厭氧氨氧化過程性能和微生物特性研究.pdf

1、相比于傳統(tǒng)生物脫氮,厭氧氨氧化(anammox)過程是一種創(chuàng)新而卓越的選擇,該過程使用亞硝酸氮作為電子受體,在自養(yǎng)條件下將氨氮氧化為氮?dú)?。這一過程是環(huán)境友好和可持續(xù)過程,其具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如不需要投加外部碳源,低能耗,低操作成本和剩余污泥產(chǎn)量。然而,該過程也有著鮮明的缺點(diǎn),包括anammox細(xì)菌生長率較低,可利用的接種污泥源有限,細(xì)菌對氧氣、有機(jī)物甚壘基質(zhì)等多種物質(zhì)敏感而易受其抑制,這些不足都嚴(yán)重限制了anammox過程的應(yīng)用。為了

2、克服anammox過程應(yīng)用中的困難,本論文從不同角度研究了anammox過程性能和微生物特性,主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　 Ⅰ.通過將一組無紡布膜組件和厭氧反應(yīng)器相連接,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)來研究anammox細(xì)菌的富集。通過形成聚集體和膜內(nèi)表面生物膜,anammox無紡布膜反應(yīng)器(ANMR)表現(xiàn)出較好的生物量保持能力。成熟生物膜形成后,沒有膜污染問題發(fā)生。經(jīng)過8個(gè)月的培養(yǎng)后,反應(yīng)器氮負(fù)荷和去除率分別達(dá)到1263mg

3、N/L/d和1047.5 mg N/L/d,最大氨氮消耗率是51 nM/mg protein/min。反應(yīng)器穩(wěn)定階段,NH4+-N和NO2--N平均去除效率分別是90.9％和95.0％。形態(tài)學(xué)觀察表明,anammox聚集體和生物膜表現(xiàn)較高程度的緊密度。同時(shí),實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)分析顯示,anammox細(xì)菌的富集程度達(dá)到97.7％。
　　 Ⅱ.本論文使用不同數(shù)學(xué)模型研究了ANMR反應(yīng)器的脫氮?jiǎng)恿W(xué),同時(shí)首次研究了anammo

4、x過程氮?dú)猱a(chǎn)量動(dòng)力學(xué)。模型動(dòng)力學(xué)和模型測試均表明Grau二級(jí)基質(zhì)去除模型和Van der Meer and Heertjes氣體產(chǎn)量模型是現(xiàn)有模型中最適合描述anammox過程脫氮和氮?dú)猱a(chǎn)量的模型。
　　 Ⅲ.厭氧氨氧化顆粒污泥反應(yīng)器通常采用厭氧/好氧顆粒作為污泥源,由于共競作用,這種接種方法使得其他細(xì)菌的洗出和anammox菌的富集十分緩慢。本論文通過調(diào)查失活產(chǎn)甲烷顆粒與anammox菌的相互作用,發(fā)現(xiàn)失活產(chǎn)甲烷顆粒適合用來實(shí)

5、現(xiàn)anammox快速顆粒化,尤其是采用高濃度含氮廢水啟動(dòng)時(shí)。研究中,反應(yīng)器啟動(dòng)階段進(jìn)水NO2--N濃度明顯高于已發(fā)表的對anammox菌可能產(chǎn)生毒性的水平。三個(gè)月的培養(yǎng)可觀察到直徑1.3±0.4 mm的anammox顆粒,分子學(xué)分析顯示此時(shí)顆粒中65％以上的細(xì)胞是anammox細(xì)菌。Anammox菌可以利用失活產(chǎn)甲烷顆粒骨架并在顆粒內(nèi)增殖是短時(shí)間內(nèi)顆粒中anammox菌實(shí)現(xiàn)高純度的主要因?yàn)?。?個(gè)月的操作時(shí)間里,氮負(fù)荷由141 mg/L

6、/d增加到480 mg/L/d,同時(shí)總氮去除率高達(dá)96.0±0.6％。形態(tài)學(xué)觀察證明了胞外多聚物在顆粒結(jié)構(gòu)中的重要作用。
　　 Ⅳ.厭氧氨氧化過程的應(yīng)用部分受制于anammox接種污泥的匱乏。近來,歐洲與亞洲均成功運(yùn)行了anammox處理廠。本章研究了從國外引進(jìn)污泥接種反應(yīng)器處理高濃度含氮廢水并實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)的可能性。實(shí)驗(yàn)表明,反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng),并且較長時(shí)間內(nèi),反應(yīng)器可以達(dá)到高氮去除率,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),NH4+-N和NO2--N的

7、去除率穩(wěn)定在95％-99.2％和97.7％-99％之間。反應(yīng)化學(xué)計(jì)量學(xué)分析顯示,NO2--N轉(zhuǎn)化量和NO3--N生成量與NH4+-N消耗量的摩爾比是1.26±0.02:1和0.26±0.01:1,與經(jīng)驗(yàn)值基本吻合。修正的Stover-Kincannon模型首次應(yīng)用于anammox顆粒反應(yīng)器,其具有較高的相關(guān)系數(shù),并得出顆粒反應(yīng)器具有27.8kg/m3/d的高除氮能力。電鏡及熒光原位雜交技術(shù)被用來表征Anammox顆粒。實(shí)時(shí)PCR技術(shù)顯示

8、,顆粒微生物群落中anammox細(xì)菌占91.4-92.4％。
　　 Ⅴ.本文還系統(tǒng)研究了包括絮狀污泥、顆粒污泥和由失活產(chǎn)甲烷顆粒富集的污泥在內(nèi)的3種anammox污泥的性能、抑制和活性恢復(fù)過程。不同污泥性能比較和動(dòng)力學(xué)研究得出,接種由失活產(chǎn)甲烷顆粒富集的anammox污泥的反應(yīng)器具有最高的除氮能力,之后是顆粒污泥反應(yīng)器和絮狀污泥反應(yīng)器。研究發(fā)現(xiàn)988.3 mgNH4+-N/L和484.4mg NO2--N/L能完全抑制顆粒反應(yīng)器

9、活性,但僅能引起絮狀污泥反應(yīng)器50％活性降低。抑制后,接種絮狀污泥和顆粒污泥的反應(yīng)器可以通過降低反應(yīng)器進(jìn)水得到完全恢復(fù),而接種失活產(chǎn)甲烷顆粒培養(yǎng)的anammox污泥反應(yīng)器只能重拾75％活性。本研究中,污泥中anammox菌純度是比污泥類型更適合評價(jià)反應(yīng)器恢復(fù)能力的參數(shù)。同時(shí)發(fā)現(xiàn),游離氨比游離亞硝酸更適合來監(jiān)測anammox反應(yīng)器抑制和恢復(fù)過程。
　　 Ⅵ.有機(jī)物的存在會(huì)對anammox過程產(chǎn)生負(fù)面影響。實(shí)際廢水中不可避免地含有有

10、機(jī)物,本文第一次研究了有機(jī)物的存在下,顆粒污泥的性能。在沒有投加有機(jī)物時(shí),顆粒反應(yīng)器表現(xiàn)出極好的NH4+-N和NO2--N去除率。實(shí)時(shí)PCR分析得出細(xì)菌群體中anammox細(xì)菌占89.3-90.6％,少量反硝化菌也存在于污泥中。低濃度有機(jī)物并沒有顯著影響NH4+-N和NO2--N去除率,但卻通過反硝化菌提高了總氮去除率。高濃度有機(jī)物抑制了anammox活性,使得NH4+-N去除率降低,而NO2--N去除率卻沒有因有機(jī)物存在而受到影響。當(dāng)