厌氧区域，强烈的厌氧氨氧化反应会产生大量硝酸盐；因此，向这些区域添加外部供体有助于有效利用电子供体进行硝酸盐去除（Yang等人，2023年）。通过精确投加电子供体到关键功能区域，提高了氮去除效率并减少了消耗。同时，引入了“每去除1单位氮所需的外部供体量”（EDNR）指标，用于量化电子供体投加与氮去除之间的关系，为单级系统中的电子供体优化提供了定量工具。

本研究的创新之处体现在三个方面：（1）高效的氮去除策略：提出了一种基于DO分区的靶向微量投加方法，以实现单级系统中的深度氮去除；（2）机制洞察：通过微生物群落和功能基因分析，阐明了靶向投加对关键氮代谢微生物及其代谢途径的影响；（3）电子供体管理：利用EDNR指标建立了电子供体投加量与氮去除量之间的定量关系，为低投入、高效率运行提供了操作指导。

实验装置与模拟废水

图1展示了AIPBR的示意图。该反应器由聚乙烯制成，工作体积为4.5升，由五个主要部分组成：倒三角形污泥分离器、内圆筒、圆柱形导轨、外圆筒和水浴。曝气通过位于反应器底部的曝气泵实现，模拟废水则通过速度可控的蠕动泵引入。

整体性能

在开始PN/A阶段之前，AIPBR的自动碳去除率（ARE）为88.68 ± 6.99%，总氮去除效率（TNRE）为74.19 ± 5.59%。206天运行期间的氮去除性能如图2所示。从第1天到第68天，自动碳去除率（AOR）增加到0.28 ± 0.03 kg-N/m3/d，ARE从88.68 ± 6.99%略微下降至88.07 ± 8.82%，而TNRE达到84.23%，表明自动碳去除效果显著。出水中的NO??–N浓度保持在约40 mg/L。

氮去除机制

图6展示了靶向电子供体投加的氮去除机制。质量平衡分析表明，PN/A和PD的联合作用贡献了94.5%的TNRE（Wang等人，2020b）。PD和反硝化过程有效去除了厌氧氨氧化过程中产生的NO??，使TNRE提高了14.45%，在相同操作条件下将整体系统TNRE提升至最佳值98.68%。

工程应用前景

在大型废水处理厂（WWTPs）中，传统的硝化-反硝化仍是主要的氮去除方法，尤其适用于进水条件稳定且碳源充足的工厂。然而，这种传统方法需要大量的运行投入——大约4.6千克氧气、3–4千克化学需氧量（COD）以及每去除1千克氮消耗3–4千瓦时的电力——同时会产生大量的剩余污泥和N?O。

结论

在DO分区的AIPBR中实现电子供体的靶向微量投加，促进了PD辅助的单级PN/A过程，实现了稳定的高氮去除效果。系统总氮去除效率保持在95.11 ± 2.39%，其中最高效率98.68%持续了26天。微生物群落和宏基因组分析显示，Nitrosomonas、Ca. Brocadia和Thauera数量增加，相关酶基因表达稳定，(nirK + nirS)/(napA + narG)比值为0.60–0.77。这些结果表明硝酸盐还原能力得到增强。

CRediT作者贡献声明

王斌全：数据验证。林成成：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据整理。魏彦晓：撰写、审稿与编辑、方法设计、实验研究。埃利·亨德里克·桑贾亚：实验研究。余汉波：数据整理。莫哈末德·法迪尔·穆罕默德·丁：撰写、审稿与编辑。吴莎：撰写、审稿与编辑。金娇：实验研究、数据整理。刘扬凯：实验研究。陈宏：撰写、审稿与编辑、方法设计、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

在准备本论文的过程中，作者使用了American Journal Experts（https://www.aje.com/）的专业语言编辑服务。本研究得到了湖南省科学技术厅（2023SK2072）和人力资源与社会保障部（H20240365）的支持。