多途径强化厌氧氨氧化工艺及其生物颗粒特性研究

摘要

厌氧氨氧化(ANaerobic AMmonium OXidation，ANAMMOX)工艺是高效、经济、节能的新型生物脱氮技术。该工艺是微生物学和环境工程领域的重大发现，自问世以来就受到了高度关注。然而，该工艺的实际应用亟需解决污泥难以富集培养，易受外部条件影响等难题。本文通过反应器操作优化、碳源投加优化和物理场强化等多途径强化厌氧氨氧化反应工艺运行性能，并对反应器内颗粒污泥特性进行了系统研究，主要研究结果如下:
　　 (1)优化了厌氧折流板反应器(ABR)的操作方式。ABR反应器进水方式的不同，导致反应器呈现出不同运行效能。当采取单侧进水方法操作时，第一格室效能决定反应器整体去除效能，为反应器内部主降解基质区域。在此条件下，反应器往往出现前格室基质过载后格室基质缺乏，无法充分发挥整体反应器运行潜能。相比与单侧进水模式，在分区进水操作下，前格基质过载现象有效缓解，而后格室微生物活性，生物量及污泥颗粒化进程显著加强。在低浓度高流量的运行条件下，单侧进水操作方式致使反应器四格室去除效能分别为反应器的总体去除效能的84.3％、8.6％、3.7％和3.3％;而在分区进水操作反应器中，各格室效能分别为该反应器总体去除效能的40.3％、30.4％、19.1％和10.3％。稳定性试验显示，在遭受短时高浓度基质负载后（2.0倍及3.0倍基质冲击），两类反应器都能在较短的时间内便可恢复到拟稳态运行水平;而在1.5倍基质浓度冲击下，分区进水反应器恢复时间则远远小于单侧进水反应器。
　　 (2)解析了ANAMMOX折流板反应器的运行稳定性。ANAMMOX折流板反应器运行性能稳定，抗冲击能力较强。1.50倍的基质过载并未导致反应器的运行效能恶化。虽然负荷冲击导致反应器短时总氮去除率下降，但是反应器总氮去除负荷却短时提升，增幅约3％-19％。不同类型的基质负载（基质浓度负载或水力负载）会导致了成熟污泥及菌群的相位变化。通过观察反应器波动情况发现，ANAMMOX折流板反应器更容易受短时浓度过载的影响，而对水力过载的适应力强。在整体反应器中，相比反应器后格室，前格更容易受到基质过载的影响。在反应器抑制阶段，pH、总氮去除率、剩余氨浓度都与游离氨浓度呈正相关关系，高游离氨浓度被认为导致ANAMMOX反应恶化的主要因素之一。试验发现采用高斯模型可较好的模拟冲击期及后续反应器运行趋势。
　　 (3)优化了无机碳源投加操作。试验发现，长期无机碳源添加维持反应器高效运行。在无机碳源投加反应器(ICAR)中，厌氧氨氧化菌(AnAOB)展现出高生物活性，整体反应器的最高总氮去除速率可达21.0 kg-N m-3 d-1;而在碳源缺乏反应器(ICDR)中，其最高总氮去除速率仅为3.42 kg-N m-3 d-1，为ICAR的16.3％。通过观察ICAR长期运行效能，HCO3-/TN(mg mg-1)为1.43时最有利于反应器效能的稳定提升;而在批次试验中，控制HCO3-/TN(mg mg-1)比在1.20时AnAOB代谢活性最高。批次试验显示，当两反应器内污泥作为测试污泥时，短时的碳源增加或去除都会导致AnAOB活性降低。当微生物适应长期无机碳源添加环境后，碳源物质添加可缓解基质抑制。在碳源充足状况下，亚硝酸氮和氨氮半抑制浓度分别为295 mg L-1NO2-N和361 mg L-1 NH4+-N;而在碳源缺乏条件下(HCO3-=120mg L-1)，亚硝酸氮和氨氮半抑制浓度则为120 mg L-1和346 mgL-1，浓度基质抑制现象加重。HCO3-/TN(mg mg-1)投加比变化会导致化学反应计量比发生变化。在长期碳源缺乏条件下，丝状菌和球状菌可存在在同一反应器中。
　　 (4)构建了超声强化型ANAMMOX工艺，考察了其室温运行工况。通过响应面优化法进行超声参数优化，结果显示，超声强度为影响超声刺激效果的主要影响因素。过高或过低强度的超声辐射都会抑制微生物活性，方程模拟发现，在超声强度为0.7 w cm-2，超声时间为1.9min条件下，AnAOB可达到最高活性。相比与无超声对照组污泥，超声后污泥脱氢酶活性提升61％。同时经超声辐射后，AnAOB半表观亲和常数从174.5mgN L-1降至168.5 mgNL-1，总氮半抑制浓度也从633.4 mgN L-1降至571.4 mgN L-1。当最优超声辐射实施于低温运行反应器后，超声强化反应器(Ru)展现出优异的运行效能，当温度为14.8℃时，反应器总氮去除速率可达到5.49 kgN m-3 d-1。低温环境对对照组反应器(Rc)产生抑制作用，在低温条件下，该反应器总氮去除速率仅为1.53 kgN m-3d-1。间歇超声辐射致使Ru反应器内胞外聚合物、TTC-脱氢酶活性和生物量优于Rc反应器。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

1 引言

1．1 氮素循环及其污染

1．2 传统生物脱氮技术

1．2．1 硝化反应

1．2．2 反硝化反应

1．2．3 硝化-反硝化工艺

1．3 新型生物脱氮技术

1．3．1 同步硝化反硝化

1．3．2 短程硝化反硝化

1．3．3 同步脱氮除硫

1．3．4 厌氧氨氧化反应

1．4 厌氧氨氧化

1．4．1 厌氧氨氧化菌

1．4．2 厌氧氨氧化工艺

1．5 废水生物处理工艺的强化方式

1．5．1 反应器构型优化

1．5．2 营养物质添加

1．5．3 物理场刺激

1．6 本课题研究的目的、意义及内容

2．厌氧折流板反应器的操作优化

2．1 概述

2．2 材料与方法

2．2．1 模拟废水

2．2．2 反应器

2．2．3 分析方法

2．2．4 试验方法

2．2．5 反应器稳定性评价

2．3 结果和讨论

2．3．1 单侧进水运行性能

2．3．2 分区进水运行性能

2．3．3 不同进水模式下反应器性能比较

2．3．4 不同进水模式下反应器的运行稳定性

2．4 小结

3 折流板反应器的运行稳定性评价

3．1 概述

3．2 材料和方法

3．2．1 模拟废水

3．2．2 反应器

3．2．3 分析方法

3．3 结果和讨论

3．3．1 折流板反应器在浓度冲击下的运行状况

3．3．2 短时水力冲击对ANAMMOX ABR反应器的影响

3．3．3 反应器性能恢复

3．3．4 不同类型冲击作用对ABR反应器的性能影响

3．3．5 非稳态运行性能的模拟

3．4 小结

4 营养物质投加强化

4．1 概述

4．2 材料和方法

4．2．1 接种污泥

4．2．2 反应器及其运行策略

4．2．3 模拟废水

4．2．4 厌氧氨氧化污泥活性测定

4．2．5 分析方法及计算公式

4．3 结果

4．3．1 ANAMMOX反应器的启动

4．3．2 不同无机碳源情况下AnAOB富集

4．3．3 在不同碳源情况下AnAOB活性

4．3．4 最优碳源添加试验

4．3．5 最优无机碳源添加下的基质抑制试验

4．4 讨论

4．4．1 过量无机碳源的抑制作用

4．4．2 充足碳源对AnAOB的影响

4．4．3 基质抑制条件下无机碳源的作用

4．5 小结

5．超声强化

5．1 概述

5．2．材料和方法

5．2．1．模拟废水

5．2．2 反应器及接种污泥

5．2．3 超声辐射批次试验污泥

5．2．4 响应曲面模型

5．2．5 超声设备

5．2．6 分析和计算

5．3 结果和讨论

5．3．1 超声条件优化

5．3．2 验证试验

5．3．3 超声强化常温ANAMMOX工艺

5．4 结论

6 结论

参考文献

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