硫自养反硝化技术（AO工艺）与厌氧MBR在处理实际矿物加工废水中的性能评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Performance evaluation of sulfur autotrophic denitrification technology, AO process and anaerobic MBR for treating real mineral processing wastewater

矿物加工废水处理中，硫自养/厌氧耦合系统因硫自养菌受厌氧反硝化菌抑制导致氮去除受限（TN>19 mg/L），而AnMBR和AO工艺在模拟条件下COD和TN分别低于35 mg/L和15 mg/L。实际废水处理时两者均性能下降，但AnMBR经Fenton预处理和鞣酸-铁膜改性后COD降至30.62 mg/L、TN至3.78 mg/L，优于AO工艺，同时膜污染减少74.54%。

　　

尚一林|罗瑞玲|杨月|李建生

中国南京生态环境保护研究院，南京210041

摘要

本研究对比评估了硫自养/厌氧耦合工艺、厌氧膜生物反应器（AnMBR）和厌氧/好氧（AO）工艺在处理实际矿物加工废水（其特征为含有多种氮化合物，BOD₅/COD比约为0.26）时的效果。结果表明，硫自养/厌氧系统在总氮去除方面效果有限（出水总氮浓度超过19 mg/L），且两种系统之间没有显著差异，这可能是由于厌氧反硝化菌抑制了硫自养菌的生长。相比之下，在模拟条件下，AnMBR和AO工艺均表现出良好的污染物去除效果，COD和总氮浓度分别低于35 mg/L和15 mg/L。然而，在处理含有难降解化合物的实际废水时，两种系统的性能均有所下降：AnMBR的出水COD为58.95 mg/L，总氮为7.19 mg/L；而AO工艺的出水COD为59.49 mg/L，总氮为8.36 mg/L。通过添加芬顿试剂进行预处理后，系统稳定性得到恢复，AnMBR的最终COD和总氮浓度分别降至30.62 mg/L和3.78 mg/L，优于AO工艺（分别为34.91 mg/L和5.05 mg/L）。此外，实验室自主研发的鞣酸铁膜应用于AnMBR中后，显著降低了膜污染，膜通量恢复率达到了74.54%。这表明膜改性在缓解膜污染方面发挥了重要作用，为高浓度矿物加工废水的处理提供了一种可靠且可持续的策略。

引言

随着全球矿产资源的持续开发和利用，采矿活动造成的环境污染日益受到关注[1]。有效处理矿物加工废水并确保其合规排放已成为限制矿业可持续发展的关键挑战之一[2]。矿物加工过程包括破碎、研磨和分离，产生的废水中含有大量悬浮固体、重金属离子以及各种有机和无机污染物[3]。近年来，氮污染物的积累和排放问题尤为突出[4],[5]。总氮（TN）作为评估水体富营养化潜力的关键参数，受到严格的法规约束[6]。多项研究表明，矿物加工废水中的高氮含量不仅会对接收水体造成严重破坏，还会通过食物链对人类健康构成威胁[7],[8]。在矿物加工过程中，氮污染物主要来源于采矿和爆破作业中使用的硝酸铵燃料油的残留物，这些残留物在水中分解生成铵盐和硝酸盐。此外，含氮矿物加工试剂（如氰化物和胺类捕集剂）的应用和降解也是氮污染的来源之一。这些因素共同导致矿物加工废水中的总氮浓度经常超过国家排放标准（GB 28661-2012）[9],[10],[11]。

目前，处理含氮废水的主要技术包括反渗透等物理方法、化学沉淀等化学方法，以及硝化-反硝化等生物方法[13]。生物脱氮技术因其低成本和高环境适应性而得到广泛应用[14],[15]。需要注意的是，所处理的废水水质复杂：氨氮以多种形式存在（游离氨、离子氨等），COD和氮的浓度严重不平衡（氮含量高而碳含量低），给传统处理方法带来了巨大挑战。基于硫的自养反硝化技术利用硫作为电子供体，在厌氧条件下将硝酸盐氮还原为氮气[15]，该技术无需有机碳源，适用于缺碳的采矿废水处理，且产泥量低[16]。尽管此类废水的COD含量较低，但仍无法满足排放标准，需要进一步处理以去除COD。相比之下，厌氧/好氧（AO）工艺是一种成熟的生物技术，具有丰富的运行经验。通过交替创造厌氧和好氧环境，可实现反硝化和硝化作用，结构简单，能够同时去除多种污染物[17]。然而，该工艺过程相对复杂，抗冲击负荷能力较差，能耗较高，且占地面积较大。AnMBR结合了厌氧消化和膜分离技术[18]，能有效去除COD并将其转化为沼气，同时实现氮的去除[19]，适用于不同氨氮形式和碳氮不平衡的水质。膜模块有助于减少污泥损失，保证高生物量和高质量出水[20]。但该技术对进水水质敏感，膜污染控制和能耗问题仍需解决[21],[22]。

尽管这三种技术（硫自养反硝化、AO工艺和AnMBR工艺）具有不同的理论基础和独特优势，但目前大多通过实验室规模的模拟废水试验进行单独研究[23],[24]。对于实际矿物加工废水（具有复杂的成分和较大的水质波动），缺乏在相同进水条件下的系统比较研究和全面性能评估。缺乏此类比较导致工程实践中选择最佳处理方案时缺乏数据支持和决策依据。

本研究以一种典型的矿物加工企业废水为对象，该废水含有多种类型的氮（NH₄⁺-N、NO₃^--N和NO₂^--N）及COD，目标是将COD降至35 mg/L以下，总氮降至15 mg/L以下。通过全面的水质分析和污染特征分析，设计了三种不同的生物脱氮工艺并进行比较，包括硫自养与厌氧耦合工艺（A/S）、AnMBR工艺和AO工艺。评估重点关注总氮（TN）、NO₃^--N、NO₂^--N、NH₄⁺-N和COD等关键指标，并分析了微生物群落结构，以揭示工艺性能差异的内在机制，为矿物加工废水的深度脱氮提供技术支持和理论参考。

材料

本研究使用的化学品详见补充信息（文本S1），购买后可直接使用，无需进一步纯化。

生物反应器的设置与操作

构建了三种实验室规模的生物反应器以评估其处理效率。污泥样本来自南京的一家废水处理厂。进水分为两阶段引入，第一阶段使用模拟矿物加工废水（具体成分见表S1）。

硫自养与厌氧耦合工艺的反硝化和脱碳性能

为了评估硫自养和厌氧工艺处理矿物加工模拟废水的效果，本研究比较了两种系统的运行性能：分段厌氧/硫自养系统（A/S-A和A/S-S）以及耦合系统（AS）在15天运行期间的表现。图2展示了两种系统中NO₃^--N、NO₂^--N、NH₄⁺-N、TN和COD的动态变化。

结论

本研究对比评估了硫自养/厌氧耦合系统、AnMBR和AO工艺处理矿物加工废水的效果。结果表明，硫自养与厌氧工艺的结合未能充分发挥各自的优势：虽然厌氧条件有效降低了COD，但硫自养反硝化菌群落未能有效建立，导致氮去除效率低下。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

所有作者均了解并承担本手稿的责任。本手稿未经任何其他期刊全文或部分发表，也未被其他期刊接受。

未引用参考文献

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作者贡献声明

尚一林：撰写——初稿，实验设计。罗瑞玲：方法学研究，数据分析，概念构建。李建生：撰写——审稿与编辑，监督，概念构建。杨月：撰写——审稿与编辑，资金筹集，概念构建。

利益冲突声明

我们声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22576106）的资助。