全新濾料海綿鐵生產(chǎn)廠家連續(xù)流分段進(jìn)水短程反硝化-厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮特性

　　全新濾料海綿鐵廠家連續(xù)流分段進(jìn)水短程反硝化-厭氧氨氧化耦合反硝化脫氮特性。研究背景：隨著污水處理工藝的發(fā)展，污水TN處理達(dá)標(biāo)排放已成為趨勢，但外碳源投加所造成的運行費用提高，是限制眾多污水處理廠低耗運行的關(guān)鍵。厭氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation，Anammox)通過將NH4+-N和NO2--N轉(zhuǎn)化為N2的方式完成脫氮，相比傳統(tǒng)生物脫氮具有節(jié)省曝氣能耗，節(jié)省有機(jī)碳源的優(yōu)點，在污水處理領(lǐng)域備受關(guān)注。但NO2--N積累是厭氧氨氧化進(jìn)程的限制性因素，其作為硝化和反硝化過程的中間體，極易被轉(zhuǎn)化為NO3--N和N2，因此厭氧氨氧化的應(yīng)用推廣進(jìn)展緩慢。傳統(tǒng)積累NO2--N的方式是通過間歇曝氣、FA抑制和投加抑制劑的方式，將亞硝酸鹽氧化菌(NOB)活性抑制，通過氨氧化菌(AOB)的作用將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，但受環(huán)境因素(如溫度、pH、DO等)與水質(zhì)波動的影響較大，且控制難度大，在低NH4+-N污水主流處理中應(yīng)用較少。同時，厭氧氨氧化工藝不能去除進(jìn)水NO3--N和厭氧氨氨氧化過程產(chǎn)生的NO3--N，造成出水TN濃度高，需采取投加外碳源的深度脫氮處理。

　　短程反硝化-厭氧氨氧化(Partial Denitrification-Anaerobic ammonium oxidation，PD-Anammox)工藝包含短程反硝化(Partial Denitrification，PD)和厭氧氨氧化(Anammox)，其反應(yīng)方程式如下：

　　與傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝相比，PD-Anammox工藝可減少約45%的曝氣能耗和80%的碳源需求，同時PD-Anammox過程還可降低污泥產(chǎn)量、減少溫室氣體(NO和N2O)排放。但PD-Anammox工藝應(yīng)用的主要限制性因素是厭氧氨氧化菌和反硝化競爭與共存，在保證基質(zhì)充足條件下反硝化菌增殖系數(shù)為0.03g VSS/g NH4+-N，厭氧氨氧化菌增殖系數(shù)為0.066g VSS/g NH4+-N。當(dāng)厭氧氨氧化菌和反硝化菌存在于單一污泥系統(tǒng)，反硝化菌快速富集，而厭氧氨氧化菌增殖緩慢，易造成厭氧氨氧化效率減緩，影響工藝穩(wěn)定運行。另一方面，在碳源充足條件下，反硝化菌也會利用PD過程產(chǎn)生的NO2--N完成反硝化脫氮，降低厭氧氨氧化過程的NO2--N供給。

　　因此，本研究采用活性污泥耦合生物膜系統(tǒng)解決了厭氧氨氧化菌與反硝化菌競爭與共存的問題，通過在缺氧區(qū)設(shè)置厭氧氨氧化填料，使厭氧氨氧化菌主要生長在生物膜上，反硝化菌主要生長在絮狀污泥中，提高了厭氧氨氧化菌的生物量和活性;采用分段進(jìn)水合理設(shè)置缺氧區(qū)碳源，使缺氧區(qū)碳源的成為稀缺基質(zhì)，利用反硝化過程優(yōu)先完成NO3--N→NO2--N的特性，使缺氧區(qū)同時完成PD-Anammox過程。同時，利用在缺氧1區(qū)前段設(shè)置預(yù)缺氧區(qū)，實現(xiàn)短暫的NO3--N抑制，有利于缺氧區(qū)PD-Anammox的進(jìn)行。

　　摘 要

　　采用連續(xù)流分段進(jìn)水短程反硝化-厭氧氨氧化(Partial Denitrification-Anaerobic Ammonium oxidation，PD-Anammox)耦合反硝化工藝處理低C/N生活污水，研究了污染物去除、典型周期COD及氮素沿程變化特征、短程反硝化-厭氧氨氧化和反硝化對TN去除貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，在平均進(jìn)水COD、NH4+-N、TN濃度為193.1、58.6和60.3 mg/L的條件下，系統(tǒng)出水COD、NH4+-N、TN平均濃度分別為46.3、2.5和13.4 mg/L，低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002 一級A標(biāo)準(zhǔn)。采用NO3--N預(yù)缺氧和進(jìn)水點后置，可實現(xiàn)缺氧區(qū)NO3--N→NO2--N轉(zhuǎn)化，同時完成厭氧氨氧化過程;缺氧區(qū)設(shè)置厭氧氨氧化懸浮填料，可提高系統(tǒng)TN去除率。通過缺氧區(qū)物料衡算，缺氧1區(qū)厭氧氨氧化對TN去除貢獻(xiàn)率(△PD-Anammox/△TN)均值為54.37%，缺氧2區(qū)的△PD-Anammox/△TN均值為64.17%。

　　01

　　材料與方法

　　1. 試驗裝置

　　圖1 連續(xù)流分段進(jìn)水短程反硝化-厭氧氨氧化耦合反硝化工藝裝置示意

　　2. 試驗用水及檢測方法

　　試驗用水采用北京市某污水處理廠初沉水，具體水質(zhì)見表1。

　　表1 試驗用水水質(zhì)

　　水樣經(jīng)0.45μm濾紙過濾后根據(jù)APHA標(biāo)準(zhǔn)方法測定COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和PO43-。DO、溫度采用WTW pH/DO 3420(德國)儀器在線監(jiān)測。MLSS采用差量法計算。

　　3. 缺氧段物料衡算

　　為研究系統(tǒng)缺氧1區(qū)和缺氧2區(qū)的短程反硝化及厭氧氨氧化對TN的去除貢獻(xiàn)，采用物料衡算方式進(jìn)行缺氧區(qū)氮素及COD平衡分析，得出缺氧段亞硝積累率、厭氧氨氧化和反硝化對TN去除量，物料平衡分析見圖2。根據(jù)缺氧區(qū)NH4+-N、NO3--N和COD的變化量(mg/L)，可得出缺氧區(qū)厭氧氨氧化和反硝化對TN去除貢獻(xiàn)△PD-Anammox/△TN、△DN/△TN和△PD-Anammox/△DN：

　　圖2 系統(tǒng)缺氧區(qū)平衡分析

　　02

　　結(jié)果與討論

　　1. 污染物去除情況

　　分段進(jìn)水連續(xù)流PD-Anammox耦合反硝化系統(tǒng)污染物去除特性與運行期間COD的去除特性見圖3,進(jìn)水COD濃度均值為193 mg/L時，出水COD濃度均值為46.3 mg/L，平均COD去除率達(dá)到了76.1%。可見，系統(tǒng)中COD大多為易降解有機(jī)物，根據(jù)系統(tǒng)兩段缺氧區(qū)進(jìn)水原則，COD被短程反硝化(partial denitrification，NO3--N→NO2--N)和傳統(tǒng)反硝化(DN，NO3--N→N2)過程的功能微生物作為電子供體所利用，出水COD低于一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖3 系統(tǒng)污染物去除特性

　　系統(tǒng)運行期間，氮素的去除特性。進(jìn)水TN以NH4+-N為主，在進(jìn)水平均TN濃度為60.3 mg/L時，出水TN平均濃度為13.4 mg/L, TN去除率達(dá)到了77.8%;出水TN以NO3--N為主，NH4+-N在1.5mg/L左右，說明系統(tǒng)兩個好氧區(qū)對NH4+-N去除效果良好，將大多數(shù)NH4+-N氧化為NO3--N，滿足缺氧區(qū)PD-Anammox和DN過程所需電子受體。本工藝通過在缺氧區(qū)設(shè)置厭氧氨氧化填料，可快速利用PD過程產(chǎn)生的NO2--N完成自養(yǎng)脫氮，因此雖未監(jiān)測到NO2--N積累，但可通過缺氧區(qū)氨氮損失來定量計算出通過PD-Anammox途徑去除的TN。

　　2. 典型周期COD、氮素沿程變化特征

　　圖4 系統(tǒng)典型運行周期 COD 和氮素變化特征

　　圖4為典型運行周期的COD和氮素沿程變化。1#進(jìn)水進(jìn)入缺氧1區(qū)首端(A1)，被短程反硝化菌和反硝化菌利用，將部分NO3--N迅速還原為NO2--N，因此COD在A1段從167 mg/L減小到61.1 mg/L，A1段的懸浮填料中厭氧氨氧化菌利用原污水中NH4+-N和A1段PD過程產(chǎn)生的NO2--N作為基質(zhì)，完成厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮，同時A1段伴隨著全程反硝化脫氮過程，將NO3--N轉(zhuǎn)化為N2，A2段受COD濃度降低的影響，反硝化速率減慢，使TN濃度降低了6.5 mg/L。進(jìn)入A3、A4的COD為不可降解有機(jī)物，因此在A3和A4段幾乎無COD降低。2#進(jìn)水進(jìn)入A3段，COD被短程反硝化菌和反硝化菌大量利用，使A3段的COD從167 mg/L減小到46.4 mg/L，進(jìn)入A4段的COD濃度降低，可利用的有機(jī)物很少，因此COD僅降低了9.9 mg/L，為36.5 mg/L。剩余COD為難降解有機(jī)物，故O3、O4段的COD濃度無明顯降低，分別為34.3和33.4 mg/L。

　　缺氧區(qū)可觀察到較為明顯的NO3--N和NH4+-N同步降低現(xiàn)象。A1和A3段NH4+-N濃度相比物料衡算的理論值分別降低了2.3 mg/L和1.5 mg/L，A2段降低了1.3 mg/L，A4段降低了0.5 mg/L。而A1和A3段NO3--N濃度相比物料衡算的理論值分別降低了5.9 mg/L和3.1 mg/L，A2段降低了4.2 mg/L，A4段降低了0.3 mg/L。理論PD過程，利用的NO3--N與產(chǎn)生的NO2--N比例為1:1;Anammox過程需要NH4+-N與NO2--N比例為1:1.32，因此PD-Anammox過程，理論需要的NO3--N/NH4+-N為1.32。典型周期中，A1、A2、A3和A4段同步去除的NO3--N/NH4+-N分別為2.56、2.85、2.38和3.0;對應(yīng)的，A1、A2、A3、A4區(qū)的PD-Anammox過程脫氮貢獻(xiàn)率分別為51.6%、46.3%、55.5%、44.0%;說明缺氧區(qū)第一格以PD-Anammox過程為脫氮的主導(dǎo)反應(yīng)，缺氧區(qū)第二格以DN過程為脫氮的主導(dǎo)反應(yīng)。本工藝缺氧段未檢測到NO2--N積累，這是因為缺氧區(qū)的活性污泥耦合生物膜系統(tǒng)同時發(fā)生短程反硝化的NO2--N積累和厭氧氨氧化的NO2--N消耗，可通過缺氧區(qū)NH4+-N降低量，定量測算出短程反硝化利用的NO3--N和轉(zhuǎn)化的NO2--N。

　　系統(tǒng)TN去除主要發(fā)生在缺氧區(qū)，根據(jù)物料衡算可知，A1和A3段的TN濃度降低值分別為13.4和12.1mg/L，這是因為A1和A3段作為進(jìn)水點，有機(jī)物充足，PD-Anammox和DN過程進(jìn)行徹底，大量TN被去除。A2和A4段降低的TN濃度為6.5和1.7mg/L，這是因為進(jìn)入A2和A4段的碳源缺乏，限制了DN的正常進(jìn)行，造成反硝化速率減緩，使TN濃度下降量小。

　　3. 厭氧氨氧化和反硝化對TN去除貢獻(xiàn)

　　為更深入研究系統(tǒng)缺氧區(qū)厭氧氨氧化和反硝化對TN的去除貢獻(xiàn)，對運行期間缺氧區(qū)氮素進(jìn)行了物料衡算，并通過統(tǒng)計分析方式探究了△PD-Anammox/△TN和△DN/△TN的變化情況，見圖5。系統(tǒng)運行期間，缺氧1區(qū)的△PD-Anammox/△TN在43.25%~67.53%之間，均值為54.37%，缺氧1區(qū)的△DN/△TN在30%~50%之間，均值為39.24%;缺氧2區(qū)的△PD-Anammox/△TN在20.83%~90.64%之間，均值為64.17%，缺氧2區(qū)的△DN/△TN在30.43%~51.19%之間，均值為30.44%。即缺氧1區(qū)和缺氧2區(qū)通過PD-Anammox方式去除的總氮較高，分別為54.37%和64.17%;DN方式去除的TN較低，在30%左右。

　　同時，根據(jù)缺氧區(qū)物料衡算可知，缺氧1區(qū)通過DN過程主要去除的TN濃度為0.8~1.7 mg/L，均值為1.16 mg/L;通過PD-Anammox過程去除的TN濃度為2.4~3.5 mg/L，均值為3.35 mg/L。缺氧2區(qū)通過DN過程主要去除的TN濃度為0.2~1.2 mg/L，均值為0.43 mg/L;通過PD-Anammox過程去除的TN濃度為0.8~1.7 mg/L，均值為1.36 mg/L。即缺氧1區(qū)的△TNPD-Anammox/△TNDN為2.89，缺氧2區(qū)的△TNPD-Anammox/△TNDN為3.16。說明在缺氧區(qū)，PD-Anammox過程為脫氮的主導(dǎo)反應(yīng)，DN過程輔助完成TN去除。

　　圖5 短程反硝化-厭氧氨氧化和反硝化對 TN 去除貢獻(xiàn)

　　03

　　結(jié)論

　　1)在平均進(jìn)水COD、NH4+-N、TN濃度為193.1、58.6和60.3 mg/L的條件下，分段進(jìn)水連續(xù)流段短程反硝化-厭氧氨氧化耦合反硝化工藝的出水COD、NH4+-N、TN平均濃度分別為46.3、2.5和13.4 mg/L，出水低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918—2002 一級A標(biāo)準(zhǔn)。

　　2)典型周期氮素及COD變化表明，COD及TN去除主要發(fā)生在缺氧區(qū)，通過PD-Anammox和DN共同完成;預(yù)缺氧區(qū)的設(shè)置有利于缺氧區(qū)短程反硝化和厭氧氨氧化的進(jìn)行。

　　3)利用缺氧段氮素和COD的物料衡算，缺氧1區(qū)的△PD-Anammox/△TN均值為54.37%，缺氧1區(qū)的△DN/△TN均值為39.24%;缺氧2區(qū)的△PD-Anammox/△TN均值為64.17%，缺氧2區(qū)的△DN/△TN均值為30.44%;缺氧1區(qū)的△TNPD-Anammox/△TNDN為2.89，缺氧2區(qū)的△TNPD-Anammox/△TNDN為3.16。用物料衡算方式進(jìn)行系統(tǒng)PD-Anammox和DN過程的脫氮貢獻(xiàn)率描述，可直觀和精確的掌握各脫氮途徑的貢獻(xiàn)。

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