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厌氧/好氧/缺氧SNiDPR-PED系统同时处理城市污水与硝氮废水的性能研究

巩秀珍  
【摘要】:近年来,水体中因氮、磷过量造成的污染问题愈发严重,同时国家也加强了对污水排放标准的把控。因此,研发稳定、经济、高效的同步脱氮除磷工艺意义重大。本文基于序批式活性污泥法(SBR),采用厌氧/好氧/缺氧的运行方式,在单一SBR反应器内实现了同步短程硝化反硝化(SNiD)、强化生物除磷(EBPR)与内源反硝化(PED)过程的耦合,称之为同步短程硝化反硝化除磷-内源反硝化(SNiDPR-PED)系统,通过调控运行参数、探讨分析了影响因素,实现了系统的优化运行。同时运用高通量测序技术,分析了系统同步脱氮除磷性能与功能菌群的关系。此外,通过强化系统脱氮性能,验证了系统同时处理低碳氮比(C/N)城市污水与硝氮废水的可行性,为该系统的推广应用和污水深度脱氮除磷技术研究提供了理论基础和技术指导。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)实现了SNiDPR-PED系统的优化运行。首先,采用厌氧/好氧运行的SBR反应器内剩余污泥为接种污泥,以低C/N(约4.46)城市污水为处理对象,增加后置缺氧段,实现了EBPR、SNiD与PED过程的耦合;然后,通过联合调控曝气量和缺氧时间,实现了SNiDPR-PED系统的优化运行。试验结果表明,当好氧段曝气量由1.0 L/min降至0.8 L/min,缺氧时间为150 min时,出水PO_4~(3-)-P浓度由0.06 mg/L降至0,出水NH_4~+-N、NO_2~--N和NO_3~--N浓度分别由0.18、18.79和0.08 mg/L逐渐降低至0、16.46和0.05 mg/L,TN去除率由72.69%提高至77.97%;随着曝气量的降低,同步短程硝化反硝化现象愈加明显,SNiD率由19.18%提高至31.20%;此后,当缺氧段时间由150 min逐渐延长至390 min,出水PO_4~(3-)-P、NH_4~+-N和NO_3~--N浓度分别维持在0、0和0.03 mg/L左右,出水NO_2~--N低至3.06 mg/L,SNiD率达32.21%,系统脱氮性能逐渐提高,TN去除率高达99.42%,表明SNiDPR-PED系统具有高效的脱氮除磷性能,可用于城市污水的深度处理。(2)探究了不同C/N下SNiDPR-PED系统的脱氮除磷特性及菌群变化。为了解低C/N城市污水条件下进水C/N对SNiDPR-PED系统的影响,本文通过调控进水COD浓度的方式,研究了不同进水C/N(进水C/N分别为5、4、3、2~1)对系统脱氮除磷性能及功能菌群的影响。试验结果表明,适当的降低进水C/N对SNiDPR-PED系统的脱氮除磷性能影响较小。当C/N分别为5和4时,系统TN和PO_4~(3-)-P去除率分别为97.13%,100%和96.01%,98.75%,均维持在较高水平。但当C/N降至2~1时,系统TN去除率降至71.10%,PO_4~(3-)-P去除率低至7.61%,系统脱氮除磷性能较差。同时,随着进水COD负荷的降低,系统同步短程硝化反硝化进程受到较大影响,好氧末NO_2~--N和NO_3~--N浓度逐渐增大,SNiD率由36.63%降至8.57%。此外,高通量测序结果表明,随着进水C/N的降低,系统内微生物物种丰富度和生物多样性逐渐降低,且系统内亚硝酸盐氧化菌(NOB,0.2%~1.7%)、聚磷菌(PAOs,11.4%~2.9%)和聚糖菌(GAOs,8.0%~3.4%)含量的变化,进一步解释了系统脱氮除磷性能变差的原因。(3)研究了SNiDPR-PED系统实现城市污水与硝酸盐废水同步处理的可行性。基于以上试验结果,为实现SNiDPR-PED系统对城市污水与硝氮废水的同时处理,以低C/N(约3.8)城市污水和人工模拟硝氮废水(约100 mg/L)为处理对象,通过降低曝气量(由1.0 L/min降至0.6 L/min)、再延长好氧时间(由150 min延长至180min)和缺氧时间(由180 min延长至420 min)的方式,逐步强化了SNiD和PED脱氮性能;此后,通过在缺氧段加入硝氮废水,研究了该系统实现城市污水与硝氮废水同时处理的可行性。试验结果表明,无外加碳源条件下,该系统可利用城市污水中有限的碳源,实现城市污水与硝氮废水的同时处理,TN去除率和PO_4~(3-)-P去除率分别为93.10%和99.99%;其中,PO_4~(3-)-P经SNiDPR去除,TN的去除主要是通过缺氧段PED来实现,PED的脱氮贡献达60.7%。高通量测序结果表明,Nitrospira(0.1-0.4%)含量低于Nitrosomonas(4.7-3.3%),保证了系统内好氧段稳定的短程硝化;好氧段亚硝酸盐积累率(NAR)约为99.62%,其在节约曝气量的同时也显著降低了系统内SNiD和后续PED作用的碳源需求量;Dechloromonas(8.5-5.6%)和Candidatus_Competibacter(9.1-11.3%)相对丰度较高,是促进厌氧段有机碳利用,实现内碳源储存的优势功能菌,保证了系统内脱氮除磷的效果。


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