A novel single-stage process integrating simultaneous COD oxidation, partial nitritation-denitritation and anammox(SCONDA) for treating ammonia-rich organic wastewater

一種新型單級(jí)工藝集成同步COD氧化、部分亞硝化-反亞硝化和厭氧氨氧化(SCONDA)處理富氨有機(jī)廢水

來(lái)源：Bioresource Technology, Volume 254, 2018, Pages 50-55

《生物資源技術(shù)》，第254卷，2018年，第50-55頁(yè)

 

摘要

摘要部分闡述了研究成功將同步COD氧化、部分亞硝化、反亞硝化和厭氧氨氧化(SCONDA)集成到一個(gè)單級(jí)序批式生物膜反應(yīng)器中，用于處理碳氮比(C/N)為3的富氨有機(jī)廢水。結(jié)果顯示，通過SCONDA實(shí)現(xiàn)了94.3%的COD去除率、92.6%的NH4+-N去除率和88%的總氮(TN)去除率。高通量測(cè)序分析進(jìn)一步揭示了微生物群落主要以異養(yǎng)細(xì)菌（如Thauera、Azovibrio、Ohtaekwangia、Azospira）、自養(yǎng)細(xì)菌（如Nitrosomonas）和未分類的厭氧氨氧化菌為主，這些對(duì)COD和氮去除至關(guān)重要。在低溶解氧(1.3 mg/L)下，功能物種在分層生物膜中的空間分布對(duì)SCONDA成功至關(guān)重要。集成的SCONDA系統(tǒng)有望為高氨有機(jī)廢水的高級(jí)氮和有機(jī)物去除提供有前景的替代方案。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種新型單級(jí)SCONDA工藝，用于處理高氨氮有機(jī)廢水，并評(píng)估其性能、微生物群落和氮去除機(jī)制，以解決高C/N比廢水處理中厭氧氨氧化菌被異養(yǎng)反硝化菌競(jìng)爭(zhēng)抑制的問題，實(shí)現(xiàn)高效同步去除COD和氮。

 

研究思路

研究思路通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的序批式生物膜反應(yīng)器(SBR)進(jìn)行，反應(yīng)器填充聚氨酯泡沫 cubes，在低溶解氧(1.1-1.3 mg/L)下操作。實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)階段，逐步增加進(jìn)水NH4+-N濃度（從100 mg/L到300 mg/L）并調(diào)整水力停留時(shí)間(HRT)，以抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB)并促進(jìn)部分亞硝化。定期監(jiān)測(cè)COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度、溶解氧和微生物群落。使用丹麥Unisense微電極測(cè)量生物膜中氧分布，并通過高通量測(cè)序分析微生物群落結(jié)構(gòu)，以揭示SCONDA過程的機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 測(cè)量了COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度變化及去除效率，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 2a。研究意義是驗(yàn)證SCONDA工藝的有效性，顯示高去除率（COD 94.3%、NH4+-N 92.6%、TN 88%），表明系統(tǒng)能同步處理有機(jī)和氮污染物，為高C/N廢水處理提供實(shí)踐依據(jù)。

 

2 測(cè)量了微生物群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)菌群，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 3a和Fig. 3b。研究意義是揭示異養(yǎng)細(xì)菌（如Thauera、Azovibrio）、自養(yǎng)細(xì)菌（如Nitrosomonas）和厭氧氨氧化菌的共存，這些菌群分別負(fù)責(zé)COD氧化、部分亞硝化和厭氧氨氧化，支持SCONDA的多功能集成。

 

3 測(cè)量了溶解氧在生物膜中的分布剖面，數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 4。研究意義是確定好氧、缺氧和厭氧層的深度（約800μm），顯示氧分層如何支持不同微生物活動(dòng)（如好氧層COD氧化、缺氧層反亞硝化、厭氧層厭氧氨氧化），優(yōu)化工藝條件。

 

4 測(cè)量了系統(tǒng)性能與其他單級(jí)厭氧氨氧化系統(tǒng)的比較數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)自Table 2。研究意義是突出SCONDA在高C/N比（=3）下的優(yōu)勢(shì)，顯示更高氮負(fù)荷率和去除效率，為工藝選擇提供參考。

 

結(jié)論

1 SCONDA工藝能高效同步去除COD和氮，在C/N=3下實(shí)現(xiàn)高去除率，證明其處理高氨有機(jī)廢水的可行性。

2 微生物群落以異養(yǎng)細(xì)菌、氨氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化菌為主，它們的空間分布和共存是SCONDA成功的關(guān)鍵。

3 低溶解氧(1.3 mg/L)和生物膜分層確保了功能物種的活性，抑制了NOB，促進(jìn)了部分亞硝化和厭氧氨氧化。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極測(cè)量生物膜中溶解氧分布數(shù)據(jù)的研究意義在于精確量化氧在生物膜中的微剖面，從而揭示好氧、缺氧和厭氧層的形成和深度。在研究中，電極測(cè)量顯示在800μm生物膜中，氧濃度從表面到內(nèi)部逐漸降低，定義了好氧層(>0.5 mg/L)、缺氧層(0.1-0.5 mg/L)和厭氧層(<0.1 mg/L)，這種分層結(jié)構(gòu)（如Fig. 4所示）直接支持了SCONDA過程：好氧層促進(jìn)異養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行COD氧化和氨氧化細(xì)菌進(jìn)行部分亞硝化，缺氧層允許異養(yǎng)反硝化菌進(jìn)行反亞硝化，厭氧層為厭氧氨氧化菌提供理想環(huán)境。這確保了多種微生物在低溶解氧下的協(xié)同作用，優(yōu)化了氮去除路徑，減少了亞硝酸鹽積累和溫室氣體排放。此外，電極數(shù)據(jù)幫助驗(yàn)證操作條件（如DO控制）的有效性，為工藝設(shè)計(jì)和放大提供關(guān)鍵參數(shù)，強(qiáng)調(diào)了微電極技術(shù)在環(huán)境生物過程研究中的高分辨率和實(shí)用性。