高氨氮有機(jī)廢水深度處理新利器：SCONDA?工藝

全康環(huán)保: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，首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(chǎng)的好氧活性污泥和焦化廢水處理廠(chǎng)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(chǎng)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去除率最高分別達(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，在第一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）。首先，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?；瘜W(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。