第一作者：梁浩然 博士研究生

通讯作者：彭永臻 教授

论文DOI: 10.1016/j.watres.2025.124592

图文摘要

成果简介

近日，北京工业大学彭永臻院士课题组在Water Research上发表了题为“Pioneering application of endogenous denitrification in full-scale industrial wastewater treatment plants via in-situ retrofit”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2025.124592)。在这项研究中，首次对运营中的全规模（13500m3/d）厌氧/缺氧/好氧（AAO）工艺工业废水处理厂进行原位工艺革新。改造后水厂以AOAO工艺运行，强化了内碳源驱动下的脱氮能力，此外系统处理容量得到显著提升，同时在曝气、污泥回流能耗和碳源投加方面获得大幅节省。这项研究出色完成污水处理厂低成本下的工艺改造目标，并且成功推动内源反硝化工艺的应用范围，为旨在节能降耗和提标改造的污水处理厂提供开创式解决方案。

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主流城市工业污水处理厂（IWTP）在面对更加严格出水排放标准和节能降耗要求下，生物处理工艺的改造是极具有挑战意义的。在这项研究中，全球范围内首次对运营中的全规模（13500m3/d）厌氧/缺氧/好氧（AAO）工艺工业废水处理厂进行原位工艺革新。提出一种新型工艺改造过渡策略，强化了系统内碳源驱动下的脱氮能力。系统运行450天后，在处理超低BOD5/N（0.9 ± 0.3）工业废水时，AOAO工艺出水NH4+-N和总氮（TN）分别为0.1 ± 0.1mg/L，5.8 ± 3.3mg/L。缺氧区总氮去除贡献提高至43.6%，其中内碳源驱动下的氮去除贡献占比为43.2%。工艺改造后，系统处理水量增加29.3%，具有稳定高负荷处理性能。通过优化污泥回流结构重置氮去除热区，污泥回流能耗减少23.7%。系统最大限度的利用原水碳源和提高好氧效率，好氧HRT从18.8h减少至6.9h，曝气能耗减少51.5%。在碳源投加方面，节省乙酸钠消耗量47.6%（本文仅展示了论文中的重点内容，图序号按照选取内容排列，更详细的内容请参见正文）。

引言

传统AAO生物脱氮除磷工艺其污染物去除效率通常受限于废水碳氮比和硝化液回流量等，并且存在处理能耗高、投加药剂多等问题，这一现象在处理城市工业废水时显得尤为重要。在此背景下，本工作针对迫切需要提标改造的AAO工艺工业污水处理厂，以AAOAO工艺为过渡，AOAO工艺为目标进行原位改造，强化了系统内源反硝化能力。探究了污染物去除能力、微生物群落迭代以及运行成本变化，最终达到低成本下的高收益提标改造目标。

图文导读

水厂改造

Fig. 1. Schematic diagram of the AOAO system.

在构筑物改造方面，保留主体结构，增加隔墙优化功能区划分和转换；向主要好氧区和缺氧区投加生物膜载体应对水质水量变化带来的冲击；增加污泥回流泵房至缺氧区的回流管路增强后置缺氧区脱氮效果。

去染污去除性能

Fig. 2. Performance of systemunder different operational processes: (a) Concentrations of NH4+-N, TN, COD, and TP in influent and effluent, daily treatment capacity and removal efficiency of NH₄⁺-N, TN, COD, and TP; (b) Diagram of different  processes operating parameters.

运行工艺改造为AOAO工艺后，系统日处理水量进一步增加，远超设计水量达到16500 m3/d，同时好氧区总HRT缩短至6.9h。进水中污染物浓度先降低后升高，但是系统表现出优异的抗冲击性能，出水NH4+-N，TN和COD浓度分别为0.1 ± 0.1mg/L，5.8 ± 3.3mg/L和37.53 ± 5.5mg/L。

脱氮热区变化

Fig. 3. (a)-(c) Variation of nitrogen (NH4+-N, NO3--N, TN) and COD in typical cycles under different operational processes; (d) Variations of intracellular carbon sources during a typical cycle in phase Ⅲ.

Fig. 4. Comparative performance of nutrient removal during phase II-III transition: (a) Influent and effluent concentrations of TN and COD of system;(b) Influent/effluent TN concentrations in the post-anoxic zone and its contribution to total nitrogen removal;(c) Differential expression of denitrification functional genes in floc and biofilm sludge within the anoxic zone.

通过原位工艺改造，系统完成脱氮热区的转换。在AOAO工艺阶段，系统后置缺氧区的硝态氮和内碳源出现明显的同步降低现象，表明系统具有内源反硝化脱氮能力。经核算后置缺氧区脱氮贡献占比为43.6%，其中内碳源驱动下的氮去除贡献占比为43.2%。

效益评估

Fig. 5. Comparative analysis of energy consumption of return (a) and COD supplementation in different operational processes (b).

通过工艺改变不仅满足水厂提标改造要求，并且获得显著节能降耗经济效益。系统改造后废水处理量增加29.3%，曝气能耗降低51.5%，污泥回流能耗减少23.7%，碳源投加量减少47.6%。

小结

这项工作报道了通过原位改造首次将内源反硝化工艺开创性的应用在工业废水处理厂中，不仅满足了污水处理提标水质要求，并且降低污水处成本获得显著的经济效益。通过提出新型的过渡工艺控制策略，系统在不停运条件下，完美实现由AAO工艺向AOAO工艺的转变，显著提升了系统的内源反硝化性能，尤其是GAOs在内源代谢中的主导作用。在双碳背景下，诸多行业内污水处理厂面临技术革新提效降耗挑战，本项工作推动内碳源驱动脱氮工艺的应用范围，为旨在节能降耗和提标改造的污水处理厂提供开创式解决方案。

作者介绍

通讯作者：彭永臻，中国工程院院士、环境工程和污水处理专家、工学博士、教授、“城镇污水深度处理与资源化利用技术--国家工程实验室”主任。先后获得“全国模范教师”“国家教学名师”“全国优秀科技工作者”“全国劳动模范”“北京市人民教师”等称号，及何梁何利科技进步奖。彭永臻教授一直工作在污水处理领域的教学科研第一线，获国家科技进步与技术发明二等奖共4项，省部级特等奖与一等奖9项。以第一发明人获授权发明专利310余项并转让140余项；出版专著8本，3本是独立作者或第一作者。以第一或通讯作者发表SCI论文约424篇，IF大于9的有约300余篇，在线ESI论文19篇。

第一作者：梁浩然，北京工业大学环境科学与工程学院博士研究生，主要从事垃圾渗滤液深度脱氮处理和厌氧/好氧/缺氧工艺的优化与应用研究，在Water Research, Bioresource Technology等期刊上发表多篇文章；申请国家发明专利3项，其中2项已授权；以学生第一发明人申请国际专利（美国）1项，已授权；曾获多项北京工业大学研究生科技创新奖等。

参考文献：

Liang, H., Liu, J., Huang, Y., Li, X., Zhang, Q. and Peng, Y.  2025.  Pioneering application of endogenous denitrification in full-scale industrial wastewater treatment plants via in-situ retrofit. Water Res, 124592

文章链接: 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135425014952

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