一段式厌氧氨氧化工艺处理城市污水的效能研究

发布时间：2020-11-16 13:43

　　 我国水体富营养化问题依然严峻,脱氮除磷仍是污水处理的重点和难点之一。在传统城市污水处理工艺中,脱氮和除磷均需有机物的参与,污水中碳源匮乏成为提高脱氮除磷效果的主要瓶颈。厌氧氨氧化是一种新型的生物脱氮技术。通过应用厌氧氨氧化,可实现城市污水的自养脱氮,从而解决了生物脱氮和除磷对碳源的竞争,有利于提高出水水质。目前,城市污水厌氧氨氧化的可行性已得到初步验证,但脱氮性能及稳定性有待进一步提高。其中如何在持留厌氧氨氧化菌的同时有效抑制并淘洗竞争性细菌亚硝酸盐氧化菌(NOB)是亟待解决的关键问题。根据厌氧氨氧化菌和硝化细菌生长特性的差异,本论文提出在同一系统中分别利用颗粒污泥(或生物膜)和絮体污泥来持留厌氧氨氧化菌和硝化细菌,从而解决NOB难以淘洗的难题。本论文分别提出了基于颗粒污泥-絮体污泥共存的序批式一段式厌氧氨氧化工艺和基于复合式生物膜-活性污泥反应器(IFAS)的连续流一段式厌氧氨氧化工艺,研究了这两种工艺对城市污水的处理效能、微生物菌群变化、NOB抑制策略及低温下系统稳定性。最后在上述研究基础上,进一步提出了强化生物除磷/一段式厌氧氨氧化组合工艺以实现城市污水的同步脱氮除磷,探究了组合工艺对实际城市污水的处理效能。在中试SBR反应器中利用高氨氮废水富集培养厌氧氨氧化菌,发现一段式厌氧氨氧化中可以实现颗粒污泥和絮体污泥的长期共存。定量分析了自养脱氮功能菌在颗粒污泥和絮体污泥中的分布,结果表明厌氧氨氧化菌主要生长在颗粒污泥中,而氨氧化菌(AOB)则更倾向于生长在絮体污泥中。颗粒污泥-絮体污泥共存体系可以为厌氧氨氧化菌和硝化细菌提供不同的污泥龄。提出了基于颗粒污泥-絮体污泥共存体系的序批式一段式厌氧氨氧化工艺。在小试SBR反应器中研究了该工艺对城市污水的处理效能。反应器接种高氨氮一段式厌氧氨氧化反应器中的颗粒污泥和絮体污泥。城市污水经预处理去除有机物后进入SBR反应器进一步脱氮。稳定运行阶段反应器脱氮性能良好,TN去除负荷为0.09kg N/(m3·d),TN去除率为79%。低氨氮条件下,厌氧氨氧化菌和AOB在颗粒污泥和絮体污泥中的分布规律未发生变化,但厌氧氨氧化菌菌群发生了变化,Brocadia逐渐被淘洗出系统,而Kuenenia成为反应器内优势的厌氧氨氧化菌。在小试SBR反应器中研究了一段式厌氧氨氧化系统中NOB的分布规律及控制策略。长期低氧运行条件下,反应器中NOB的优势菌属为Nitrospira,主要生长在絮体污泥中。采用三种不同策略来降低反应器中的NOB活性及生物量,包括降低DO、生物强化、间歇曝气。结果表明降低DO不能有效地抑制NOB的活性;降低絮体污泥龄可有效淘洗NOB,同时采用短程硝化污泥来强化系统中的AOB,可以维持系统稳定运行;间歇曝气(厌氧15min/好氧9min)可以选择性抑制NOB的活性,但NOB的淘洗相对缓慢。在小试SBR反应器中研究了低温对一段式厌氧氨氧化的影响。温度逐渐由24°C降至12°C,反应器TN去除负荷下降近3倍,TN去除率由85.0%降至30.5%。低温对厌氧氨氧化菌的影响更为显著,当温度降至18°C时反应器出水出现NO2-的积累,随后导致NOB的过量增殖,使系统脱氮性能进一步恶化。低温下反应器中厌氧氨氧化菌优势菌属为Brocadia。提出了基于IFAS的连续流一段式厌氧氨氧化工艺。IFAS反应器以生物膜的形式富集和持留厌氧氨氧化菌,AOB则倾向于生长在氧传质阻力小的活性污泥中。城市污水经预处理后进入IFAS反应器进一步脱氮。在进水TN和COD浓度分别为44.2和56.1mg/L的条件下,IFAS反应器实现了TN的高效去除。稳定运行阶段,平均出水NH4+-N和TN浓度分别为3.9和7.9mg/L,TN去除率高达82%,TN去除负荷为0.10kg N/(m3·d)。在上述研究基础上,进一步提出了强化生物除磷/一段式厌氧氨氧化组合工艺,以实现城市污水中氮磷的同步去除。在SBR-SBBR串联系统中研究了组合工艺对城市污水的处理效能。试验结果表明,组合工艺对实际城市污水具有良好的处理效果,COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别高达82%、90%、86%和95%。此外在强化生物除磷反应器中,通过缩短沉淀时间实现了污泥的颗粒化,平均粒径为0.5mm,污泥中聚磷菌的相对丰度由2.3%增至15.5%,使得反应器处理效率大幅提高,水力停留时间由4.5h降至1.3h。对基于厌氧氨氧化的污水处理厂进行了碳平衡分析和能耗估算。结果表明通过应用强化生物除磷/一段式厌氧氨氧化组合工艺,城市污水中有机碳的流向发生变化,组合工艺可以将更多的有机物捕获至强化生物除磷反应器的剩余污泥相中,而非氧化为CO2。通过节省有机物氧化需氧量和硝化需氧量,以及对剩余污泥进行厌氧消化产甲烷,可以提高污水处理厂的能源自给率。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X703
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学博士学位论文 污水中的 NH4+氧化为 NO3-；好氧区流出的泥水混合液部分回流至缺化脱氮，另一部分则进入二沉池进行泥水分离；经泥水分离后，二沉剩余污泥一部分回流至厌氧区继续厌氧释磷同时保证反应池内的污泥则以富磷剩余污泥的形式排放，达到生物除磷的目的。A2/O 工艺具有简单、不易发生污泥膨胀、有利于磷回收等技术优势。

图 1-3 厌氧氨氧化菌的代谢机理[17]Fig. 1-3 Mechanism pathway of anammox bacteriaO2-在亚硝酸盐还原酶（NirS）的作用下吸收 1 个低能电子 NO 和 NH4+在联氨合成酶（HZS）的作用下生成 N2H4，能电子，最后 N2H4在联氨氧化还原酶（HZO）的作用下被放 4 个高能电子，这些高能电子用于能量转化与产生质子过电子传递链后的电子已经失去了能量，就再次进入下一。这部分过程方程式为：NH4++NO2-→N2+2H2O (ΔGΘ=-297kJ/M) 氧氨氧化菌属于自养菌，它可以固定环境中的无机碳来合成N0.15）。在碳固定过程中，NO2-作为 CO2还原的电子供体，（Nar）的作用下被氧化为 NO3-。方程式[18]为：H4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O

盐存在的条件下，Candidatus Anammoxoglobus propionicus 比其它类型的厌氧氨氧化菌更能竞争底物 NO2-，因此在有丙酸盐存在时 Candidatus Anammoxoglobuspropionicus 容易成为优势厌氧氨氧化菌。在有乙酸存在时 Candidatus Brocadiafulgida 更容易利用底物 NO2-，更容易与其它厌氧氨氧化菌竞争[21]。在分类学上，厌氧氨氧化属于浮霉菌目的一个很深的分支[22, 23]。厌氧氨氧菌系统发育树如图 1-4 所示。目前已有 5 属厌氧氨氧化菌被鉴定，分别为Candidatus Brocadia 、 Candidatus Kuenenia 、 Candidatus Jettenia 、 CandidatusScalindua 和 Candidatus Anammoxoglobus[24]。其中前三属在淡水生态系统和污水处理系统中比较常见[25-27]，而 Candidatus Scalindua 则仅在海洋生态系统中被检测到[28, 29]。尽管不同厌氧氨氧化菌在系统进化树中距离较远，但它们具有相似的厌氧氨氧化机理和细胞结构。所有厌氧氨氧化菌都含有一种致密的，由低渗透性膜包裹的细胞器-厌氧氨氧化体（anammoxosome），被认为是厌氧氨氧化反应发生的场所[23]。此外，厌氧氨氧化菌中还含有一种独特的阶梯烷脂（Ladderanes），可以将 N2H4包裹在内，降低其对细胞的毒害作用[23]。Ca. Scalindua marina (EF602038)
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杨志林;田凤蓉;林浩宇;王开春;董自斌;王克云;;厌氧氨氧化工艺的快速启动试验研究[J];广州化工;2018年22期

2 乔森;;厌氧氨氧化——由发现到应用[J];国际学术动态;2016年04期

3 何畅旅;;厌氧氨氧化工艺研究进展[J];科技经济导刊;2017年36期

4 韩黎明;苏本生;刘广青;徐红岩;张原洁;王俊;;厌氧氨氧化工艺的影响因素及应用进展[J];工业水处理;2018年02期

5 朱海晨;张树德;屈撑囤;;部分硝化-厌氧氨氧化工艺的影响因素及发展[J];广州化工;2018年03期

6 沈莎;容俊;罗军;;厌氧氨氧化技术简介[J];化工管理;2018年21期

7 周明俊;毛天广;吴博;孙明;傅金祥;于鹏飞;;厌氧氨氧化与反硝化耦合启动影响因素[J];供水技术;2018年04期

8 汪瑶琪;喻徐良;陈重军;徐乐中;沈耀良;;有机物对厌氧氨氧化菌活性影响研究进展[J];化学通报;2017年02期

9 魏彩蓉;;厌氧氨氧化污水处理技术及实际应用[J];中国环保产业;2017年02期

10 胡倩怡;郑平;康达;;厌氧氨氧化菌的种类、特性与检测[J];应用与环境生物学报;2017年02期

相关博士学位论文 前10条

1 杨延栋;一段式厌氧氨氧化工艺处理城市污水的效能研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

2 王晓媛;填埋场反应器厌氧氨氧化协同反硝化脱氮机理和优化策略研究[D];华东师范大学;2017年

3 王刚;基于同时亚硝化/厌氧氨氧化/反硝化（SNAD）技术的污泥消化液脱氮工艺研究[D];大连理工大学;2017年

4 高范;基于厌氧水解—硝化—反硝化/厌氧氨氧化技术的城市污水脱氮工艺研究[D];大连理工大学;2013年

5 张蕾;厌氧氨氧化性能的研究[D];浙江大学;2009年

6 张少辉;厌氧氨氧化工艺研究[D];浙江大学;2004年

7 石利军;摇动床技术和厌氧氨氧化石化废水生物脱氮[D];大连理工大学;2006年

8 李军;高浓度米酒废水去碳脱氮新工艺研究[D];上海交通大学;2006年

9 祖波;厌氧氨氧化甲烷化反硝化耦合的机理及动力学研究[D];重庆大学;2007年

10 吴根义;畜禽养殖废水厌氧氨氧化脱氮处理研究[D];湖南农业大学;2007年

相关硕士学位论文 前10条

1 王丹丹;基于厌氧氨氧化和反硝化耦合反的微生燃料电池脱氮产电研究[D];内蒙古大学;2018年

2 董广庆;厌氧氨氧化反应器设计运行及电场强化处理低氨氮废水研究[D];河北大学;2018年

3 杨婷;模拟市政废水厌氧氨氧化脱氮性能的影响因素研究[D];内蒙古大学;2018年

4 姚亮;短程反硝化实验研究及厌氧氨氧化的荧光光谱分析[D];安徽建筑大学;2018年

5 王屿;基于灭活和电磁策略的厌氧氨氧化强化启动研究[D];山东大学;2018年

6 葛成浩;厌氧氨氧化耦合工艺脱氮性能及受盐度和磁场影响研究[D];山东大学;2018年

7 周正;反硝化—亚硝化—厌氧氨氧化联合工艺脱氮控制参数优化研究[D];苏州科技大学;2018年

8 郭茜;厌氧氨氧化SBR运行条件及效果强化的实验研究[D];东北大学;2015年

9 李萌;青藏高原高寒草甸厌氧氨氧化菌群群落结构及丰度的研究[D];兰州大学;2015年

10 陶文鑫;海绵铁对厌氧氨氧化与反硝化耦合的影响研究[D];东北电力大学;2018年

本文编号：2886298