厌氧生物转盘的氨氧化与SBR单级限氧自养脱氮的基础试验研究

【摘要】： 基于厌氧氨氧化的自养脱氮工艺,与传统硝化反硝化生物脱氮工艺相比,可节省耗氧量25%、节省碳源100%、无需投加化学试剂调节pH值并减少的剩余污泥量的产生,为废水的高效低耗脱氮提供了新技术。本文一方面研究了生物转盘系统中厌氧氨氧化菌的驯化和富集、微生物种群鉴定、动力学特性、影响因素和脱氮能力,并以SBR系统短程硝化产物—亚硝氮为电子受体研究了全程自养脱氮运行效果和稳定性；另一方面对SBR系统中单级限氧自养脱氮的实现、微生物种群分布、影响因素和脱氮途径等问题进行了研究和分析。主要研究成果如下： 1.采用长污泥停留时间的厌氧生物转盘反应器,接种普通厌氧活性污泥,控制温度40-41℃、pH值8.25-8.50、HRT 1.3d以及反应器避光的条件下连续诱导驯化142d,氨氮和亚硝酸盐氮的最高去除率分别达到了98.15%和99.56%,成功实现了ANAMMOX。通过缩短HRT为1.0d,提高进水浓度到350mg·L-1并增加进水点的方式连续运行480d,系统的最大容积去除负荷和盘片面积负荷分别达到0.88kg N·m-3.d-1和17g N·m-2·d-1。借助FISH和PCR技术检测表明系统中的厌氧氨氧化菌为C. Kuenenia stuttgartiensis种。 2.不同HRT厌氧生物转盘反应器连续运行试验结果表明：系统中脱氮效果最佳的HRT为1d。初始氨氮和亚硝氮浓度为80mg L-1时,采用间歇试验研究有机物浓度对厌氧氨氧化速率影响结果表明：自养条件下厌氧氨氧化菌的最大比反应速率为0.189 kgNH4+-N·kg-1VSS·d-1,低浓度有机物对厌氧氨氧化菌活性影响不大,当有机物浓度超过70 mg·L-1时,其比反应速率降低到0.05kgNH4+-N·kg-1VSS·d-1以下；有机物浓度对系统连续运行试验结果表明：添加少量有机物(≤50 mg L-1)提高了TN的去除率(最大值96.59%),当有机物浓度过高时(≥70 mg·L-1),氨氮的去除率持续下降,厌氧氨氧化运行不稳定。 3.厌氧氨氧化反应过程受NH4+浓度和NO2-浓度两个因素的限制,其动力学可以用Haldance模型描述, 通过间歇试验获得不同初始浓度条件下的反应速率,利用origin软件进行拟合获得动力学参数为：最大氨氮降解速率0.085 mg·mgMLSS-1·h-1,氨氮半饱和常数180.73mg·L-1,氨氮抑制常数为976.91mg·L-1；亚硝氮半饱和常数为46.23mg·L-1,亚硝氮抑制常数为116.78mg·L-1,最大基质反应速率为0.085mgNH4+-N·mg-1MLSS·h-1。 4.为节约能耗,将低C／N条件下厌氧氨氧化系统的运行温度由40-41℃降低到35℃运行过程中发生了污泥膨胀,造成了污泥流失,仅10天时间氨氮去除率由90%降低到50%以下。镜检表明系统中丝状菌为丝硫菌,进一步对进出水含硫化合物分析表明系统中发生了硫酸盐还原菌和丝硫菌的链式协同作用。试验通过限制进水中有机物投量(不予提供硫酸盐还原菌生长所需电子供体)并选择不宜硫酸盐还原菌和丝硫菌生长的温度40-41℃为运行温度(二者适宜温度分别为30-38℃和30-36℃),经过1个月左右的时间消除了污泥膨胀恢复了系统厌氧氨氧化的脱氮能力。 5.SBR系统中接种普通好氧活性污泥,控制温度30-31℃、pH值为7.8-8.3、限制低DO浓度的条件下连续运行20d,出水亚硝氮的累积率达到80%以上,获得短程硝化的效果。短程硝化过程动力学可以用Monod方程进行描述,试验得到相关参数vmax为13.05mgNH4+-N·g-1MLSS·h-1,Ks为21.98mgNH4+-N·L-1。 6.有机物浓度对短程硝化影响结果表明：低浓度有机物对短程硝化作用影响不大；高浓度有机环境下,氨氮降解速率略有下降,亚硝氮积累率降幅较大,TN有损失,系统中除了短程硝化外,还发生了同步反硝化作用。动力学参数Vmax随着有机物浓度的增加先变大后减小,在C／N比为0.6左右时,Vmax达到最大值58.72mgNH4+-N·g-1MLSS·h-1。 7.以SBR出水的亚硝氮为电子受体进行厌氧氨氧化脱氮获得稳定的运行效果,消耗的亚硝氮和氨氮的比例为1.0-1.2,氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为86-100%、97-99.7%和86-94%,TN去除负荷达到0.5 kg m-3 d-1。本系统耦合短程硝化和厌氧氨氧化工艺进行自养脱氮与传统硝化反硝化工艺相比可节省有机物量(以甲醇计)为1.2 kg·m-3·d-1。 8.在SBR系统短程硝化运行过程中通过限制低DO浓度(0.3-0.5 mg·L-1)和延长曝气时间(330→450 min／周期)的方法进行诱导,获得了单级限氧自养脱氮的效果,TN的最高去除率达到79.8%,最高去除负荷和去除速率分别达0.485 kgN·m-3·d-1和0.154kgN kg-1 MLVSS·d-1。单周期氮素降解过程表明：亚硝酸盐氮呈现先升高后降低的趋势,60min时达到最大值；硝酸盐氮则在前60min基本不变,之后逐渐升高；氨氮和TN的去除效果保持着上升趋势。 9.利用FISH技术对SBR系统限氧自养脱氮污泥进行了微生物种群分析,结果表明：Nitrosomonas属的好氧氨氧化菌为系统中优势菌,厌氧氨氧化菌次之,极少量Nitrospira spp属的亚硝酸盐氧化菌也被检出。通过间歇试验对污泥活性进行测定表明：污泥具有较高的好氧和厌氧氨氧化活性,比反应速率分别为10.13和6.71 mg NH4+-Ng-1VSS h-1；亚硝酸盐氧化活性没有检出。 10.连续60d稳定运行,发现系统中生成的硝酸盐与消耗氨氮的比例仅为0.09,小于CANON工艺的计量关系值,判断系统中出了厌氧氨氧化脱氮途径外,还存在自养反硝化的脱氮途径。通过元素守恒和计量学分析结果表明：氨氮去除率为(97.5±1.2)%,其中(88.1±2.6)%的氨氮转化成氮气脱除,(9.4±1.2)%的氨氮转化成硝酸盐氮；该系统中(72.3±9.2)%的氨氮通过短程硝化-厌氧氨氧化的反应途径进行脱氮,25.5%的氨氮是由Nitrosomonas属的好氧氨氧化菌通过短程硝化-自养反硝化途径转化为氮气去除。