Advanced nitrogen removal from mature landfill leachate based on novel step-draining partial nitrification-denitrification and Anammox process: Significance of low volume exchange ratio  

基于新型分步排水式部分硝化-反硝化與厭氧氨氧化工藝的成熟垃圾滲濾液深度脫氮：低體積交換比的重要性  

來(lái)源：Bioresource Technology, 364 (2022) 128025

《生物資源技術(shù)》，第364卷，2022年，文章編號(hào)128025  

 

摘要內(nèi)容  

論文提出一種基于分步排水操作的新型部分硝化-反硝化與厭氧氨氧化（PND-AMX）系統(tǒng)，用于處理高氮低碳的成熟垃圾滲濾液。研究通過(guò)優(yōu)化體積交換比（VER=25%），實(shí)現(xiàn)有機(jī)物與氮的協(xié)同去除，厭氧氨氧化貢獻(xiàn)21%的脫氮率。系統(tǒng)總氮去除率（NRE）達(dá)98.3±1.2%，脫氮速率（NRR）達(dá)3.07±0.09 kgN/(m3·d)。利用丹麥Unisense微電極揭示顆粒污泥內(nèi)氧化還原電位（ORP）梯度變化，闡明微生物代謝驅(qū)動(dòng)的污泥顆粒化演變機(jī)制。  

 

研究目的  

開發(fā)分步排水式PND-AMX系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)工藝碳源浪費(fèi)和NH??/NO??比例控制復(fù)雜問(wèn)題。  

 

優(yōu)化體積交換比（VER），實(shí)現(xiàn)有機(jī)物高效利用與深度脫氮協(xié)同。  

 

探究污泥顆粒化形成與解體機(jī)制及其對(duì)脫氮性能的影響。  

 

驗(yàn)證部分厭氧氨氧化（貢獻(xiàn)率21%）在工程應(yīng)用中的可行性。  

 

研究思路  

系統(tǒng)構(gòu)建：  

 

PND-SBR采用分步排水模式（缺氧→排水1→好氧→排水2），AMX-SBR處理混合排水。  

 

通過(guò)調(diào)節(jié)VER（25%-75%）優(yōu)化碳源分配（圖1-圖3）。  

 

 

 

性能驗(yàn)證：  

 

監(jiān)測(cè)COD、NH??-N、NO??-N、NO??-N動(dòng)態(tài)變化（圖1-2）。  

 

分析典型周期中氮轉(zhuǎn)化路徑（圖3）。  

機(jī)制解析：  

 

采用Unisense微電極測(cè)量顆粒污泥ORP深度分布（圖5b-d）。  

 

高通量測(cè)序揭示菌群演化（圖6）。  

 

工程評(píng)估：  

 

對(duì)比不同VER下碳源利用率與脫氮貢獻(xiàn)（圖4）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義  

常規(guī)水質(zhì)參數(shù)（NH??-N, NO??-N, NO??-N, COD）：  

 

來(lái)源：在線監(jiān)測(cè)與光譜法（圖1a-b, 圖2a-b, 圖3）。  

 

意義：量化脫氮路徑貢獻(xiàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性（Se-PND占主導(dǎo)，圖1c）。  

污泥特性（EPS含量、粒徑分布）：  

 

來(lái)源：化學(xué)提取與篩分法（圖5a,e）。  

 

意義：揭示VER升高（75%）促進(jìn)EPS分泌（148.7→78.3 mg/gVSS），但大顆粒（>1.5mm）解體（63.2%→25.4%）。  

ORP微剖面數(shù)據(jù)：  

 

來(lái)源：Unisense微電極（10μm尖端）穿透顆粒污泥（圖5b-d）。  

 

意義：揭示反硝化與Anammox代謝梯度，解釋顆粒解體機(jī)制。  

微生物群落：  

 

來(lái)源：高通量測(cè)序（NCBI序列號(hào)SRR15327682-SRR15327687）。  

 

意義：Thauera菌豐度與VER正相關(guān)（0.43%→8.50%→2.17%），Anammox菌（Brocadia/Kuenenia/Jettenia）增至13.61%（圖6）。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的研究意義  

代謝活性可視化：  

 

ORP梯度曲線顯示顆粒內(nèi)部從好氧到厭氧的躍遷（圖5c-d）：  

 

穿刺點(diǎn)1：表層（0μm）ORP=59mV → 400μm深處降至-18mV。  

 

穿刺點(diǎn)2：900μm深處ORP驟降至-118mV（斜率-0.61 mV/μm）。  

 

意義：直接表征Anammox（產(chǎn)NO??）與反硝化（耗NO??）的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，解釋大顆粒在低VER下的解體（有機(jī)碳不足致異養(yǎng)菌衰亡）。  

工藝調(diào)控依據(jù)：  

 

375-550μm深度處ORP驟降（-6mV→-138mV，斜率-1.33 mV/μm）對(duì)應(yīng)強(qiáng)反硝化區(qū)（圖5c），表明高有機(jī)負(fù)荷促進(jìn)局部菌群增殖導(dǎo)致顆粒膨脹破裂。  

 

指導(dǎo)優(yōu)化VER至25%，減少碳源輸入，維持顆粒穩(wěn)定性。  

理論機(jī)制支撐：  

 

ORP躍變點(diǎn)證實(shí)質(zhì)量傳遞限制形成的NO??濃度梯度（圖5c箭頭），為"顆粒污泥演替模型"（圖5e）提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。  

 

結(jié)論  

最優(yōu)工況：VER=25%時(shí)，COD利用率最高（缺氧期去除率98%），系統(tǒng)NRR達(dá)3.07 kgN/(m3·d)，出水總氮<40 mg/L。  

 

脫氮路徑：  

 

Se-PND（分步反硝化）貢獻(xiàn)74.8%脫氮。  

 

Anammox貢獻(xiàn)21.0%（菌群豐度13.61%），證明部分厭氧氨氧化工程可行性。  

顆粒污泥機(jī)制：  

 

高VER（75%）促進(jìn)EPS分泌但引發(fā)顆粒解體（ORP梯度證實(shí)局部菌群競(jìng)爭(zhēng)）。  

 

低VER下顆粒穩(wěn)定，脫氮性能提升。  

控制創(chuàng)新：分步排水簡(jiǎn)化NH??/NO??比例調(diào)控（通過(guò)一/二次排水體積比），替代傳統(tǒng)PN進(jìn)程監(jiān)控。