2020年曝氣器生產(chǎn)廠(chǎng)家一段式完全脫氮新技術(shù)PNAM：短程硝化+厭氧氨氧化+厭氧甲烷氧化

　　2020年曝氣器廠(chǎng)家一段式完全脫氮新技術(shù)PNAM：短程硝化+厭氧氨氧化+厭氧甲烷氧化。

　　研究亮點(diǎn)

　　1. 單個(gè)反應(yīng)器中集成PN/ANAMMOX/ DAMO(簡(jiǎn)稱(chēng)PNAM工藝)實(shí)現(xiàn)測(cè)流污水氮的高效去除;

　　2. 成功在單個(gè)系統(tǒng)耦合好氧氨氧化細(xì)菌，厭氧氨氧化菌，n-DAMO細(xì)菌及n-DAMO古菌;

　　3. 在1.5kg N/m3/d的高氮負(fù)荷下，平均總氮去除率達(dá)到了98%，出水總氮低于10mg N/L;

　　4. PNAM工藝具有低氧化亞氮(N2O)排放優(yōu)勢(shì)(排放系數(shù)僅為0.34%±0.01%)。

　　研究背景

　　2013年，昆士蘭大學(xué)水管理高級(jí)研究中心(AWMC)聯(lián)合澳大利亞生態(tài)基因組學(xué)研究中心(ACE)團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上發(fā)表論文，首次揭示了厭氧甲烷氧化古菌的代謝機(jī)理。在隨后的十五年間，從微生物代謝機(jī)理到污水生物脫氮的實(shí)際應(yīng)用，AWMC在國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表多篇重要報(bào)道，其中包括一篇TheISME Journal，15篇Water Research和EnvironmentalScience & Technology。近期，團(tuán)隊(duì)首次成功將三種厭氧微生物(厭氧甲烷氧化細(xì)菌，厭氧甲烷氧化古菌和厭氧氨氧化細(xì)菌)和好氧微生物(好氧氨氧化細(xì)菌)成功耦合在一個(gè)生物膜反應(yīng)器中，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)流一段式完全脫氮。在進(jìn)水氨氮濃度1000mg N/L的情況下，出水總氮在10 mg N/L左右。此研究歷時(shí)兩年時(shí)間，大致可以分為兩個(gè)階段：兩段式完全脫氮和一段式完全脫氮。

　　研究介紹

　　1. 兩段式完全脫氮

　　首先，研究人員在中空纖維膜反應(yīng)器(MBfR)中接種了富集的厭氧甲烷氧化古菌(n-DAMO archaea)以及厭氧氨氧化細(xì)菌(anammox bacteria)。反應(yīng)器在嚴(yán)格厭氧條件下運(yùn)行，被用來(lái)處理模擬廢水(短程硝化后的厭氧消化液)。在前180天，進(jìn)水氨氮和亞硝態(tài)氮分別為500 mg N/L和530 mg N/L，而出水中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮低于5 mg N/L，出水氨氮約為100 mgN/L。為了進(jìn)一步降低出水氨氮的濃度，研究人員將進(jìn)水氨氮和亞硝態(tài)氮的比例進(jìn)行了調(diào)整(進(jìn)水氨氮降為430 mgN/L，而亞硝態(tài)氮提高為600 mg N/L)。在接下來(lái)的180-400天，反應(yīng)器脫氮效果進(jìn)一步提高，總氮維持在10 mg N/L以下，去除率達(dá)到了99%。

　　Figure 1. 兩段式完全脫氮效果：進(jìn)出水三氮濃度(A)氮去除速率和去除效率(B)三種功能微生物的脫氮速率(C)

　　2. 一段式完全脫氮

　　在穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)兩段式完全脫氮之后，研究人員在第420天左右向反應(yīng)器中接種了富集的AOB種泥，與此同時(shí)進(jìn)水改為未經(jīng)短程硝化的厭氧消化液(僅含有氨氮1000mg N/L)。通過(guò)嚴(yán)格控制氧氣傳質(zhì)速率，將反應(yīng)器溶解氧濃度穩(wěn)定維持在0.05-0.1 mg/L之間。在此條件下，AOB成功將部分氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮，而轉(zhuǎn)化生成的部分亞硝態(tài)氮與剩余氨氮被厭氧甲烷氧化細(xì)菌代謝去除。與此同時(shí)，在厭氧氨氧化過(guò)程中產(chǎn)生的硝態(tài)氮?jiǎng)t被厭氧甲烷氧化古菌所去除。通過(guò)不同微生物間的協(xié)同工作，在進(jìn)水1000mg N/L氨氮的情況下，出水總氮僅為10 mg N/L左右，成功實(shí)現(xiàn)了一段式完全脫氮。

　　Figure 2. 一段式完全脫氮效果：進(jìn)出水三氮濃度(A)氨氮和總氮去除速率及效率(B)溶解氧濃度和曝氣量

　　3. 微生物群落變化微生物種群結(jié)構(gòu)

　　為了進(jìn)一步確定功能微生物在反應(yīng)器是否得到成功耦合富集，該研究對(duì)采集的生物膜樣本進(jìn)行了16SrRNA基因高通量測(cè)序。研究發(fā)現(xiàn)，在通過(guò)400天左右兩段式完全脫氮運(yùn)行，反應(yīng)器內(nèi)anammox，n-DAMO細(xì)菌和n-DAMO古菌三種功能微生物在生物膜當(dāng)中占主要地位。而在低氧濃度下運(yùn)行300天之后，好氧氨氧化細(xì)菌AOB成功與厭氧微生物耦合在一個(gè)生物膜當(dāng)中。與此同時(shí)，通過(guò)嚴(yán)格控制溶解氧濃度，好氧亞硝酸鹽氧化細(xì)菌NOB和好氧甲烷氧化細(xì)菌得到了成功抑制，豐度均在0.1%以下。

　　Figure 3. 微生物群落變化：兩段式階段(A)一段式階段(B)

　　4. 氧化亞氮(N2O)釋放

　　該研究中同時(shí)檢測(cè)了脫氮過(guò)程中產(chǎn)生的N2O。研究人員發(fā)現(xiàn)，在兩段式期間，并不能檢測(cè)出N2O的釋放。這與三種厭氧微生物的代謝途徑吻合。而在一段式脫氮期間，N2O的釋放因子大約為0.34%，在脫氮相關(guān)工藝當(dāng)中處于較低的水平。這個(gè)現(xiàn)象可能與反應(yīng)器當(dāng)中較低的亞硝濃度(<1mgN/L)有關(guān)。

　　Figure 4. 一段式階段N2O釋放

　　5. 物料平衡

　　為了進(jìn)一步證明多種好氧微生物和厭氧微生物在生物膜中的協(xié)同工作，研究人員進(jìn)行了一系列的短期序批試驗(yàn)。在A組實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有提供任何甲烷氣體，DO控制在0.2 mg/L，證明了AOB和Anammox細(xì)菌的協(xié)同工作。在B組實(shí)驗(yàn)中， 僅提供DO和亞硝態(tài)氮，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，僅有10%左右的亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，進(jìn)一步佐證了反應(yīng)器內(nèi)NOB的活性較低。在C組實(shí)驗(yàn)中，在未提供任何甲烷和氧氣氣體的條件下，反應(yīng)器氨氮、亞硝態(tài)氮以1：1.3左右的比例同時(shí)被去除，并且生成了10%左右的硝態(tài)氮，證明了Anammox細(xì)菌的存在。在D組和E組實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀測(cè)到甲烷，亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的同步去除，并且去除比例符合n-DAMO細(xì)菌和n-DAMO古菌的反應(yīng)計(jì)量學(xué)。在最后一組實(shí)驗(yàn)F中，DO控制在0.2 mg/L，相比實(shí)驗(yàn)組A，研究人員發(fā)現(xiàn)氨氮被去除的同時(shí)，并沒(méi)有硝態(tài)氮的生成，同時(shí)甲烷濃度逐漸下降，進(jìn)一步證明甲烷的存在是硝酸鹽去除的主要原因。

　　Figure 5. 不同條件下的短期批次試驗(yàn): (A) NH4++O2;(B) NO2-+O2;(C) NH4++NO2-;(D) CH4+NO2-;(E) CH4+NO3-;(F) CH4+NH4++O2.

　　6. 微生物生態(tài)模型

　　基于以上結(jié)果，研究人員提出了一個(gè)微生物生態(tài)模型，其中耦合了五種不同功能微生物的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)。由于氨氮和氧氣來(lái)源于液體，所以好氧微生(AOB,NOB)主要生長(zhǎng)在生物膜的外側(cè)。好氧微生物轉(zhuǎn)化部分氨氮為亞硝態(tài)氮，并且消耗氧氣，從而保護(hù)內(nèi)部厭氧微生物不受氧氣的抑制。由于甲烷的供給來(lái)自于中空纖維膜，因此厭氧甲烷氧化細(xì)菌和古菌生長(zhǎng)在生物膜的內(nèi)部，便于利用甲烷，通過(guò)和厭氧氨氧化細(xì)菌的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了接近100%的脫氮效果。

　　Figure 6. 微生物生態(tài)概念模型

　　研究總結(jié)與展望

　　1. 成功開(kāi)發(fā)了一種新型污水生物脫氮技術(shù)-PNAM(Partial Nitritation (PN), Anammox andMethane-dependent nitrite/nitrate reduction reactions)

　　2.首次成功將厭氧甲烷氧化細(xì)菌和古菌與好氧微生物耦合在一個(gè)生物膜當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了一段式完全脫氮

　　3. N2O釋放因子約為0.34%在現(xiàn)有生物脫氮工藝中處于較低水平

　　4. 微生物群落分析和批次試驗(yàn)證明了功能微生物(AOB, anammox,n-DAMO 細(xì)菌和n-DAMO古菌)的協(xié)同工作

　　5. PNAM系統(tǒng)成功耦合了多種氮循環(huán)和甲烷循環(huán)微生物，可作為一個(gè)理想的環(huán)境微生物生態(tài)系統(tǒng)對(duì)微生物的互作和競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行深入研究。

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