多途徑強(qiáng)化厭氧氨氧化工藝及其生物顆粒特性研究.pdf

1、厭氧氨氧化(ANaerobic AMmonium OXidation，ANAMMOX)工藝是高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的新型生物脫氮技術(shù)。該工藝是微生物學(xué)和環(huán)境工程領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，自問世以來就受到了高度關(guān)注。然而，該工藝的實(shí)際應(yīng)用亟需解決污泥難以富集培養(yǎng)，易受外部條件影響等難題。本文通過反應(yīng)器操作優(yōu)化、碳源投加優(yōu)化和物理場強(qiáng)化等多途徑強(qiáng)化厭氧氨氧化反應(yīng)工藝運(yùn)行性能，并對反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)優(yōu)

2、化了厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)的操作方式。ABR反應(yīng)器進(jìn)水方式的不同，導(dǎo)致反應(yīng)器呈現(xiàn)出不同運(yùn)行效能。當(dāng)采取單側(cè)進(jìn)水方法操作時(shí)，第一格室效能決定反應(yīng)器整體去除效能，為反應(yīng)器內(nèi)部主降解基質(zhì)區(qū)域。在此條件下，反應(yīng)器往往出現(xiàn)前格室基質(zhì)過載后格室基質(zhì)缺乏，無法充分發(fā)揮整體反應(yīng)器運(yùn)行潛能。相比與單側(cè)進(jìn)水模式，在分區(qū)進(jìn)水操作下，前格基質(zhì)過載現(xiàn)象有效緩解，而后格室微生物活性，生物量及污泥顆粒化進(jìn)程顯著加強(qiáng)。在低濃度高流量的運(yùn)行條件下，單側(cè)進(jìn)水操作方式致

3、使反應(yīng)器四格室去除效能分別為反應(yīng)器的總體去除效能的84.3％、8.6％、3.7％和3.3％;而在分區(qū)進(jìn)水操作反應(yīng)器中，各格室效能分別為該反應(yīng)器總體去除效能的40.3％、30.4％、19.1％和10.3％。穩(wěn)定性試驗(yàn)顯示，在遭受短時(shí)高濃度基質(zhì)負(fù)載后（2.0倍及3.0倍基質(zhì)沖擊），兩類反應(yīng)器都能在較短的時(shí)間內(nèi)便可恢復(fù)到擬穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水平;而在1.5倍基質(zhì)濃度沖擊下，分區(qū)進(jìn)水反應(yīng)器恢復(fù)時(shí)間則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單側(cè)進(jìn)水反應(yīng)器。
　　 (2)解析了AN

4、AMMOX折流板反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性。ANAMMOX折流板反應(yīng)器運(yùn)行性能穩(wěn)定，抗沖擊能力較強(qiáng)。1.50倍的基質(zhì)過載并未導(dǎo)致反應(yīng)器的運(yùn)行效能惡化。雖然負(fù)荷沖擊導(dǎo)致反應(yīng)器短時(shí)總氮去除率下降，但是反應(yīng)器總氮去除負(fù)荷卻短時(shí)提升，增幅約3％-19％。不同類型的基質(zhì)負(fù)載（基質(zhì)濃度負(fù)載或水力負(fù)載）會(huì)導(dǎo)致了成熟污泥及菌群的相位變化。通過觀察反應(yīng)器波動(dòng)情況發(fā)現(xiàn)，ANAMMOX折流板反應(yīng)器更容易受短時(shí)濃度過載的影響，而對水力過載的適應(yīng)力強(qiáng)。在整體反應(yīng)器中，相

5、比反應(yīng)器后格室，前格更容易受到基質(zhì)過載的影響。在反應(yīng)器抑制階段，pH、總氮去除率、剩余氨濃度都與游離氨濃度呈正相關(guān)關(guān)系，高游離氨濃度被認(rèn)為導(dǎo)致ANAMMOX反應(yīng)惡化的主要因素之一。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用高斯模型可較好的模擬沖擊期及后續(xù)反應(yīng)器運(yùn)行趨勢。
　　 (3)優(yōu)化了無機(jī)碳源投加操作。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長期無機(jī)碳源添加維持反應(yīng)器高效運(yùn)行。在無機(jī)碳源投加反應(yīng)器(ICAR)中，厭氧氨氧化菌(AnAOB)展現(xiàn)出高生物活性，整體反應(yīng)器的最高總氮去除速率

6、可達(dá)21.0 kg-N m-3 d-1;而在碳源缺乏反應(yīng)器(ICDR)中，其最高總氮去除速率僅為3.42 kg-N m-3 d-1，為ICAR的16.3％。通過觀察ICAR長期運(yùn)行效能，HCO3-/TN(mg mg-1)為1.43時(shí)最有利于反應(yīng)器效能的穩(wěn)定提升;而在批次試驗(yàn)中，控制HCO3-/TN(mg mg-1)比在1.20時(shí)AnAOB代謝活性最高。批次試驗(yàn)顯示，當(dāng)兩反應(yīng)器內(nèi)污泥作為測試污泥時(shí)，短時(shí)的碳源增加或去除都會(huì)導(dǎo)致AnAOB活

7、性降低。當(dāng)微生物適應(yīng)長期無機(jī)碳源添加環(huán)境后，碳源物質(zhì)添加可緩解基質(zhì)抑制。在碳源充足狀況下，亞硝酸氮和氨氮半抑制濃度分別為295 mg L-1NO2-N和361 mg L-1 NH4+-N;而在碳源缺乏條件下(HCO3-=120mg L-1)，亞硝酸氮和氨氮半抑制濃度則為120 mg L-1和346 mgL-1，濃度基質(zhì)抑制現(xiàn)象加重。HCO3-/TN(mg mg-1)投加比變化會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)計(jì)量比發(fā)生變化。在長期碳源缺乏條件下，絲狀菌和球

8、狀菌可存在在同一反應(yīng)器中。
　　 (4)構(gòu)建了超聲強(qiáng)化型ANAMMOX工藝，考察了其室溫運(yùn)行工況。通過響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行超聲參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果顯示，超聲強(qiáng)度為影響超聲刺激效果的主要影響因素。過高或過低強(qiáng)度的超聲輻射都會(huì)抑制微生物活性，方程模擬發(fā)現(xiàn)，在超聲強(qiáng)度為0.7 w cm-2，超聲時(shí)間為1.9min條件下，AnAOB可達(dá)到最高活性。相比與無超聲對照組污泥，超聲后污泥脫氫酶活性提升61％。同時(shí)經(jīng)超聲輻射后，AnAOB半表觀親和常數(shù)從

9、174.5mgN L-1降至168.5 mgNL-1，總氮半抑制濃度也從633.4 mgN L-1降至571.4 mgN L-1。當(dāng)最優(yōu)超聲輻射實(shí)施于低溫運(yùn)行反應(yīng)器后，超聲強(qiáng)化反應(yīng)器(Ru)展現(xiàn)出優(yōu)異的運(yùn)行效能，當(dāng)溫度為14.8℃時(shí)，反應(yīng)器總氮去除速率可達(dá)到5.49 kgN m-3 d-1。低溫環(huán)境對對照組反應(yīng)器(Rc)產(chǎn)生抑制作用，在低溫條件下，該反應(yīng)器總氮去除速率僅為1.53 kgN m-3d-1。間歇超聲輻射致使Ru反應(yīng)器內(nèi)胞外聚