畜禽废水生物除碳脱氮耦合新工艺及机理研究

发布时间：2020-08-18 11:57

【摘要】：近年来，随着经济的发展和人民生活水平的提高，畜禽产品的需求量逐渐增加，畜禽养殖业得到迅速发展，畜禽养殖业产生的废液越来越多。目前畜禽养殖污染已成为三峡水库的主要污染源之一，严重威胁三峡库区水环境安全。因此，开发高效经济的畜禽养殖废水处理技术具有迫切性，同时对保护和改善次级支流及库区水环境具有重要的意义。畜禽粪水的除碳脱氮是本研究的核心。为了实现畜禽粪水有机物和氮的有效去除，本文提出利用两种不同耦合工艺（产甲烷—短程硝化反硝化—厌氧氨氧化、同时产甲烷反硝化—短程硝化反硝化）处理畜禽粪水。试验期间首先对三种反应器（厌氧氨氧化反应器、同时产甲烷反硝化反应器、短程硝化反硝化反应器）的启动特性及脱氮性能进行研究；然后分别进行组合，研究两组耦合工艺对畜禽粪水的去除效果，研究结果表明同时产甲烷反硝化—短程硝化反硝化耦合工艺对畜禽粪水有机质和氮均具有较好的去除效果且运行稳定。后期利用同时产甲烷反硝化—短程硝化反硝化耦合工艺进行工程规模的示范研究。主要研究内容及结果如下： ①厌氧氨氧化污泥驯化及反应器的启动研究为了实现畜禽粪水厌氧氨氧化途径脱氮，首先应用模拟废水对厌氧氨氧化反应器进行启动。通过两组不同接种污泥浓度大小厌氧氨氧化反应器启动试验得出：污泥浓度为53.23g/L反应器进水NH_4~+-N、NO_2~--N达340.74mg/L、340.97mg/L，其NH_4~+-N、NO_2~--N去除率分别达99%和98%，TN去除率在75%以上；而污泥浓度为31.94g/L反应器进水NH_4~+-N、NO_2~--N提高至216.98mg/L和218.94mg/L时，其氨氮去除率在90%，亚硝氮去除率只有50%，且有大量的硝态氮产生，TN去除率只有30~40%，因此高接种污泥浓度更有利于厌氧氨氧化反应器的高效启动。通过扫描电镜观察两个反应器内存在球状、杆状的厌氧氨氧化菌，成功实现厌氧氨氧化反应器的启动。 ②同时产甲烷反硝化影响机理及反应器启动研究亚硝氮是影响同时产甲烷反硝化有机物去除效果的主要原因，为此，研究了亚硝氮对产甲烷反硝化反应的生化抑制机理。应用批式试验研究了有机物负荷为3.0kgCOD·m-3·d~(-1)、COD/NO_2~--N值分别为10:1、20:1、30:1、40:1时同时产甲烷反硝化对畜禽粪水的去除效果，通过COD、辅酶F_(420)、β-葡萄糖苷酶、MLVSS/MLSS等变化规律得出COD/NO_2~--N值为30:1、40:1时，COD去除率、辅酶F_(420)、β-葡萄糖苷酶和MLVSS/MLSS含量与空白无亚硝氮的变化规律一致，亚硝氮几乎未对产甲烷菌活性产生抑制作用；而COD/NO_2~--N值为10:1、20:1时，其COD去除率、辅酶F_(420)、β-葡萄糖苷酶和MLVSS/MLSS含量降低，产甲烷菌活性受到明显抑制。在pH为6.8~7.6、温度35±1℃、COD/NO_2~--N=30:1条件下进行混合式反应器处理畜禽粪水的研究，经过45d运行，反应器稳定有机负荷和亚硝氮负荷分别达3.0kgCOD·m-3·d~(-1)和0.1kg NO_2~--N·m-3·d~(-1)，其COD和NO_2~--N去除率分别为70%和99%，实现同时产甲烷反硝化反应器的启动。 ③短程硝化反硝化反应的稳定实现实现畜禽粪水亚硝化途径脱氮是本课题研究的重要内容，基于此，主要进行了两点研究：1）应用畜禽粪水于短程硝化反硝化反应器稳定实现亚硝氮的积累，其进水氨氮浓度达813.84mg/L，氨氮去除率达94%，亚硝酸盐积累率为90%。2）应用短程硝化反硝化反应器进行pH、FA和供氧方式等影响因素的研究，试验得出：畜禽粪水处理过程中，当pH为8、FA为18mg/L时更利于短程硝化反硝化反应的稳定实现；恒定曝气量和恒定DO条件下氨氮去除率相差不大。 ④产甲烷—短程硝化反硝化—厌氧氨氧化耦合工艺处理畜禽粪水 1）应用畜禽粪水进行厌氧产甲烷反应器的启动，经过30d的运行反应器负荷达3.5COD kg·m-3·d~(-1)，有机物去除率为80%。2）应用产甲烷—短程硝化反硝化—厌氧氨氧化耦合工艺处理畜禽粪水，耦合工艺对有机物的去除率大于95%，有机物去除效果较好。3）短程硝化反硝化反应器出水NO_2~--N/NH_4~+-N值在0.6~2.5之间，耦合工艺对TN去除率在55~80%之间。 ⑤同时产甲烷反硝化—短程硝化反硝化耦合工艺处理畜禽粪水应用同时产甲烷反硝化—短程硝化反硝化耦合工艺处理畜禽粪水，并分别研究了模拟循环、1:1和2:1回流比下有机物和氮的去除效果。模拟循环阶段系统对有机物和氨氮的去除率分别为95%和94%；1:1回流比下系统对有机物去除率为96%，对氨氮去除率为95%，系统对总氮平均去除率为86%；2:1回流比下系统对有机物去除率在94%以上，系统对总氮平均去除率为89%。综合粪水有机物和氮的去除效果及节能等因素考虑适合选择系统回流比为1:1，此时同时产甲烷反硝化反应器对总有机物和平均总氮去除率分别为70~80%和13%；短程硝化反硝化反应器对总有机物和平均总氮的去除率分别为16~26%和73%。 ⑥同时产甲烷反硝化—短程硝化反硝化处理畜禽加工废水工程示范通过驯化试验完成了产甲烷反硝化—短程硝化反硝化示范工程各反应器的启动。厌氧产甲烷反应器有机物去除率达70%以上；短程硝化反硝化反应器氨氮去除率达80%以上。根据前期研究成果，稳定运行期选择系统回流比为1:1，此时同时产甲烷反硝化反应器对有机物去除率可达80%以上，系统对有机物去除率在95%以上，系统对氨氮的去除率在90%以上，系统对总氮去除率为71%，耦合工艺示范工程对畜禽加工废水有机物和氮的去除效果较好。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X713
【图文】：

厌氧氨氧化,代谢途径

脱氮机理分析厌氧氨氧化过程中间产物的转化还不是非常明确，据报道有 NH2OH、N2H4、HNO2、NO 和 N2O 等[50-53]。在试验中比 N2H4更具有活性，NH2OH 能比 N2H4还原更多种类的细68nm[54]。Van de Graaf 等采用同位素15N 对厌氧氨氧化反应明氨被微生物氧化过程中，羟胺最有可能作为电子受体，氮分解而来，并提出了厌氧氨氧化反应的可能途径。在 NH量试验中，有短暂的 N2H4积累现象。假设 N2H4转化为氮-还原为 NH2OH 的过程提供等量电子，用15N 做标签实验得一个由膜包围的酶复合体将氨和 NH2OH 转化为 N2H4，N为氮气，产生的电子通过内部电子转移，在包含酶复合体为 NH2OH；②氨和 NH2OH 在细胞质内被一由膜包围的酶2H4在外周胞质内转化为氮气，产生的电子通过电子传输链酸盐还原酶将 NO2-还原为 NH2OH，厌氧氨氧化代谢途径

代谢模型,产甲烷,反硝化,颗粒污泥

以消除硝酸盐对产甲烷菌活性的抑制，颗粒污泥内部严格的厌氧区有利于产甲烷菌的生长，当反硝化作用完成后过剩的有机物即被颗粒内部的产甲烷菌利用转化为甲烷气体，目前提出的反硝化产甲烷颗粒污泥代谢模型如图1.2所示[78]。图 1.2 产甲烷反硝化颗粒污泥代谢模型Fig. 1.2 Metabolic model of simultaneous denitrification and methanogenesis granular sludge②同时产甲烷反硝化影响机制分析同时反硝化产甲烷工艺具有很强的优越性，在实现厌氧反应器功能扩展的同时，也为传统硝化-反硝化工艺提供新的思路。但是，单一反应器反硝化产甲烷工艺也有其自身的不足，如会导致厌氧污泥的沉降性下降从而导致系统的稳定性变差；NOx--N和反硝化中间产物对产甲烷菌具有毒性作用；碳源的竞争易导致甲烷产量减少甚至没有甲烷产生，因此研究两类微生物间的相互关系对同一反应器产甲烷反硝化硝化技术的实际应用具有重要意义，两者相互作用关系主要包括[79-82]以下三个方面：（1）竞争作用，通常认?

技术路线图,技术路线,畜禽粪水

图 1.3 技术路线Fig. 1.3 Technical route of this topic1.5.3 拟解决的关键科学问题1）探索研究适合处理畜禽粪水有机质和氮的耦合工艺技术路线，以期实现畜禽粪有机物的资源化利用和氮的有效去除。2）单一反应器实现同时产甲烷反硝化反应，并通过功能菌群活性变化规律及生化机理分析探索产甲烷菌、反硝化菌的最适耦合条件。3) 通过对短程硝化反硝化工艺参数的调控实现畜禽粪水亚硝酸盐氮的稳定积累。4）通过对同时产甲烷反硝化—短程硝化反硝化耦合工艺参数的优化，实现畜禽粪水有机质和氮的高效去除。

【引证文献】