基于浸没式新型复合膜技术低C/N废水氮富集去除机制研究

Theoretically, the stoichiometric C/N ratio required for the denitrification process is 2.86 (COD/NO3- - N). However, some authors reported that the practical C/N ratio required is greater than 2.86. It illustrates that organic matters had not been used effectively in the denitrification process. In this project, a novel submerged membrane component with enrichment of cations will be adopted that combine with NH4+ separation-aerobic-anoxic process. With potential difference as driving force, NH4+ and organic matters will be separated through membrane from low C/N wastewater in the NH4+ separator. The separated NH4+ will be transported to aerobic reactor for nitrification. Then NO3-, which is the nitrification product, will be transported to anoxic reactor for denitrification with separated organic matters from NH4+ separator without external carbon source. Meanwhile, the community form, temporal-spatial distribution and evolution process of nitrifying and denitrifying bacterias will be analyzed by molecular bio-techniques such as PCR-DGGE, FISH and denitrifying functional genes. The relationship between dynamic change of functional microbial and nitrogen removal efficiency will be discussed to explore the mechanism of biological denitrication from the microbiological point and provide the scientific evidence.

理论上，反硝化过程所需的化学计量C/N为2.86（COD/NO3- - N），然而据报导硝化/反硝化系统中实际所需C/N远远大于2.86，说明有机物并未有效地被利用于反硝化过程中。本项目采用新型具有阳离子富集功能的淹没式平板复合膜与NH4+分离器-好氧-缺氧相结合的新型工艺系统，以电位差作驱动力，将低C/N废水中NH4+与有机物分离并富集到好氧反应器中进行硝化，硝化产物NO3-与之前分离出的有机物进入缺氧反应器中，进行反硝化脱氮，以达到有效利用有机物进行反硝化的目的，为处理低碳氮比废水开辟一种新的途径；同时，运用PCR-DGGE、FISH、反硝化功能基因等分子生物学手段解析新型反应系统中硝化菌、反硝化菌群落形态、时空分布、演变过程，功能微生物动态变化与脱氮效果之相互关系，以期从微生物学角度揭示系统生物脱氮机理，为生物脱氮提供科学依据。

针对传统脱氮工艺处理低C/N废水碳源不足及异养菌的竞争导致硝化效果欠佳等问题，本研究基于膜分离、电化学反应、生物硝化反硝化作用原理，重点探讨了以电位差作驱动力，通过利用膜的选择透过性，将低C/N废水中NH4+与有机物进行分离富集，并分别进行硝化与反硝化脱氮的技术途径，构建了以分离、富集NH4+与有机物为核心耦合好氧、缺氧的新型浸没式IEM-UF耦合硝化反硝化脱氮系统；结合材料表征、分子生物学方法，对系统的运行特性、电化学协同机制、功能微生物的代谢特征与脱氮之相互关系进行了研究。.研究发现，以铁板为电极时，膜组件NH4+-N富集性能依次优于钛电极、不锈钢电极；电流强度是实现高效NH4+-N分离富集的关键因子，电流强度增加可强化NH4+-N分离富集；电极面积、极板间距对NH4+-N分离富集产生不同的影响。 IEM-UF组合膜的微滤膜端滤饼层晶体结构属针铁矿类，主要成分是Fe(OH)3及少量的FeCO3、MgCO3等物质，离子交换膜内表面沉积物主要成分为Ca、Mg、Fe的碳酸盐等物质；采用1%HCL清洗可有效恢复膜的分离性能。IEM-UF耦合硝化反硝化脱氮系统可实现NH4+-N与有机物的分离、有效地减低硝化反应过程中异养菌的竞争作用、改善反硝化过程中的碳源不足的设想；IEM-UF同步分离反硝化脱氮系统不仅可以充分利用分离出的有机物，减少电解消耗，而且可利用铁电极电解的部分二价铁进行自养生物反硝化反应[5]，进一步提高脱氮效果，在电流强度0.2A时分离器氨氮富集率平均达到116.1%，进水C/N为2.80稳定运行时，系统COD及TN平均去除率分别可以达到90%和50%以上。TN去除率最高可达65.4%。.本研究提出了将NH4+-N与有机物进行分离，以避免硝化反应器中自养菌与异养菌的竞争作用同时改善反硝化反应器中碳源不足的设想，设计开发了具有分离富集NH4+-N功能的新型浸没式IEM-UF平板组合膜及其为核心的NH4+-N分离装置。掌握了构建NH4+-N分离富集硝化反硝化脱氮系统及其功能优化，从分子生物学层面厘清了系统生物脱氮的微观机制，为膜分离、生物脱氮提供了理论依据和技术指导，具有科学意义和应用前景。