一种基于部分硝化/厌氧氨氧化（Anammox）颗粒污泥和部分反硝化-厌氧氨氧化（PN/A-PD-A）生物膜的新型连续流三阶段串联系统，用于高效去除成熟垃圾填埋场渗滤液中的氮

《Bioresource Technology》：A novel continuous-flow three-stage tandem system based on partial nitrification/Anammox granular sludge and partial denitrification-Anammox biofilm (PN/A-PD-A) for advanced nitrogen removal from mature landfill leachate

连续流PN/A-PD-A系统高效处理高氨氮成熟垃圾渗滤液，总氮去除率达98.30%，通过动态调控NO2?-N积累比实现协同脱氮，显著降低氧耗（60.18%）、碳源消耗（91.61%）及污泥产量（83.72%）。核心微生物为Candidatus_Kuenenia（5.87%）和Nitrosomonas（9.73%），Thauera（43.91%）在PD阶段主导NO2?-N积累。

　　

罗志展|李伟|张乃鑫|雷梦根|陈博涵|李勇|刘倩|张敏|吕思浩|程法良|李杰

中国东莞理工学院环境与土木工程学院生态环境工程研究中心，东莞523808

摘要

本文开发了一种新型连续流系统（PN/A-PD-A），该系统结合了部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A）、部分反硝化（PD）和厌氧氨氧化（Amx）生物膜反应器，用于处理成熟填埋场渗滤液（MLL）。为了最大化协同效应，根据PD阶段的NO₂^–-N积累比（NAR）调节PN/A反应器中的NH₄⁺-N去除速率，以确保最终Amx净化步骤的最佳底物化学计量比。在174天的运行过程中，该系统实现了98.30 ± 0.14%的总氮去除效率（TNRE）（出水TN：21.80 ± 1.71 mg/L）。富含Candidatus_Kuenenia（5.87%）和Nitrosomonas（9.73%）的PN/A颗粒污泥表现出对MLL特性的高适应性，并贡献了83.51%的TN去除量。在PD阶段，优势菌属Thauera（43.91%）在有限的COD/NO₃^–-N比（2.32 ± 0.02）下实现了高效的NAR（82.86 ± 1.61%）。Amx反应器中的厌氧氨氧化生物膜（Candidatus_Kuenenia，27.80%）贡献了13.10%的TN去除量，确保满足MLL排放标准。动力学和宏基因组分析证实，在长期MLL压力下，酶活性和基因丰度的变化从完全硝化转变为部分硝化（以及反硝化），这是PN/A和PD反应器中NO₂^–-N积累的基础。值得注意的是，与传统硝化-反硝化过程相比，PN/A-PD-A系统显著降低了氧气需求（60.18%）、外源有机碳消耗（91.61%）、污泥产率（83.72%）和CO₂排放（94.66%），为高浓度废水中的低碳氮去除提供了可持续的途径。

引言

预计到2050年，全球城市固体废物产量将迅速增加，达到34亿吨（Nanda和Berruti，2021年）。尽管卫生填埋由于其成本效益和容量优势仍是一种普遍的管理策略（Ruiz-Delgado等人，2020年），但它会产生大量来自运营超过十年的填埋场的成熟渗滤液（MLL）。MLL的特点是NH₄⁺-N浓度高、有机物质难以降解且生物降解性极低（BOD₅/COD < 0.1）（Luo等人，2024年；Teng等人，2021年）。传统的硝化-反硝化过程不适合处理MLL，因为它们能耗高、对外部碳源依赖性强且产生大量污泥（Xiong等人，2024年）。

基于厌氧氨氧化的过程代表了氮去除技术的范式转变，具有更高的效率和可持续性（Kartal等人，2010年；Kartal等人，2011年；Xiao等人，2021年）。理论上，部分硝化与厌氧氨氧化（PN/A）结合使用可以减少100%的有机碳需求和60%的氧气消耗（Wu等人，2021年；Zhang等人，2025年）。尽管基于PN/A的系统已经实现了约90%的总氮去除效率（TNRE）（Wang等人，2022年；Zhang等人，2022b年），但由于厌氧氨氧化细菌（AnAOB）会产生约11%的TN（Gilbert等人，2014年），因此要达到严格的排放标准（例如，出水TN < 40 mg/L，中国GB16889-2024）仍然具有挑战性。此外，在基于PN/A的系统中，通常采用高游离氨（FA）策略来抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB），以实现NO₂^–-N的积累。然而，MLL中的高FA浓度（50–800 mg N/L）也可能抑制PN/A功能细菌的活性（Luo等人，2024年）。生物颗粒化通过增强微生物对环境压力的抵抗力提供了潜在的解决方案（Karygianni等人，2020年）。颗粒污泥（GS）具有较高的生物量保留能力和对冲击负荷的强抵抗力（Ali等人，2019年），使得PN/A颗粒污泥（PN/AGS）成为处理MLL的吸引人的选择。然而，GS的培养主要局限于序贯批次反应器（Chen等人，2023a；Suja等人，2015年），而在MLL压力下进行连续流培养的集成PN/AGS系统仍鲜有研究。

为了解决PN/A过程中NO₃^–-N残留问题，结合部分反硝化（PD-A）的策略被证明是一种有前景的净化方法（Du等人，2026年）。据报道，定期排放污泥有助于保持PD系统中NO₂^–-N积累的性能（Luo等人，2023年）。两阶段PD-A配置可以解决反硝化细菌（DNB）和AnAOB之间的污泥停留时间（SRT）冲突，并允许精确控制氮转化细菌，从而最小化有机碳消耗。因此，一种串联系统——首先使用PN/AGS反应器进行大量自养氮去除，然后使用PD-A净化单元——可以显著降低氧气需求、碳消耗、污泥产率和CO₂排放。然而，这种集成连续流系统的长期稳定性、操作控制策略以及MLL毒性对氮循环微生物的长期影响仍不甚明了。

本文开发了一种基于单级PN/AGS反应器和两级PD-A反应器的新型连续流PN/A-PD-A系统（图1），以实现经济高效地去除MLL中的氮。本研究的目标是：（1）评估PN/A-PD-A系统的长期性能并建立稳定的控制策略；（2）阐明连续流PN/AGS的形成、演变和特性；（3）揭示MLL对氮循环功能微生物的长期影响；（4）解析氮去除途径和微生物协同作用；（5）提出一种可扩展的、以厌氧氨氧化为中心的实用MLL处理方案。

章节摘录

废水和接种物

MLL采集自中国深圳的一个市政卫生填埋场，该填埋场已运营超过20年。MLL的详细物理化学特性见表S1。

PN/A和PD反应器的接种物分别来自当地市政污水处理厂（WWTP）的好氧池和缺氧池，该厂采用硝化-反硝化工艺。厌氧氨氧化种子生物量来自一个已稳定运行的实验室规模反应器

PN反应器的快速启动

为了启动一步法PN/A反应器，首先在第一阶段建立了一个PN反应器。采用了双重控制策略：间歇曝气以保持低DO水平（0.32–0.72 mg/L），并结合侧流污泥处理使用高FA来选择性抑制NOB（Wang等人，2021年）（图2a；文本S1）。最初，在前5天内NAR低于60%（图2b–c），表明早期阶段NOB的抑制不完全。然而，随着联合策略的实施

结论

PN/A-PD-A系统在174天的运行过程中实现了98.30 ± 0.14%的总氮去除效率（TNRE）和21.80 ± 1.71 mg/L的出水TN。集成PN/AGS在连续流条件下成功培养。富含Candidatus_Kuenenia（5.87%）和Nitrosomonas（9.73%）的PN/AGS表现出对MLL的高适应性，显著贡献了PN/A-PD-A系统中83.51%的TN去除量。Thauera（43.91%）和Candidatus_Kuenenia（27.80%）是

CRediT作者贡献声明

罗志展：撰写——原始草稿、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。李伟：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、资金获取。张乃鑫：方法学、调查、数据管理。雷梦根：方法学、调查、数据管理。陈博涵：方法学、正式分析。李勇：方法学、调查。刘倩：方法学、调查。张敏：调查、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了深圳市科技创新计划[JCYJ20250604145321029]、国家自然科学基金[22476021和22476020]、广东省自然科学基金[2025A1515010771]以及广东省高校重点研究平台和项目[2023ZDZX3038]的支持。污泥的粒径分布使用东莞理工学院分析测试中心维护的设备进行测定。