FESE AnMBR-NF-PDA工藝實(shí)現(xiàn)COD和氮的高效去除

近日，西安建筑科技大學(xué)的李倩教授團(tuán)隊(duì)在Frontiers of Environmental Science & Engineering期刊第18卷第12期上發(fā)表了題為“Enhanced nitrogen removal from low strength anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) permeate using complete nitrification and partial denitrification-anammox processes”的研究論文。

本文提出了一種厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）、完全硝化（NF）和部分反硝化-厭氧氨氧化（PDA）過程結(jié)合的新型污水處理系統(tǒng)—AnMBR-NF-PDA工藝。研究發(fā)現(xiàn)該工藝實(shí)現(xiàn)了化學(xué)需氧量（COD）和氮的高效去除。特別是通過調(diào)節(jié)原水配比精確控制PDA的進(jìn)水COD/NO₃^--N，使系統(tǒng)的脫氮效率高達(dá)90.14%。本研究為AnMBR與厭氧氨氧化工藝在污水處理中的實(shí)際應(yīng)用提供了有價(jià)值的見解。

文章介紹了AnMBR與厭氧氨氧化工藝在污水處理中的顯著優(yōu)勢。AnMBR通過高效轉(zhuǎn)化有機(jī)污染物為甲烷，并將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，為后續(xù)厭氧氨氧化工藝提供了理想的進(jìn)水基質(zhì)。然而，單一厭氧氨氧化過程難以穩(wěn)定滿足亞硝氮的需求，而傳統(tǒng)部分硝化工藝容易因溶解氧波動導(dǎo)致硝酸鹽積累，影響脫氮效率。因此，將AnMBR與完全硝化及部分反硝化-厭氧氨氧化（NF-PDA）工藝耦合，構(gòu)建一個(gè)低碳、高效且穩(wěn)定的除碳脫氮系統(tǒng)尤為重要。

文章描述了AnMBR-NF-PDA系統(tǒng)的構(gòu)成與原理。該系統(tǒng)由AnMBR、NF和PDA三個(gè)反應(yīng)器組成。AnMBR用于去除COD，并通過微濾膜模塊截留污泥。NF單元實(shí)現(xiàn)完全硝化，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。PDA單元?jiǎng)t進(jìn)行部分反硝化和厭氧氨氧化。82%-90%的污水（Q1）進(jìn)入AnMBR單元，其中有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為甲烷，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮。部分AnMBR出水（Q3）進(jìn)入NF單元，氨氮被氧化為硝酸鹽，再進(jìn)入PDA單元（占PDA進(jìn)水的50%）。其余的AnMBR出水（Q4）供給PDA。同時(shí)，10%-18%的污水（Q2）直接進(jìn)入PDA，提供碳源和少量氨氮。

圖1 (a) AnMBR-NF-PDA組合工藝示意圖；(b) AnMBR-NF-PDA工藝中有機(jī)碳、氮的流量和運(yùn)行條件。

通過調(diào)節(jié)廢水的直接進(jìn)料比，精確控制PDA的進(jìn)水COD/NO₃^--N，優(yōu)化COD與氮去除率之間的平衡，同時(shí)保障Anammox在氮去除中的主導(dǎo)作用。當(dāng)COD/NO₃^--N為3.44時(shí)，PD過程能夠高效轉(zhuǎn)化硝酸鹽為亞硝酸鹽，系統(tǒng)的氮去除效率提升至90.14%，且Anammox在氮去除中占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖2（a）AnMBR-NF-PDA中每個(gè)單元的出水COD與COD去除效率。（b）該工藝的每個(gè)單元的出水TN與NRE。（c）PDA系統(tǒng)進(jìn)出水中氮濃度變化以及COD/NO₃^--N比。（d）厭氧氨氧化和反硝化過程對PDA系統(tǒng)中的脫氮貢獻(xiàn)

PDA系統(tǒng)的氮去除性能與微生物活性及污泥形態(tài)密切相關(guān)。適宜的COD/NO₃^--N（如3.44）可增強(qiáng)AnAOB活性，確保氮主要通過Anammox路徑去除；而過高的比值（如4.09）則導(dǎo)致DNB競爭優(yōu)勢增強(qiáng)，氨氮積累。同時(shí)，顆粒污泥形態(tài)隨COD/NO₃^--N增大從松散破碎變?yōu)橹旅苄☆w粒，絲狀菌作為顆?；羌?，促進(jìn)污泥顆?；⒕S持較好的沉降性能。

最后，文章揭示了AnAOB和反硝化細(xì)菌之間的協(xié)同作用機(jī)制。隨著COD/NO₃^--N比例的變化，微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。特別是以Acinetobacter為代表的絲狀反硝化細(xì)菌通過部分反硝化過程，顯著促進(jìn)了亞硝酸鹽的生成和穩(wěn)定供應(yīng)。絲狀菌與AnAOB之間形成了交叉喂養(yǎng)關(guān)系，共同維持亞硝酸鹽的平衡轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步提高了PDA系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

綜上，AnMBR與NF-PDA工藝的耦合在污水處理領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，通過精確調(diào)控PDA進(jìn)水COD/NO₃^--N實(shí)現(xiàn)了高效的除碳脫氮效果。AnMBR單元實(shí)現(xiàn)高效除碳并將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，NF單元確保硝酸鹽的穩(wěn)定生成，而PDA單元通過絲狀菌與AnAOB的協(xié)同作用，維持亞硝酸鹽的動態(tài)平衡，顯著提高了系統(tǒng)的氮去除效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。該耦合工藝為低碳、高效且穩(wěn)定的污水處理提供了新的思路和方法。