基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮（CANON）工艺是目前最经济快捷的脱氮路径之一，其相比于传统硝化-反硝化工艺可以节省60%的耗氧量和100%的有机碳源。然而该工艺仍然存在启动时间长、去除负荷低、局限于高氨氮废水的问题。为了解决以上问题，本课题首次将膜生物反应器（MBR）应用于CANON工艺，从CANON工艺的快速启动、CANON工艺的影响因素、CANON工艺处理生活污水的可行性以及不同条件下相应的微生物特征等方面开展了试验研究。 基于CANON工艺启动时间较长的现状，本课题采用三个设置完全相同的MBR反应器（分别记为R1、R2和R3），同时接种取自城市污水厂的普通活性污泥，在常温25℃下考察了CANON工艺的快速启动策略。其中，R1通过保持进水氨氮浓度为80mg/L左右，在限氧条件下逐渐缩短水力停留时间（HRT）（8.0-5.3-4.7-4.2-3.5-2.4-1.9h）的方式启动；R2通过在限氧条件下逐渐增加进水氨氮浓度（70-100-150-200mg/L）的方式启动；R3在限氧条件下保持进水氨氮浓度为200mg/L左右，以间歇运行的方式启动。结果表明，三种方式均可快速启动CANON工艺，R1启动时间78天，总氮去除负荷（NRR）达到0.95kg/m3/d以上；R2启动时间50天，NRR达到0.70kg/m3/d以上；R3启动时间36天，NRR达到0.61kg/m3/d以上。间歇运行的方式能够更快的启动CANON工艺，而连续流的运行方式可以达到较高的NRR。 考虑到目前CANON工艺在低氨氮废水中应用的局限性，本文采用DGGE分析了低氨氮CANON工艺启动过程中的群落演替规律。结果表明，在启动过程中，好氧氨氧化菌（AerAOB）的生物多样性减少，但Nitrosomonas一直是其优势群落。相反，厌氧氨氧化菌（AnAOB）的多样性逐渐增加，其优势群落则从种泥中的Candidatus Brocadia fulgida转变为Candidatus Kuenenia stuttgartiensis。此外，通过间歇试验结合FISH技术分析并证实了功能微生物的富集过程。MBR-CANON反应器里同时存在着生物膜系统（膜丝表面）和活性污泥系统（反应器内部），前者的AnAOB相对比例较高，而后者的AerAOB比例较高。这两部分污泥内的微生物共同完成了高效的自养脱氮。 氨氮作为CANON反应的重要基质，其浓度的改变不仅会影响到CANON工艺的脱氮性能，同时会导致功能微生物活性及群落的改变。本文通过比较两个分别在低、高氨氮下长期运行的反应器（R1和R2），并且在不同进水氨氮浓度下分别测定反应速率，考察了氨氮浓度对反应器性能、微生物活性及群落的影响。结果表明，高氨氮反应器内AerAOB和AnAOB活性较好，AerAOB多样性较高，而AnAOB多样性变化不大，同时NOB受抑制程度更加彻底。此外，对于完全混合的MBR来说，进水氨氮负荷（ALR）的改变也会影响反应器内的氨氮浓度，从而影响反应器的处理性能。因此，通过研究不同曝气量（AFR）下ALR对CANON工艺的影响，提出了CANON工艺稳定运行的关键控制参数AFR/ALR，将该参数控制在0.28（L/min）/（kg/m3/d）以下，可以保证CANON工艺高效稳定运行，反应器内既无亚氮积累，也无多余硝氮生成。 CANON工艺的另外一个重要基质是碱度，同时碱度作为无机碳源也将影响自养微生物的活性。本文考察了碱度对不同阶段功能微生物活性、CANON工艺脱氮性能及功能微生物相对数量的影响。结果表明，当进水碱度/氨氮比（A/a）降到4以下时，将严重影响CANON工艺的脱氮性能，即使将A/a提高为10，脱氮性能也不能完全恢复；长期碱度不足导致AerAOB和AnAOB的相对比例减少，NOB相对比例增加，污泥结构变的松散。将A/a控制为8左右既可以满足AerAOB和AnAOB的高活性，同时可以有效抑制NOB的活性。此外，考虑到将MBR-CANON工艺应用于处理生活污水，而生活污水中含有一定量的COD，因此通过在进水中投加葡萄糖的方法考察了进水COD对CANON工艺的影响。结果表明C/N比小于1时，COD的加入对CANON工艺影响不大；C/N大于1时，反应内开始出现反硝化，此时存在自养脱氮和异养脱氮的协同和竞争。 基于以上研究结果，将生活污水逐步引入两个MBR-CANON反应器，考察该系统处理生活污水的可行性。结果表明，在处理生活污水阶段，AerAOB的生物多样性降低，AnAOB的生物多样性没有变化。AerAOB和AnAOB的相对比例均减少，同时污泥分布更为松散。Nitrosomonas菌和Candidatus Kuenenia stuttgartiensis菌依然是反应器内的优势种群。两个反应器均能实现对生活污水中COD、总氮及SS的同时高效去除，出水浊度均小于1NTU，系统若后接化学除磷，则可以实现磷的同时去除。 本文的研究结果表明，MBR是实现CANON工艺的合适装置。接种普通活性污泥，在常温MBR内可以快速启动CANON工艺，同时能够达到较高的氮去除负荷，并且实现了对生活污水中COD、总氮和SS等多种污染物的同时高效去除。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X703
【部分图文】：
图 1-1 厌氧氨氧化的生化途径及酶系统[34, 35]Fig.1-1 Biochemical pathways and enzyme system of Anammox
图 1-1 厌氧氨氧化的生化途径及酶系统[34, 35]Fig.1-1 Biochemical pathways and enzyme system of Anammox
图 1-5 亚硝化单胞菌属的集中反应途径[62]Fig. 1-5 The three energy-evoving pathways in Nitrosomonas specis在以 CANON 工艺运行的生物系统中，几乎所有的 AerAOB 菌均属于roteobacteria 门的 Nitrosomonas 种属[54]。而目前研究最多的则是属于该种属itrosomonas europaea 和 Nitrosomonas eutropha。亚硝化单胞菌群通过氧化氨氮
【参考文献】
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本文编号：
2839186
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