好氧厭氧氨氧化耦合顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮機(jī)理與模擬優(yōu)化.pdf

1、好氧氨氧化與厭氧氨氧化耦合顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮與傳統(tǒng)的硝化反硝化過程相比可以減少60％以上的O2消耗并且不消耗COD，能大幅減少廢水生物脫氮過程的能量消耗和CO2排放量。論文通過EGSB連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)、SBR反應(yīng)器間歇實(shí)驗(yàn)和分子生物學(xué)測試，以及完全自營養(yǎng)脫氮動力學(xué)模型研究與模擬優(yōu)化等方法，研究好氧厭氧氨氧化耦合顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮機(jī)理，優(yōu)化顆粒污泥生物反應(yīng)器的運(yùn)行條件，研究添加微量NO2條件下限制DO曝氣方法強(qiáng)化生物反應(yīng)器完全自營養(yǎng)脫

2、氮特性等，論文得到如下主要研究結(jié)果：
　　①在EGSB反應(yīng)器中接種厭氧顆粒污泥，采用間歇進(jìn)水、間歇出水方式運(yùn)行210天，成功啟動了厭氧氨氧化反應(yīng)器。在總氮容積負(fù)荷為0.11 kg/（m3·d）下，氨氮去除效率達(dá)75%，亞硝酸鹽氮去除效率達(dá)85%，污泥顏色由原來的黑色漸漸變?yōu)樽厣?，形成新的厭氧氨氧化污泥顆粒粒徑較小。氨氮、亞硝酸鹽氮去除量和硝酸鹽氮生成量的比例為1:1.1:0.18。在對厭氧氨氧化過程電子流分析基礎(chǔ)上，建立了厭氧氨氧

3、化細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)與NH4+、NO2-去除量和NO3-生成量之間的計(jì)量學(xué)關(guān)系，估算得厭氧氨氧化菌產(chǎn)率系數(shù)為0.080mol CH2O0.5N0.15/mol NH4+。
　　②通過SBR反應(yīng)器間歇實(shí)驗(yàn)，研究了基質(zhì)濃度、pH值和溫度對厭氧氨氧化活性的影響。結(jié)果表明可用Andrews方程描述氨氮和亞硝酸鹽氮濃度對厭氧氨氧化動力學(xué)特性的影響，動力學(xué)分析表明理論最大氨氧化速率369.94 mg/（gMLSS·d）、氨氮半飽和系數(shù)值30.39m

4、g/L、亞硝酸鹽氮半飽和系數(shù)值25.54mg/L、氨氨抑制常數(shù)為148.44mg/L、亞硝酸鹽對厭氧氨氧化的抑制常數(shù)為90.64 mg/L。當(dāng)氨濃度為67.12 mg/L、亞硝酸鹽氮濃度為48.11mg/L，表觀最大厭氧氨氧化速率達(dá)93.53mg/（gMLSS·d）。pH值是影響厭氧氨氧化活性的重要因素，pH過高或過低都不利于細(xì)菌生長和反應(yīng)進(jìn)行，本研究中厭氧氨氧化菌的最適pH為8.04。20℃~30℃條件下，厭氧氨氧化反應(yīng)速率與溫度的關(guān)

5、系可用修正的Arrhenius方程描述。
　?、凼褂秒娊赓|(zhì)呼吸儀測定間歇實(shí)驗(yàn)中好氧氨氧化過程的累積耗氧量和耗氧速率，通過Mann-Kendell趨勢檢驗(yàn)方法確定好氧氨氧化菌進(jìn)入內(nèi)源呼吸的時(shí)刻以及內(nèi)源呼吸過程中耗氧速率，計(jì)算氨氮氧化的耗氧量?；诤醚醢毖趸^程中合成代謝和能量代謝耦合，測得好氧氨氧化污泥產(chǎn)率系數(shù)為0.199mgCOD/mg NH4+-N。
　　④在 EGSB反應(yīng)器中同時(shí)接種好氧氨氧化污泥和厭氧氨氧化污泥進(jìn)行完全

6、自營養(yǎng)脫氮顆粒污泥的培養(yǎng)，pH控制在7.6～8.0，DO控制在0.6～0.8 mg/L，上升流速為4.2m/h。反應(yīng)器經(jīng)過120多天的運(yùn)行，NH4+-N去除效率達(dá)75%，總氮去除效率為52%，總氮去除速率達(dá)0.101 kg/（m3·d），顆粒污泥粒徑主要分布在0.5~1.0mm。
　　⑤在 SBR間歇實(shí)驗(yàn)中，DO一定的條件下完全自營養(yǎng)脫氮速率在一定范圍內(nèi)隨NH4+-N濃度而提高，NH4+-N濃度為150mg/L時(shí)未發(fā)現(xiàn)對完全自營養(yǎng)

7、脫氮活性的顯著抑制。DO對完全自營養(yǎng)脫氮過程的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：過高的DO會抑制厭氧氨氧化活性，提高亞硝酸鹽氧化速率，導(dǎo)致NO2-和NO3-在反應(yīng)器內(nèi)積累，降低總氮去除效率；DO過低時(shí)，好氧氨氧化過程中 NO2-生成速率較低，限制了厭氧氨氧化速率的提高，總氮去除速率較低，但反應(yīng)器內(nèi)NO2-和NO3-積累較少，總氮去除效率較高。
　?、尢崛∥勰嘀屑?xì)菌總DNA并純化，以好氧氨氧化菌AmoA基因?yàn)檫M(jìn)化指標(biāo)設(shè)計(jì)特異性引物AMo-F/

8、AMo-R，對好氧氨氧化菌AmoA基因部分序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增片段克隆到 pMD19-T載體并測序，測得序列的系統(tǒng)發(fā)育分析表明污泥中的好氧氨氧化菌主要是亞硝化單胞菌屬，與 Nitrosomonas europaea具有95％～98％的同源性。根據(jù)厭氧氨氧化菌的16SrDNA序列中的特異序列片斷設(shè)計(jì)特異引物Anammox1/Anammox2，對厭氧氨氧化菌16SrDNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增。擴(kuò)增產(chǎn)物連接到pMD19-T載體，將載體轉(zhuǎn)化到感受

9、態(tài)細(xì)胞大腸桿菌JM109中，并對其16SrDNA基因進(jìn)行測序。測序結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹分析，表明富集得到的厭氧氨氧化菌與Candidatus Anammoxoglobus propionicus進(jìn)化關(guān)系比較接近。
　?、呋谶吔鐚蛹僭O(shè)模擬顆粒污泥與主體液相間傳質(zhì)過程，并將其與顆粒污泥內(nèi)傳質(zhì)過程以及好氧氨氧化菌、厭氧氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌生長過程、內(nèi)源呼吸過程相耦合，建立顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮動力學(xué)模型。通過SBR反應(yīng)器內(nèi)間歇實(shí)驗(yàn)對

10、模型進(jìn)行驗(yàn)證，模型模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有較好的一致性。對間歇反應(yīng)過程中完全自營養(yǎng)脫氮過程模擬結(jié)果分析表明，在一定NH4+-N濃度下，通過合理控制DO，可使總氮去除效率和去除速率同時(shí)達(dá)到較好水平。
　?、嗷陬w粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮動力學(xué)模型對EGSB反應(yīng)器操作條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明較高的上升流速有利于提高EGSB的脫氮性能，當(dāng)上升流速由1.1 m/h提高到4.9 m/h時(shí)，總氮去除速率提高約10.2％；合適的DO是提高總氮去除性能的關(guān)

11、鍵，通過優(yōu)化控制EGSB反應(yīng)器內(nèi)DO，總氮去除平均除率由52%提高到61%，平均去除速率由0.103 kg/（m3·d）提高到0.114 kg/（m3·d），與模型預(yù)測結(jié)果的誤差均小于10％。
　?、岵捎肧BR反應(yīng)器間歇試驗(yàn)方法，研究微量NO2氛圍下顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮動力學(xué)特性。無O2時(shí)好氧氨氧化菌的NO2型氨氧化可用Andrews方程描述，最大氨氮降解速率為10.46 mg/（g?h），NO2半飽和系數(shù)和抑制數(shù)分別為2.09

12、 mmol/m3和10.62 mmol/m3。存在O2時(shí)，NO/NO2形成的NOx循環(huán)能強(qiáng)化好氧氨氧化過程，常規(guī)好氧氨氧化過程和NO2強(qiáng)化好氧氨氧化過程同時(shí)發(fā)生，動力學(xué)特性分析表明，最大強(qiáng)化系數(shù)40.85，NO2半飽和常數(shù)和抑制常數(shù)分別為1.32mmol/m3和7.11 mmol/m3。NO2對厭氧氨氧化過程的強(qiáng)化采用基礎(chǔ)速率系數(shù)修正的Andrews方程描述，最大強(qiáng)化系數(shù)43.5、NO2半飽和常數(shù)和抑制常數(shù)分別為16.9 mmol/m3

13、、0.348 mmol/m3，基礎(chǔ)速率系數(shù)0.024。好氧氨氧化和厭氧氨氧化耦合有利于減小NOx對于NO2型氨氧化過程的抑制。
　?、庠趯O2強(qiáng)化好氧、厭氧氨氧化動力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上，建立NO2強(qiáng)化完全自營養(yǎng)脫氮動力學(xué)模型，并對EGSB反應(yīng)器內(nèi)NO2強(qiáng)化完全自營養(yǎng)脫氮過程進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化EGSB反應(yīng)器操作運(yùn)行模式，控制DO和NO2分別為0.5~0.8mg/L和2.7~3.3 mmol/m3，總氮去除效率由26.86%