Orbal氧化沟工艺达标排放难点诊断及脱氮潜力分析

江苏省于2018年6月颁布了DB 32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》,随后太湖流域城镇污水处理厂开展了新一轮的提标改造。以太湖流域某市政污水处理厂为研究对象,采用全流程分析方法作为评估诊断的手段,探讨奥贝尔（Orbal）氧化沟工艺在实际运行过程中存在的主要问题。结果表明:该厂活性污泥的反硝化潜力和速率分别为8.0,2.24 mg NO₃--N/（g VSS·h）,通过化学需氧量（COD）及总氮（TN）的全流程分析可知,碳源相对缺乏、内回流比低、氧化沟底部淤积等因素限制了脱氮效率的进一步提高,优化运行后尚有一定的脱氮潜力。这为该厂的实际运行管理及后续的提标改造方案设计提供依据,也为类似具有提标改造需求的城镇污水处理厂提供借鉴。     

响应曲面法在反硝化生物滤池运行参数优化中的应用

为预测反硝化生物滤池深度处理城镇污水处理厂二沉池出水的脱氮效果,优化工艺运行参数,以黏土陶粒反硝化生物滤池作为反应器,以人工合成污水模拟污水处理厂二沉池出水,采用中心组合试验设计,利用响应曲面法研究反应器NO₃--N去除率与HRT(水力停留时间)、进水中ρ(COD_Cr)和ρ(NO₃--N)之间的关系. 统计结果显示,NO₃--N去除模型极显著(P<0.000 1),并且模型预测值与试验值能很好地吻合. 方差分析结果表明,HRT及其与进水中ρ(NO₃--N)和ρ(COD_Cr)的交互作用对反硝化滤池NO₃--N的去除率影响不显著(P>0.05),而进水中ρ(NO₃--N)和ρ(COD_Cr)及其交互作用对反硝化滤池NO₃--N的去除具有显著影响(P＜0.05). 3个因素对NO₃--N去除率影响强弱的顺序为进水ρ(COD_Cr)>进水ρ(NO₃--N)>HRT. 在HRT为2.50 h的条件下,当进水中ρ(NO₃--N)＜11.00 mg/L及ρ(COD_Cr)＞43.00 mg/L时,反硝化滤池NO₃--N的去除率可以达到71.0%以上.      

硫自养反硝化系统运行效能和微生物群落结构研究

启动了单质硫自养反硝化反应器并研究其脱氮性能,通过血清瓶批式实验测定了污泥的反硝化活性,并采用扫描电镜和高通量测序手段揭示了系统内微生物群落结构特征.结果表明,SBR反应器进水NO₃^--N浓度为80mg/L,随水力停留时间由12h逐渐缩短为6h,反应器的自养脱氮性能逐渐增强,稳定期反应器的总无机氮去除率达99.1%,总无机氮去除负荷平均值为0.158kg N/（m³·d）;SBR周期内NO₂^--N浓度最大值为13.3mg/L,NO₃^--N还原为NO₂^--N过程pH值由7.38降低至6.94,NO₂^--N还原为N₂过程pH值基本不变;批式实验结果表明,硫自养反硝化和异养反硝化NO₃^--N去除速率分别为0.515,0.196kg N/（kg VSS·d）,硫自养反硝化污泥NO₂^--N降解速率为0.117kg N/（kg VSS·d）,污泥同时具有自养反硝化和异养反硝化活性;扫描电镜显示,污泥中存在大量的杆状细菌和球状菌;污泥中主要的硫反硝化细菌分别为Thiobacillus、Sulfurimonas和Thermomonas属,其相对丰度分别为14.5%、7.6%和6.0%.     

硫自养反硝化系统运行效能和微生物群落结构研究

启动了单质硫自养反硝化反应器并研究其脱氮性能,通过血清瓶批式实验测定了污泥的反硝化活性,并采用扫描电镜和高通量测序手段揭示了系统内微生物群落结构特征.结果表明,SBR反应器进水NO₃^--N浓度为80mg/L,随水力停留时间由12h逐渐缩短为6h,反应器的自养脱氮性能逐渐增强,稳定期反应器的总无机氮去除率达99.1%,总无机氮去除负荷平均值为0.158kg N/（m³·d）;SBR周期内NO₂^--N浓度最大值为13.3mg/L,NO₃^--N还原为NO₂^--N过程pH值由7.38降低至6.94,NO₂^--N还原为N₂过程pH值基本不变;批式实验结果表明,硫自养反硝化和异养反硝化NO₃^--N去除速率分别为0.515,0.196kg N/（kg VSS·d）,硫自养反硝化污泥NO₂^--N降解速率为0.117kg N/（kg VSS·d）,污泥同时具有自养反硝化和异养反硝化活性;扫描电镜显示,污泥中存在大量的杆状细菌和球状菌;污泥中主要的硫反硝化细菌分别为Thiobacillus、Sulfurimonas和Thermomonas属,其相对丰度分别为14.5%、7.6%和6.0%.     

A2O缺氧池添加天然碳源玉米芯的脱氮特征

基于低碳源污水易硝化难反硝化的问题,构建了在A²O缺氧池添加天然碳源玉米芯的中试系统,采用物料衡算、反硝化速率测定和微生物群落分析等方法,研究了该系统的脱氮效能和反硝化体系特征.结果表明,TN去除率提升13%,出水从16.2降至10.0mg/L;同时不会造成出水氨氮和色度超标的风险.物料衡算表明,COD碳源的氧化消耗量和出水排放量降低,更多的碳源用于反硝化和污泥增殖,从而提升了氮素的去除量,其中反硝化的提升贡献更大.缺氧池形成了悬浮污泥加生物膜的复合型脱氮体系:在污水自身碳源存在时,生物膜和悬浮污泥的反硝化速率分别为24.89和32.42mg/(L∙h),可实现快速脱氮;当自身碳源消耗殆尽,二者的反硝化速率分别是4.71和1.73mg/(L×h),单位生物量反硝化速率分别是1.58和59.1mg NO₃^--N/(g VSS×h),表明玉米芯主要被生物膜利用以维持反硝化进行.该体系的主要反硝化菌属为Azospira,此外在生物膜表面还富集了能够附着生长的Iamia和Haliangium,以及能够降解玉米芯木质素的Sulfuritalea等反硝化菌属.     

马赛菌属Massilia neuiana异养硝化-好氧反硝化脱氮特征实验

基于马赛菌属脱氮Massilia neuiana的模式菌株PTW21进行研究,探讨其异养硝化-好氧反硝化脱氮能力。菌株PTW21具有高效异养硝化和好氧反硝化能力,对NH₄+-N和NO₂--N去除率均超过90%。同时,菌株PTW21具有同步硝化反硝化能力,且反硝化效率高于硝化效率,但当有NH₄+-N存在时,会优先利用NH₄+-N,再利用NO₂--N,存在硝化-反硝化竞争抑制现象。同步硝化反硝化时,菌株PTW21可以去除95%以上的NH₄+-N和NO₂--N。Massilia neuiana的研究丰富了异养硝化-好氧反硝化微生物的种类,也为该菌种在污水处理厂的生物强化应用提供了前期基础。     

前置A2NSBR系统硝化和反硝化除磷的特性

以处理实际低C/N生活污水的前置A₂NSBR系统为研究对象,考察系统内生物膜的硝化特性和活性污泥的反硝化除磷特性.试验研究了有机物和NO₂^--N浓度对生物膜硝化性能的影响,以及不同电子受体浓度对反硝化吸磷速率的影响.结果测得硝化速率为11.3mgNH₄⁺-N/（L·h）,在填充率40%的条件下容积负荷为0.27kgNH₄⁺-N/（m³·d）,有机物的存在会对硝化有抑制,但是系统表现出了良好的抗有机负荷冲击能力,硝化速率为9.72mg NH₄⁺-N/（L·h）.NO₂^--N处理对AOB活性几乎无影响,对NOB活性抑制作用明显,当NO₂^--N浓度为400mg/L时,NOB活性仅为1.63%,几乎接近完全被抑制.根据本次不同电子受体条件下除磷批次试验的结果,好氧吸磷速率为17.62mg P/（g VSS·h）,以NO₃^--N为电子受体的缺氧吸磷速率是12.94mg P/（g VSS·h）,从而可知缺氧聚磷菌占总聚磷菌的比例大约是73.4%,其中在NO₂^--N浓度为30mg/L出现吸磷抑制,当NO₂^--N和NO₃^--N共存时,NO₂^--N在初始浓度为15mg/L便出现吸磷抑制.     

基于全流程分析的低碳氮比进水污水处理厂运行调控

为使某污水处理厂出水达标排放,对该厂进行了全流程测试,分析其主要污染物沿工艺流程分布特征以及活性污泥特性,评估工艺运行现状,为该污水处理厂优化调控提供基础数据。研究发现,该厂进水ρ（BOD₅）/ρ（TN）仅为2.45,属于典型的低碳氮比进水。此外,通过活性污泥特性测试发现,反硝化潜力为9.0 mg/（g·h）,反硝化菌群相对丰度较高。进水碳源不足及外部碳源投加位点设置不合理是该厂无法实现TN达标排放的主要原因。在采取改变碳源投加位点、减小好氧池末端曝气量、增加碳源投加量等措施后,出水ρ（TN）由32.0 mg/L降至12.7 mg/L,实现了TN的达标排放;此外,厌氧释磷潜力由1.3 mg/（g·h）提升至2.6 mg/（g·h）,生物除磷能力也有了较大提升。研究提供了一种解决污水处理厂出水水质超标问题的思路,可为含低碳氮比进水的城镇污水处理厂运行调控及稳定达标提供参考。     

ABS树脂废水有机物反硝化潜势及降解特性

为优化ABS树脂废水的生物脱氮工艺,测定了废水的反硝化潜势,分析了废水反硝化阶段有机物的降解特性. 结果表明,ABS树脂废水的反硝化碳源充足,并且含有易降解有机物和慢速降解有机物等具有不同反硝化速率的有机物. 在废水ρ(SCOD)(SCOD为溶解性化学需氧量)为755.4~1 043.3 mg/L,ρ(TN)为86.1~111.1 mg/L的情况下,总反硝化潜势为95.4~144.6 mg/L (以NO₃--N计),其中易降解有机物的反硝化速率为3.4~4.6 mg/(g·h) (以NO₃--N计),反硝化潜势为33.2~49.7 mg/L;2类慢速降解有机物的反硝化速率分别为2.2~3.2和0.4~0.9 mg/(g·h),反硝化潜势之和为62.2~94.9 mg/L. 反硝化过程中,废水SCOD的去除率为48.9%~62.8%,ON(有机氮)去除率为81.5%~95.7%. 腈类物质得到明显降解,并生成大量NH₄+-N,是反硝化碳源的重要组成部分. 三维荧光光谱表明,废水中的芳香族有机物苯环结构在反硝化条件下未得到有效降解,但在好氧条件下得到快速降解.      

新型生物质碳源强化脱氮效果及微生物菌群分析

为了实现城镇污水处理厂深度脱氮效果,以太湖流域某污水处理厂为对象,以生物质废弃物再利用过程中产生的衍生物甘油为主要原料的生物质碳源作为反硝化电子供体,分别研究了缺氧池、深床滤池的反硝化脱氮效果,同时解析了外加生物质碳源前后的微生物群落结构变化特征。结果表明:在缺氧池投加2.5~3.0 t/d生物质碳源时,可使缺氧池硝态氮浓度下降1.67~1.73 mg/L,去除率为52%~68%;在深床滤池投加生物质碳源后,反硝化脱氮过程中约消耗5.27 mg COD可去除1 mg NO₃--N,进而使出水TN能够达到5 mg/L以下,实现了出水TN稳定达到DB 32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》一、二级保护区的排放限值要求。通过16S rRNA基因序列分析发现,缺氧池和深床滤池微生物优势菌门主要为Proteobacteria、Actinobacteriota、Chloroflexi和Bacteroidota。深床滤池由于工艺条件和生长环境不同,在投加生物质碳源后,Thiothrix、Bacillus、Propionicicella、norank_f_Rhodocyclaceae、Terrimonas等具有反硝化脱氮功能的优势菌群较为突出,有效保证了系统稳定的深度脱氮效果,同时间接降低CO₂排放,对城镇污水厂的碳减排及“碳中和”提供了积极参考。     

HRT对城市污水厂尾水反硝化深度脱氮的影响

污水厂尾水回用作为水源时,其ρ(TN)较高是亟待解决的问题. 在调研污水厂尾水水质的基础上,利用MBBR(移动床生物膜反应器)对其进行深度脱氮,并考察HRT(水力停留时间)对不同填料(聚乙烯和陶粒)的MBBR运行效果的影响. 结果表明,NO₃--N是尾水中氮的主要形态,其质量浓度约占ρ(TN)的80.8%±8.4%. HRT分别为12、8和4 h时,对NO₃--N去除率影响不大,均能达到90%以上,但反硝化能力随着HRT的缩短而成倍增加;HRT为4 h时各反应器的反硝化能力最大,聚乙烯和陶粒MBBR中分别为(28.4±14.5)和(27.4±14.3)mg/(L·d)(以NO₃--N计). 随着HRT的减少,COD_Cr去除率呈降低趋势. 三维荧光分析表明,进、出水中均含有类富里酸和类蛋白质等DOM物质. HRT为8 h时MBBR对DOM的去除率最高,聚乙烯填料MBBR对有机污染物的去除效果略优于陶粒填料. 综合考虑氮和有机污染物去除效能,聚乙烯和陶粒填料MBBR优化HRT均为8 h.      

SNAD生物膜厌氧氨氧化活性的氨氮抑制动力学研究

通过批试实验研究了氨氮浓度对SNAD生物膜厌氧氨氧化性能的影响.SNAD生物膜反应器以生活污水为进水.进水NH₄⁺-N和COD浓度平均值分别为70mg/L和180mg/L,出水NH₄⁺-N,NO₂^--N,NO₃^--N和COD浓度平均值分别为2mg/L,2mg/L,7mg/L和50mg/L.SNAD生物膜具有良好的厌氧氨氧化活性.初始NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度都为70mg/L时,厌氧氨氧化批试NH₄⁺-N、NO₂^--N和TIN去除速率分别为0.121kg N/（kg VSS·d）,0.180kg N/（kg VSS·d）和0.267kg N/（kg VSS·d）.采用Haldane模型可以很好的拟合氨氮浓度对厌氧氨氧化活性的影响.在高FA和低FA工况下氨氮浓度对厌氧氨氧化活性的抑制动力学常数相差不大.M1（FA浓度为0.7~20.4mg/L）和M2（FA浓度为6.3~190.5mg/L）的最大NO₂^--N理论去除速率r_max分别为0.209kg N/（kg VSS·d）和0.221kg N/（kg VSS·d）,氨氮半饱和常数Ks分别为9.5mg/L和6.1mg/L,氨氮自身抑制常数K_I分别为422mg/L和597mg/L.氨氮（而不是游离氨）对SNAD生物膜的厌氧氨氧化活性起主要抑制作用.     

HABR系统实现固相异养与单质硫自养集成反硝化试验

采用连续流运行方式,将含NO₃--N的原水依次通过HABR(复合式厌氧折流板反应器)内添加木屑(第1系统)和硫磺颗粒(第2系统)的2个系统,在温度为(25±1)℃的条件下,将NO₃--N容积负荷由72g/(m3·d)逐渐提高至80和96g/(m3·d),在不需投加传统型外加碳源的条件下实现了固相异养与单质硫自养的集成反硝化. 结果表明:进水NO₃--N容积负荷为96g/(m3·d)时,系统NO₃--N总去除率达到99.0％,第1系统和第2系统对NO₃--N的去除率贡献各为50.0％;系统出水ρ(COD_Mn)为5.74～10.05mg/L,ρ(SO₄2-)为405～870mg/L,并且没有NH₄+-N和NO₂--N的积累. 第1系统产生的碱度能部分中和第2系统内产生的酸,进水、第1系统、第2系统出水pH分别为7.5、7.5～7.6、6.5～7.2,使硫自养反硝化系统呈现出较强的pH平衡能力,不需外加石灰石调节碱度即可为反硝化细菌提供较适宜的中性生存环境. 系统在pH平衡能力和NO₃--N去除效果2个方面均表现出良好的协同作用,并且通过集成反硝化作用弥补了2个系统单独运行时反硝化过程效率低的缺点,较传统异养型生物反硝化降低了运行成本.      

不同电子受体驯化聚糖菌反硝化过程及N2O释放特性

利用序批式（sequencing batch reactor,SBR）生物反应器,采用厌氧-好氧运行方式,以乙酸钠为碳源,在控制进水P/COD<2/100条件下,成功实现了聚糖菌（glycogen accumulating organisms,GAOs）富集。缺氧初始阶段ρ（NO_x--N）为30.0 mg/L,经厌氧-缺氧驯化后,反硝化聚糖菌（denitrifuing GAOs,DGAOs）可利用聚-β-羟基脂肪酸酯（poly-β-hydroxyalkanoate,PHA）为内碳源进行反硝化,且分解利用的PHA中80%以上为聚-β-羟基丁酸酯（poly-β-hydroxybutyrate,PHB）。高浓度NO₂-抑制DGAOs活性,厌氧PHA合成降低,且缺氧段PHA分解产生的能量较多地用于储存糖原（glycogen,Gly）。NO₃-和NO₂-还原过程中,PHA降解速率分别为19.28,10.02 mg/（g·h）,内源反硝化速率分别为3.32,2.29 mg/（g·h）,TN去除率达95%以上。随NO₂-/NO_x-增加,N₂O平均产率由29.1%增至59.0%。高浓度NO₂-对氧化亚氮还原酶（Nos）活性抑制作用以及Nos和亚硝态氮还原酶（Nir）之间的电子竞争过程,是导致NO₂-内源反硝化过程中N₂O大量释放的主要原因。