2020年曝氣器生產廠家一段式完全脫氮新技術PNAM：短程硝化+厭氧氨氧化+厭氧甲烷氧化

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

　　研究亮點

　　1. 單個反應器中集成PN/ANAMMOX/ DAMO(簡稱PNAM工藝)實現測流污水氮的高效去除;

　　2. 成功在單個系統耦合好氧氨氧化細菌，厭氧氨氧化菌，n-DAMO細菌及n-DAMO古菌;

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

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

　　研究背景

　　2013年，昆士蘭大學水管理高級研究中心(AWMC)聯合澳大利亞生態基因組學研究中心(ACE)團隊在Nature期刊上發表論文，首次揭示了厭氧甲烷氧化古菌的代謝機理。在隨后的十五年間，從微生物代謝機理到污水生物脫氮的實際應用，AWMC在國際頂級期刊上發表多篇重要報道，其中包括一篇TheISME Journal，15篇Water Research和EnvironmentalScience & Technology。近期，團隊首次成功將三種厭氧微生物(厭氧甲烷氧化細菌，厭氧甲烷氧化古菌和厭氧氨氧化細菌)和好氧微生物(好氧氨氧化細菌)成功耦合在一個生物膜反應器中，從而實現測流一段式完全脫氮。在進水氨氮濃度1000mg N/L的情況下，出水總氮在10 mg N/L左右。此研究歷時兩年時間，大致可以分為兩個階段：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)以及厭氧氨氧化細菌(anammox bacteria)。反應器在嚴格厭氧條件下運行，被用來處理模擬廢水(短程硝化后的厭氧消化液)。在前180天，進水氨氮和亞硝態氮分別為500 mg N/L和530 mg N/L，而出水中亞硝態氮和硝態氮低于5 mg N/L，出水氨氮約為100 mgN/L。為了進一步降低出水氨氮的濃度，研究人員將進水氨氮和亞硝態氮的比例進行了調整(進水氨氮降為430 mgN/L，而亞硝態氮提高為600 mg N/L)。在接下來的180-400天，反應器脫氮效果進一步提高，總氮維持在10 mg N/L以下，去除率達到了99%。

　　Figure 1. 兩段式完全脫氮效果：進出水三氮濃度(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

　　在穩定實現兩段式完全脫氮之后，研究人員在第420天左右向反應器中接種了富集的AOB種泥，與此同時進水改為未經短程硝化的厭氧消化液(僅含有氨氮1000mg N/L)。通過嚴格控制氧氣傳質速率，將反應器溶解氧濃度穩定維持在0.05-0.1 mg/L之間。在此條件下，AOB成功將部分氨氮轉化為亞硝態氮，而轉化生成的部分亞硝態氮與剩余氨氮被厭氧甲烷氧化細菌代謝去除。與此同時，在厭氧氨氧化過程中產生的硝態氮則被厭氧甲烷氧化古菌所去除。通過不同微生物間的協同工作，在進水1000mg N/L氨氮的情況下，出水總氮僅為10 mg N/L左右，成功實現了一段式完全脫氮。

　　Figure 2. 一段式完全脫氮效果：進出水三氮濃度(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構

　　為了進一步確定功能微生物在反應器是否得到成功耦合富集，該研究對采集的生物膜樣本進行了16SrRNA基因高通量測序。研究發現，在通過400天左右兩段式完全脫氮運行，反應器內anammox，n-DAMO細菌和n-DAMO古菌三種功能微生物在生物膜當中占主要地位。而在低氧濃度下運行300天之后，好氧氨氧化細菌AOB成功與厭氧微生物耦合在一個生物膜當中。與此同時，通過嚴格控制溶解氧濃度，好氧亞硝酸鹽氧化細菌NOB和好氧甲烷氧化細菌得到了成功抑制，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

　　該研究中同時檢測了脫氮過程中產生的N2O。研究人員發現，在兩段式期間，并不能檢測出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%，在脫氮相關工藝當中處于較低的水平。這個現象可能與反應器當中較低的亞硝濃度(<1mgN/L)有關。

　　Figure 4. 一段式階段N2O釋放

　　5. 物料平衡

　　為了進一步證明多種好氧微生物和厭氧微生物在生物膜中的協同工作，研究人員進行了一系列的短期序批試驗。在A組實驗中，沒有提供任何甲烷氣體，DO控制在0.2 mg/L，證明了AOB和Anammox細菌的協同工作。在B組實驗中， 僅提供DO和亞硝態氮，在一個小時內，僅有10%左右的亞硝態氮轉化為硝態氮，進一步佐證了反應器內NOB的活性較低。在C組實驗中，在未提供任何甲烷和氧氣氣體的條件下，反應器氨氮、亞硝態氮以1：1.3左右的比例同時被去除，并且生成了10%左右的硝態氮，證明了Anammox細菌的存在。在D組和E組實驗中，研究人員觀測到甲烷，亞硝態氮和硝態氮的同步去除，并且去除比例符合n-DAMO細菌和n-DAMO古菌的反應計量學。在最后一組實驗F中，DO控制在0.2 mg/L，相比實驗組A，研究人員發現氨氮被去除的同時，并沒有硝態氮的生成，同時甲烷濃度逐漸下降，進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: (A) NH4++O2;(B) NO2-+O2;(C) NH4++NO2-;(D) CH4+NO2-;(E) CH4+NO3-;(F) CH4+NH4++O2.

　　6. 微生物生態模型

　　基于以上結果，研究人員提出了一個微生物生態模型，其中耦合了五種不同功能微生物的協同與競爭。由于氨氮和氧氣來源于液體，所以好氧微生(AOB,NOB)主要生長在生物膜的外側。好氧微生物轉化部分氨氮為亞硝態氮，并且消耗氧氣，從而保護內部厭氧微生物不受氧氣的抑制。由于甲烷的供給來自于中空纖維膜，因此厭氧甲烷氧化細菌和古菌生長在生物膜的內部，便于利用甲烷，通過和厭氧氨氧化細菌的協同工作，實現了接近100%的脫氮效果。

　　Figure 6. 微生物生態概念模型

　　研究總結與展望

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

　　2.首次成功將厭氧甲烷氧化細菌和古菌與好氧微生物耦合在一個生物膜當中，實現了一段式完全脫氮

　　3. N2O釋放因子約為0.34%在現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證明了功能微生物(AOB, anammox,n-DAMO 細菌和n-DAMO古菌)的協同工作

　　5. PNAM系統成功耦合了多種氮循環和甲烷循環微生物，可作為一個理想的環境微生物生態系統對微生物的互作和競爭進行深入研究。

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