Simultaneous decarburization, nitrification and denitrification (SDCND) in coking wastewater treatment using an integrated fluidized-bed reactor

使用集成流化床反應器在焦化廢水處理中實現(xiàn)同步脫碳、硝化和反硝化

來源：Journal of Environmental Management, Volume 252, 2019, Article ID 109661

《環(huán)境管理雜志》，第252卷，2019年，文章編號109661

 

摘要

摘要指出焦化廢水生物處理存在兩個問題：預厭氧處理無法消除廢水毒性，預好氧處理中后續(xù)反硝化碳源不足。為實現(xiàn)同步脫碳、硝化和反硝化（SDCND），研究使用生物載體材料構(gòu)建集成流化床反應器（RB），并以常規(guī)流化床反應器（RA）作為對照。結(jié)果顯示，在水力停留時間60小時下，RB的COD和TN去除效率分別為90%和87%，顯著高于RA的82%和45%。微電極測量表明載體內(nèi)部氧傳輸受限，形成溶解氧濃度梯度。微生物群落分析顯示RB中的好氧和缺氧微環(huán)境促進了更廣泛細菌共存，從而實現(xiàn)SDCND。這表明集成流化床反應器在相同曝氣驅(qū)動條件下對焦化廢水同步碳氮去除具有可行性。

 

研究目的

研究目的是評估集成流化床反應器在焦化廢水處理中實現(xiàn)同步脫碳、硝化和反硝化（SDCND）的潛力，具體包括：測量COD和TN去除效率及氮轉(zhuǎn)化以檢驗SDCND可行性；監(jiān)測反應器中溶解氧變化，觀察載體內(nèi)外DO分布；分析微生物群落組成以識別污染物生物降解中的主導細菌。

 

研究思路

研究思路是通過構(gòu)建兩個流化床反應器進行比較：RA為無載體常規(guī)反應器，RB為有載體集成反應器，在相同操作條件（如HRT 60小時、連續(xù)曝氣、pH 7.0-8.0、溫度25-30°C）下運行。實驗測量COD、TN、氮物種（NH4-N、SCN-N、NO3-N、NO2-N）的去除性能，使用微電極監(jiān)測DO濃度梯度，并通過高通量測序分析微生物群落。機制上，利用載體創(chuàng)建好氧和缺氧共存的微環(huán)境，以促進功能細菌協(xié)同作用，實現(xiàn)SDCND。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 COD去除數(shù)據(jù)：來自圖2，顯示RB的COD去除效率達90.3%，高于RA的82.1%。研究意義是證明載體提供的缺氧微環(huán)境增強了難降解有機物的生物降解，提高了碳去除效率，為焦化廢水處理提供了更高效的方法。

 

2 酚和非酚COD去除數(shù)據(jù)：來自圖3，酚在兩種反應器中均快速去除，但非酚COD在RB去除率達80%，高于RA的60%。研究意義是表明載體微環(huán)境促進了有毒難降解化合物（如喹啉、吲哚）的水解，改善了廢水可生化性。

 

3 氮去除數(shù)據(jù)：來自圖4，RB的TN去除效率達87%，NH4-N和NO3-N濃度分別降至4mg/L和15mg/L，而RA為19mg/L和52mg/L。研究意義是顯示SDCND在RB中有效實現(xiàn)，歸因于好氧硝化和缺氧反硝化的協(xié)同，解決了碳源不足問題。

 

4 DO濃度數(shù)據(jù)：來自圖5，微電極測量顯示載體內(nèi)部DO濃度急劇下降，形成梯度（從外部好氧到內(nèi)部缺氧）。研究意義是直接證實缺氧微環(huán)境的形成，為SDCND機制提供物理證據(jù)，支持載體設(shè)計優(yōu)化。

 

5 微生物群落數(shù)據(jù)：來自表3和表4，RB中好氧和厭氧細菌（如Thiobacillus、Pseudomonas）豐度增加，多樣性參數(shù)下降。研究意義是揭示微生物群落結(jié)構(gòu)與功能分工的關(guān)聯(lián)，證實好氧-缺氧微環(huán)境促進了細菌共存，增強了污染物去除。

 

 

結(jié)論

1 集成流化床反應器（RB）在焦化廢水處理中實現(xiàn)了高效同步脫碳、硝化和反硝化（SDCND），COD和TN去除效率分別達91%和87%，優(yōu)于對照反應器（RA）。

2 載體創(chuàng)建了好氧和缺氧共存的微環(huán)境，通過DO濃度梯度促進了功能細菌（如好氧菌和厭氧菌）的協(xié)同作用，消除了有毒化合物的抑制。

3 微生物群落分析顯示RB中細菌多樣性更合理，支持了SDCND的可行性，為該技術(shù)在其他高毒性工業(yè)廢水處理中的應用提供了參考。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義在于其高精度原位監(jiān)測能力，能夠揭示反應器微環(huán)境中的溶解氧分布動態(tài)。具體地，微電極測量顯示載體內(nèi)部形成了明顯的DO濃度梯度（如圖5），從外部好氧區(qū)（DO充足）到內(nèi)部缺氧區(qū)（DO接近零），這直接證實了缺氧微環(huán)境的形成。這種測量為SDCND機制提供了關(guān)鍵證據(jù)：氧傳輸受限導致好氧和缺氧區(qū)共存，從而支持硝化細菌在好氧區(qū)活動，反硝化細菌在缺氧區(qū)利用碳源進行反硝化。研究意義在于優(yōu)化反應器設(shè)計，通過微電極數(shù)據(jù)指導載體配置和操作參數(shù)（如曝氣量），以最大化微環(huán)境效益，提高廢水處理效率。此外，該方法避免了傳統(tǒng)采樣破壞樣本，實現(xiàn)了實時連續(xù)監(jiān)測，為類似生物處理系統(tǒng)的微尺度研究提供了技術(shù)支撐。