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北京建筑大学吴莉娜:UASB AO ANAOR ASBR实现垃圾渗滤液自养深度脱氮

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专栏寄语 : 水是与人类活动关系最为密切的环境要素,水环境前沿科学研究也始终处于高度活跃的状态。科学研究没有终点,而发表、出版是研究社区、学术生态不可或缺的重要一环。作为专业水行业期刊,我们始终致力于期刊特色发展,希望为塑造生机勃勃的学术生态环境做出应有的贡献。《中国给水排水》杂志与中信环境联合推出


专栏寄语 水是与人类活动关系最为密切的环境要素,水环境前沿科学研究也始终处于高度活跃的状态。科学研究没有终点,而发表、出版是研究社区、学术生态不可或缺的重要一环。作为专业水行业期刊,我们始终致力于期刊特色发展,希望为塑造生机勃勃的学术生态环境做出应有的贡献。《中国给水排水》杂志与中信环境联合推出 “Top Water Research” 微信专栏,旨在传递国内外水环境研究 TOP 文献情报,进一步推动学术交流合作。欢迎国内外的优秀研究小组踊跃参与,分享你们的前沿研究成果。本专栏将持续播出,敬请关注!



推荐理由: 垃圾渗滤液含有高浓度的 NH 4 + -N ,属于难降解废水。传统脱氮工艺需投加大量无机碳源,是造成垃圾渗滤液处理成本高的原因之一。与传统脱氮工艺相比,厌氧氨氧化( Anammox )技术可大幅减少曝气量且无需投加碳源,从而降低垃圾渗滤液处理成本。然而,针对亚硝酸盐型厌氧氨氧化过程来说,实现这一反应的前提是需要通过短程硝化将部分 NH 4 + -N 转化为 NO 2 - -N 。如何快速实现并稳定维持垃圾渗滤液的短程硝化是实现厌氧氨氧化脱氮的关键因素之一。同时厌氧氨氧化产生的硝态氮( NO - 3 -N )与垃圾渗滤液中的 NH 4 + -N 转化产生的 NO 3 - -N 导致出水总氮( TN )不达标。因此,这也是在垃圾渗滤液处理中成功实现厌氧氨氧化的另一关键步骤。基于此,北京建筑大学吴莉娜副教授团队经过多年的深入探索和研究,发现游离氨( FA )和游离亚硝酸( FNA )对 NOB 有抑制作用,但有助 AOB 生长并富集成为优势菌种,从而快速实现短程硝化和稳定运行。近期,该课题组采用上流式厌氧污泥床( UASB 缺氧 / 好氧反应器( A/O 厌氧氨氧化反应器( ANAOR - 厌氧序批式反应器( ASBR )工艺,实现了短程硝化 - 厌氧氨氧化和短程反硝化 - 厌氧氨氧化的巧妙结合, NH 4 + -N TN 去除率分别达到 97% 92% 。该研究成果发表在环境领域知名期刊 Environment International 上。



——同济大学浙江学院、《中国给水排水》青年编委 刘俊 博士

研究背景
垃圾渗滤液是固体废物在填埋场的分解产物,含有高浓度 NH 4 + -N 。若不加以有效处理,可能会产生潜在的环境问题。传统脱氮过程需投加大量无机碳源,是造成垃圾渗滤液处理成本高的原因之一。而厌氧氨氧化( Anammox )技术,只需将部分氨氮( NH 4 + -N )氧化成亚硝酸盐( NO 2 - -N ), NO 2 - -N 再和剩下的 NH 4 + -N 反应直接生成 N 2 ,实现自养脱氮而无需投加无机碳源。与传统脱氮相比, Anammox 技术可节省 62.5% 的曝气量且无需投加碳源,这可大幅降低垃圾渗滤液处理成本。然而,针对亚硝酸盐型厌氧氨氧化过程来说,实现这一反应的前提是需要通过短程硝化将部分 NH 4 + -N 转化为 NO 2 - -N 。如何快速实现并稳定维持垃圾渗滤液的短程硝化是实现垃圾渗滤液厌氧氨氧化脱氮的关键因素之一。另外,在厌氧氨氧化过程中会产生硝态氮( NO 3 - -N ),因为垃圾渗滤液本身 NH 4 + -N 含量很高,由此产生的 NO 3 - -N 会直接造成总氮( TN )不达标。因此,这也是在垃圾渗滤液处理中实现厌氧氨氧化的另一关键步骤。


中文摘要
本研究采用 UASB-A/O-ANAOR-ASBR 工艺处理垃圾渗滤液,实现了短程硝化 - 厌氧氨氧化稳定运行,最终使得出水 NH 4 + -N TN 达标排放。本课题也对处理垃圾渗滤液过程中影响厌氧氨氧化的因素进行了深入分析,并对系统中微生物的多样性进行了分析。结果表明,系统中 AOB 的相对丰度是 NOB 4~5 倍,这为后续厌氧氨氧化的成功实现提供了有利保障;在垃圾渗滤液厌氧氨氧化过程中检测出厌氧氨氧化菌是 Candidatus Kuenenia ,且随着工艺的长时间运行,该物种的相对丰度越来越高。


试验结果与关键图表

1、 短程硝化 - 厌氧氨氧化耦合短程反硝化厌氧氨氧化实现垃圾渗滤液深度脱氮

本研究采用 UASB–A/O– 厌氧氨氧化反应器( ANAOR )和厌氧序批式反应器( ASBR )( UASB-A/O-ANAOR-ASBR )组合工艺,试验用水为北京某垃圾填埋场渗滤液(见图 1 )。原水首先进入 UASB ,同时一部分硝化液从沉淀池回流至 UASB 。通过硝化液的回流可以降低进水浓度,从而减轻对微生物的抑制作用。同时,回流硝化液中的 NO 2 - -N NO 3 - -N 可以充分利用原水中的有机碳源进行反硝化,在研究中还对工艺过程中有机物的变化进行了详细分析。高浓度有机物通常是垃圾渗滤液实现厌氧氨氧化的又一个瓶颈。通过三维荧光光谱等分析, UASB 出水中可降解的有机物很少,因此保证了后续厌氧氨氧化反应不被高浓度有机物所抑制,为后续厌氧氨氧化反应创造了条件。 UASB 出水进入 A/O 反应器后实现短程硝化,部分 NH 4 + -N 转化成 NO 2 - -N ,之后在 ANAOR NH 4 + -N NO 2 - -N 继续发生厌氧氨氧化反应。 ANAOR 出水再经过 ASBR 处理。将稀释的垃圾渗滤液作为有限碳源打入中间水箱后再进到 ASBR NO 3 - -N 利用有限碳源转化为 NO 2 - -N NO 2 - -N 和在中间水箱加入的稀释垃圾渗滤液中的 NH 4 + -N 反应脱氮。因此,整个工艺通过短程硝化 - 厌氧氨氧化和短程反硝化 - 厌氧氨氧化工艺耦合实现了垃圾渗滤液的 NH 4 + -N TN 的出水达标排放。


1 UASB-A/O-ANAOR-ASBR 系统流程


2、 微生物多样性分析

对系统中的微生物进行了研究。图 2 表明,在垃圾渗滤液处理过程中检出的厌氧氨氧化菌优势菌种是 Candidatus   Kuenenia ,这与处理城市污水厌氧氨氧化菌种有明显区别。尽管本工艺多处回流,即使在 A/O 反应器的 O 段,溶解氧控制也不高,但 Candidatus Kuenenia 在各个反应器均有检出,并且随着工艺的长时间稳定运行,该菌种的相对丰度越来越高。本研究证实了垃圾渗滤液有利于厌氧氨氧化菌种的生长与富集。


2 微生物多样性分析


结论与展望
厌氧氨氧化作为一种目前最节能的脱氮工艺,得到了越来越多的专家和学者的关注。 本课题组将进一步研究不同电子受体厌氧氨氧化在高氨氮污水中的应用,同时将厌氧氨氧化技术同电化学技术有机结合,进而实现高氨氮废水的深度除碳脱氮。 本课题组 针对 季节性变化很大的环境条件下,如何在低温下高效缩短厌氧氨氧化菌的培养周期,实现低温下高氨氮污水的厌氧氨氧化快速启动和稳定运行以及相关的中试研究已逐渐开展,以期为高氨氮污水的厌氧氨氧化发展做出更多贡献。



原文链接

该研究获得了国家自然科学基金(面上项目)和北京自然科学基金(面上项目)的资助,研究成果以 “Low energy treatment of landfill leachate using simultaneous partial nitrification and partial denitrification with anaerobic ammonia oxidation” 为题,发表在 Environment International 上( SCI IF=7.577 ,一区 TOP ), DOI :  10.1016/j.envint.2019.02.071.

团队介绍
吴莉娜,博士,副教授,美国普林斯顿大学 visiting fellow, 从事微生物、氮循环和水污染控制等方面的研究工作和环境科学与工程专业的教学工作。近年来,作为项目主持人获得了 3 项国家自然科学基金( 2 项面上基金, 1 项青年基金)和 1 项北京市自然科学基金(面上),中国博士后面上项目 1 项,参与国家自然科学基金、北京市自然科学基金等各级各类科研课题多项。迄今共发表学术论文 40 余篇,其中近年来以第一作者发表论文被 SCI 检索 11 篇(其中 8 SCI 论文影响因子大于 5 , EI 检索 6 篇;获发明专利授权 3 项和实用新型专利授权 1 项,出版学术著作 3 部,担任《中国给水排水》期刊的青年编委以及多家国内外期刊审稿人。指导的研究生获得了研究生国家奖学金、研究生科技创新奖学金和全国大学生农业建筑环境与能源工程相关专业创新创业竞赛三等奖等。


吴莉娜(左起第四)团队合影

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