一种高效去除高速公路服务区污水中氮和碳的新策略：一种结合了预硝化、一步式部分反硝化和厌氧氨氧化的载体生物膜系统

《Process Safety and Environmental Protection》：A novel strategy for efficient nitrogen and carbon removal from sewage in expressway service areas: A carrier biofilm system combining pre-nitrification, one-stage partial denitrification, and anaerobic ammonium oxidation

　　

罗杰|陈永志|范江|刘宏|吕新涛|张永辉|唐志强|王奇|王晓霞|安芳娇

兰州交通大学环境与市政工程学院，中国兰州730070

摘要

高速公路服务区的污水具有独立处理流程、较低的碳氮比（C/N）以及浓度短期波动较大的特点。然而，现有的处理设施常常面临出水不达标和高运行成本的问题。本研究首次采用预反硝化、一级部分反硝化-厌氧氨氧化（N-PDA）和生物膜工艺相结合的策略，来解决高速公路服务区污水处理的难题。通过使用模拟服务区污水的合成废水，评估了该系统的氮和碳去除效果。通过优化预硝化反应器的运行时间，N-PDA系统达到了最佳的出水质量，总氮去除率（TNRE）和碳去除率（CRE）分别达到了99.01%和96.28%。在服务区日客流量波动较大的情况下，该集成PDA生物膜系统的稳定性实验表现优异，证明其能够快速适应这种剧烈的波动。此外，通过绝对定量高通量测序和宏基因组学分析，从细菌和功能基因层面研究了PDA生物膜（依靠混合微生物协同作用）的作用机制。从多个方面验证了氮/碳去除机制与实验结果的一致性：包括功能微生物丰度动态、TCA循环代谢通量变化、六大氮循环途径中的酶基因丰度模式以及核心转运蛋白基因谱。本研究为高速公路服务区等分散式污水处理系统提供了一种高效节能低碳的处理方案。

引言

服务区是高速公路沿线的主要分散式污水产生节点。大多数服务区位于远离城市中心的偏远地区，因此难以接入市政污水管网。因此，每个服务区都必须依靠独立、紧凑的现场污水处理设施（He等人，2025年；Makowska和Mazurkiewicz，2016年）。这些污水主要来源于餐馆和厕所等生活来源，其成分与典型生活污水相似，但也具有独特特性（Xia等人，2025年；Xing等人，2023年）。根据对中国某些服务区污染物监测数据的分析，服务区污水中的石油和重金属等潜在污染物的浓度相对于碳和氮来说可以忽略不计（Chen等人，2023c；Song等人，2017年）。

与传统生活污水相比，高速公路服务区污水的氨浓度较高，碳氮比（C/N）较低，水力负荷和污染物负荷极不稳定。典型的水质指标为：COD 300–600 mg/L，NH??-N 50–100 mg/L，TN约150 mg/L，TP 3–15 mg/L（Makowska和Mazurkiewicz，2016年；Wu，2021年）。此外，污染物浓度会随着交通流量、季节变化、昼夜差异和节假日高峰出现剧烈波动。这导致日均流量较低，季节性变化大，以及严重的短期波动，给传统生物处理系统的稳定性带来了巨大挑战（He等人，2025年；Xing等人，2023年）。

在中国，服务区污水处理厂的出水必须符合严格的GB 18918-2002排放标准（国家环境保护部和质量监督总局，2002年）。为应对日益增加的氮负荷和老化的设施，大多数工厂采用了改进的处理工艺，如A2/O、MBR、SBR和生物接触氧化。在有土地条件的地方，也采用了人工湿地或土壤渗透系统。然而，这些技术都有各自的缺点：耗氧能耗高、膜污染频繁、污泥产量大、占用土地多、维护强度高，并且在进水条件波动时稳定性差。因此，迫切需要一种稳定、能耗低、紧凑且抗冲击的氮去除工艺，专门适用于分散式服务区污水（He等人，2025年；Xia等人，2025年）。

部分反硝化结合厌氧氨氧化（PDA）是一种高效低碳的氮去除技术。与传统硝化–反硝化工艺相比，PDA可使耗氧能耗降低30–50%，有机碳需求减少60%以上，污泥产量减少60–80%，同时实现极高的氮去除率（Al-Hazmi等人，2023年；Du等人，2019b；Hu等人，2024年）。迄今为止，PDA主要应用于侧流污水、填埋场渗滤液和氮浓度高的工业污水。其在碳氮比较低、波动较大的分散式市政污水中的应用仍有限（Gao等人，2021年）。

固定生物膜载体可实现微生物的稳定固定，有效富集生长缓慢的反硝化细菌，并显著增强对冲击负荷、温度波动和环境抑制物的抵抗力。鉴于服务区污水的剧烈波动和低C/N比，固定生物膜PDA系统理论上非常适用。然而，很少有研究系统地探讨过使用固定生物膜载体进行氮–部分反硝化–反硝化（N-PDA）处理过程，尤其是使用模拟真实高速公路服务区污水的合成废水。在该过程中，最适操作条件、功能基因动态和代谢调控机制仍不清楚。

因此，本研究建立了一个以模拟服务区污水的合成废水为原料的固定生物膜集成N-PDA系统。研究目的如下：

• (1)
  评估不同硝化水力停留时间（HRT）下的氮和碳去除效果；
• (2)
  利用宏基因组学分析揭示与碳、氮和基底运输相关的关键功能基因的丰度动态；
• (3)
  明确功能基因潜力、微生物群落演替与系统稳定性之间的关系；
• (4)
  提出一种技术可行、成本低廉、低碳的升级方案，适用于现有的服务区污水处理厂。

本研究是首批利用模拟污水的固定生物膜反硝化系统来研究和表征具有强烈进水波动的服务区污水处理行为的研究之一。通过优化预硝化HRT并将系统性能与功能基因丰度（而非基因表达）联系起来，本研究提供了一种无需额外硝酸盐投加的实际工程方案。所提出的N-PDA系统表现出高稳定性、低能耗和较强的抗波动能力，为全球小型分散式污水处理系统的低碳可持续升级提供了有前景的途径。

节选内容

反应器配置与运行

本研究分别使用了6 L连续流式厌氧反应器和1 L厌氧序批反应器（ASBR）来培养固定生物膜PDA菌群，并研究PDA和N-PDA系统的性能。

6 L反应器（图1a）由丙烯酸材料制成，高度为500 mm，外径为150 mm，壁厚为5 mm。反应器高度上每隔100 mm安装有内径为8 mm的进水口和出水口管道。

部分反硝化结合厌氧氨氧化（PDA）的生物膜培养

PDA生物膜培养实验是将驯化的部分反硝化絮状污泥接种到含有预富集反硝化生物膜的聚氨酯海绵固定载体中（Hou等人，2024年；Zhang等人，2022年）。在整个培养期（第一阶段）中，如图2所示，NH??-N和NO??-N的进水浓度分别控制在70 mg/L和92.4 mg/L，碳氮比为2.5。

结论

据我们所知，本研究是首次探讨使用预反硝化/部分反硝化–反硝化（N-PDA）生物膜系统处理高速公路服务区废水的可能性。该系统实现了99.01%的总氮去除率和96.28%的碳去除率。作为一种高性能载体，聚氨酯海绵提供了均匀的三维多孔结构，有利于微生物在不同生态位中的定殖。

利益声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。

CRediT作者贡献声明

吕新涛：正式分析。刘宏：写作 – 审稿与编辑、调研、资金获取。王晓霞：调研、数据管理。王奇：数据管理。唐志强：软件开发。张永辉：方法学设计。陈永志：写作 – 审稿与编辑、资金获取。罗杰：写作 – 原稿撰写、调研、资金获取。安芳娇：数据管理。范江：写作 – 审稿与编辑。

致谢

本研究得到了甘肃省优秀研究生创新明星项目（2023CXZX-515）、甘肃省科技计划（24CXNA029）、甘肃省教育厅高校科研创新平台重大项目（2024CXPT-14）以及甘肃省重点研发计划-工业项目（25YFGA054）的支持。