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SNAD—MBBR一体式生物脱氮技术研究

作者：陈家琪

来源：《中国高新科技·上半月》2018年第03期

摘要：文章以污泥消化液为处理对象，成功启动SNAD-MBBR（同时亚硝化/厌氧氨氧化/反硝化-生物移动床）一体式生物脱氮工艺，为高氨氮、低C/N废水的处理提供新思路。首先，启动亚硝化-厌氧氨氧化串联工艺，运用污泥消化液对从实验室获取的接种细菌（亚硝化细菌、厌氧氨氧化细菌）进行了相应的驯化培养，使其很好地适应污泥消化液的水质特点，体现出了较高的活性。污泥消化液中氨氮的亚硝化率达56%，得到了合适的厌氧氨氧化过程进水。厌氧氨氧化细菌对污泥消化液的总氮去除率达82.4%。将亚硝化细菌接种至厌氧氨氧化反应器中，并投加适量的生物填料启动SNAD-MBBR一体式脱氮工艺。运行15天后，SNAD-MBBR工艺启动成功，总氮去除率达91.2%。 关键词：SNAD-MBBR；生物脱氮；污泥消化液

文章编号：2096-4137（2018）05-053-04 DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2018.05.04 1 概述

我国是生产制造大国，在经济飞速发展的同时，含氮污染物的排放量与日俱增。尤其是近些年含氮废水又呈现“高氮低碳”成分复杂等特点，期中以污泥消化液最为典型。传统的生物脱氮工艺处理成本高（曝气能耗高、加有机碳源需求量大和投加药剂调节pH）且效率低。因此，低C/N废水脱氮面临的一个难题是如何更高效、更低耗。

厌氧氨氧化反应作为一种新型的高效生物脱氮技术，自提出后便成为国内外众多学者的研究热点。厌氧氨氧化反应方程式如式（1）所示，整个脱氮全过程在无氧、无有机碳的条件下即可发生，所以该技术与传统的硝化-反硝化技术相比具有无曝气能耗、无需有机碳源等优点。但是，厌氧氨氧化细菌的反应底物为氨氮和亚硝氮，通常污水中的氮素大都以氨氮形式存在，亚硝氮含量较少。所以，为了推广厌氧氨氧化技术的应用，国内外专家学者提出了亚硝化-厌氧氨氧化的耦合工艺。该工艺与传统的脱氮技术相比，具有曝气能耗低（仅需55%的氨氮氧化为亚硝氮），碱度需求量小，无需有机碳源，污泥产量少等优点。 厌氧氨氧化反应：NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→0.26NO3-+1.02N2+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O （1）

在低碳氮比废水处理过程中，废水中含有的少量有机碳源会抑制厌氧氨氧化细菌的生长，同时脱氮过程中残留的较高浓度的亚硝氮（>80mg/L）会抑制厌氧氨氧化细菌的活性，导致脱氮能力下降。针对上述问题，SNAD工艺在低碳氮比废水处理领域应运而生。SNAD工艺，即同时亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化工艺。该工艺通过控制合适的条件将亚硝化细菌、厌氧氨氧

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化细菌和反硝化细菌在同一反应器中培养，完成脱氮除碳全过程。其原理是在有氧条件下亚硝化细菌将水中部分NH4+-N转化为NO2-N，如反应式（2）所示。然后，ANAMMOX菌将生成的NO2--N和剩余NH4+-N转化为N2，实现对废水中大部分氮的去除，如反应式（1）所示。反硝化细菌利用废水中的COD作为电子供体，在厌氧或缺氧条件下，将生成的NO3--N和残留的NO2--N还原成N2，实现进一步的脱氮，如反应式（5）所示。SNAD工艺解决了低碳氮比废水处理过程中，有机碳源和亚硝氮对厌氧氨氧化细菌活性的抑制，能够达到同时脱氮除碳的目的，并且进一步提高了总氮去除率。同时，SNAD工艺反应器结构简单，占地面积少，能耗低。

亚硝化反应：2NH4++3O2 2NO2-+2H2O+4H+ （2） 反硝化反应：3NO3-+CH3OH3NO2-+CO2+2H2O （3） 2NO2-+CH3OH2OH-+N2+CO2 +H2O （4）

6NO3-+5CH3OH6OH-+3N2+5CO2 +7H2O （5）

MBBR称为生物移动床处理工艺，每个填料上生物膜的内外表面具有不同的生物种类，内部多为厌氧菌和兼氧菌，外部多为好氧菌。填料在水中的碰撞和剪切作用，使空气气泡更加细小均匀，提高了曝气过程中氧气的利用率。填料与水呈完全混合状态，附着在填料上的生物膜可以与水中的污染物和空气充分接触，提高污染物的降解效率。将MBBR与SNAD工艺组合应用，生物填料可以为SNAD工艺中好氧的亚硝化细菌和厌氧的反硝化和厌氧氨氧化细菌群同时提供合适的生存条件，生物膜的形成可保证反应器内的高生物量，提高抗冲击负荷能力。 污泥消化液作为污泥厌氧处理技术的副产物，具有低碳高氮的特点，是处理起来比较棘手的一种高氨氮废水。本研究实验以大连东泰夏家河污泥处理厂的污泥消化液为处理对象，开发了一套以SNAD-MBBR组合工艺为核心技术的处理高氨氮、低碳氮比废水的预生物脱氮工艺，旨在解决污泥消化液的处置难题，同时为低C/N废水的处理提供新思路。 2 材料与方法 2.1 反应器接种细菌

亚硝化反应器接种的细菌取自本实验室的一个连续搅拌釜式反应器，氨氮氧化为亚硝氮的速率为6.3mgN/（gVSS·h）。厌氧氨氧化反应器所接种的细菌均取自一个中试规模的升流式厌氧污泥床（UASB）反应器。该反应器有效体积2.0m3，水力停留时间（HRT）12h，进水为人工模拟废水，总氮去除负荷为0.35～0.70kgN/（m3·d）。 2.2 进水水质

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本实验处理的废水为大连东泰夏家河污泥处理厂的污泥消化液。

污泥消化液水质：COD：520～710mg/L，平均值610mg/L；NH4+-N：1160～1500mg/L，平均值1350mg/L；NO2-N：0.5～2.0mg/L，平均值1.1mg/L；NO3-N： 1.0～2.5mg/L，平均值1.7mg/L。 2.3 实验装置

本实验所有实验装置均为有机玻璃材质，生化反应器均安有搅拌器和温度控制器。生化反应器通过水浴加热的方式保证温度在28℃～30℃。污泥消化液进行一定的稀释后（氨氮约为50～300mg/L）作为生化系统的进水。SNAD工艺的启动过程如下：首先，将从其他反应器中获得的亚硝化细菌和厌氧氨氧化细菌用实际废水来培养驯化一段时间，使其适应实际废水的水质特点并获得较高的活性，工艺流程图如图1所示。然后，将亚硝化细菌投加至厌氧氨氧化反应器中，启动SNAD工艺，流程如图2所示。

细菌驯化过程：稀释后的污泥消化液进入亚硝化反应器，通过限制溶解氧的方式（ 1-进水桶；2-蠕动泵；3-亚硝化反应器；4-初沉池；5-厌氧氨氧化反应器；6-沉淀池 图1 前期菌种驯化流程图

1-进水桶；2-蠕动泵；3-SNAD-MBBR反应器；4-沉淀池 图2 SNAD-MBBR工艺流程图

本实验中选用的悬浮填料由聚丙烯塑料改性制成，外形为小圆柱体。填料直径20mm，高5mm，密度为0.96～0.98g/cm3，比表面积约为860m2/m3。 2.4 扫描电镜分析（SEM）

通过扫描电镜可以观察样品表面的微观结构和性状，其分辨率为6nm。经过预处理的样品，用导电胶固定于样品台上，用离子溅射仪喷金。然后，用扫描电镜（QUANTA 450，FEI，USA）进行观察。 2.5 检测方法

分析方法NH4+-N采用纳氏试剂光度法；NO2-N采用N-（01-萘基）-乙二胺光度法；NO3-N采用紫外分光光度法。 3 结果与讨论