部分反硝化/厌氧氨氧化（Anammox）- 部分硝化/厌氧氨氧化耦合工艺在降解和去除含有N-甲基吡咯烷酮的废水中的氮的应用效果

《Process Safety and Environmental Protection》：Performance of the Partial Denitrification/Anammox- Partial Nitrification/Anammox Coupling Process in Degrading and Removing Nitrogen from Wastewater Containing N- methylpyrrolidone

NMP降解耦合系统研究：通过PD/A-PN/A耦合工艺有效去除高浓度NH4++废水中的NMP，总氮去除率达95.47%。硝酸盐驱动厌氧甲烷化使NMP降解率超98%，AnAOB抑制浓度达1880.33 mg/L。EPS分泌与NMP浓度正相关，核心菌群Denitratisoma、Ottowia和Methanobacterium主导PD/A区NMP降解，Nitrosomonas和Brocadia主导PN/A区氮去除。

　　

钱旭|胡玉杰|向莉|袁艳|徐佩玲|姚旭

中国苏州科技大学环境科学与技术学院，苏州215009

摘要

为了解决N-甲基吡咯烷酮（NMP）在高NH₄⁺-N工业废水中对甲烷化过程的抗性以及其对微生物的毒性问题，本研究构建了一个结合了部分反硝化-厌氧氨氧化（PD/A）和部分硝化-厌氧氨氧化（PN/A）的耦合系统。该研究重点探讨了NMP在该耦合系统中的降解途径及其对氮去除性能的影响。实验结果表明，在厌氧条件下，NO₃^--N促进了NMP的甲烷化反应。通过PD/A区内的部分反硝化和厌氧甲烷化作用，超过98%的NMP被协同分解，显著降低了NMP对微生物群落的生物毒性。该耦合系统的总氮去除效率达到了95.47%，去除速率为0.74 kg/(m³·d)。厌氧氨氧化菌（AnAOB）的半抑制浓度为1880.33 mg/L。随着进水NMP浓度的增加，厌氧PD/A区微生物的胞外聚合物物质（EPS）显著增加，而好氧PN/A区的EPS则略有减少。在PD/A区，Denitratisoma（0.65–5.01%）、Ottowia（1.58–15.77%）和Methanobacterium（7.83–14.28%）是NMP降解的核心功能微生物；而在PN/A区，Nitrosomonas（0.03–0.15%）和CandidatusBrocadia（3.29–4.95%）主导了氮的去除。本研究为通过PD/A-PN/A工艺低成本处理含有NMP的高浓度NH₄⁺-N、低C/N比工业废水提供了技术支持。

引言

N-甲基吡咯烷酮（NMP）相比其他有机溶剂具有显著优势，如高稳定性、低挥发性、优异的水溶性和低粘度，因此在多个工业领域得到广泛应用。随着锂离子电池制造等新兴产业的快速发展，产生了大量含有NMP、高浓度NH₄⁺-N、高有机氮含量和低C/N比的废水（Ni等人，2022年）。对于高有机氮含量的废水，通常采用厌氧消化释放NH₄⁺-N，随后通过传统的硝化/反硝化过程去除氮（Deng等人，2025年）。然而，现有研究表明NMP具有内在的生物毒性：在厌氧降解过程中，NMP的代谢常在N-甲基氨基丁酸阶段受阻，导致这种有毒中间产物的积累，抑制了厌氧微生物中关键代谢酶的活性，从而使得NMP无法完全降解。此外，NMP及其降解产物在厌氧条件下容易干扰厌氧微生物酶的活性（Araújo等人，2022年；Wang等人，2022年；Wang等人，2019年）。因此，目前广泛采用厌氧/好氧工艺处理含NMP的废水，但这会导致有机碳资源的浪费（Schalk等人，2025年）。如何以低成本有效处理含有高浓度NH₄⁺-N和低C/N比工业废水已成为一个重要挑战。

部分硝化-厌氧氨氧化（PN/A）是一种创新的氮去除技术，无需额外的有机碳源且氮去除效率高，是环境最友好的生物脱氮方法。迄今为止，PN/A工艺已被用于处理多种高NH₄⁺-N废水，其氮去除效率是传统硝化-反硝化工艺的数倍（Lin等人，2023年）。其氮去除机制如下：首先，在氨氧化菌（AOB）的催化作用下，部分NH₄⁺-N转化为NO₂^--N；随后，剩余的NH₄⁺-N与生成的NO₂^--N发生氧化还原反应，在厌氧氨氧化菌（AnAOB）的代谢作用下生成约89%的N₂和11%的NO₃^--N。因此，在处理高NH₄⁺-N废水时，PN/A工艺也会产生一定量的NO₃^--N，这给氮总排放限制的遵守带来了挑战。如果先进行部分反硝化-厌氧氨氧化（PD/A），使回流的NO₃^--N通过部分反硝化反应还原为NO₂^--N，废水中的NMP可作为有机碳源，从而高效去除氮。然而，NMP在缺氧环境中容易产生的有毒中间产物会显著抑制PN/A的硝化过程，可能导致NO₃^--N的生成速率下降，进而影响NMP在PD/A系统中的完全降解，形成有毒物质积累的恶性循环。同时，NO₃^--N如何驱动NMP降解并在厌氧环境中积累为NO₂^--N的转化机制，以及厌氧氨氧化反应的转化途径仍不清楚，这阻碍了PD/A-PN/A工艺在处理含NMP的高NH₄⁺-N废水中的应用。

本研究以含有高浓度NH₄⁺-N和低C/N比的NMP模拟废水为研究对象，探讨了在厌氧环境中利用回流NO₃^--N作为电子受体进行NMP矿化以促进PD/A区反硝化的过程及其对厌氧氨氧化的影响。通过PD/A-PN/A系统，本研究阐明了NMP的转化途径和机制，为其应用提供了理论基础，并分析了系统中功能微生物对NMP和NH₄⁺-N浓度变化的响应关系，为含有此类杂环化合物的高NH₄⁺-N有机废水提供了新的处理策略和理论支持。

反应装置与接种污泥

实验装置采用集成设计，采用连续流操作方式，功能模块分为进水区（1.6 L）、PD/A区（7.8 L）、PN/A区（10.5 L）和沉淀区（2.5 L）（图1）。PD/A区设计为三级串联挡板反应器；PN/A区为封闭式反应器，底部装有曝气盘，通过外部小型曝气器进行曝气。

耦合反应器的启动特性

PN/A区使用无机废水进行启动，初始NH₄⁺-N浓度设定为200 mg/L，总氮去除率（TNLR）保持在1.3 kg/(m³·d)，连续运行17天后，PN/A区的出水NH₄⁺-N浓度降至20 mg/L并稳定在此水平，NO₂^--N和NO₃^--N浓度分别保持在0 mg/L和20 mg/L（图2b），PN/A区的总氮回收效率（TNRE_(PN/A)达到83.73%。

结论

PD/A-PN/A耦合工艺实现了NMP的有效降解和氮的去除。在NO₃^--N的驱动下，超过98%的NMP在PD/A区被降解，耦合过程的TNRE达到95.47%，TNRR达到0.74 kg/(m³·d)。NMP浓度为1250 mg/L时不会抑制AnAOB的活性，AnAOB对NMP的半抑制浓度计算为1880.33 mg/L。在NMP胁迫下，EPS中PRO的含量有所增加。

未引用参考文献

(Li等人，2025年)

作者贡献声明

徐佩玲：方法学研究、数据分析、数据管理。袁艳：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、方法学研究、数据分析、概念构思。向莉：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、资金申请、方法学研究、数据分析。胡玉杰：数据可视化、资源管理、方法学研究、概念构思。钱旭：初稿撰写、数据可视化、方法学研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3206903）的支持。