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高氨氮有機(jī)廢水深度處理新利器：SCONDAⓇ工藝
來(lái)源：科柏盛環(huán)保 發(fā)布時(shí)間：2021-08-26
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，焦化、化工、石油、屠宰、制藥、養(yǎng)殖、垃圾填埋等重點(diǎn)行業(yè)發(fā)展迅速，但同時(shí)也排放出了大量廢水。這些廢水常具有污染物（COD、氨氮、有機(jī)氮）濃度高、可生化性差等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（水十條）的發(fā)布，對(duì)這些重點(diǎn)行業(yè)排放廢水的深度處理提出了更嚴(yán)苛的要求。然而，應(yīng)用于含氮有機(jī)廢水處理的傳統(tǒng)硝化-反硝化脫氮工藝，常存在著總氮去除率低、能耗高、藥耗多、工藝流程長(zhǎng)等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了廢水處理的可持續(xù)發(fā)展�；趨捬醢毖趸�(Anammox)的自養(yǎng)生物脫氮工藝是廢水脫氮領(lǐng)域涌現(xiàn)的新型脫氮技術(shù)，為廢水高效節(jié)能處理提供了新的思路和方向。然而，廢水中較高的COD對(duì)Anammox的成功應(yīng)用提出了巨大挑戰(zhàn)；另一方面，Anammox是自養(yǎng)生物過(guò)程，對(duì)COD去除幾乎無(wú)能為力。因此，能否建立一種新型工藝，在同一反應(yīng)器內(nèi)發(fā)揮Anammox菌高效低耗脫氮的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)同步COD去除？對(duì)此，來(lái)自太原理工大學(xué)的周鑫教授團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)的劉雨教授合作研發(fā)了一種異養(yǎng)/自養(yǎng)耦合型部分Anammox一體化生物膜新工藝—SCONDA®(SimultaneousCarbonOxidation, partialNitritation,Denitritation andAnammox)，該工藝有機(jī)結(jié)合了短程硝化-反硝化-Anammox等異養(yǎng)與自養(yǎng)脫氮過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)高濃度含氨有機(jī)廢水的一步式高效處理，相關(guān)成果已發(fā)表于Bioresource Technology、Chemosphere等，有望為該領(lǐng)域提供一種經(jīng)濟(jì)高效、普適性強(qiáng)的新型脫氮處理技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊。
反應(yīng)系統(tǒng)與啟動(dòng)
為實(shí)現(xiàn)SCONDA，*先建立了有效容積為5 L的SBBR系統(tǒng)（圖1），內(nèi)部填充聚氨酯泡綿載體，以SBR方式運(yùn)行；進(jìn)水中添加高濃度NH4+-N和葡萄糖作為反應(yīng)底物（NH4+-N：300 mg/L；COD：600~900 mg/L；C/N：2~3）。水溫控制為30±1℃；pH為7.5-7.8。接種污泥分別采用城市污水處理廠的好氧活性污泥和焦化廢水處理廠的短程硝化污泥，在啟動(dòng)大約3個(gè)月后進(jìn)入試驗(yàn)階段。
運(yùn)行策略與系統(tǒng)脫氮性能
在運(yùn)行階段，為促進(jìn)短程脫氮過(guò)程中NO2--N積累和Anammox的脫氮性能，分別采用兩種不同的運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)SCONDA過(guò)程。
策略Ⅰ：逐步提高進(jìn)水氨氮濃度
以城市污水處理廠好氧活性污泥為接種污泥。為淘汰亞硝酸氧化菌（NOB），氨氮濃度從100 mg-N/L逐步增加到300 mg-N/L以提高游離氨（FA）濃度，DO約為1.2 mg/L，C/N為3。運(yùn)行160多個(gè)周期后，反應(yīng)系統(tǒng)COD、NH4+-N和TN去除率*高分別達(dá)94.3%、92.6%、86%（圖2所示）。出水中TN以NH4+-N和NO2--N為主，載體上生物膜顏色由棕黃色逐漸變成微紅色。
采用高通量測(cè)序研究了反應(yīng)系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，優(yōu)勢(shì)微生物為異養(yǎng)菌，包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等好氧異養(yǎng)菌及Thauera，Azospira，Comamonas等反硝化菌；自養(yǎng)菌方面，Nitrosomonas（2.4%）為主要的氨氧化菌（AOB），而CandidatusKuenenia（3.7%）為優(yōu)勢(shì)厭氧氨氧化菌。該結(jié)果表明系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了短程硝化、反硝化和厭氧氨氧化等脫氮過(guò)程。
策略Ⅱ：直接從短程硝化過(guò)程轉(zhuǎn)換
以短程硝化污泥為接種污泥，在*階段保持氨氮濃度為300 mg/L，C/N比為2。由于高FA和限氧作用，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化，然而受低C/N比影響TN去除率僅為40%。在第二階段通過(guò)縮短水力停留時(shí)間的方式，進(jìn)水氨氮負(fù)荷從0.09提高到0.18 kg-N/(m3·d)；DO從2.5 mg/L降至1.2 mg/L。結(jié)果顯示（圖3所示），盡管NH4+-N和COD去除有一定的下降，但TN去除提升至80%以上，且氮去除負(fù)荷顯著提高。此時(shí)生物膜顏色轉(zhuǎn)變成紅色。
采用高通量測(cè)序研究了反應(yīng)系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，在兩運(yùn)行階段中異養(yǎng)菌均為優(yōu)勢(shì)菌，但在階段二條件下微生物群落更具多樣化。在自養(yǎng)菌方面，較階段一，經(jīng)過(guò)階段二運(yùn)行后反應(yīng)系統(tǒng)中AOB豐度下降了32%，而厭氧氨氧化菌CandidatusKuenenia由未檢出提高至2.7%。上述結(jié)果表明，通過(guò)運(yùn)行控制反應(yīng)系統(tǒng)已由完全短程硝化-反硝化過(guò)程轉(zhuǎn)換為短程硝化-反硝化耦合厭氧氨氧化過(guò)程，其中Anammox的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)TN去除提高具有重要作用。
物料平衡分析
對(duì)SCONDA體系中的碳和氮進(jìn)行物料衡算分析。結(jié)果顯示（圖4），在氮素去除方面，短程硝化-反硝化貢獻(xiàn)了TN去除的53%，而短程硝化-Anammox貢獻(xiàn)了43%，表明這兩種脫氮途徑在系統(tǒng)中對(duì)高效脫氮均具有重要作用。在碳素去除方面，55%的COD通過(guò)好氧過(guò)程被降解，而32%的COD經(jīng)反硝化途徑去除。
碳氮去除過(guò)程
基于以上結(jié)果，推斷SCONDA工藝中碳氮去除過(guò)程（圖5所示）。*先，約80%的氨氮經(jīng)短程硝化被氧化為亞硝氮，其中部分在低C/N作用下經(jīng)反硝化去除，而剩余亞硝氮與20%的氨氮通過(guò)Anammox反應(yīng)去除。高FA、低DO的運(yùn)行方式和生物膜空間分層結(jié)構(gòu)促進(jìn)了Anammox的富集與活性發(fā)揮。化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算進(jìn)一步表明，SCONDA工藝對(duì)氧和有機(jī)碳的需求量分別為2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統(tǒng)硝化-反硝化脫氮工藝相比，SCONDA工藝可節(jié)省40%供氧和67%有機(jī)碳源的需求，COD和TN去除效率高，溫室氣體減排明顯，顯示了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能，具有較好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
SCONDA生物膜解構(gòu)
采用微電極測(cè)試和分層測(cè)序?qū)CONDA生物膜進(jìn)行解構(gòu)。結(jié)果表明（圖6），低氧曝氣方式下生物膜內(nèi)部存在明顯的氧梯度，由外向內(nèi)依次為好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)。在好氧區(qū)，好氧異養(yǎng)菌（HOB）和AOB可去除大部分COD，同時(shí)由于低DO和高FA條件有助于實(shí)現(xiàn)短程硝化；在缺氧區(qū)，異養(yǎng)反硝化菌（DHB）利用少量剩余COD進(jìn)行反硝化；在厭氧區(qū)，殘留的NH4+-N和NO2--N在Anammox菌的作用下實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步氮的去除。綜上，由于SCONDA生物膜內(nèi)部微空間的生態(tài)位分異，實(shí)現(xiàn)了HOB、AOB、DHB及Anammox菌的功能互補(bǔ)和代謝互促，進(jìn)而提高了廢水總氮的去除效果。
應(yīng)用展望
綜上研究，SCONDA顯示了優(yōu)良的脫氮除碳性能。在高濃度含氨有機(jī)廢水廢水處理應(yīng)用方面，SCONDA可直接應(yīng)用于具有中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）廢水的一體化處理；而對(duì)于較高C/N廢水，可預(yù)設(shè)高速厭氧消化單元進(jìn)行部分COD去除及產(chǎn)甲烷回收，然后與SCONDA工藝耦合實(shí)現(xiàn)工藝簡(jiǎn)化與節(jié)能降耗的目的。目前，研究團(tuán)隊(duì)已將SCONDA工藝成功應(yīng)用于含苯酚、含吡啶等有毒難降解高濃度含氮有機(jī)模擬廢水處理，并同步開(kāi)展煤化工、屠宰等實(shí)際行業(yè)廢水處理技術(shù)應(yīng)用。此外，基于SCONDA的理念亦正在拓展應(yīng)用于低氨氮城市污水主流脫氮中。相信在未來(lái)含氮有機(jī)廢水可持續(xù)處理領(lǐng)域，SCONDA工藝將具有更廣闊的應(yīng)用前景。
反應(yīng)系統(tǒng)與啟動(dòng)
為實(shí)現(xiàn)SCONDA，*先建立了有效容積為5 L的SBBR系統(tǒng)（圖1），內(nèi)部填充聚氨酯泡綿載體，以SBR方式運(yùn)行；進(jìn)水中添加高濃度NH4+-N和葡萄糖作為反應(yīng)底物（NH4+-N：300 mg/L；COD：600~900 mg/L；C/N：2~3）。水溫控制為30±1℃；pH為7.5-7.8。接種污泥分別采用城市污水處理廠的好氧活性污泥和焦化廢水處理廠的短程硝化污泥，在啟動(dòng)大約3個(gè)月后進(jìn)入試驗(yàn)階段。
運(yùn)行策略與系統(tǒng)脫氮性能
在運(yùn)行階段，為促進(jìn)短程脫氮過(guò)程中NO2--N積累和Anammox的脫氮性能，分別采用兩種不同的運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)SCONDA過(guò)程。
策略Ⅰ：逐步提高進(jìn)水氨氮濃度
以城市污水處理廠好氧活性污泥為接種污泥。為淘汰亞硝酸氧化菌（NOB），氨氮濃度從100 mg-N/L逐步增加到300 mg-N/L以提高游離氨（FA）濃度，DO約為1.2 mg/L，C/N為3。運(yùn)行160多個(gè)周期后，反應(yīng)系統(tǒng)COD、NH4+-N和TN去除率*高分別達(dá)94.3%、92.6%、86%（圖2所示）。出水中TN以NH4+-N和NO2--N為主，載體上生物膜顏色由棕黃色逐漸變成微紅色。
采用高通量測(cè)序研究了反應(yīng)系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，優(yōu)勢(shì)微生物為異養(yǎng)菌，包括Ohtaekwangia，Saccaribacteria，Chryseolinea等好氧異養(yǎng)菌及Thauera，Azospira，Comamonas等反硝化菌；自養(yǎng)菌方面，Nitrosomonas（2.4%）為主要的氨氧化菌（AOB），而CandidatusKuenenia（3.7%）為優(yōu)勢(shì)厭氧氨氧化菌。該結(jié)果表明系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了短程硝化、反硝化和厭氧氨氧化等脫氮過(guò)程。
策略Ⅱ：直接從短程硝化過(guò)程轉(zhuǎn)換
以短程硝化污泥為接種污泥，在*階段保持氨氮濃度為300 mg/L，C/N比為2。由于高FA和限氧作用，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化，然而受低C/N比影響TN去除率僅為40%。在第二階段通過(guò)縮短水力停留時(shí)間的方式，進(jìn)水氨氮負(fù)荷從0.09提高到0.18 kg-N/(m3·d)；DO從2.5 mg/L降至1.2 mg/L。結(jié)果顯示（圖3所示），盡管NH4+-N和COD去除有一定的下降，但TN去除提升至80%以上，且氮去除負(fù)荷顯著提高。此時(shí)生物膜顏色轉(zhuǎn)變成紅色。
采用高通量測(cè)序研究了反應(yīng)系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，在兩運(yùn)行階段中異養(yǎng)菌均為優(yōu)勢(shì)菌，但在階段二條件下微生物群落更具多樣化。在自養(yǎng)菌方面，較階段一，經(jīng)過(guò)階段二運(yùn)行后反應(yīng)系統(tǒng)中AOB豐度下降了32%，而厭氧氨氧化菌CandidatusKuenenia由未檢出提高至2.7%。上述結(jié)果表明，通過(guò)運(yùn)行控制反應(yīng)系統(tǒng)已由完全短程硝化-反硝化過(guò)程轉(zhuǎn)換為短程硝化-反硝化耦合厭氧氨氧化過(guò)程，其中Anammox的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)TN去除提高具有重要作用。
物料平衡分析
對(duì)SCONDA體系中的碳和氮進(jìn)行物料衡算分析。結(jié)果顯示（圖4），在氮素去除方面，短程硝化-反硝化貢獻(xiàn)了TN去除的53%，而短程硝化-Anammox貢獻(xiàn)了43%，表明這兩種脫氮途徑在系統(tǒng)中對(duì)高效脫氮均具有重要作用。在碳素去除方面，55%的COD通過(guò)好氧過(guò)程被降解，而32%的COD經(jīng)反硝化途徑去除。
碳氮去除過(guò)程
基于以上結(jié)果，推斷SCONDA工藝中碳氮去除過(guò)程（圖5所示）。*先，約80%的氨氮經(jīng)短程硝化被氧化為亞硝氮，其中部分在低C/N作用下經(jīng)反硝化去除，而剩余亞硝氮與20%的氨氮通過(guò)Anammox反應(yīng)去除。高FA、低DO的運(yùn)行方式和生物膜空間分層結(jié)構(gòu)促進(jìn)了Anammox的富集與活性發(fā)揮。化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算進(jìn)一步表明，SCONDA工藝對(duì)氧和有機(jī)碳的需求量分別為2.74 g-O2/g-N和0.95 g-COD/g-N。與傳統(tǒng)硝化-反硝化脫氮工藝相比，SCONDA工藝可節(jié)省40%供氧和67%有機(jī)碳源的需求，COD和TN去除效率高，溫室氣體減排明顯，顯示了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能，具有較好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
SCONDA生物膜解構(gòu)
采用微電極測(cè)試和分層測(cè)序?qū)CONDA生物膜進(jìn)行解構(gòu)。結(jié)果表明（圖6），低氧曝氣方式下生物膜內(nèi)部存在明顯的氧梯度，由外向內(nèi)依次為好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)。在好氧區(qū)，好氧異養(yǎng)菌（HOB）和AOB可去除大部分COD，同時(shí)由于低DO和高FA條件有助于實(shí)現(xiàn)短程硝化；在缺氧區(qū)，異養(yǎng)反硝化菌（DHB）利用少量剩余COD進(jìn)行反硝化；在厭氧區(qū)，殘留的NH4+-N和NO2--N在Anammox菌的作用下實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步氮的去除。綜上，由于SCONDA生物膜內(nèi)部微空間的生態(tài)位分異，實(shí)現(xiàn)了HOB、AOB、DHB及Anammox菌的功能互補(bǔ)和代謝互促，進(jìn)而提高了廢水總氮的去除效果。
應(yīng)用展望
綜上研究，SCONDA顯示了優(yōu)良的脫氮除碳性能。在高濃度含氨有機(jī)廢水廢水處理應(yīng)用方面，SCONDA可直接應(yīng)用于具有中等碳氮比（1.0＜C/N＜5.0）廢水的一體化處理；而對(duì)于較高C/N廢水，可預(yù)設(shè)高速厭氧消化單元進(jìn)行部分COD去除及產(chǎn)甲烷回收，然后與SCONDA工藝耦合實(shí)現(xiàn)工藝簡(jiǎn)化與節(jié)能降耗的目的。目前，研究團(tuán)隊(duì)已將SCONDA工藝成功應(yīng)用于含苯酚、含吡啶等有毒難降解高濃度含氮有機(jī)模擬廢水處理，并同步開(kāi)展煤化工、屠宰等實(shí)際行業(yè)廢水處理技術(shù)應(yīng)用。此外，基于SCONDA的理念亦正在拓展應(yīng)用于低氨氮城市污水主流脫氮中。相信在未來(lái)含氮有機(jī)廢水可持續(xù)處理領(lǐng)域，SCONDA工藝將具有更廣闊的應(yīng)用前景。
