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氣。這一過程是環(huán)境友好和可持續(xù)過程,其具有很多獨特的優(yōu)點,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,包括anammox細菌生長率較低,可利用的接種污泥源有限,細菌對氧氣、有機物甚壘基質等多種物質敏感而易受其抑制,這些不足都嚴重限制了anammox過程的應用。為了

2、克服anammox過程應用中的困難,本論文從不同角度研究了anammox過程性能和微生物特性,主要研究內容和結果如下:
　　 Ⅰ.通過將一組無紡布膜組件和厭氧反應器相連接,本文設計了一個新型反應器結構來研究anammox細菌的富集。通過形成聚集體和膜內表面生物膜,anammox無紡布膜反應器(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個月的培養(yǎng)后,反應器氮負荷和去除率分別達到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,實時聚合酶鏈反應(PCR)分析顯示,anammox細菌的富集程度達到97.7％。
　　 Ⅱ.本論文使用不同數(shù)學模型研究了ANMR反應器的脫氮動力學,同時首次研究了anammo

4、x過程氮氣產(chǎn)量動力學。模型動力學和模型測試均表明Grau二級基質去除模型和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過程脫氮和氮氣產(chǎn)量的模型。
　　 Ⅲ.厭氧氨氧化顆粒污泥反應器通常采用厭氧/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菌的洗出和anammox菌的富集十分緩慢。本論文通過調查失活產(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

5、現(xiàn)anammox快速顆粒化,尤其是采用高濃度含氮廢水啟動時。研究中,反應器啟動階段進水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。三個月的培養(yǎng)可觀察到直徑1.3±0.4 mm的anammox顆粒,分子學分析顯示此時顆粒中65％以上的細胞是anammox細菌。Anammox菌可以利用失活產(chǎn)甲烷顆粒骨架并在顆粒內增殖是短時間內顆粒中anammox菌實現(xiàn)高純度的主要因為。在4個月的操作時間里,氮負荷由141 mg/L

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

7、去除率穩(wěn)定在95％-99.2％和97.7％-99％之間。反應化學計量學分析顯示,NO2--N轉化量和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)驗值基本吻合。修正的Stover-Kincannon模型首次應用于anammox顆粒反應器,其具有較高的相關系數(shù),并得出顆粒反應器具有27.8kg/m3/d的高除氮能力。電鏡及熒光原位雜交技術被用來表征Anammox顆粒。實時PCR技術顯示

8、,顆粒微生物群落中anammox細菌占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的3種anammox污泥的性能、抑制和活性恢復過程。不同污泥性能比較和動力學研究得出,接種由失活產(chǎn)甲烷顆粒富集的anammox污泥的反應器具有最高的除氮能力,之后是顆粒污泥反應器和絮狀污泥反應器。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器

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

10、機物,本文第一次研究了有機物的存在下,顆粒污泥的性能。在沒有投加有機物時,顆粒反應器表現(xiàn)出極好的NH4+-N和NO2--N去除率。實時PCR分析得出細菌群體中anammox細菌占89.3-90.6％,少量反硝化菌也存在于污泥中。低濃度有機物并沒有顯著影響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物存在而受到影響。當