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文檔簡介
1、全自養(yǎng)脫氮(CANON,completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)與傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝相比,理論上可節(jié)省62.5%的硝化需氧量和100%的反硝化需COD量,特別適合處理高NH4+和低C/N廢水,是廢水生物脫氮技術的前沿和研究熱點。論文在SBR反應器中富集CANON污泥;用富集的CANON污泥設計間歇實驗,研究CANON過程的影響因素、脫氮貢獻和N2H4強化全自養(yǎng)脫氮機理;
2、基于活性污泥模型(ASMs,Activated Sludge Models)和個體模型(IbM,Individual-based Model)開發(fā)CANON生物膜種群動力學和反應器動力學的1D和2D模型,對CANON污泥生物膜種群和SBR反應器性能進行模擬。研究成果為工業(yè)規(guī)模CANON型SBR工藝設計和運行提供了重要的理論依據(jù)和技術參考。主要的研究內容和研究結果如下:
①SBR反應器中交替限氧-厭氧運行模式下160天內成功啟動
3、CANON工藝,總氮去除速率達到0.312±0.015kgN/m3/d,總氮去除效率為71.2±4.3%。啟動過程經(jīng)歷三個階段:常規(guī)硝化階段、短程硝化主導階段和全自養(yǎng)脫氮階段。培養(yǎng)所得的污泥為絮狀和顆粒混合污泥,絮狀污泥(粒徑<300μm)約占污泥總體積的61%,顆粒污泥(粒徑≥300μm)約占污泥總體積的39%。SBR反應器中交替限氧-厭氧運行模式比持續(xù)限氧運行模式更有利于CANON工藝的穩(wěn)定運行。在脫氮性能惡化的SBR系統(tǒng)進水中添加
4、適量N2H4可有效抑制亞硝酸氧化菌(NOB,Nitrite-Oxidizing Bacteria)的生長,加速恢復系統(tǒng)的自養(yǎng)脫氮性能,提高總氮去除速率。
?、诓捎谜辉囼灧椒ㄑ芯苛薈ANON過程的影響因素。試驗結果表明,DO對好氧氨氧化速率影響極大,NH4+-N濃度對好氧氨氧化速率的影響較大,pH對好氧氨氧化速率的影響?。籇O和NH4+-N濃度對亞硝酸氧化速率的影響較大,pH對亞硝酸氧化速率的影響較??;DO、NH4+-N濃度和p
5、H對厭氧氨氧化速率的影響均較小。好氧氨氧化直接決定反應器總氮去除能力,DO是實現(xiàn)CANON過程的關鍵控制因子;CANON型SBR系統(tǒng)的優(yōu)化運行條件為:DO0.3±0.05mg/L、初始NH4+-N濃度150mgN/L、初始pH7.4。
?、弁ㄟ^間歇試驗探索了CANON系統(tǒng)的自養(yǎng)脫氮貢獻。在CANON型SBR系統(tǒng)中,厭氧氨氧化菌(AnAOB,Anaerobic Ammonia-Oxidizing Bacteria)在總氮去除中起主
6、導作用,氨氧化菌反硝化脫氮的貢獻小于13.55%,添加NO2-可提高系統(tǒng)總氮去除速率;脫氮進程的主要氣體產(chǎn)物是N2,N2O產(chǎn)生量占總氮去除的0.41%-7.96%,與NO2-濃度呈正相關,主要由氨氧化菌反硝化產(chǎn)生。厭氧條件下,10mM甲醇不能完全抑制AnAOB活性。
?、荛L時間添加微量NO2可強化全自養(yǎng)脫氮性能,獲得相對較高的總氮去除速率和總氮去除效率,且運行更穩(wěn)定。未添加微量NO2的SBR反應器總氮去除效率為65.5±5.0%
7、,總氮去除速率為0.198±0.023kgN/m3/d;添加微量NO2,總氮去除效率增加至67.5±6.2%,總氮去除速率達到0.277±0.017kgN/m3/d。
?、輧蓚€SBR反應器進水中長期添加N2H4,SBR1總氮去除速率由0.202±0.011kgN/m3/d增加到0.370±0.016kgN/m3/d,總氮去除效率由65.1±3.75%增加到77.4±3.8%;SBR2總氮去除速率由0.200±0.005kgN/m
8、3/d增加到0.362±0.047kgN/m3/d,總氮去除效率由65.5±1.6%增加到77.4±7.7%;兩SBR反應器中硝態(tài)氮產(chǎn)生量與氨氮去除量的比值分別為0.058、0.053,遠低于理想全自養(yǎng)脫氮狀態(tài)下的比值0.11,表明N2H4可強化反應器自養(yǎng)脫氮性能,使出水NO3-濃度大大降低;外部投加的N2H4經(jīng)聯(lián)氨脫氫酶(HD)催化氧化為N2釋放電子,替代NO2-氧化為NO3-途徑對厭氧氨氧化菌合成代謝消耗的電子進行補充,強化細菌增殖
9、的同時減少了NO3-的產(chǎn)生。間歇實驗結果表明,全自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中N2H4的適宜濃度在3.99mg/L左右;N2H4對自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中的好氧氨氧化菌(AOB,Ammonia-Oxidizing Bacteria)活性存在抑制作用。AnAOB能以N2H4為電子供體、NO2-為電子受體進行反應,產(chǎn)物主要為N2;在無NO2-基質的條件下,外部投加N2H4可促使AnAOB以NO3-作為電子受體,NH4+作為電子供體發(fā)生厭氧氨氧化。
?、藁贏
10、SM1簡化模型,運用AQUASIM軟件建立了包含自養(yǎng)微生物、異養(yǎng)微生物、胞外聚合物(EPS,Extracellular Polymeric Substances)、溶解性微生物產(chǎn)物(SMP,Soluble Microbial Products)、惰性生物質的CANON污泥生物膜種群動力學和SBR反應器動力學的1D模型。對模型參數(shù)進行靈敏度分析和校核后,出水NH4+-N、NO2--N濃度模擬值與實測值較吻合,出水NO3--N濃度模擬值比實
11、測值略低,其原因可能是CANON污泥中仍存在少量NOB。模擬結果顯示,空氣曝氣負荷/進水總氮負荷為0.18Lair/mgN左右時,系統(tǒng)總氮去除效率達90%左右;根據(jù)模擬結果調整反應器運行條件,總氮去除速率由0.312±0.015kgN/m3/d增加到0.485±0.013kgN/m3/d,總氮去除效率由71.2±4.3%增加到85.7±1.4%。
?、呓Y合IbM模型和ASM1簡化模型,運用iDynoMiCS軟件建立CANON污泥
12、種群動力學和反應器動力學的2D模型。模擬結果表明,隨著DO濃度升高,生物膜增厚,生物膜中AOB的相對含量增高,AnAOB的相對含量降低,過高或過低的DO濃度均不利于CANON工藝的啟動;2D模型和1D模型微生物種群動力學模擬結果相似:在CANON生物膜中AOB和AnAOB為優(yōu)勢種群,AOB主要分布在生物膜外層,AnAOB主要分布在生物膜內層;微生物代謝產(chǎn)生的有機物濃度極低,這是異養(yǎng)菌被淘汰的直接原因;NOB在與AOB競爭DO以及與AnA
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