完全自養(yǎng)脫氮SBR反應(yīng)器的運(yùn)行、強(qiáng)化及模擬優(yōu)化.pdf

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(shù)的前沿和研究熱點(diǎn)。論文在SBR反應(yīng)器中富集CANON污泥；用富集的CANON污泥設(shè)計(jì)間歇實(shí)驗(yàn)，研究CANON過程的影響因素、脫氮貢獻(xiàn)和N2H4強(qiáng)化全自養(yǎng)脫氮機(jī)理；

2、基于活性污泥模型（ASMs，Activated Sludge Models）和個(gè)體模型（IbM，Individual-based Model）開發(fā)CANON生物膜種群動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)的1D和2D模型，對(duì)CANON污泥生物膜種群和SBR反應(yīng)器性能進(jìn)行模擬。研究成果為工業(yè)規(guī)模CANON型SBR工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)參考。主要的研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下：
　?、賁BR反應(yīng)器中交替限氧-厭氧運(yùn)行模式下160天內(nèi)成功啟動(dòng)

3、CANON工藝，總氮去除速率達(dá)到0.312±0.015kgN/m3/d，總氮去除效率為71.2±4.3%。啟動(dòng)過程經(jīng)歷三個(gè)階段：常規(guī)硝化階段、短程硝化主導(dǎo)階段和全自養(yǎng)脫氮階段。培養(yǎng)所得的污泥為絮狀和顆?；旌衔勰?，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(yīng)器中交替限氧-厭氧運(yùn)行模式比持續(xù)限氧運(yùn)行模式更有利于CANON工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。在脫氮性能惡化的SBR系統(tǒng)進(jìn)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(fù)系統(tǒng)的自養(yǎng)脫氮性能，提高總氮去除速率。
　　②采用正交試驗(yàn)方法研究了CANON過程的影響因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，DO對(duì)好氧氨氧化速率影響極大，NH4+-N濃度對(duì)好氧氨氧化速率的影響較大，pH對(duì)好氧氨氧化速率的影響?。籇O和NH4+-N濃度對(duì)亞硝酸氧化速率的影響較大，pH對(duì)亞硝酸氧化速率的影響較??；DO、NH4+-N濃度和p

5、H對(duì)厭氧氨氧化速率的影響均較小。好氧氨氧化直接決定反應(yīng)器總氮去除能力，DO是實(shí)現(xiàn)CANON過程的關(guān)鍵控制因子；CANON型SBR系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)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(yàn)探索了CANON系統(tǒng)的自養(yǎng)脫氮貢獻(xiàn)。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(dǎo)作用，氨氧化菌反硝化脫氮的貢獻(xiàn)小于13.55%，添加NO2-可提高系統(tǒng)總氮去除速率；脫氮進(jìn)程的主要?dú)怏w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(guān)，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(shí)間添加微量NO2可強(qiáng)化全自養(yǎng)脫氮性能，獲得相對(duì)較高的總氮去除速率和總氮去除效率，且運(yùn)行更穩(wěn)定。未添加微量NO2的SBR反應(yīng)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(dá)到0.277±0.017kgN/m3/d。
　?、輧蓚€(gè)SBR反應(yīng)器進(jìn)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(yīng)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(yuǎn)低于理想全自養(yǎng)脫氮狀態(tài)下的比值0.11，表明N2H4可強(qiáng)化反應(yīng)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(duì)厭氧氨氧化菌合成代謝消耗的電子進(jìn)行補(bǔ)充，強(qiáng)化細(xì)菌增殖

9、的同時(shí)減少了NO3-的產(chǎn)生。間歇實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)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(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)物主要為N2；在無NO2-基質(zhì)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(yùn)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(zhì)的CANON污泥生物膜種群動(dòng)力學(xué)和SBR反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)的1D模型。對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析和校核后，出水NH4+-N、NO2--N濃度模擬值與實(shí)測值較吻合，出水NO3--N濃度模擬值比實(shí)

11、測值略低，其原因可能是CANON污泥中仍存在少量NOB。模擬結(jié)果顯示，空氣曝氣負(fù)荷/進(jìn)水總氮負(fù)荷為0.18Lair/mgN左右時(shí)，系統(tǒng)總氮去除效率達(dá)90%左右；根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整反應(yīng)器運(yùn)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(jié)合IbM模型和ASM1簡化模型，運(yùn)用iDynoMiCS軟件建立CANON污泥

12、種群動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)的2D模型。模擬結(jié)果表明，隨著DO濃度升高，生物膜增厚，生物膜中AOB的相對(duì)含量增高，AnAOB的相對(duì)含量降低，過高或過低的DO濃度均不利于CANON工藝的啟動(dòng)；2D模型和1D模型微生物種群動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)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(nèi)層；微生物代謝產(chǎn)生的有機(jī)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