Novel two stage partial denitrification (PD)-Anammox process for tertiary nitrogen removal from low carbon/nitrogen (C/N) municipal sewage

用于低碳氮比市政污水三級(jí)脫氮的新型兩段部分反硝化(PD)-厭氧氨氧化工藝

來源：Chemical Engineering Journal, Volume 362, 2019, Pages 107-115

《化學(xué)工程雜志》，第362卷，2019年，第107-115頁(yè)

 

摘要

這篇論文研究了一種新型的兩段部分反硝化(PD)-厭氧氨氧化(Anammox)工藝，用于處理低碳氮比(C/N)市政污水和含硝酸鹽的二級(jí)出水。過程包括部分反硝化將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，然后厭氧氨氧化去除氮。結(jié)果顯示，硝酸鹽去除效率達(dá)97.9%，氨氮和COD去除效率分別為95.2%和81.6%，最終出水總氮低至4.0 mg/L，厭氧氨氧化貢獻(xiàn)了78.2%的脫氮，且過程產(chǎn)生低量氧化亞氮(N2O)，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)。

 

研究目的

本研究旨在開發(fā)一種新型的三級(jí)脫氮工藝，以解決傳統(tǒng)污水處理廠二級(jí)出水中硝酸鹽過高的問題。傳統(tǒng)工藝存在碳源需求高、污泥產(chǎn)量大、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，PD-Anammox過程旨在通過部分反硝化和厭氧氨氧化的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、低成本的氮去除，同時(shí)減少環(huán)境影響。

 

研究思路

研究設(shè)計(jì)了一個(gè)兩階段系統(tǒng)：第一部分是部分反硝化(PD)序批式反應(yīng)器(SBR)，使用乙酸鈉作為碳源，將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽；第二部分是上流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器，進(jìn)行厭氧氨氧化，進(jìn)一步去除氮。過程長(zhǎng)期運(yùn)行224天，處理模擬二級(jí)出水（硝酸鹽20-40 mg/L）和真實(shí)市政污水（氨氮57.8 mg/L，COD 175.8 mg/L），通過調(diào)整碳氮比和操作參數(shù)優(yōu)化性能。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 氮濃度數(shù)據(jù)（如NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN）和COD濃度，來自Fig. 2和Table 1。研究意義在于驗(yàn)證PD-Anammox過程的高效性，顯示硝酸鹽和氨氮的去除效率均超過95%，總氮出水達(dá)4.0 mg/L，滿足嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)，證明該工藝適用于三級(jí)處理。

 

 

2 部分反硝化性能數(shù)據(jù)，如亞硝酸鹽積累率(NTR)、特定硝酸鹽還原速率和特定亞硝酸鹽產(chǎn)生速率，來自Fig. 3。研究意義在于表明PD階段能穩(wěn)定產(chǎn)生亞硝酸鹽（NTR達(dá)85.6%），為Anammox提供底物，確保整個(gè)過程穩(wěn)定性。

 

3 微生物群落數(shù)據(jù)，如高通量測(cè)序結(jié)果，顯示Planctomycetes、Chloroflexi等菌門比例，來自Fig. 4。研究意義在于揭示Anammox菌（如Candidatus_Brocadia）為主導(dǎo)，盡管存在異養(yǎng)菌，但過程仍穩(wěn)定，幫助理解微生物機(jī)制。

 

4 N2O產(chǎn)生數(shù)據(jù)，來自Fig. 5，使用丹麥Unisense電極測(cè)量。研究意義在于量化過程的環(huán)境影響，顯示N2O產(chǎn)生量低（PD出水中0.031-0.053 mg/L），表明該工藝溫室氣體排放少，優(yōu)于傳統(tǒng)反硝化。

 

結(jié)論

1 PD-Anammox過程能高效去除氮，出水總氮低至4.0 mg/L，厭氧氨氧化是主要脫氮途徑（平均貢獻(xiàn)78.2%），且過程穩(wěn)定運(yùn)行224天。

2 該過程經(jīng)濟(jì)環(huán)境友好，氧氣消耗、碳源需求和污泥產(chǎn)量均比傳統(tǒng)工藝低，CO2排放減少，易于從現(xiàn)有廠改造。

3 N2O產(chǎn)生量低，減少了溫室氣體風(fēng)險(xiǎn)，但需注意有機(jī)物輸入對(duì)Anammox穩(wěn)定性的潛在影響。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究使用丹麥Unisense N2O微傳感器（N2O 500）測(cè)量N2O濃度，檢測(cè)限為0.0028 mg/L，校準(zhǔn)后顯示線性相關(guān)。研究意義在于：該電極提供高精度、實(shí)時(shí)的N2O監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，幫助準(zhǔn)確量化PD和Anammox階段的溫室氣體排放。從Fig. 5數(shù)據(jù)可知，PD階段在低碳氮比時(shí)N2O積累較高，但整體過程N(yùn)2O產(chǎn)生量低，證實(shí)了PD-Anammox的環(huán)境優(yōu)勢(shì)。這種測(cè)量支持了過程優(yōu)化，如控制碳源投加以減少N2O，并為評(píng)估工藝可持續(xù)性提供關(guān)鍵指標(biāo)。