顆粒污泥系統(tǒng)中自養(yǎng)脫氮過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬及條件優(yōu)化.pdf

1、自養(yǎng)脫氮是一項(xiàng)革新的廢水生物處理技術(shù)，它通過(guò)氨氧化菌(AOB)將廢水中的氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，然后通過(guò)厭氧氨氧化菌(Anammox)將氨和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。它與傳統(tǒng)硝化/反硝化過(guò)程相比，需氧量減少2倍、不需要外加碳源、去除每單位氮所產(chǎn)生的剩余污泥和消耗的堿度大約減少10倍，操作成本大幅降低。活性污泥模型(ASMs)基于廢水生物處理的基本原理，對(duì)其動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，對(duì)基質(zhì)降解、微生物生長(zhǎng)等各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系做定量描述，已被成功應(yīng)用于指

2、導(dǎo)污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、模擬和運(yùn)行控制。但是ASMs存在大量的假設(shè)和簡(jiǎn)化，如未考慮溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)的產(chǎn)生和消耗對(duì)污水處理系統(tǒng)內(nèi)微生物種群和脫氮性能的影響、缺少關(guān)于系統(tǒng)中pH值變化對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程影響的描述等。本論文系統(tǒng)的研究了顆粒污泥系統(tǒng)自養(yǎng)脫氮過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬，探索了SMP的產(chǎn)生和消耗以及系統(tǒng)中pH值對(duì)系統(tǒng)性能以及微生物種群結(jié)構(gòu)的影響。主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下:
　　(1)建立了一個(gè)包含AOB、Anammox、亞硝酸鹽氧化

3、菌(NOB)和異養(yǎng)菌(HB)四種微生物種群的自養(yǎng)脫氮顆粒污泥系統(tǒng)模型，模擬評(píng)估了SMP的形成和消耗過(guò)程。通過(guò)比較在考慮SMP和不考慮SMP兩種情況下，顆粒污泥體系對(duì)氨氮和總氮的去除能力、液相中基質(zhì)濃度和微生物種群隨時(shí)間的變化、顆粒污泥內(nèi)基質(zhì)和微生物種群的一維空間變化，來(lái)評(píng)估SMP對(duì)ASMs模擬顆粒污泥系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，在考慮SMP的系統(tǒng)中，微生物利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一部分用于轉(zhuǎn)化為UAP和EPS，因此抑制了NOB的生長(zhǎng)，使得Anammox

4、對(duì)溶解氧抑制作用的敏感性降低，從而使系統(tǒng)中Anammox的比例升高，有利于通過(guò)自養(yǎng)脫氮過(guò)程去除系統(tǒng)中的氮。因此，與不考慮SMP相比，考慮SMP的ASMs模擬自養(yǎng)脫氮顆粒污泥系統(tǒng)具有更高的總氮去除率。
　　(2)通過(guò)改變一系列關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，考察了不同模擬場(chǎng)景下自養(yǎng)脫氮顆粒污泥系統(tǒng)的性能及微生物種群結(jié)構(gòu)的差異。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水中氨氮負(fù)荷小于300g m-3d-1時(shí)，體系的溶解氧濃度需要嚴(yán)格控制在0.25到1.20mg O2L-1之間，

5、以達(dá)到廢水中較高的總氮去除率(＞90％)。當(dāng)顆粒污泥的粒徑小于0.75mm時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的氨氮和總氮去除率，而更大的顆粒不利于氨氮和總氮的去除。當(dāng)水力停留時(shí)間小于0.15d時(shí)，總氮的去除效率對(duì)溶解氧的濃度相當(dāng)敏感，溶解氧濃度的微小變化會(huì)極大的改變穩(wěn)定狀態(tài)下微生物的群落結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步影響總氮去除效率。
　　(3)在自養(yǎng)脫氮顆粒污泥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中，建立了一系列生物物理化學(xué)過(guò)程來(lái)描述系統(tǒng)中pH值的變化及其對(duì)系統(tǒng)性能與微生物種群的影

6、響。研究發(fā)現(xiàn)，AOB和Anammox的比生長(zhǎng)速率隨pH值的變化基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，并分別在7.4和7.6達(dá)到最大比生長(zhǎng)速率。而NOB的比生長(zhǎng)速率隨pH值的變化呈現(xiàn)S型分布，低于6.5的pH值完全抑制了NOB活性，但是高pH值（大于7.5）對(duì)NOB的生長(zhǎng)并沒(méi)有抑制影響。通過(guò)比較不同pH條件下的總氮和氨氮去除率，可以發(fā)現(xiàn)，氨氮去除率在pH值為7.5時(shí)達(dá)到最高值，這與AOB的最適pH值(7.4)相對(duì)應(yīng)。而總氮去除率在pH值為7時(shí)達(dá)到最高，這是由