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全程自养生物脱氮基础研究及其污泥颗粒化培养

廖德祥  
【摘要】: 水环境中氮元素的大量积累导致了水环境质量的严重恶化,采用有效的防治措施化解这一危害,是目前亟待解决的问题。用传统硝化-反硝化工艺处理高浓度氨氮废水时,由于该工艺硝化时需要氧气,反硝化时需要有机碳源,不满足废水处理可持续发展的要求。近几年发现一种新型生物脱氮工艺-全程自养脱氮,它通过亚硝化菌将废水中部分氨氮(55%)氧化为亚硝酸氮,然后再在厌氧氨氧化菌的作用下,利用剩余的氨氮为电子供体,生成的亚硝酸氮为电子受体,转化为氮气,达到脱氮的目的。该工艺至少节省25%的氧气和40%的有机碳源,是一种很有应用前景的脱氮工艺。 本课题立足于国内外生物脱氮研究的最新研究成果,对自养脱氮中的亚硝化、厌氧氨氧化及其二级联合全程自养脱氮进行基础研究,同时考察了单级全程自养脱氮污泥颗粒化的可行性。 采用悬浮生长式(CSTR)生物体系研究限制型亚硝化和完全亚硝化,限制型亚硝化和完全亚硝化的区别在于:限制型亚硝化是指废水中的氨氮只部分(约55%)转化为亚硝酸氮;而完全亚硝化是指废水中的氨氮全部转化为亚硝酸氮。试验结果表明,限制型亚硝化反应器运行的最佳条件是DO控制在0.5~0.8 mg/L,pH值为7.5~8.3,温度30℃,进水氨氮浓度为350~400 mg/L;对于完全亚硝化反应,实现进水氨氮100%亚硝化的最佳条件为DO控制在0.8~1.0 mg/L,pH值为7.5~8.3,温度30℃,进水氨氮浓度为300~350 mg/L,最大的亚硝酸积累率能达90%左右。 DO浓度是亚硝化选择的一个重要参数,污泥驯化期,反应器的DO浓度为1.5~2.0 mg/L时,限制型亚硝化和完全亚硝化反应器都出现较强的硝化作用,硝酸氮的产量大,而亚硝化积累量小;亚硝化选择期,降低DO浓度到0.5~0.8 mg/L可以实现限制型亚硝化,而完全亚硝化溶解氧浓度可以在DO浓度范围0.5~1.5 mg/L,说明控制完全亚硝化对DO浓度的要求没有限制型亚硝化严格。 采用悬浮生长式SBR反应器富集培养厌氧氨氧化微生物并对其进行分子生物学鉴定。利用厌氧颗粒污泥作为种泥,控制HRT在30 d,初期颗粒污泥以反硝化作用占优势;驯化54 d后,反应器中出现厌氧氨氧化作用,反硝化和厌氧氨氧化共存;到第90 d,成功培养出具有厌氧氨氧化活性的颗粒污泥,氨氮和亚硝酸氮的最大容积去除速率分别达到14.6 g NH_4~+-N /(m~3·d)和6.67 g NO2--N /(m~3·d),这说明由于厌氧氨氧化菌生长缓慢,在驯化初期,较长的HRT对富集厌氧氨氧化微生物是至关重要的,同时说明厌氧颗粒污泥作为培养厌氧氨氧化微生物的种泥是合适的。从t=110 d开始逐步缩短HRT,提高基质负荷来促进厌氧氨氧化菌的生长。到t=156 d,HRT降到5 d,氨氮和亚硝酸氮的去除率分别达到60.6%和62.5%,亚硝酸氮/氨氮的比率为1.12,反应器中的颗粒污泥已经具有相当高的厌氧氨氧化活性,总氮负荷达到34.3 g/(m~3·d)。在厌氧氨氧化反应器启动过程中,通过测定NH_4~+-N去除量与NO_2~--N去除量的比值、反应器内COD浓度变化及反应器内污泥颜色的变化,可了解厌氧氨氧化反应器的启动进程。 由于厌氧氨氧化菌为化能自养微生物,它们以无机碳源为能源,因此本文研究了进水无机碳浓度对厌氧氨氧化的影响。当进水无机碳浓度从1.0 g/L增加到1. 5 g/L,厌氧氨氧化的活性随之增强,但是当进水无机碳浓度增加2.0 mg/L后,厌氧氨氧化活性受到抑制,脱氮性能降低。无机碳对厌氧氨氧化的抑制作用是可逆的,当反应器在低进水无机碳浓度下运行一段时间,其厌氧氨氧化活性得以恢复。在最佳进水无机碳浓度条件下,最大厌氧氨氧化速率达到66.4 mg N/ (L·d)。 借鉴前期利用好氧颗粒污泥直接培养具有全程自养脱氨氮能力污泥的失败经验,本文采用厌氧颗粒污泥为种泥,培养全程自养脱氮颗粒污泥的方式也是先在厌氧条件下富集厌氧氨氧化微生物,然后控制反应器中DO为0.3~0.5 mg/L,实现厌氧氨氧化颗粒污泥向全程自养脱氮颗粒污泥的转化。试验过程发现进水CaCl_2的含量过高会使反应器生物系统中的无机组分增加,相应生物量减少,使脱氮效率变低。降低进水中的CaCl_2的含量,经过驯化,可使污泥脱氮性能得到恢复,污泥也会由白色转变为灰色或棕红色。


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