SBBR同步好氧氧化、短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化工藝處理高氨低C-N比廢水研究.pdf

1、高氨低碳氮比（C/N）廢水由于氨氮濃度高、碳氮比不足，傳統(tǒng)生物脫氮工藝脫氮除碳效率嚴重受限，導致出水TN超標，其高效處理已成為國內(nèi)外水處理領域研究的熱點和難點，因此開發(fā)基于高氨低C/N比廢水的新型脫氮除碳工藝具有重要意義。序批式生物膜反應器（SBBR）結合了SBR及生物膜法的優(yōu)點，被廣泛應用于高氨低C/N比廢水的處理。然而對于SBBR處理高氨低C/N比廢水的脫氮新工藝與機理研究很少。本研究以聚氨酯（PU）海綿為填料，采用SBBR反應器處

2、理高氨低C/N比模擬廢水，開發(fā)了一種單級同步好氧氧化、短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化脫氮除碳新工藝，實現(xiàn)氨氮、總氮和COD同步高效去除，并探索同步脫氮除碳工藝機制，為高氨低C/N比廢水高效處理的工藝設計與技術應用提供理論基礎。本研究取得的主要結論如下：
　?。?）實驗連續(xù)運行140個反應周期，考察不同運行階段R1-R4下PU-SBBR系統(tǒng)對高氨低C/N比廢水的脫氮除碳效能。結果表明：R1階段由于HRT長，氨氮負荷低，PU-SBBR系

3、統(tǒng)以全程硝化反硝化方式完成對高氨低C/N比廢水中氨氮及COD的去除，此時NH4+-N平均去除率98.7％，COD平均去除率89.5%，TN平均去除率39%，亞硝酸鹽累積率小于5%；R2階段隨著氨氮負荷及曝氣量的增加，亞硝酸鹽累積率提高至92%，COD去除率、氨氮去除率及總氮去除率分別為93%、98%以及65%。在R2階段實現(xiàn)短程硝化反硝化的基礎上，C/N比控制到3，DO維持在1.3 mg/L，R3階段生物膜呈現(xiàn)明顯的淡紅色，此時氨氮最高

4、去除率為90.7%，亞硝酸鹽累積率為87.5%，COD去除率為94%，總氮最高去除率進一步提高至85.6%。氮、碳平衡及化學計量學結果表明：短程硝化反硝化及厭氧氨氧化分別占TN去除的53.6%及41.2%，71.9%的COD通過好氧氧化作用去除，其余COD通過反硝化去除，表明系統(tǒng)出現(xiàn)了好氧氧化-短程硝化-反硝化與厭氧氨氧化的同步耦合；當進一步提高曝氣量，R4階段厭氧氨氧化作用明顯減弱，氨氮及總氮去除率分別從最高90.7%及85.6%降低

5、至79%及74%。同步好氧氧化、短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化脫氮工藝實現(xiàn)的最佳工藝參數(shù)為：C/N比為3，進水氨氮負荷為0.188 kg/(m3 d)，COD負荷為0.563 kg/(m3 d)，曝氣量為200 mL/min，DO為1.3 mg/L。
　?。?）PU海綿填料具有較高孔隙率及比表面積，填料表面粗糙度Rq達41.31nm，填料結構中含有羥基、胺基及亞胺基等活性基團，有利于填料表面微生物的附著與生長。通過外觀及SEM觀察發(fā)

6、現(xiàn)：R1-R4階段填料表面生物膜顏色依次為淺黃色、黃褐色、淺紅色及黃褐色。在TN去除率最高的R3階段生物膜結構密實，微生物相主要以球菌、絲狀菌為主。三維熒光光譜及傅里葉變換紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，較高的色氨酸蛋白類物質(zhì)及適量的腐殖酸類物質(zhì)的存在有助于促進好氧氧化-短程硝化-反硝化與厭氧氨氧化耦合作用的實現(xiàn)。氧微電極測試結果表明：在最佳DO濃度1.3 mg/L下，生物膜內(nèi)部厭氧微區(qū)比例達到58.1%。過高和過低的溶解氧均不利于系統(tǒng)有效厭氧微環(huán)境

7、的形成及同步好氧氧化-短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化的發(fā)生；生物膜結構內(nèi)部或松散或緊湊并存在著孤立及與外界貫穿的空洞，有利于促進生物膜內(nèi)的傳氧傳質(zhì)。氧傳質(zhì)動力學研究表明生物膜內(nèi)氧傳質(zhì)系數(shù)為3.3×10-5 m2/d。
　?。?）高通量測序結果顯示：變形菌門（Proteobacteria）及β-變形菌綱（β-Proteobacteria）是PU-SBBR系統(tǒng)處理高氨低C/N比廢水中的優(yōu)勢菌門及優(yōu)勢菌綱。氨氧化菌（AOB）及亞硝酸鹽氧化

8、菌（NOB）之間及在各階段占細菌總數(shù)的相對豐度與系統(tǒng)處理效能關系密切。亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）及硝化螺菌屬（Nitrospira）分別是AOB及NOB的優(yōu)勢菌屬。在R3階段檢測到大量厭氧氨氧化菌科Brocadiaceae厭氧氨氧化菌屬Candidatus Anammoxoglobus的存在，證明系統(tǒng)在R3階段發(fā)生了厭氧氨氧化反應，而該菌屬在R4階段豐度明顯減弱。R1-R4四階段系統(tǒng)內(nèi)共檢測到反硝化菌種類28個，占細菌總

9、數(shù)的百分比均在30%以上。其中Thauera、Comamonas、Thermomonas、Azospira、Dechloromonas是反硝化菌群的優(yōu)勢菌屬。RDA分析結果表明進水氨氮負荷及C/N比是不同階段系統(tǒng)內(nèi)菌群結構演替及系統(tǒng)好氧氧化-短程硝化反硝化耦合厭氧氨氧化實現(xiàn)的重要驅(qū)動因子。
　　（4） PU-SBBR系統(tǒng)中氨氮及 TN去除較好地符合改進型Stover-Kincannon模型；而COD降解更好地符合莫諾接觸氧化動力學

10、模型。根據(jù)最優(yōu)模型結果，氨氮的最高去除速率為10.2459 kg/(m3 d)，TN最高去除速率為0.1345 kg/(m3 d)，填料單位面積對COD最高去除速率為0.0084 g/(m2 d)，系統(tǒng)體現(xiàn)出對高氨低C/N比廢水較高的去除潛力。
　　（5）通過工藝控制與優(yōu)化，高氨低C/N比廢水在PU-SBBR單級系統(tǒng)中實現(xiàn)了好氧氧化、短程硝化、反硝化與厭氧氨氧化的同步耦合，可以達到對COD、NH4+-N及TN的同步高效去除，該工藝