厌氧氨氧化膜生物反应器处理高浓度氨氮废水性能研究

发布时间：2020-09-15 07:08

　　厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation, Anammox)是一种可持续的生物脱氮工艺,在高浓度氨氮废水处理领域前景广阔。但是Anammox菌生长缓慢(倍增时间约2周),在常规反应器中易流失、不易富集等问题限制了Anammox工艺的工业化应用。厌氧膜生物反应器(Anaerobic membrane bioreactor, AnMBR)结构紧凑、占地小,可以实现微生物的有效截留,适合培养生长缓慢的厌氧氨氧化菌并应用其处理高浓度氨氮废水。然而,膜污染问题却是AnMBR应用的主要瓶颈。本文旨在研究培养富集Anammox菌、减缓膜污染的厌氧氨氧化膜生物反应器和工艺条件,为全程自养脱氮过程的稳定运行提供理论和技术支持。论文针对Anammox菌生长缓慢和膜污染问题,采用完全搅拌混合厌氧膜生物反应器(Completely stirring anaerobic membrane bioreactor, CSTR-AnMBR),研究了Anammox菌的生长速率、富集效果、污泥颗粒化以及循环生物气曝气对膜污染和脱氮性能的影响；设计开发了一体式空气曝气全程自养脱氮-膨胀颗粒污泥床-膜生物反应器(CANON-EGSB-MBR),考察了其膜运行性能和脱氮性能。取得如下研究成果： (1)在常规CSTR和CSTR-AnMBR中富集培养Anammox菌,研究Anammox菌的生长动力学。结果表明,利用Lawrence-McCarty模型对实验数据进行线性拟合,得出CSTR-AnMBR中Anammox菌的真实产率YT=0.133±0.017kg VSS/kg TN,衰减系数Kd=0.012±0.001day-1;由于基质传递均匀以及膜对污泥的有效截留,Anammox菌在CSTR-AnMBR中的最大表观产率和最快生长速率均可达常规CSTR中的2倍。 (2)在CSTR-AnMBR中,研究了搅拌器转速对Anammox污泥颗粒化的影响,考察污泥颗粒化以及粒径分布对膜污染的影响。结果表明,分别保持搅拌器转速在150、120和100rpm,反应器内Anammox污泥均呈絮状。而保持搅拌器转速在50rpm,反应器内Anammox污泥的平均粒径从2871μm增加至8961μm,形成了颗粒污泥。该过程使小粒径污泥絮体／颗粒浓度降低50%,污泥的胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)含量降低18%,从而使膜的运行周期相应延长了2倍。形成的Anammox颗粒污泥最高活性为2.14kg TN/kg VSS·d,最短倍增时间为6.9天,最大N02-N耐受浓度为130mg/L。以人工模拟废水为原水,反应器在氮负荷为4.1kg TN/m3·d时,总氮的去除率达88%。 (3)在CSTR-AnMBR中,以Anammox菌自身产生的N2作为气源,采用循环曝气的方式对膜表面进行冲刷,考察其对膜污染的影响。结果表明,Anammox污泥絮体／颗粒粘附在膜表面,分泌大量EPS(尤其是多糖),进而形成滤饼层是膜污染的成因。保持曝气强度为118m3/m2·h,相比无曝气条件,滤饼层中EPS的生成速率下降92%,从而将膜的运行周期延长20倍。以人工模拟废水为原水,反应器在氮负荷为1.5kg TN/m3·d时,总氮的去除率达83%。 (4)在SHARON反应器中,通过控制溶解氧的方式淘汰硝化细菌,富集培养亚硝化细菌,考察亚硝化细菌的耗氧动力学。FISH图像显示,经驯化后,反应器内的亚硝化细菌已经成为优势菌种。利用Monod模型对实验数据进行曲线拟合,得到亚硝化细菌的最大氧利用率OURmax=18.81±0.44mg O2/g VSS-h,氧半抑制常数Ko=0.45士0.05mg/L;另外,在EGSB-AnMBR中,保持上升流速为0.7m/h,反应器内／Anammox污泥形成平均粒径达300μm的颗粒污泥。 (5)将驯化的亚硝化细菌与Anammox颗粒投入反应器,采用空气曝气和连续回流的方式启动一体式CANON-EGSB-MBR,考察反应器的膜运行性能和脱氮性能。结果表明,在反应器的上部,以220m3/m2-h的空气曝气强度冲刷膜表面,膜的运行周期相比无曝气时延长了5倍；同时,将上部混合液回流至下部,既为亚硝化细菌提供溶解氧,又促进污泥床层膨胀,保持污泥颗粒结构。FISH图像显示,颗粒污泥形成了内层Anammox菌、外层亚硝化细菌的双区结构(即形成CANON颗粒)。以人工模拟废水为原水,室温条件下(20±3℃),该一体式空气曝气CANON-EGSB-MBR在氮负荷为0.55kg NH4+-N/m3·d时,总氮去除率达81%。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X703

【参考文献】