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西安第四污水处理厂短程反硝化和部分Anammox现象的缘起、发现、研究与展望

  一、在厌氧和缺氧池投加填料形成MBBR是核心技术

 
      在西安第四污水处理厂“一期(25 万m*/d)的AA0工艺升级改造之际,我们经过大量的调研工作后,明确了该厂出水的氨氮(NH'-N) 浓度稳定低于lmg/L,说明硝化完全,而出水的硝氮(NO3 -N)和总氮(TN)浓度超标( 15mg/L)说明反硝化能力较差后,我认为,如果再按惯例,通过投加流化床填料强化好氧池的硝化功能,已经没有必要了,而必须利用生物填料强化厌氧和缺氧区的除磷和反硝化能力。因此我首先提出并坚持建议在厌氧和缺氧池投加填料、调整厌氧/缺氧/好氧池的水力停留时间等技术改造方案,并基本得到各方面的认可。由于国内外极少有在厌氧和缺氧池投加填料的案例,期间在西安该厂甲方中也出现一些强烈的反对意见,并造成改造过程的停工与反复。但最终在多方共同努力下,按预计方案完成了升级改造工程。
 
      虽然只是在厌氧和缺氧池投加生物填料形成MBBR,强化厌氧和缺氧区的除磷和反硝化性能,但是根据我们多年来关于污水脱氮除磷的研究与实践,特别是2012年以来关于短程反硝化( partial denitrification,将NO3还原为NO2而不是直接还原为N)与厌氧氨氧化(Anammox) 耦合的研究经历,感到厌氧和缺氧区可能是Anammox菌富集的热区,促使我们近4年来一直对该污水处理厂进行跟踪取样、检测和研究。

 
 二、短程反硝化+部分Anammox现象,其中短程反硝化是关键的必要条件

   虽然西安第四污水处理厂进水的总氮浓度较高,但改造后(无外加碳源)出水总氮长期稳定低于10mg/L 以下,甚至低于5mg/L,出水总磷(TP)也平均低于0.3 mg/L 以下,远高于传统AA0工艺通常的脱氮除磷效率。经过近一年的运行后,我们发现厌氧和缺氧区填料生物膜呈现微红色,根据多年来对厌氧氨氧化技术的研究,很快意识到这很可能是Anammox菌的富集。我第一时间先后安排研究生(李健伟、马斌、高锐涛、汪晓聃等)对该课题进行系统的研究。目前我的团队对该厂进行了长达4年的跟踪调研(近两年来每月定期取样),最终通过多方面的检测与验证(活性测试、分子生物学检测、高通测序、物料守恒计算、初步模型确立),发现了这一重要的基于厌氧缺氧MBBR的短程反硝化+部分Anammox的自养脱氮过程。
  尽管我们开始就认为短程反硝化+部分Anarmox过程是显而易见的,但是实践表明,要从上述几个方面通过试验和微生物检测证明,还是经历了非常艰难的过程!我们关于该研究的几篇具有创新性的论文已完成,即将陆续发表。

  这一过程的必要条件和关键步骤是其中的短程反硝化,因为如果没有NO2产生,就不可能发生厌氧氨氧化反应(简化为NH'+NO2→N2+2H20),而在缺氧池中,又不存在好氧条件及其短程硝化(NH'至NO2)来产生NOz,因此,只能以污水中的有机物作为电子供体,通过短程反硝化将回流污泥和内回流硝化液中的NO3~还原为NOz,同时利用来源于污水并过量存在于厌氧和缺氧池的NH',形成与促进部分Anammox反应过程。我和研究生(操沈彬、杜睿、李健伟、吉建涛、牛萌、张寒雨等)从2012年初开始,在国内外率先开展了短程反硝化+Anammox的研究,至今已经发表SCI论文18篇(见附件1)。
在该发明专利获公布和授权后的2016年11月16日,在北京召开了由某环保公司等单位提出的“基于厌氧缺氧流态化生物载体的污水处理强化脱氮除磷技术及应用”科技成果鉴定会(附件略)。现将其3条创新点摘录如下:
      “主要创新点有:
      1、研发了适用于“基于厌氧缺氧流态化生物载体(FBC) 的污水处理强化脱氮除磷技术”的新型悬浮生物填料,为强化生物脱氮除磷奠定了工程基础。(注:该成果完成单位中,还应当有研发该新型悬浮生物填料的单位)
      2、设计了一种大型无终点循环模式的厌氧缺氧FBC反应池,经在西安市第四污水处理厂改造工程中应用证明:缺氧反硝化时间由传统的5~6h减少为2.6h,同时提高了脫氮效率,出水水质优于GB18918-2002一级A排放要求。
      3、“基于厌氧缺氧流态化生物载体的污水处理强化脱氮除磷技术”是一种节能节碳新工艺,在污水处理脱氮主流程中同时实现了一定程度的厌氧氨氧化,并充分利用了污泥内碳源以及厌氧FBC技术的强化水解作用。首次在大型工程中得到应用,降低了污水处理厂的运行费用.原文来自城镇污水深度处理与资源化利用技术-国家实验室
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