填充床生物膜反应器中氮转移及去除机理研究

【摘要】：厌氧氨氧化工艺是一种新型的生物脱氮工艺,具有无需外加有机物作电子供体、节省酸碱中和试剂,无二次污染,节省供氧能耗,运行费用低等优点,应用前景十分广阔。生物膜反应器用于污水处理技术源远流长,近年来,其型式又得到较多的研究与应用,具有操作方便、剩余污泥少、抗冲击负荷等优点。 本文建立了一套填充床厌氧氨氧化生物膜反应器,以无纺布为填料,人工合成废水为处理对象,系统地考察了生物膜反应器中氮转移及去除能力,及基质中氨氮浓度、亚硝氮浓度和温度等因素对氮去除性能的影响,并据此建立了厌氧氨氧化反应速率方程。 本文主要内容有： 1.采取适宜措施,控制温度为33℃,pH=7.3,初始HRT=24h,抑制NOB的生长。接种20天后,基质中消耗的亚硝氮与氨氮之比约为1.35,生成的硝氮与消耗的氨氮之比约为0.24,接近厌氧氨氧化反应方程式中的1.32与0.26,厌氧氨氧化反应器成功启动。 2.逐步提高进水容积负荷,考查了厌氧氨氧化生物膜反应器的长期除氮性能与稳定性。反应器共连续运行240天,系统亚硝氮去除率在94.0%以上,总氮去除率在71.9%以上,HRT由24 h降至6 h,最大氮负荷可达3.04 kg-N/m3/day；亚硝氮及硝氮与氨氮的平均反应比为1.35和0.24,与厌氧氨氧化反应方程式中1.32与0.26相比,十分接近；无纺布上附着的生物膜颜色及反应器底部的颗粒污泥均逐渐转红,颗粒污泥尺寸增大。 3.通过批实验研究了基质中氨氮和亚硝氮浓度对厌氧氨氧化活性的影响,实验结果表明,氨氮浓度在1000 mg-N/l以下时,对厌氧氨氧化活性不存在抑制,亚硝氮浓度超过约100 mg-N/l时,厌氧氨氧化活性受到抑制,氨氮和亚硝氮浓度对厌氧氨氧化反应的影响是相互独立,互不影响的；温度在20-33℃之间时,厌氧氨氧化反应速率与温度的关系可以用修正的Arrhenius方程来描述,温度为37℃时,反应速率最大。 4.考虑亚硝氮对厌氧氨氧化反应的抑制作用,建立厌氧氨氧化反应速率方程。模型方程采用单底物抑制Haldane方程。根据实验结果,拟合得出其方程常数,进一步得到亚硝氮的理论起始抑制浓度为111.2 mg-N/1.模拟结果与实验结果相比较,吻合较好。 在反应器长时间连续运行的实验研究基础上,本文对填充床厌氧氨氧化生物膜反应器的运行参数和影响因素进行了综合测试和分析,确定了其优化范围,并据此对该反应器底物降解行为进行了模拟预测,为厌氧氨氧化生物膜反应器实际应用及反应器内流动-反应耦合动力学研究提供实验依据与理论基础。