Advanced nitrogen removal from mature landfill leachate based on novel step-draining partial nitrification-denitrification and Anammox process: Significance of low volume exchange ratio  

基于新型分步排水式部分硝化-反硝化與厭氧氨氧化工藝的成熟垃圾滲濾液深度脫氮：低體積交換比的重要性  

來源：Bioresource Technology, 364 (2022) 128025

《生物資源技術》，第364卷，2022年，文章編號128025  

 

摘要內容  

論文提出一種基于分步排水操作的新型部分硝化-反硝化與厭氧氨氧化（PND-AMX）系統，用于處理高氮低碳的成熟垃圾滲濾液。研究通過優化體積交換比（VER=25%），實現有機物與氮的協同去除，厭氧氨氧化貢獻21%的脫氮率。系統總氮去除率（NRE）達98.3±1.2%，脫氮速率（NRR）達3.07±0.09 kgN/(m3·d)。利用丹麥Unisense微電極揭示顆粒污泥內氧化還原電位（ORP）梯度變化，闡明微生物代謝驅動的污泥顆粒化演變機制。  

 

研究目的  

開發分步排水式PND-AMX系統，解決傳統工藝碳源浪費和NH??/NO??比例控制復雜問題。  

 

優化體積交換比（VER），實現有機物高效利用與深度脫氮協同。  

 

探究污泥顆粒化形成與解體機制及其對脫氮性能的影響。  

 

驗證部分厭氧氨氧化（貢獻率21%）在工程應用中的可行性。  

 

研究思路  

系統構建：  

 

PND-SBR采用分步排水模式（缺氧→排水1→好氧→排水2），AMX-SBR處理混合排水。  

 

通過調節VER（25%-75%）優化碳源分配（圖1-圖3）。  

 

 

 

性能驗證：  

 

監測COD、NH??-N、NO??-N、NO??-N動態變化（圖1-2）。  

 

分析典型周期中氮轉化路徑（圖3）。  

機制解析：  

 

采用Unisense微電極測量顆粒污泥ORP深度分布（圖5b-d）。  

 

高通量測序揭示菌群演化（圖6）。  

 

工程評估：  

 

對比不同VER下碳源利用率與脫氮貢獻（圖4）。  

 

測量數據及研究意義  

常規水質參數（NH??-N, NO??-N, NO??-N, COD）：  

 

來源：在線監測與光譜法（圖1a-b, 圖2a-b, 圖3）。  

 

意義：量化脫氮路徑貢獻，驗證系統穩定性（Se-PND占主導，圖1c）。  

污泥特性（EPS含量、粒徑分布）：  

 

來源：化學提取與篩分法（圖5a,e）。  

 

意義：揭示VER升高（75%）促進EPS分泌（148.7→78.3 mg/gVSS），但大顆粒（>1.5mm）解體（63.2%→25.4%）。  

ORP微剖面數據：  

 

來源：Unisense微電極（10μm尖端）穿透顆粒污泥（圖5b-d）。  

 

意義：揭示反硝化與Anammox代謝梯度，解釋顆粒解體機制。  

微生物群落：  

 

來源：高通量測序（NCBI序列號SRR15327682-SRR15327687）。  

 

意義：Thauera菌豐度與VER正相關（0.43%→8.50%→2.17%），Anammox菌（Brocadia/Kuenenia/Jettenia）增至13.61%（圖6）。  

 

Unisense電極數據的研究意義  

代謝活性可視化：  

 

ORP梯度曲線顯示顆粒內部從好氧到厭氧的躍遷（圖5c-d）：  

 

穿刺點1：表層（0μm）ORP=59mV → 400μm深處降至-18mV。  

 

穿刺點2：900μm深處ORP驟降至-118mV（斜率-0.61 mV/μm）。  

 

意義：直接表征Anammox（產NO??）與反硝化（耗NO??）的競爭關系，解釋大顆粒在低VER下的解體（有機碳不足致異養菌衰亡）。  

工藝調控依據：  

 

375-550μm深度處ORP驟降（-6mV→-138mV，斜率-1.33 mV/μm）對應強反硝化區（圖5c），表明高有機負荷促進局部菌群增殖導致顆粒膨脹破裂。  

 

指導優化VER至25%，減少碳源輸入，維持顆粒穩定性。  

理論機制支撐：  

 

ORP躍變點證實質量傳遞限制形成的NO??濃度梯度（圖5c箭頭），為"顆粒污泥演替模型"（圖5e）提供實驗證據。  

 

結論  

最優工況：VER=25%時，COD利用率最高（缺氧期去除率98%），系統NRR達3.07 kgN/(m3·d)，出水總氮<40 mg/L。  

 

脫氮路徑：  

 

Se-PND（分步反硝化）貢獻74.8%脫氮。  

 

Anammox貢獻21.0%（菌群豐度13.61%），證明部分厭氧氨氧化工程可行性。  

顆粒污泥機制：  

 

高VER（75%）促進EPS分泌但引發顆粒解體（ORP梯度證實局部菌群競爭）。  

 

低VER下顆粒穩定，脫氮性能提升。  

控制創新：分步排水簡化NH??/NO??比例調控（通過一/二次排水體積比），替代傳統PN進程監控。