序批式全程自養(yǎng)脫氮工藝效能分析及機(jī)理與模型研究.pdf

1、基于厭氧氨氧化的全程自養(yǎng)脫氮（CANON）工藝是目前已知的最經(jīng)濟(jì)有效的污水生物脫氮途徑，相比于傳統(tǒng)硝化反硝化工藝，能夠縮減60％需氧量、100%有機(jī)碳源以及90%污泥產(chǎn)量，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)城市污水處理廠能源自給自足的保障工藝。然而，由于對(duì)CANON工藝內(nèi)微生物特性和脫氮機(jī)理缺乏深入研究，致使CANON工藝在啟動(dòng)和運(yùn)行中存在諸多問(wèn)題，例如較長(zhǎng)的啟動(dòng)周期、硝化細(xì)菌的過(guò)度生長(zhǎng)等，嚴(yán)重制約了工藝的發(fā)展和推廣，尤其在城市生活污水脫氮領(lǐng)域，迄今仍未獲得

2、突破。本論文以序批式全程自養(yǎng)脫氮（CANON SBR）反應(yīng)器為研究對(duì)象，借助現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)和數(shù)學(xué)模型方法，對(duì)CANON SBR反應(yīng)器的運(yùn)行效能、作用機(jī)制以及數(shù)值模擬展開(kāi)了系統(tǒng)研究，旨在為CANON SBR工藝的應(yīng)用和推廣提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。
　　在中溫（33℃）、高氨氮（500mg N·L-1）條件下，歷時(shí)140天成功啟動(dòng)CANON SBR反應(yīng)器（有效容積2L），進(jìn)水氨氮負(fù)荷達(dá)0.5kg N·m-3·d-1，總氮去除率維持

3、在81.2%左右。高通量測(cè)序結(jié)果表明，啟動(dòng)過(guò)程中微生物種群多樣性隨反應(yīng)器運(yùn)行逐漸降低，反應(yīng)器啟動(dòng)成功后，形成以亞硝化菌（AOB）和厭氧氨氧化菌（AMX）為優(yōu)勢(shì)菌的群落結(jié)構(gòu)。運(yùn)行方式（間歇曝氣-連續(xù)進(jìn)水、間歇曝氣-間歇進(jìn)水以及連續(xù)曝氣-連續(xù)進(jìn)水）對(duì)CANON SBR反應(yīng)器運(yùn)行效能影響的試驗(yàn)結(jié)果顯示，“間歇曝氣-間歇進(jìn)水”方式下，CANON SBR反應(yīng)器脫氮效果更穩(wěn)定，且pH值、氧化還原電位（ORP）以及溶解氧（DO）可作為實(shí)現(xiàn)精確曝氣的實(shí)

4、時(shí)控制參數(shù)。另外，CANON SBR反應(yīng)器內(nèi)硝化細(xì)菌（NOB）的過(guò)度生長(zhǎng)會(huì)與AMX競(jìng)爭(zhēng)底物（NO2-），導(dǎo)致AMX數(shù)量銳減，是致使反應(yīng)器難以恢復(fù)的主要原因。因此，CANON SBR反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中需要警惕和避免NOB的過(guò)度生長(zhǎng)。
　　采用掃描電鏡（SEM）和熒光原位雜交（FISH）方法，對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行CANON SBR反應(yīng)器內(nèi)污泥特性及功能菌分布進(jìn)行了深入分析，觀察發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)存在兩種形態(tài)的污泥：絮體污泥和顆粒污泥。絮體污泥以絲狀菌和

5、AOB為主，亞硝化作用顯著；而顆粒污泥以AMX為主，亞硝化作用和厭氧氨氧化作用均較顯著，對(duì)反應(yīng)器脫氮起主要作用。通過(guò)宏基因組分析可知，參與亞硝化作用的功能菌（AOB）屬于亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas），參與厭氧氨氧化作用的功能菌（AMX）主要為待定杰特氏菌屬（Candidatus Jettenia）。除了這兩種功能菌外，CANON SBR反應(yīng)器內(nèi)還存在大量屬于綠彎菌門（Chloroflexi）的絲狀菌（約占23%），屬異養(yǎng)菌

6、，主要以胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）為碳源和能源，且被認(rèn)為參與污泥絮體或顆粒的形成。
　　在明確CANON SBR工藝脫氮機(jī)制的基礎(chǔ)上，建立了CANON SBR動(dòng)力學(xué)模型。模型除了包括功能菌（AOB和AMX）所作用的脫氮過(guò)程外，還考慮到了EPS和SMP的形成過(guò)程，以及異養(yǎng)菌基于自養(yǎng)菌代謝產(chǎn)物的生長(zhǎng)過(guò)程。模型分析顯示，CANON SBR反應(yīng)器內(nèi)最佳溶解氧范圍在0.2~0.5mg O2·L-1，最佳污泥齡約為60天

7、。另外，進(jìn)水中的COD會(huì)引起CANON SBR反應(yīng)器內(nèi)異養(yǎng)菌的過(guò)度生長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致污泥齡的降低，破壞反應(yīng)器內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)。因此，CANON SBR反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度，尤其是易生物降解COD濃度，應(yīng)予以控制（低于100mg·L-1）。
　　為了探究CANON SBR工藝處理城市生活污水的可行性，提出了污泥齡控制和AMX強(qiáng)化的運(yùn)行策略。通過(guò)數(shù)值模擬，得出CANON SBR工藝處理城市生活污水（水溫20℃、COD20mg·L-1、