针对浓缩循环冷却水和市政废水联合处理的试点规模部分反硝化/厌氧氨氧化工艺示范

《Environmental Research》：Pilot-scale partial denitrification/anammox demonstration of concentrated circulating cooling water and municipal wastewater co-treatment

再生水与浓缩循环冷却水协同处理中PD/A工艺的适应性、经济性与低碳整合策略研究。摘要：采用20m3/d的PD/A工艺处理实际再生水（MW）和浓缩循环冷却水（CCCW），通过调整MW/CCCW进水比例应对COD、氨氮及硝酸盐浓度波动，系统持续259天运行后脱氮率稳定在79.3%±4.0%，低温（12.8℃）下仍保持高效率。经济分析显示较传统工艺减少78.6%外部碳源需求、75.5%二氧化碳排放及70.1%污泥产量。分隔符：

　　

陈硕|吴瑞新|李宇友|刘建勇

上海大学环境与化学工程学院，中国上海市南陈路333号，200444

摘要

再生城市废水（MW）常被重新用作工业循环冷却水，从而产生硝酸盐浓度较高的浓缩循环冷却水（CCCW）（NO₃^--N：50–80 mg N/L）。部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）工艺是处理CCCW和MW的有效方法，但其实际应用可能受到实际废水中有机物含量不确定性的影响、进水水质波动对底物供应的影响以及厌氧氨氧化细菌对低温敏感性的限制。本研究建立了一个中试规模的（20 m³/d）PD/A系统，用于处理实际废水和CCCW。研究探讨了PD细菌对废水中有机物的适应性，结果显示硝酸盐向亚硝酸盐的转化率稳定在51.1 ± 3.1%。通过调整MW与CCCW的进料比例，系统能够应对化学需氧量（COD）、铵氮（NH₄⁺-N）和NO₃^--N浓度的波动。在259天的运行时间内，尽管进水条件有所变化，系统仍保持了稳定的氮去除效果，出水总无机氮（TIN）低于15 mg N/L，氮去除率为0.26 kg N/m³/d，厌氧氨氧化作用贡献率达到88.6%。当温度逐渐降至12.8°C时，系统的TIN去除效率仍保持在79.3% ± 4.0%，且unclassified_f_Brocadiaceae菌属占主导地位（27.5%）。经济分析表明，与传统工艺相比，该工艺可减少100%的氧气消耗、78.6%的外部碳投入、75.5%的二氧化碳排放以及70.1%的污泥产量。最后，本文提出了将PD/A工艺与碳回收相结合的策略，作为实现低碳废水处理的潜在途径。

引言

由于城市化、人口增长和气候变化，水资源短缺问题日益严重，因此迫切需要可持续的水资源管理策略（Capodaglio, 2024）。再生城市废水（MW）的再利用是一个重要的解决方案，尤其是在水资源紧张的地区（Liao et al., 2021）。工业循环冷却系统作为主要的水资源消耗者，在减少淡水需求方面具有巨大潜力（Cherchi et al., 2019; Stillwell & Webber, 2014）。然而，这些系统在蒸发和浓缩过程中会产生硝酸盐氮含量较高的浓缩循环冷却水（CCCW）（NO₃^--N：50–80 mg N/L），排放时会对生态环境造成严重威胁（Liu et al., 2024）。

传统的反硝化工艺虽然适用于处理CCCW，但需要大量的外部碳源。此外，废水中含有丰富的铵氮（NH₄⁺-N），且碳氮比（C/N）通常较低（C/N < 4），因此传统处理方法需要大量曝气和外部碳补充（Deng et al., 2021）。这种双重挑战促使人们寻求经济且环保的解决方案。部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）工艺成为处理CCCW和MW的有效方法。废水中的有机物可被用来将NO₃^--N还原为NO₂^--N，然后通过厌氧氨氧化作用与废水中的NH₄⁺-N共同转化（Du et al., 2017）。与传统工艺相比，PD/A工艺显著降低了曝气和外部碳的需求。从机制上看，PD/A工艺仅将NO₃^--N还原为NO₂^--N，从而减少了对碳源的需求，而厌氧氨氧化过程则无需曝气或额外碳源即可同时消耗NH₄⁺-N和NO₂^--N，因此在操作和经济性方面具有优势。

先前的研究表明，在实验室规模的上流式厌氧污泥床反应器中，基于PD/A的工艺可以实现79.7 ± 3.5%的总无机氮去除效率（TINRE）（Deng et al., 2023）。然而，将PD/A工艺放大到实际应用规模存在诸多挑战。首先，废水中有机物生物可利用性的不确定性会影响PD过程中的NO₂^--N生成（Liang et al., 2024）。其次，废水中化学需氧量（COD）和铵氮（NH₄⁺-N）的波动，以及CCCW中硝酸盐氮（NO₃^--N的波动，会影响PD过程中硝酸盐向亚硝酸盐转化率的稳定性及厌氧氨氧化过程的氮去除效率，从而导致氮去除效果下降。第三，厌氧氨氧化细菌对低温的敏感性也是一个主要问题，低温可能导致氮去除效果降低（Huang et al., 2024）。

与之前的实验室规模UASB研究不同，本研究在实际条件下对CCCW和MW的中试处理进行了探索。在一个真实的污水处理厂中建立了一个中试规模的PD/A系统（20 m³/d），用于处理CCCW和MW。通过长期运行研究了PD细菌对实际废水中有机物的适应性，并通过调整MW与CCCW的进料比例来应对COD和NH₄⁺-N浓度的波动。同时，系统对温度逐渐降低的响应机制也得到了验证。为了评估PD/A工艺的优势，本研究对传统工艺和PD/A工艺进行了经济性对比分析。最后，提出了一种新型的可持续集成工艺，结合化学强化初级处理（CEPT）和无需外部碳补充的厌氧氨氧化（PD/A）工艺。通过八个月的中试运行，验证了PD/A工艺处理实际CCCW和MW的可行性和运行稳定性，为工艺放大提供了实际参考。

部分内容

中试系统与运行

本研究使用的中试PD/A系统（20 m³/d）位于中国河北省的一个污水处理厂（日处理量120000 m³）。该系统持续接收实际废水和CCCW。中试系统的照片和示意图见图S1，系统配置和进水方式见文本S1。PD/A反应器为容积为5 m³的扩展颗粒污泥床（EGSB）反应器，半径为0.6 m，高度为4.5 m

废水有机物效能

在接种污泥后，本研究通过现场监测评估了实际废水中有机物对反硝化的作用。在46天的连续运行实验中，进水硝酸盐氮（NO₃^--N）平均浓度为30.5 mg/L，而出水硝酸盐氮浓度仅降低了15.2 mg/L（图1a），COD平均消耗量为40.8 mg/L（图1b）。这些结果表明，废水中有机物的浓度和数量均不足以支持有效的反硝化过程

结论

中试PD/A系统实现了CCCW和MW的有效协同处理。经过259天的运行，系统逐渐适应了复杂的废水有机物，在较低的COD/NO₃^--N（0.87）条件下，出水总无机氮（TIN）始终低于15 mg/L。氮去除率（NRR）达到0.26 kg N/m³/d，厌氧氨氧化作用贡献率高达88.6%。即使在12.8°C的低温条件下，系统仍表现出优异的性能（TINRE = 79.3% ± 4.0%），同时PD功能菌（Thauera、unclassified_f_Comamonadaceae和norank_c_OLB14）和AnAOB细菌数量显著增加

作者贡献声明

吴瑞新：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。李宇友：撰写 – 审稿与编辑，验证。陈硕：撰写 – 初稿撰写，实验设计，数据分析，概念构思。刘建勇：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金申请

未引用文献

Federation, 2005.

数据获取

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2022YFE0112900）的资助。