Simultaneous decarburization, nitrification and denitrification (SDCND) in coking wastewater treatment using an integrated fluidized-bed reactor

使用集成流化床反應器在焦化廢水處理中實現同步脫碳、硝化和反硝化

來源：Journal of Environmental Management, Volume 252, 2019, Article ID 109661

《環境管理雜志》，第252卷，2019年，文章編號109661

 

摘要

摘要指出焦化廢水生物處理存在兩個問題：預厭氧處理無法消除廢水毒性，預好氧處理中后續反硝化碳源不足。為實現同步脫碳、硝化和反硝化（SDCND），研究使用生物載體材料構建集成流化床反應器（RB），并以常規流化床反應器（RA）作為對照。結果顯示，在水力停留時間60小時下，RB的COD和TN去除效率分別為90%和87%，顯著高于RA的82%和45%。微電極測量表明載體內部氧傳輸受限，形成溶解氧濃度梯度。微生物群落分析顯示RB中的好氧和缺氧微環境促進了更廣泛細菌共存，從而實現SDCND。這表明集成流化床反應器在相同曝氣驅動條件下對焦化廢水同步碳氮去除具有可行性。

 

研究目的

研究目的是評估集成流化床反應器在焦化廢水處理中實現同步脫碳、硝化和反硝化（SDCND）的潛力，具體包括：測量COD和TN去除效率及氮轉化以檢驗SDCND可行性；監測反應器中溶解氧變化，觀察載體內外DO分布；分析微生物群落組成以識別污染物生物降解中的主導細菌。

 

研究思路

研究思路是通過構建兩個流化床反應器進行比較：RA為無載體常規反應器，RB為有載體集成反應器，在相同操作條件（如HRT 60小時、連續曝氣、pH 7.0-8.0、溫度25-30°C）下運行。實驗測量COD、TN、氮物種（NH4-N、SCN-N、NO3-N、NO2-N）的去除性能，使用微電極監測DO濃度梯度，并通過高通量測序分析微生物群落。機制上，利用載體創建好氧和缺氧共存的微環境，以促進功能細菌協同作用，實現SDCND。

 

測量的數據及研究意義

1 COD去除數據：來自圖2，顯示RB的COD去除效率達90.3%，高于RA的82.1%。研究意義是證明載體提供的缺氧微環境增強了難降解有機物的生物降解，提高了碳去除效率，為焦化廢水處理提供了更高效的方法。

 

2 酚和非酚COD去除數據：來自圖3，酚在兩種反應器中均快速去除，但非酚COD在RB去除率達80%，高于RA的60%。研究意義是表明載體微環境促進了有毒難降解化合物（如喹啉、吲哚）的水解，改善了廢水可生化性。

 

3 氮去除數據：來自圖4，RB的TN去除效率達87%，NH4-N和NO3-N濃度分別降至4mg/L和15mg/L，而RA為19mg/L和52mg/L。研究意義是顯示SDCND在RB中有效實現，歸因于好氧硝化和缺氧反硝化的協同，解決了碳源不足問題。

 

4 DO濃度數據：來自圖5，微電極測量顯示載體內部DO濃度急劇下降，形成梯度（從外部好氧到內部缺氧）。研究意義是直接證實缺氧微環境的形成，為SDCND機制提供物理證據，支持載體設計優化。

 

5 微生物群落數據：來自表3和表4，RB中好氧和厭氧細菌（如Thiobacillus、Pseudomonas）豐度增加，多樣性參數下降。研究意義是揭示微生物群落結構與功能分工的關聯，證實好氧-缺氧微環境促進了細菌共存，增強了污染物去除。

 

 

結論

1 集成流化床反應器（RB）在焦化廢水處理中實現了高效同步脫碳、硝化和反硝化（SDCND），COD和TN去除效率分別達91%和87%，優于對照反應器（RA）。

2 載體創建了好氧和缺氧共存的微環境，通過DO濃度梯度促進了功能細菌（如好氧菌和厭氧菌）的協同作用，消除了有毒化合物的抑制。

3 微生物群落分析顯示RB中細菌多樣性更合理，支持了SDCND的可行性，為該技術在其他高毒性工業廢水處理中的應用提供了參考。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于其高精度原位監測能力，能夠揭示反應器微環境中的溶解氧分布動態。具體地，微電極測量顯示載體內部形成了明顯的DO濃度梯度（如圖5），從外部好氧區（DO充足）到內部缺氧區（DO接近零），這直接證實了缺氧微環境的形成。這種測量為SDCND機制提供了關鍵證據：氧傳輸受限導致好氧和缺氧區共存，從而支持硝化細菌在好氧區活動，反硝化細菌在缺氧區利用碳源進行反硝化。研究意義在于優化反應器設計，通過微電極數據指導載體配置和操作參數（如曝氣量），以最大化微環境效益，提高廢水處理效率。此外，該方法避免了傳統采樣破壞樣本，實現了實時連續監測，為類似生物處理系統的微尺度研究提供了技術支撐。