Novel two stage partial denitrification (PD)-Anammox process for tertiary nitrogen removal from low carbon/nitrogen (C/N) municipal sewage

用于低碳氮比市政污水三級脫氮的新型兩段部分反硝化(PD)-厭氧氨氧化工藝

來源：Chemical Engineering Journal, Volume 362, 2019, Pages 107-115

《化學工程雜志》，第362卷，2019年，第107-115頁

 

摘要

這篇論文研究了一種新型的兩段部分反硝化(PD)-厭氧氨氧化(Anammox)工藝，用于處理低碳氮比(C/N)市政污水和含硝酸鹽的二級出水。過程包括部分反硝化將硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽，然后厭氧氨氧化去除氮。結果顯示，硝酸鹽去除效率達97.9%，氨氮和COD去除效率分別為95.2%和81.6%，最終出水總氮低至4.0 mg/L，厭氧氨氧化貢獻了78.2%的脫氮，且過程產生低量氧化亞氮(N2O)，具有經濟和環境優勢。

 

研究目的

本研究旨在開發一種新型的三級脫氮工藝，以解決傳統污水處理廠二級出水中硝酸鹽過高的問題。傳統工藝存在碳源需求高、污泥產量大、操作復雜等缺點，PD-Anammox過程旨在通過部分反硝化和厭氧氨氧化的結合，實現高效、穩定、低成本的氮去除，同時減少環境影響。

 

研究思路

研究設計了一個兩階段系統：第一部分是部分反硝化(PD)序批式反應器(SBR)，使用乙酸鈉作為碳源，將硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽；第二部分是上流式厭氧污泥床(UASB)反應器，進行厭氧氨氧化，進一步去除氮。過程長期運行224天，處理模擬二級出水（硝酸鹽20-40 mg/L）和真實市政污水（氨氮57.8 mg/L，COD 175.8 mg/L），通過調整碳氮比和操作參數優化性能。

 

測量的數據及研究意義

1 氮濃度數據（如NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN）和COD濃度，來自Fig. 2和Table 1。研究意義在于驗證PD-Anammox過程的高效性，顯示硝酸鹽和氨氮的去除效率均超過95%，總氮出水達4.0 mg/L，滿足嚴格排放標準，證明該工藝適用于三級處理。

 

 

2 部分反硝化性能數據，如亞硝酸鹽積累率(NTR)、特定硝酸鹽還原速率和特定亞硝酸鹽產生速率，來自Fig. 3。研究意義在于表明PD階段能穩定產生亞硝酸鹽（NTR達85.6%），為Anammox提供底物，確保整個過程穩定性。

 

3 微生物群落數據，如高通量測序結果，顯示Planctomycetes、Chloroflexi等菌門比例，來自Fig. 4。研究意義在于揭示Anammox菌（如Candidatus_Brocadia）為主導，盡管存在異養菌，但過程仍穩定，幫助理解微生物機制。

 

4 N2O產生數據，來自Fig. 5，使用丹麥Unisense電極測量。研究意義在于量化過程的環境影響，顯示N2O產生量低（PD出水中0.031-0.053 mg/L），表明該工藝溫室氣體排放少，優于傳統反硝化。

 

結論

1 PD-Anammox過程能高效去除氮，出水總氮低至4.0 mg/L，厭氧氨氧化是主要脫氮途徑（平均貢獻78.2%），且過程穩定運行224天。

2 該過程經濟環境友好，氧氣消耗、碳源需求和污泥產量均比傳統工藝低，CO2排放減少，易于從現有廠改造。

3 N2O產生量低，減少了溫室氣體風險，但需注意有機物輸入對Anammox穩定性的潛在影響。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究使用丹麥Unisense N2O微傳感器（N2O 500）測量N2O濃度，檢測限為0.0028 mg/L，校準后顯示線性相關。研究意義在于：該電極提供高精度、實時的N2O監測數據，幫助準確量化PD和Anammox階段的溫室氣體排放。從Fig. 5數據可知，PD階段在低碳氮比時N2O積累較高，但整體過程N2O產生量低，證實了PD-Anammox的環境優勢。這種測量支持了過程優化，如控制碳源投加以減少N2O，并為評估工藝可持續性提供關鍵指標。