微氧碳氮硫共脱除工艺的运行效能及数学模拟

发布时间：2020-09-19 20:53

　　 随着我国经济的迅速发展,制药、化工等行业每年排放大量的高浓度有机废水,其中含硫含氮有机废水是对生物和环境造成恶劣影响的一类重污染行业废水的典型代表,如何稳定高效地去除该类废水中碳氮硫污染物质成为当前亟需解决的问题。碳氮硫共脱除(Simultaneous desulfurization and denitrification,SDD)工艺将硫酸盐还原-有机物厌氧氧化与反硝化脱硫过程耦合,可实现碳-氮-硫污染物质的同步高效去除,大大节省空间和投资;然而其最大的弊端在于单质硫产率较低(小于30%)。针对该工艺存在的问题,本文提出了一种新型的微氧碳氮硫共脱除工艺,考察了微氧环境对多元污染物质的去除及单质硫转化的影响。同时,采用Geo Chip、Illumina等分子生物学手段,研究了活性污泥微生物群落结构对微氧环境的响应及功能微生物间的相互关系,解析了微氧环境对促进单质硫生成的调控机制。在活性污泥模型(ASM)和厌氧消化模型(ADM)基础上,通过对化学计量系数和动力学参数的估计和测定,建立了硫酸盐还原-硫化物氧化(SR-SO)、反硝化脱硫(DSR)和SDD工艺的数学模型,为废水生物处理工艺系统的设计和优化运行提供理论指导和技术支持。本文开展了不同曝气速率对SR-SO和SDD工艺运行效能影响的研究。当底物硫酸盐和乳酸钠浓度分别为1000 mg L-1和3000 mg L-1(以COD计),曝气速率为0.5 m L O2 min-1 Lreactor-1时SR-SO工艺获得的最大单质硫转化率为71.8%,硫酸盐的去除率为81.5%。硫酸盐还原速率受氧硫比(ROS)的影响很小,而硫化物氧化与单质硫转化过程则与ROS密切相关;当氧气消耗殆尽后,由于培养基中含有过剩的有机物,导致单质硫重新还原为硫化物从而造成单质硫转化效率下降。当底物硫酸盐、硝酸盐和乳酸钠浓度为1000 mg L-1、500 mg L-1和3000 mg L-1(以COD计)时,碳氮硫共脱除工艺获得的最大单质硫转化为69.2%,此时最佳曝气速率为1.0 m L O2 min-1 Lreactor-1,硫酸盐、硝酸盐和有机物的去除率分别为91.0%、100%和89.6%。通过污染物转化动力学分析发现,在微氧条件下硝酸盐还原速率下降,而硫酸盐还原速率不受影响且远高于厌氧还原过程的速率,微氧有效解除了硝酸盐对硫酸盐还原过程的抑制作用。经微氧环境定向选择后的活性污泥转至厌氧条件运行时仍能保持良好地污染物去除效能和硫化物氧化效率,为工艺的定向启动运行提供新的思路。底物中有机物浓度主要影响硫化物氧化和单质硫转化过程,随着有机物浓度增大出水中硫化物比例增高,单质硫转化率下降;而硝酸盐主要对硫酸盐的还原过程产生抑制,随着进水硝酸盐浓度增大硫酸盐还原率降低,但单质硫转化差异不大。Illumina高通量测序结果表明,厌氧运行时的碳氮硫共脱除工艺中硫氧化细菌所占丰度较低,仅在底物硝酸盐浓度为3000和3500 mg L-1的微生物群落中检测到丰度较高的硫氧化菌Arcobacter(6.63%和14.53%),而在这两个微生物群落中同样检测到高丰度的单质硫还原菌Sulfurospirillum(22.05%和15.85%),二者的综合效应使得工艺的单质硫转化率依然很低(10%)。通过利用基因芯片(Geo Chip)技术解析功能微生物对微氧环境的响应发现,微氧环境使得微生物群落的多样性显著增加。与厌氧环境相比,微氧环境下硫酸盐还原功能基因的表达丰度无明显差异;而反硝化功能基因的表达丰度则有所降低。硫氧化基因的表达在微氧环境下显著增强,从而促进硫氧化微生物更高效地将硫化物氧化至单质硫。高通量测序结果显示,曝气量1.0 m L O2 min-1 Lreactor-1条件下微生物群落中硫化物氧化微生物Spirochaeta相对丰度较高;而单质硫转化微生物Sulfurovum所占比例较低,从而使得反应器具有最高的单质硫产率。基于对硫酸盐还原-硫化物氧化过程的分析,建立了一套用于描述硫酸盐还原-硫化物氧化的数学模型,其中非线性最小二乘分析用于目标函数的建立,而Monte Carlo法则用于目标函数的优化。根据自养-异养协同反硝化脱硫的机理,将文献中报道的自养反硝化和异养反硝化过程动力学描述相结合,同时加入用于描述自养与异养反硝化之间协同关系的特征动力学参数,建立了一套全面、准确的DSR数学模型。在上述硫酸盐还原-硫化物氧化及反硝化脱硫数学模型研究的基础上,建立了描述碳氮硫共脱除过程的数学模型,并将氧气作为一种新组分嵌入模型,使模型能够很好地连接厌氧与微氧反应过程。碳氮硫共脱除数学模型具有广泛地适用性,它不仅可用于预测碳氮硫污染物的转化过程,同时还可对碳氮、碳硫转化及反硝化脱硫等过程进行描述。该模型的建立有助于更好地理解环境因子对工艺过程运行的影响,为工艺的实际运行和优化提供重要的理论依据。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X703.1
【部分图文】：

化工艺[72]（图 1-1），反硝化脱硫-生物除磷工艺（DS-EP还原-自养脱氨工艺[75]。废水处理工艺系统具有多种污染物去除率高，出水水质好，污泥产生量少等优点，但是也配困难，工艺系统启动时间较长，操作运行较为复杂，需力，运行效能难以保持长期稳定等问题。

被广泛用于修复受污染水体，它是在反硝化微生物作用下将硝酸盐（NO3-）中的氮（N）通过一系列中间产物亚硝酸盐（NO2-），一氧化氮（NO）和一氧化二氮（N2O）还原为氮气（N2）的生物化学过程[77]。硝酸盐还原酶（Nar），亚硝酸盐还原酶（Nir），一氧化氮还原酶（Nor），以及一氧化二氮还原酶（Nos）在反硝化过程中起催化作用[78]。反硝化作用代谢途径如图 1-2 所示[279]。

图 1-4 生物硫氧化代谢途径（实线和虚线分别代表好氧和微氧代谢途径）Fig. 1-4 Reaction pathways of biological sulfide oxidation (the solid line and dotted linerepresents the full oxygen route (FOR) and limited oxygen route ( LOR) respectively)2010 年，陈川等人研究发现，在微氧条件下（DO 值 0.1-0.4 mg L-1），可加速硫氧化反硝化菌群将硫化物氧化为单质硫的进程。硫化物的转化速率

本文编号：2822978