污水脱氮除磷研究新进展------彭永珍院士

坛
含高浓度NO3- 的化肥、冶金、化工等工业废水处理问题：
传统生物脱氮
硝化
氨氧化菌
反硝化
亚硝酸盐 氧化菌
反硝化细菌A 反硝化细菌B
业 院 士
论
NH4+
NO2-
NO3-
坛
NO2有机 碳源
N2
第
NO2- O2
六
NO3NO NO23--
届wk.baidu.com
短程硝化脱氮新技术
中
国
水
O2
NO2 有机物
NON 22
NH4+
第
六
注：（1）第一步厌氧氨氧化
届
中
国
水
(进水携带少量 溶解氧）
业 院 士
进水 NO2--N NH4+-N
论
坛
21
短程反硝化+厌氧氨氧化工艺实现深度脱氮
届
中

厌氧氨氧化SBR出水中含有大量硝态氮（进水总氮的15%）； 通过短程反硝化， NO3-化为NO2- （转化率在80%以上）； 短程反硝化出水回流到厌氧氨氧化反应器实现深度脱氮； 进水总氮150mg/L时，出水TN<11mg/L, 总氮去除率>90%。
论
坛
9
结果1：短程反硝化的发现与稳定维持
三种污水处理活性污泥反硝化试验
1.反硝化生物膜
论
坛
2.厌/缺/好氧 污泥
3. 发酵耦合反硝化 污泥
发现：
前两种污泥都存 在短暂NO2– N积累。 发酵耦合反硝化 污泥: 具有最高NO2–
届
中
国
水
业 院 士
第
六
积累率（80%）;
NO3–耗尽时 NO2–积累达到峰值。
业 院 士
论
COD
水 中 国
应用范围:
NH4+-N
城市污水+含高硝酸盐工业废水（如化肥废水、冶金废水等） 城市污水处理厂出水+城市污水
16
第
六
届
NH4+-N + 1.32NO2--N →N2 + 0.26NO3--N
坛
工艺原理：
短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺脱氮性能
80 70
阶段Ⅰ
阶段 Ⅱ
阶段 Ⅲ
-
NO2-积累受碳氮比影响很小。
论
坛
12
实现短程反硝化菌的富集
富集后300天的稳定运行：
Mechanisms and microbial structure of partial denitrification with high nitrite accumulation . Applied Microbiology and Biotechnology (2015) DOI: 10.1007/s00253-015-7052-9
处理工艺类型既可SBR，又可考虑连续流。
24
第
六
处理对象3：
届
中
工艺选择：大量二级处理含NO3-出水与少量城市污水合并处理；
国
城市污水处理厂二级处理的出水（NO3- -N>20mg/L）
水
业 院 士
工艺选择：少量高硝酸盐废水与大量城市污水合并处理；
论
工业废水含高NO3-同时缺少有机物（有时NO3- -N>5000mg/L）
第六届水安全科技创新高峰论坛
六
届
中
国
水
彭永臻、操沈彬、杜睿
北京工业大学 2016年4月
第
业 院 士
污水脱氮除磷研究的新进展--短程反硝化+厌氧氨氧化
论
坛
目录
1 2 3 4
研究背景——短程反硝化的提出
短程反硝化的实现及其微生物种群富集
应用前景
第
六
届
短程反硝化+厌氧氨氧化工艺与技术
中
国
水
业 院 士
论
坛
NO2 -N eff NAR
-
20
0
国
水
0
60 70 时间 (d)
80
0 90 100 110
30 100 25 80
中
连续流中成功实现并维持
0.35
转化率 = 90%
届
比反硝化活性 (g N gVSS-1 h-1)
0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 20 60 40
亚硝酸盐转化率 (%)
国
① 自养脱氮，无需外碳源； ③ 污泥产量低；
水
业 院 士
厌氧氨氧化
(NO3-)
NH4
+
+ NO2
-
N2
厌氧氨氧化工程化关键技术之一： NO2--N的来源
4
第
④ 氮的去除负荷高。
六
论
厌氧氨氧化菌
坛
1. 研究背景——短程反硝化的提出
3个问题的提出:
城市污水处理厂出水NO3- -N超标问题： 厌氧氨氧化工艺出水剩余NO3-的问题：
第
六
厌氧氨氧化SBR脱氮
国
水
+
短程反硝化SBR
业 院 士
论
坛
22
目录
第
六
届
中
国
水
4
应 用 前 景
业 院 士
论
坛
23
1. 研究背景——什么是短程反硝化
处理对象1：
短程反硝化+厌氧氨氧化工艺技术的开发
处理对象2：
高氨氮工业废水的厌氧氨氧化处理后的出水（含较多NO3-） 工艺选择：该含NO3-出水与该类原污水合并后耦合处理。
Achieving partial denitrification with sludge fermentation liquid as carbon source: The effect of seeding sludge. Bioresource Technology. 149 (2013) 570–574. SCI 一区
-
80
NO3 -N eff
TN removal efficiency (%)
ANAMMOX (%)
Denitrification (%)
NH4 -N / NO 3 -N 比例
60
(a) C/N=3.5
-
-
17
短程反硝化耦合厌氧氨氧化系统处理生活污水（脱氮）
生活污水+ NO3 +乙酸钠， NH4+-N=60, NO3--N=70mg/L C/N=2~3。
坛
4. 应 用 前 景
研究与应用展望 1. 微生物学 2. 反应动力学
这两项基础研 究有利于短程 反硝化的机理 与应用问题
业 院 士
3. 联合工艺 开发
为污水脱氮达 标排放和处理 厂节能降耗提 供可行的技术
4. 实际工程 应用
针对不同水 质，解决城 市污水处理 厂关键问题
第
六
届
中
国
水
论
坛
25
第 六 届 国 水 中
阶段 Ⅳ
1.2 1.0 0.8
业 氮素浓度 （mg/L） 院 士 论 坛
可行性验证： 厌氧氨氧化菌与反硝化菌 稳定共存；
50 40 30 20 10
C/N=2.5
TN=10mg/L
C/N=3
TN=5mg/L
0.6 0.4 0.2 0.0 100
国
出水TN<5mg/L ； 最高TN去除效率达到 97%。
3.缩短反应时间
水
业 院 士
论
NO3-→NO2-
坛 国
4.减少碳源需求
6. 操控简单，运行稳定
14
目录
3
短程反硝化+厌氧氨氧化工艺与技术
中 国 水 第 六 届
业 院 士
论
坛
15
结果3 ：短程反硝化+厌氧氨氧化技术
工艺1 短程反硝化耦合厌氧氨氧化脱氮
NO3--N + e- (COD) → NO2--N
NH4+ NO2-
N2
好氧
缺氧
1. 研究背景——短程反硝化的提出
但短程硝化、厌氧氨氧化对含硝酸盐（NO3- ）污水 处理却都无能为力。
第
短程硝化是厌氧氨氧化（自氧脱氮）的必要条件；
六
短程硝化反硝化能从3各方面节能降耗；
届
中
国
短程硝化的局限
水
业 院 士
论
短程生物脱氮的理论与技术已经 成为当前研究和应用的热点。
--N
180 150 Inf.TN Eff.TN TN removal efficiency 100 80 60 40 20 0 500
坛
TN 浓度 (mg/L)
90 60 30
系统中短程反硝化功能菌 (Thauera)比例达到26.3%。
污泥表观特性 污泥内部结构
18
第
进水中97%的氮通过厌氧 氨氧化过程被去除，比国 内外同类报道高3倍以上；
厌 氧 氨 氧 化
届
中
曝气电耗
技 术 优 势 脱氮药剂 污泥产量 温室气体 脱氮负荷
60%
95% 50% 90% 200%
20
第
六
工艺2 厌氧氨氧化+短程反硝化深度脱氮
工艺原理：
（2）第二步厌氧氨氧化
应用范围：
高氨氮废水厌氧氨氧化处理后出水（含较多NO3- ）； 城市污水处理厂二级处理后出水（含NO3- ） 。
高效处理含硝酸盐废水是一项值得研究的课题： 基于NO3NO2- 的短程反硝化+厌氧氨氧化是最佳选择。
5
第
自身产生NO3--N占11%，特别是高氨氮污水处理后出水， 如， 垃圾渗滤液、制药废水、污泥厌氧消化液等。
六
届
中
国
水
二级处理后的出水中经常出现NO3- -N>20mg/L。
业 院 士
论
某些冶金废水不仅没有有机物，而且NO3- >5000mg/L。
第
不同碳源和进水水质条件下 均达到稳定维持。
六
届
中
实现短程反硝化的功能菌— —Thauera菌属比例高达 67%；
国
水
业 院 士
短程反硝化效果稳定维持， 高NO2-积累特性未退化；
论
坛
13
短程反硝化的科学与工程意义
1.提高厌氧氨氧化 脱氮效率 2.处理硝酸盐废水
5.降低运行费用
第
六
届
中
10
结果1：短程反硝化的发现与稳定维持
亚硝酸盐积累率 (%)
温度(℃)
NOX -N (mg/L)
论
业 院 士
-
SBR中接种高亚硝酸积累 特性污泥； 在长达108天运行过程中实 现稳定的短程反硝化。 SBR中实现稳定维持
100 40 30 20 10
80%
80 60 40
坛
-
NO3 -N inatial NO3 -N eff 10 20 30 40 50
国
水
出水TN<5mg/L，TN去 除率达到95.8%；
0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
中
业 院 士
论
120
六
届
时间 (天)
TN去除率 （%）
短程反硝化在该耦合反应器中的关键作用
还原NO3-和去除有机物
实现硝酸盐废水与氨氮废水的同步深度脱氮
Feasibility of enhancing the DEnitrifying AMmonium OXidation (DEAMOX) process for nitrogen removal by seeding partial denitrification sludge . Chemosphere(2015) DOI: 10.1007/s00253-015-7052-9
连续流中成功实现NO2-转 化率90%以上；
第
六
20 15 10 5
200天运行中稳定维持。
Nitrite production in a partial denitrifying upflow sludge bed (USB) 0.00 0 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 reactor equipped with gas automatic circulation (GAC). 时间(天) T（℃） NO -N NO -N NTR (%) Water Research. 90 (2016) 309–316.
3 2
11
结果2：短程反硝化特性菌群的优选和富集
发现短程反硝化特性菌群
菌群具有优先还原NO3-特性：
中
NO3-存在时，NO2-还原能力 很弱，产生较高NO2- 积累；
国
水
100
第
NO3 率被还原；
六
-耗尽后，
NO2
-以较低速
亚硝酸盐积累率 (%)
届
业 院 士
80 60 40 20 0 0 40 SCOD/NO3 -N =1 SCOD/NO3 -N =2 SCOD/NO3 -N =3 SCOD/NO3 -N =4 80 120 160 200 240 280 320 360 时间 （min）
反硝化与厌氧氨氧化作用占TN去除比重 (%)
水
0 100
80 60
(b)
95 90 85
TN 去除率 (%)
六
届
中
第
40 80 20 0 75 70 100
NH4 -N eff NH4 -N / NO3 -N
-
0
TN inf NO3 -N inf
-
20
TN eff
40 60 时间 (day)
NH4 -N inf
19
第
六
届
中
对厌氧氨氧化过程自身产生NO3-实现进一步去除，
国
水
业 院 士
为厌氧氨氧化提供稳定基质NO2-
论
坛
短程反硝化+厌氧氨氧化技术用于污水脱氮的优势
短 程 反 硝 化 厌 氧 氨 氧 化 +
短 程 反 硝 化
长期运行稳定维持
业 院 士 国 水
技 术 优 势
论
坛
反应时间短
过程控制简单 所需有机碳源少
坛
1. 研究背景——短程反硝化的提出
传统反硝化
微生物种群、碳源类型、C/N、pH等因素，导致反硝 化过程出现不同程度的亚硝积累现象。
8
第
短程反硝化的诱导因素
六
届
中
NO3-
水
短程反硝化
业 院 士
NO2-
论
坛
NO3-
NO2-
NO
N2O
N2
N2
国
目录
第
六
届
中
国
水
2
短程反硝化的实现及其微生物种群富集
业 院 士
2
1. 研究背景——短程反硝化的提出
污 水 处 理 脱 氮 除 磷 技 术
生物法
化学法
业 院 士
论
生物法
届
中
国
水
坛
除磷
脱氮
新型脱氮除磷技术的研究开发，是实现 达标排放和节能降耗的重要基础
3
第
六
重点、难点
厌氧氨氧化（Anammox）
是迄今最高效与节能的脱氮方式
传统生物脱氮
优势：
届
中
② 比传统脱氮节省60%曝气量；