基于颗粒污泥的单级自养脱氮系统构建及其脱氮效能研究

发布时间：2020-04-11 07:34

【摘要】：经济高效的单级自养脱氮是新型脱氮技术的代表之一,并已在侧流脱氮处理中实现工程应用,而如何将其应用于量大面广的生活污水的主流脱氮处理是现今的研究热点。其瓶颈问题之一是低进水氨氮浓度时单级自养脱氮系统中硝酸盐氮极易过量积累。特别指出,在主流自养脱氮研究领域,低氨氮特指生活污水范围的氨氮浓度(约30-90mg/L)。此外,颗粒污泥是实现单极自养脱氮的理想污泥形态,但不易培养。基于此,本课题研究了单级自养脱氮颗粒污泥的稳定培养,考察了影响单级自养脱氮系统稳定运行的进水氨氮浓度阈值,并探索了硝酸盐过量积累的控制和恢复策略,以期为单级自养脱氮颗粒污泥系统应用于生活污水的脱氮处理提供理论和技术指导。单级自养脱氮系统的培养就是富集好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(Anammox菌)这两类功能菌群,同时抑制硝化细菌(NOB)这类干扰菌群的过程。本文采用微曝气升流式流化床反应器(Microaerobic Upflow Fluidized Bed:MUFB),固定进水氨氮浓度为280mg/L,基于曝气量调控、进水NO2--N浓度调控、氮负荷调控,在100天内成功将厌氧氨氧化颗粒污泥培养为单级自养脱氮颗粒污泥,为匀质灰红色颗粒。基于单级自养脱氮系统的两个理论化学计量比可以评估其脱氮潜力:ΔTN/ΔNH4+代表TN(总氮)去除量与NH4+-N去除量的比值,理论值为0.88;ΔNO3-/ΔNH4+代表NO3--N生成量与NH4+-N去除量的比值,理论值为0.11。本文的这两个实际化学计量比值与理论值相近,表明反应器中单级自养脱氮过程占绝对优势。脱氮效能较高,氨氮去除率和TN去除率分别达到99%和88%,容积去除负荷(NRR)高达2.3g N/L/d。从微生物群落结构来看,在培养前后,Brocadia、Nitrosomonas europaea、Nitrospira、Rhodocycales的丰度分别在Anammox菌、AOB、NOB、反硝化菌(DNB)中占优。NOB的活性和丰度在培养过程中都被有效抑制,其中基于低溶氧和高p H引起的高游离氨(FA-N)浓度是抑制NOB的关键因素。基于以上单级自养脱氮颗粒污泥系统,在无曝气条件下,通过逐级降低进水氨氮浓度(280、140、70mg/L)以探索脱氮效能恶化的进水氨氮浓度阈值(设定为ΔNO3-/ΔNH4+达到0.20时的进水氨氮浓度)。在高进水氨氮浓度(280mg/L和140mg/L)时,反应器取得相似的较好的自养脱氮效果,氨氮去除率大于94%,TN去除率为83%,而且ΔTN/ΔNH4+和ΔNO3-/ΔNH4+分别为0.87和0.11,系统中自养脱氮过程占绝对优势地位;而在低进水氨氮浓度(70mg/L)时,硝酸盐过量积累,自养脱氮系统出现恶化,氨氮去除率降至91%,TN去除率降至71%,ΔNO3-/ΔNH4+上升至0.20,最终NRR为0.44g N/L/d。随着进水氨氮浓度的下降并达到时阈值,自养脱氮功能菌Brocadia-Anammox菌、Nitrosomonas-AOB、DNB的相对丰度都有下降,而自养脱氮的干扰菌群Nitrospira-NOB的相对丰度有较大的增长,这种群落结构改变导致自养脱氮效果恶化。因此,在33℃、无外加有机碳源时,70mg/L NH4+-N为影响单级自养脱氮系统高效稳定运行的进水氨氮浓度阈值。基于联氨(N_2H_4)强化和高基质浓度对NOB的抑制作用,本文考察了在低进水氨氮浓度下,单级自养脱氮系统的硝酸盐过量积累的控制策略。发现在进水NH4+-N为70mg/L,投加5mg/L N_2H_4能够明显降低出水NO3--N浓度,提高ΔTN/ΔNH4+比值,使得ΔNO3-/ΔNH4+从0.20降至0.12,说明N_2H_4对低氨氮单级自养脱氮系统具有明显的强化作用。但是N_2H_4对NOB抑制作用可逆,需要连续不间断投加才能有效发挥其强化作用,长期投加无不良影响。其强化机理为,投加N_2H_4后,Anammox潜在活性提高20%,AOB潜在活性不受影响,NOB潜在活性下降40%,从而整体强化自养脱氮系统。进一步降低进水NH4+-N低至42mg/L时(即3m M,代表我国大部分地区的进水氨氮浓度水平),长期投加5mg/L N_2H_4会引起严重的亚硝酸盐积累(ΔNO2-/ΔNH4+约为0.6),导致单级自养脱氮系统崩溃。针对硝酸盐积累严重的单级自养脱氮系统,本文提出了基于限氧和高基质浓度抑制的脱氮效能恢复策略。在低溶解氧浓度下,通过额外投加Na NO2,在保证95%去除率的前提下持续提高进水NH4+-N和NO2--N浓度至420mg/L并持续作用一周,可使得自养脱氮系统的ΔNO3-/ΔNH4+从0.30下降至0.12,让自养脱氮过程在系统中重新占优。其恢复机理为通过高FA-N浓度(420mg/L)和低溶氧浓度(0.13mg/L)对NOB活性的抑制作用,同时刺激Anammox菌的生长且不抑制AOB生长,从而原位强化并恢复单级自养脱氮系统。
【图文】：

氮循环,主要途径,自然界,自养

本研究的目的是实现单级自养脱氮颗粒污泥的快速稳定的培养，并提出培养调控策略；基于单级自养脱氮颗粒污泥，来探索进水氨氮浓度对单级自养脱氮系统的影响，以考察其高效稳定运行的进水氨氮浓度阈值及效能恶化的菌群结构变化规律；针对在低进水氨氮浓度时单级自养脱氮系统中硝酸盐容易过量积累的问题，研究长期稳定控制 NOB 的有效策略，以及 NOB 过量增殖导致自养脱氮效能恶化的的原位恢复策略。本研究为单级自养脱氮工艺应用于低氨氮浓度的生活污水的脱氮处理提供规律性和理论性的指导和技术上的支持，为主流自养脱氮早日实现提供推动作用。1.3 自然界主要脱氮途径氮元素是地球上所有生命体都需要的一种大量元素，主要用于蛋白质和DNA 的合成，也是植物光合作用叶绿素的主要组成元素，同时可以以不同的价态化合物参与到某些能量代谢过程中。同时，它也是日益增长的主要环境污染因子之一。要想深入理解氮污染的发生和发展规律，有效的控制和防治氮素污染的发生，首先必须充分了解自然界氮循环的基本特征。

谱系,细菌分类,硝化细菌,螺菌属

第 1 章绪论B 菌群集中分布 β-Proteobacteria 纲下的两个分类属：Nitrosomona菌属）和 Nitrosospira（亚硝化螺菌属，包括以前的 Nitrosolovibrio），其它少数海洋或是半咸水环境中的 AOB 在 γ-Proteobac形成的一个谱系分枝，即 Nitrosococcus（亚硝化球菌属），归于科。其中，Nitrosomonas、Nitrosospira 和 Nitrosococcus 都是污水属[7]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【相似文献】