全新濾料海綿鐵生產廠家連續流分段進水短程反硝化-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流分段進水短程反硝化-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展，污水TN處理達標排放已成為趨勢，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鍵。厭氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation，Anammox)通過將NH4+-N和NO2--N轉化為N2的方式完成脫氮，相比傳統生物脫氮具有節省曝氣能耗，節省有機碳源的優點，在污水處理領域備受關注。但NO2--N積累是厭氧氨氧化進程的限制性因素，其作為硝化和反硝化過程的中間體，極易被轉化為NO3--N和N2，因此厭氧氨氧化的應用推廣進展緩慢。傳統積累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轉化為NO2--N，但受環境因素(如溫度、pH、DO等)與水質波動的影響較大，且控制難度大，在低NH4+-N污水主流處理中應用較少。同時，厭氧氨氧化工藝不能去除進水NO3--N和厭氧氨氨氧化過程產生的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)，其反應方程式如下：

　　與傳統硝化/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量、減少溫室氣體(NO和N2O)排放。但PD-Anammox工藝應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，在保證基質充足條件下反硝化菌增殖系數為0.03g VSS/g NH4+-N，厭氧氨氧化菌增殖系數為0.066g VSS/g NH4+-N。當厭氧氨氧化菌和反硝化菌存在于單一污泥系統，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，通過在缺氧區設置厭氧氨氧化填料，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;采用分段進水合理設置缺氧區碳源，使缺氧區碳源的成為稀缺基質，利用反硝化過程優先完成NO3--N→NO2--N的特性，使缺氧區同時完成PD-Anammox過程。同時，利用在缺氧1區前段設置預缺氧區，實現短暫的NO3--N抑制，有利于缺氧區PD-Anammox的進行。

　　摘 要

　　采用連續流分段進水短程反硝化-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。結果表明，在平均進水COD、NH4+-N、TN濃度為193.1、58.6和60.3 mg/L的條件下，系統出水COD、NH4+-N、TN平均濃度分別為46.3、2.5和13.4 mg/L，低于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002 一級A標準。采用NO3--N預缺氧和進水點后置，可實現缺氧區NO3--N→NO2--N轉化，同時完成厭氧氨氧化過程;缺氧區設置厭氧氨氧化懸浮填料，可提高系統TN去除率。通過缺氧區物料衡算，缺氧1區厭氧氨氧化對TN去除貢獻率(△PD-Anammox/△TN)均值為54.37%，缺氧2區的△PD-Anammox/△TN均值為64.17%。

　　01

　　材料與方法

　　1. 試驗裝置

　　圖1 連續流分段進水短程反硝化-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，具體水質見表1。

　　表1 試驗用水水質

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

　　3. 缺氧段物料衡算

　　為研究系統缺氧1區和缺氧2區的短程反硝化及厭氧氨氧化對TN的去除貢獻，采用物料衡算方式進行缺氧區氮素及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。根據缺氧區NH4+-N、NO3--N和COD的變化量(mg/L)，可得出缺氧區厭氧氨氧化和反硝化對TN去除貢獻△PD-Anammox/△TN、△DN/△TN和△PD-Anammox/△DN：

　　圖2 系統缺氧區平衡分析

　　02

　　結果與討論

　　1. 污染物去除情況

　　分段進水連續流PD-Anammox耦合反硝化系統污染物去除特性與運行期間COD的去除特性見圖3,進水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去除率達到了76.1%。可見，系統中COD大多為易降解有機物，根據系統兩段缺氧區進水原則，COD被短程反硝化(partial denitrification，NO3--N→NO2--N)和傳統反硝化(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排放標準。

　　圖3 系統污染物去除特性

　　系統運行期間，氮素的去除特性。進水TN以NH4+-N為主，在進水平均TN濃度為60.3 mg/L時，出水TN平均濃度為13.4 mg/L, TN去除率達到了77.8%;出水TN以NO3--N為主，NH4+-N在1.5mg/L左右，說明系統兩個好氧區對NH4+-N去除效果良好，將大多數NH4+-N氧化為NO3--N，滿足缺氧區PD-Anammox和DN過程所需電子受體。本工藝通過在缺氧區設置厭氧氨氧化填料，可快速利用PD過程產生的NO2--N完成自養脫氮，因此雖未監測到NO2--N積累，但可通過缺氧區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#進水進入缺氧1區首端(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過程產生的NO2--N作為基質，完成厭氧氨氧化自養脫氮，同時A1段伴隨著全程反硝化脫氮過程，將NO3--N轉化為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。進入A3、A4的COD為不可降解有機物，因此在A3和A4段幾乎無COD降低。2#進水進入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，進入A4段的COD濃度降低，可利用的有機物很少，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。

　　缺氧區可觀察到較為明顯的NO3--N和NH4+-N同步降低現象。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;對應的，A1、A2、A3、A4區的PD-Anammox過程脫氮貢獻率分別為51.6%、46.3%、55.5%、44.0%;說明缺氧區第一格以PD-Anammox過程為脫氮的主導反應，缺氧區第二格以DN過程為脫氮的主導反應。本工藝缺氧段未檢測到NO2--N積累，這是因為缺氧區的活性污泥耦合生物膜系統同時發生短程反硝化的NO2--N積累和厭氧氨氧化的NO2--N消耗，可通過缺氧區NH4+-N降低量，定量測算出短程反硝化利用的NO3--N和轉化的NO2--N。

　　系統TN去除主要發生在缺氧區，根據物料衡算可知，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段作為進水點，有機物充足，PD-Anammox和DN過程進行徹底，大量TN被去除。A2和A4段降低的TN濃度為6.5和1.7mg/L，這是因為進入A2和A4段的碳源缺乏，限制了DN的正常進行，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

　　為更深入研究系統缺氧區厭氧氨氧化和反硝化對TN的去除貢獻，對運行期間缺氧區氮素進行了物料衡算，并通過統計分析方式探究了△PD-Anammox/△TN和△DN/△TN的變化情況，見圖5。系統運行期間，缺氧1區的△PD-Anammox/△TN在43.25%~67.53%之間，均值為54.37%，缺氧1區的△DN/△TN在30%~50%之間，均值為39.24%;缺氧2區的△PD-Anammox/△TN在20.83%~90.64%之間，均值為64.17%，缺氧2區的△DN/△TN在30.43%~51.19%之間，均值為30.44%。即缺氧1區和缺氧2區通過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，根據缺氧區物料衡算可知，缺氧1區通過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區的△TNPD-Anammox/△TNDN為2.89，缺氧2區的△TNPD-Anammox/△TNDN為3.16。說明在缺氧區，PD-Anammox過程為脫氮的主導反應，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

　　03

　　結論

　　1)在平均進水COD、NH4+-N、TN濃度為193.1、58.6和60.3 mg/L的條件下，分段進水連續流段短程反硝化-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《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918—2002 一級A標準。

　　2)典型周期氮素及COD變化表明，COD及TN去除主要發生在缺氧區，通過PD-Anammox和DN共同完成;預缺氧區的設置有利于缺氧區短程反硝化和厭氧氨氧化的進行。

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

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