连续流分段进水短程反硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮特性

慧聪水工业网 2022-04-20 09:32 来源：环境工程作者：张树军，黄剑明，马淑勍，等

研究背景

随着污水处理工艺的发展，污水TN处理达标排放已成为趋势，但外碳源投加所造成的运行费用提高，是限制众多污水处理厂低耗运行的关键。厌氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation，Anammox）通过将NH4+-N和NO2--N转化为N2的方式完成脱氮，相比传统生物脱氮具有节省曝气能耗，节省有机碳源的优点，在污水处理领域备受关注。但NO2--N积累是厌氧氨氧化进程的限制性因素，其作为硝化和反硝化过程的中间体，极易被转化为NO3--N和N2，因此厌氧氨氧化的应用推广进展缓慢。传统积累NO2--N的方式是通过间歇曝气、FA抑制和投加抑制剂的方式，将亚硝酸盐氧化菌（NOB）活性抑制，通过氨氧化菌（AOB）的作用将NH4+-N转化为NO₂--N，但受环境因素（如温度、pH、DO等）与水质波动的影响较大，且控制难度大，在低NH4+-N污水主流处理中应用较少。同时，厌氧氨氧化工艺不能去除进水NO3--N和厌氧氨氨氧化过程产生的NO₃--N，造成出水TN浓度高，需采取投加外碳源的深度脱氮处理。

短程反硝化-厌氧氨氧化（Partial Denitrification-Anaerobic ammonium oxidation，PD-Anammox）工艺包含短程反硝化（Partial Denitrification，PD）和厌氧氨氧化（Anammox），其反应方程式如下。

与传统硝化/反硝化工艺相比，PD-Anammox工艺可减少约45%的曝气能耗和80%的碳源需求，同时PD-Anammox过程还可降低污泥产量、减少温室气体（NO和N2O）排放。但PD-Anammox工艺应用的主要限制性因素是厌氧氨氧化菌和反硝化竞争与共存，在保证基质充足条件下反硝化菌增殖系数为0.03g VSS/g NH₄+-N，厌氧氨氧化菌增殖系数为0.066g VSS/g NH₄+-N。当厌氧氨氧化菌和反硝化菌存在于单一污泥系统，反硝化菌快速富集，而厌氧氨氧化菌增殖缓慢，易造成厌氧氨氧化效率减缓，影响工艺稳定运行。另一方面，在碳源充足条件下，反硝化菌也会利用PD过程产生的NO₂--N完成反硝化脱氮，降低厌氧氨氧化过程的NO2--N供给。

因此，本研究采用活性污泥耦合生物膜系统解决了厌氧氨氧化菌与反硝化菌竞争与共存的问题，通过在缺氧区设置厌氧氨氧化填料，使厌氧氨氧化菌主要生长在生物膜上，反硝化菌主要生长在絮状污泥中，提高了厌氧氨氧化菌的生物量和活性；采用分段进水合理设置缺氧区碳源，使缺氧区碳源的成为稀缺基质，利用反硝化过程优先完成NO₃--N→NO₂--N的特性，使缺氧区同时完成PD-Anammox过程。同时，利用在缺氧1区前段设置预缺氧区，实现短暂的NO₃--N抑制，有利于缺氧区PD-Anammox的进行。

摘  要

采用连续流分段进水短程反硝化-厌氧氨氧化（Partial Denitrification-Anaerobic Ammonium oxidation，PD-Anammox）耦合反硝化工艺处理低C/N生活污水，研究了污染物去除、典型周期COD及氮素沿程变化特征、短程反硝化-厌氧氨氧化和反硝化对TN去除贡献。结果表明，在平均进水COD、NH₄+-N、TN浓度为193.1、58.6和60.3 mg/L的条件下，系统出水COD、NH₄+-N、TN平均浓度分别为46.3、2.5和13.4 mg/L，低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002 一级A标准。采用NO₃--N预缺氧和进水点后置，可实现缺氧区NO₃--N→NO₂--N转化，同时完成厌氧氨氧化过程；缺氧区设置厌氧氨氧化悬浮填料，可提高系统TN去除率。通过缺氧区物料衡算，缺氧1区厌氧氨氧化对TN去除贡献率（△PD-Anammox/△TN）均值为54.37%，缺氧2区的△PD-Anammox/△TN均值为64.17%。

01

材料与方法

1.  试验装置

图1 连续流分段进水短程反硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化工艺装置示意

2.  试验用水及检测方法

试验用水采用北京市某污水处理厂初沉水，具体水质见表1。

表1 试验用水水质

水样经0.45μm滤纸过滤后根据APHA标准方法测定COD、NH₄+-N、NO₂--N、NO₃--N和PO4₃-。DO、温度采用WTW pH/DO 3420（德国）仪器在线监测。MLSS采用差量法计算。

3.  缺氧段物料衡算

为研究系统缺氧1区和缺氧2区的短程反硝化及厌氧氨氧化对TN的去除贡献，采用物料衡算方式进行缺氧区氮素及COD平衡分析，得出缺氧段亚硝积累率、厌氧氨氧化和反硝化对TN去除量，物料平衡分析见图2。根据缺氧区NH₄+-N、NO₃--N和COD的变化量（mg/L），可得出缺氧区厌氧氨氧化和反硝化对TN去除贡献△PD-Anammox/△TN、△DN/△TN和△PD-Anammox/△DN：

图2 系统缺氧区平衡分析

02

结果与讨论

1.  污染物去除情况

分段进水连续流PD-Anammox耦合反硝化系统污染物去除特性与运行期间COD的去除特性见图3,进水COD浓度均值为193 mg/L时，出水COD浓度均值为46.3 mg/L，平均COD去除率达到了76.1%。可见，系统中COD大多为易降解有机物，根据系统两段缺氧区进水原则，COD被短程反硝化（partial denitrification，NO₃--N→NO₂--N）和传统反硝化（DN，NO₃--N→N₂）过程的功能微生物作为电子供体所利用，出水COD低于一级A排放标准。

图3 系统污染物去除特性

系统运行期间，氮素的去除特性。进水TN以NH₄+-N为主，在进水平均TN浓度为60.3 mg/L时，出水TN平均浓度为13.4 mg/L, TN去除率达到了77.8%；出水TN以NO3--N为主，NH4+-N在1.5mg/L左右，说明系统两个好氧区对NH₄+-N去除效果良好，将大多数NH4+-N氧化为NO3--N，满足缺氧区PD-Anammox和DN过程所需电子受体。本工艺通过在缺氧区设置厌氧氨氧化填料，可快速利用PD过程产生的NO2--N完成自养脱氮，因此虽未监测到NO₂--N积累，但可通过缺氧区氨氮损失来定量计算出通过PD-Anammox途径去除的TN。

2. 典型周期COD、氮素沿程变化特征

图4 系统典型运行周期 COD 和氮素变化特征

图4为典型运行周期的COD和氮素沿程变化。1#进水进入缺氧1区首端（A1），被短程反硝化菌和反硝化菌利用，将部分NO₃--N迅速还原为NO₂--N，因此COD在A1段从167 mg/L减小到61.1 mg/L，A1段的悬浮填料中厌氧氨氧化菌利用原污水中NH₄+-N和A1段PD过程产生的NO₂--N作为基质，完成厌氧氨氧化自养脱氮，同时A1段伴随着全程反硝化脱氮过程，将NO₃--N转化为N₂，A2段受COD浓度降低的影响，反硝化速率减慢，使TN浓度降低了6.5 mg/L。进入A3、A4的COD为不可降解有机物，因此在A3和A4段几乎无COD降低。2#进水进入A3段，COD被短程反硝化菌和反硝化菌大量利用，使A3段的COD从167 mg/L减小到46.4 mg/L，进入A4段的COD浓度降低，可利用的有机物很少，因此COD仅降低了9.9 mg/L，为36.5 mg/L。剩余COD为难降解有机物，故O3、O4段的COD浓度无明显降低，分别为34.3和33.4 mg/L。

缺氧区可观察到较为明显的NO₃--N和NH₄+-N同步降低现象。A1和A3段NH₄+-N浓度相比物料衡算的理论值分别降低了2.3 mg/L和1.5 mg/L，A2段降低了1.3 mg/L，A4段降低了0.5 mg/L。而A1和A3段NO₃--N浓度相比物料衡算的理论值分别降低了5.9 mg/L和3.1 mg/L，A2段降低了4.2 mg/L，A4段降低了0.3 mg/L。理论PD过程，利用的NO3--N与产生的NO2--N比例为1:1；Anammox过程需要NH4+-N与NO2--N比例为1:1.32，因此PD-Anammox过程，理论需要的NO₃--N/NH₄+-N为1.32。典型周期中，A1、A2、A3和A4段同步去除的NO3--N/NH4+-N分别为2.56、2.85、2.38和3.0；对应的，A1、A2、A3、A4区的PD-Anammox过程脱氮贡献率分别为51.6%、46.3%、55.5%、44.0%；说明缺氧区第一格以PD-Anammox过程为脱氮的主导反应，缺氧区第二格以DN过程为脱氮的主导反应。本工艺缺氧段未检测到NO₂--N积累，这是因为缺氧区的活性污泥耦合生物膜系统同时发生短程反硝化的NO2--N积累和厌氧氨氧化的NO2--N消耗，可通过缺氧区NH4+-N降低量，定量测算出短程反硝化利用的NO₃--N和转化的NO₂--N。

系统TN去除主要发生在缺氧区，根据物料衡算可知，A1和A3段的TN浓度降低值分别为13.4和12.1mg/L，这是因为A1和A3段作为进水点，有机物充足，PD-Anammox和DN过程进行彻底，大量TN被去除。A2和A4段降低的TN浓度为6.5和1.7mg/L，这是因为进入A2和A4段的碳源缺乏，限制了DN的正常进行，造成反硝化速率减缓，使TN浓度下降量小。

3. 厌氧氨氧化和反硝化对TN去除贡献

为更深入研究系统缺氧区厌氧氨氧化和反硝化对TN的去除贡献，对运行期间缺氧区氮素进行了物料衡算，并通过统计分析方式探究了△PD-Anammox/△TN和△DN/△TN的变化情况，见图5。系统运行期间，缺氧1区的△PD-Anammox/△TN在43.25%~67.53%之间，均值为54.37%，缺氧1区的△DN/△TN在30%~50%之间，均值为39.24%；缺氧2区的△PD-Anammox/△TN在20.83%~90.64%之间，均值为64.17%，缺氧2区的△DN/△TN在30.43%~51.19%之间，均值为30.44%。即缺氧1区和缺氧2区通过PD-Anammox方式去除的总氮较高，分别为54.37%和64.17%；DN方式去除的TN较低，在30%左右。

同时，根据缺氧区物料衡算可知，缺氧1区通过DN过程主要去除的TN浓度为0.8~1.7 mg/L，均值为1.16 mg/L；通过PD-Anammox过程去除的TN浓度为2.4~3.5 mg/L，均值为3.35 mg/L。缺氧2区通过DN过程主要去除的TN浓度为0.2~1.2 mg/L，均值为0.43 mg/L；通过PD-Anammox过程去除的TN浓度为0.8~1.7 mg/L，均值为1.36 mg/L。即缺氧1区的△TNPD-Anammox/△TNDN为2.89，缺氧2区的△TNPD-Anammox/△TNDN为3.16。说明在缺氧区，PD-Anammox过程为脱氮的主导反应，DN过程辅助完成TN去除。

图5 短程反硝化-厌氧氨氧化和反硝化对 TN 去除贡献

03

结论

1）在平均进水COD、NH4+-N、TN浓度为193.1、58.6和60.3 mg/L的条件下，分段进水连续流段短程反硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化工艺的出水COD、NH4+-N、TN平均浓度分别为46.3、2.5和13.4 mg/L，出水低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918—2002 一级A标准。

2）典型周期氮素及COD变化表明，COD及TN去除主要发生在缺氧区，通过PD-Anammox和DN共同完成；预缺氧区的设置有利于缺氧区短程反硝化和厌氧氨氧化的进行。

3）利用缺氧段氮素和COD的物料衡算，缺氧1区的△PD-Anammox/△TN均值为54.37%，缺氧1区的△DN/△TN均值为39.24%；缺氧2区的△PD-Anammox/△TN均值为64.17%，缺氧2区的△DN/△TN均值为30.44%；缺氧1区的△TNPD-Anammox/△TNDN为2.89，缺氧2区的△TNPD-Anammox/△TNDN为3.16。用物料衡算方式进行系统PD-Anammox和DN过程的脱氮贡献率描述，可直观和精确的掌握各脱氮途径的贡献。