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《郑州大学》 2019年
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低氨氮浓度下UAFB-anammox反应器启动和脱氮研究

解云飞  
【摘要】:相对于传统生物脱氮技术,新型生物厌氧氨氧化技术具有无需额外碳源、节能和低成本等优势。因此,近年来以生物厌氧氨氧化为核心工艺的生物脱氮技术迅速成为国内外脱氮领域的研究热点。厌氧氨氧化工艺是在严格厌氧条件下,厌氧氨氧化菌(anammox bacteria)分别利用氨氮和亚硝态氮作为电子供体和电子受体,将水中氨氮和亚硝态氮转化成氮气的过程。厌氧氨氧化工艺的影响因素包括溶解氧(DO)、氮源(氨氮和亚硝态氮)浓度、pH值、温度、有机物浓度和光照等条件。市政污水在尝试采用主流厌氧氨氧工艺处理过程中,污水中低浓度氨氮可能是影响厌氧氨氧化菌生长和主流厌氧氨氧化工艺运行的主要限制性因素。本研究采用上流式厌氧固定床反应器(UAFB)进行低浓度(氨氮和亚硝态氮初始浓度均保持在28 mg N/L左右)的厌氧氨氧化工艺启动和性能测试实验。在UAFB反应器内按照一定体积比例填充聚氨酯海绵和弹性纤维填料,接种来自实际淀粉废水UASB反应器中的厌氧颗粒污泥。UAFB反应系统运行超过160天,运行期间通过分阶段缩短水力停留时间(HRT)增加反应系统的总氮负荷率(NLR),主要研究结果包括:(1)UAFB反应器在30±1~oC的温度下水力停留时间HRT从17.5 h逐步降低至3.0 h。总氮负荷率NLR从0.056提升至0.320 kg N/m~3/d,在不同HRT阶段的稳定期,UAFB出水中氨氮和亚硝态氮浓度均低于5 mg N/L。在最后阶段(HRT=3.0 h)的稳定期,氨氮和亚硝态氮去除率均超过98%,总氮(TN)去除率约80%,成功实现了低浓度条件下的厌氧氨氧化工艺的启动和长期稳定运行。(2)在最后阶段从UAFB中取出两种填料,通过异位动力学实验对填料进行脱氮性能测试。实验结果显示聚氨酯海绵具有稳定和高效的厌氧氨氧化性能,亚硝态氮和氨氮消耗量与硝酸根生成量的比值(以mg N/L为单位计算)为Δ[NH_4~+]:Δ[NO_2~-]:Δ[NO_3~-]=1:1.01:0.55)。相反,弹性纤维在处理不同初始浓度(28 mg/L和56 mg/L)过程中波动较大,氨氮和亚硝态氮消耗量与硝酸根生成量对应的比值分别为(Δ[NH_4~+]:Δ[NO_2~-]:Δ[NO_3~-]=1:1.82:0.36)和(Δ[NH_4~+]:Δ[NO_2~-]:Δ[NO_3~-]=1:1.47:0.71)。进一步,两种填料异位厌氧氨氧化活性数值分别为:5.63 mg N-NH_4/L/h/L_(聚氨酯海绵填料)和3.90 mg N-NH_4/L/h/L_(弹性纤维填料)。上述结果说明在单一UAFB系统中单位体积聚氨酯海绵填料上微生物具有的厌氧氨氧化活性高于弹性纤维。相对于弹性纤维填料,聚氨酯海绵具有的微孔结构容易让微生物在其表面和内部富集,能够较好地抵抗水力剪切作用。(3)通过扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)检测分析可以得出聚氨酯海绵填料生物相丰富,孔道结构复杂易于微生物富集生长,而弹性纤维填料表面相对光滑不利于微生物富集。在水力停留时间HRT减小后,水力剪切力增强使微生物容易从纤维填料表面脱落。但是需要指出的是,弹性纤维球表面特有的丝状结构容易在反应初期(低水力剪切力)拦截和富集大量微生物提高UAFB系统中的生物量。进一步分析两种填料上微生物胞外聚合物(EPS)中的主要成分,聚氨酯海绵填料上负载微生物含有的EPS主要成分包括蛋白质(50%),多糖(36.21%)和腐植酸(13.79%);弹性纤维上微生物EPS的主要含量为腐植酸(54.34%),蛋白质(31.96)和多糖(13.70%)。从文献中可以得出EPS中蛋白质含量较高有利于微生物的颗粒化。(4)在实验阶段不同时期采用16S rRNA高通量基因测序方法对不同阶段UAFB系统内悬浮微生物进行微生物多样性分析,进一步在最后阶段稳定期对两种填料上生物膜进行微生物多样性比较。结果表明UAFB反应器内微生物种群多样性随着实验进行呈现一个下降的趋势。在稳定期,UAFB反应器中的主要厌氧氨氧化菌种是Candidatus Brocadia(14.15%)。两种填料上的微生物种群结构近似,聚氨酯海绵填料上的厌氧氨氧化菌比例略高于纤维填料。
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:X703

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