彭永臻:北京工业大学彭永臻院士团队 基于短程硝化-发酵反硝化一体化工艺从成熟填埋场渗滤液中高效除氮并

2021-01-12 10:55发布

entation- denitritation,PNIFD)工艺 
短程硝化-发酵反硝化(PNIFD)工艺可大幅减少能源(25%)和碳源消耗(100%)
同时实现了高效脱氮和剩余活性污泥减量化,总氮去除率、去除速率分别可达95.0%、0.63 kg/m3·d,污泥减量率、减量化速率显著高于传统污泥消化系统,分别可达53.7%、5.09 kg/m3·d 


丨文章简介丨


填埋超过五年的成熟垃圾渗滤液通常NH4+-N含量很高,可生物降解的有机碳含量低,碳氮比低(1:1)以至生物处理脱氮存在两个缺陷:1)碳源不足导致反硝化不完全;2) 污水处理过程中会产生大量剩余活性污泥。而剩余活性污泥可通过厌氧发酵过程减量化并产生可生物降解的有机碳源,通过此途径可同时解决碳源不足和剩余活性污泥过量的问题。同时研究报道游离亚硝酸可加速剩余活性污泥发酵过程,但游离亚硝酸预处理一般作为前处理单元与发酵过程分开。那么厌氧发酵与亚硝酸盐还原两个过程能否在同一个反应器内共同出现呢?


本研究首次提出了应用序批式污泥反应器(SBR)的短程硝化-发酵反硝化工艺并考察了其对成熟垃圾渗滤液的脱氮和剩余活性污泥减量化效果。成功的短程硝化过程可节省25% O2消耗,发酵反硝化过程则可节省100%碳源消耗。成熟垃圾渗滤液作为进水首先进入短程硝化反应器(PN-SBR)中以氧化NH4+-N积累NO2--N。该反应器出水以及部分剩余活性污泥同时被加入发酵反硝化反应器(IFD-SBR)(图1)。两个反应器的运行由不同污泥注入比(16.7%-41.7%)被分为Run I-IV四个阶段,短程硝化反应器内NH4+-N转化、COD变化情况如图2。短程硝化-发酵反硝化工艺内反应过程通过反应器内pH与DO参数精确监控。经过300天的运行,考察了短程硝化-发酵反硝化工艺脱氮性能与污泥减量化效果。研究发现发酵反硝化反应器中当污泥注入比大于33%时,氮去除效率可达95.0%表明此时有机物基质不再是反硝化过程限制因素。运行过程中最适污泥注入比为41.7%,此时污泥减量速率最高可达5.09 kg/m3·d(图3)。短程硝化,发酵反硝化过程是与氢离子消耗/产生、氧气消耗以及碳源消耗/产生相关的动态过程,因此pH与DO变化可精确评估该过程。一个典型周期内NH4+-N、NO2--N、NO3--N、pH和DO参数在短程硝化反应器与发酵反硝化反应器变化情况如图4,在短程硝化反应器中,开始的2.5 h由于有机物的降解以及CO2的释放pH会升高。NH4+-N随后由811.2降至5.4 mg/L伴随产生氢离子,导致pH降低,NH4+-N降至最低点则pH降至最低点意味着此时应停止曝气。成功的短程硝化可节省25%的O2 。发酵反硝化反应器中,前3 h挥发性脂肪酸由11.9升至57.3 mg/L,在此阶段,挥发性脂肪酸产生率高于反硝化的消耗率此时,pH随之降低。待pH降至最低点,挥发性脂肪酸产生都被用于反硝化消耗,因此在3-10.5 h,挥发性脂肪酸含量维持稳定,同时在10.5 h,NO2--N由666.2降至3.8 mg/L。NO2--N去除完毕后,污泥继续发酵,挥发性脂肪酸由21.1急剧上升至871 mg/L同时pH开始显著下降。在污泥发酵过程中,由于有机氮分解产生,氨氮含量轻微上升。建立的发酵反硝化过程无需外加碳源同时可平均减少挥发性污泥浓度53.7%远优于传统污泥消化系统。发酵反硝化反应器内主要微生物是与发酵相关的微生物以及反硝化相关细菌如Anaerolineaceae,Acidimicrobiaceae以及Thauera,占比高达41.5%,同时发现少量厌氧氨氧化细菌。短程硝化-发酵反硝化中氮去除与与污泥减量化简要过程及数据如图5。


丨重要结论丨


与传统除氮工艺相比,新型的短程硝化-发酵反硝化工艺可节省硝化过程25% O2消耗以及反硝化100%过程外加碳源消耗;在进水NH4+-N,总氮和COD浓度分别为1736 ± 40 mg/L, 2023 ± 75 mg/L以及2109 ± 200 mg/L的条件下,运行300天的短程硝化-发酵反硝化总氮去除率可达95.0%,去除速率可达0.63 kg/m3·d,COD去除率可达19.7%;外加污泥有效减少53.7%并在短程硝化-发酵反硝化工艺中转化为可生物降解的有机物,污泥减量化速率可达5.09 kg/m3·d;发酵细菌与反硝化细菌的共存是加强成熟垃圾渗滤液总氮去除以及外加污泥减量的原因所在。随着信息化时代的到来,精确的在线监测调控使得高效但调控要求高的工艺在工程应用中具有越来越广阔的前景,在技术条件达到的情况下,能源和资源节约或循环利用更显重要。



图1 短程硝化-发酵反硝化装置示意图(A)以及运行策略(B)-来自原文



图2 氮素转化及COD去除情况(A);0-150天短程硝化反应器NO2--N积累率(B)-来自原文



图3 120-300天发酵反硝化反应器运行情况:(A)MLVSS浓度、污泥减量化速率以及总氮去除与污泥减少关系;(B)污泥减少与NH4+-N释放比-来自原文



图4 第300天一个典型周期内NH4+-N、NO2--N、NO3--N、pH和DO参数在短程硝化反应器(A)与发酵反硝化反应器(B)变化情况;(C)发酵反硝化反应器实际装置-来自原文



图5 新型短程硝化-发酵反硝化工艺中基于化学计量学的氮去除与污泥减量化-来自原文


※原文信息:



※原文链接:


https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004313541930418X


文章来源:Water Research  WaterResearch  2019-06-26

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