SBBR單級自養(yǎng)脫氮工藝性能與氮轉(zhuǎn)化途徑研究.pdf

1、單級自養(yǎng)脫氮工藝是指在一個系統(tǒng)內(nèi)由自養(yǎng)菌實(shí)現(xiàn)NH4+至N2全部轉(zhuǎn)化過程的一類工藝，在處理低C/N比廢水方面極具潛力。由于該工藝在控制運(yùn)行和機(jī)理方面有很多難點(diǎn)沒有得到很好解決，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。本論文系統(tǒng)地研究了構(gòu)建單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的方法，探討了運(yùn)行控制條件對單級自養(yǎng)脫氮工藝的影響機(jī)制和單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)運(yùn)行的適宜組合工況，并通過對比系統(tǒng)內(nèi)生物膜和懸浮污泥的單級自養(yǎng)脫氮特性，分析了單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)起主導(dǎo)脫氮作用的污泥形式，同時深

2、入研究了單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的氮素平衡和NH4+的去除途徑。
　　 采用4組SBBR(Sequence Batch Biofilm Reactor)反應(yīng)器構(gòu)建單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，并研究了構(gòu)建單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的適合條件和方法，結(jié)果表明：構(gòu)建單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的過程可分為亞硝化啟動和單級自養(yǎng)脫氮實(shí)現(xiàn)兩個階段。亞硝化啟動階段中系統(tǒng)內(nèi)的NO2-積累率較高，但系統(tǒng)的脫氮性能較差。單級自養(yǎng)脫氮實(shí)現(xiàn)階段中，系統(tǒng)內(nèi)的NH4+迅速被轉(zhuǎn)化，NO2-和NO3

3、-基本無積累，單級自養(yǎng)脫氮性能得到提高；間歇曝氣和連續(xù)曝氣兩種曝氣方式均可構(gòu)建單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，但間歇曝氣系統(tǒng)所需的DO(Dissolved Oxygen)濃度高于連續(xù)曝氣系統(tǒng)；DO過高(連續(xù)曝氣條件下DO超過1.5mg/L)易導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生全程硝化反應(yīng)，不利于構(gòu)建自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)；過低的DO(連續(xù)曝氣條件下DO低于0.8mg/L)則將延長構(gòu)建單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的時間；單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的HRT(Hydraulic Retention Time

4、)應(yīng)根據(jù)一個運(yùn)行周期內(nèi)DO和NO3-濃度的突升點(diǎn)來確定，隨系統(tǒng)的曝氣方式和DO等運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)節(jié)；軟性組合填料和彈性立體填料均較多面空心球填料有利于快速掛膜，且軟性組合填料較彈性立體填料更有利于微生物的附著，以構(gòu)建穩(wěn)定運(yùn)行的SBBR單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)；通過T-A克隆的方法，在單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)2類不同的AOB序列，一類與氨氧化菌標(biāo)準(zhǔn)菌株Nitrosomonas有98％的較高相似性，另一類則與其它一種未得到純培養(yǎng)的AOB接近，相似性為9

5、9％。存在的NOB比較單一，與Nitrospira相似性達(dá)到100％。AMAMMOX種類豐富，檢測到11種不同ANAMMOX基因序列，與典型的厭氧氨氧化菌具有較高的相似性，相似性分別達(dá)到97～99％，主要?dú)w屬于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis及CandidatusBrocadia fulgida兩個屬。
　　 利用已建立的SBBR單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，調(diào)節(jié)其運(yùn)行控制條件至不同水平，研究了曝氣方式

6、、DO、溫度和pH值對單級自養(yǎng)脫氮工藝的影響機(jī)制及單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)運(yùn)行的最適組合工況，結(jié)果表明：間歇曝氣條件下，單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的曝氣時間與停曝氣時間基本相當(dāng)時較有利于提高系統(tǒng)的脫氮性能；單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的DO濃度應(yīng)根據(jù)曝氣方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。連續(xù)曝氣和間歇曝氣(曝停比為2h：2h)的單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的最適DO濃度分別為1.5mg/L和2.0mg/L；DO過低將降低亞硝化反應(yīng)速率，并導(dǎo)致ANAMMOX(Anaerobic Ammonium O

7、xidation)反應(yīng)因缺乏足夠的反應(yīng)物質(zhì)而無法快速進(jìn)行，從而降低單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的脫氮性能。過高的DO則會破壞生物膜內(nèi)部的厭氧區(qū)，降低ANAMMOX的反應(yīng)速率，在O2存在的條件下，剩余的NO2-則進(jìn)一步被氧化為NO3-，不利于NH4的有效去除；間歇曝氣SBBR單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的最適溫度為30℃。在一定溫度范圍內(nèi)(不大于30℃)，溫度的升高有助于提高系統(tǒng)的NH4轉(zhuǎn)化速率和脫氮效能。但溫度達(dá)到35℃時，ANAMMOX反應(yīng)速率較低而不能把亞

8、硝化反應(yīng)生成的NO2-全部轉(zhuǎn)化為N2，在系統(tǒng)內(nèi)DO濃度(2.0mg/L)較高的條件下，部分NH4將通過全程硝化反應(yīng)被氧化為NO3-；間歇曝氣SBBR單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的最適pH值為8。pH值為8左右時，系統(tǒng)內(nèi)亞硝化和ANAMMOX的反應(yīng)速率較快，且二者反應(yīng)速率相當(dāng)，有利于亞硝化反應(yīng)和ANAMMOX反應(yīng)的聯(lián)合脫氮，單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的脫氮性能較好。
　　 以單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)的生物膜(包括填料上的生物膜和反應(yīng)器內(nèi)壁上的生物膜)和懸浮污

9、泥為研究對象，研究了生物膜和懸浮污泥的亞硝化反應(yīng)、好氧NO2-氧化反應(yīng)、ANAMMOX反應(yīng)和單級自養(yǎng)脫氮活性，對比了生物膜和懸浮污泥的自養(yǎng)脫氮特性，并深入分析了造成其自養(yǎng)脫氮性能差別的根本原因及起主導(dǎo)脫氮作用的污泥形式。結(jié)果表明：單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)填料上生物膜的最大亞硝化反應(yīng)活性、好氧NO2-氧化活性、ANAMMOX反應(yīng)活性和單級自養(yǎng)脫氮活性分別為0.153±0.0064 gN·gVSS-1·d-1、0.0087±0.0016 gN·g

10、VSS-1·d-1、0.282±0.0086gN·gVSS-1·d-1和0.207±0.0045 gN·gVSS-1·d-1；單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)壁上生物膜的最大亞硝化反應(yīng)活性、好氧NO2-氧化活性、ANAMMOX反應(yīng)活性和單級自養(yǎng)脫氮活性分別為0.167±0.0087 gN·gVSS-1·d-1、0.0045+0.0016 gN·gVSS-1·d-1、0.313±0.014 gN·gVSS-1·d-1和0.298±0.0060 g

11、N·gVSS-1·d-1；單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)懸浮污泥的最大亞硝化反應(yīng)活性、好氧NO2-氧化活性、ANAMMOX反應(yīng)活性和單級自養(yǎng)脫氮活性分別為0.137±-0.0080 gN·gVSS-1·d-1、0.045±0.0038 gN·gVSS-1·d-1、0.095±0.0052 gN·gVSS-1·d-1和0.099±0.011gN·gVSS-1·d-1；填料上生物膜和反應(yīng)器內(nèi)壁上生物膜的亞硝化反應(yīng)活性、ANAMMOX反應(yīng)活性和單級自養(yǎng)脫

12、氮活性均高于懸浮污泥，好氧NO2-氧化活性則低于懸浮污泥。生物膜比懸浮污泥更有利于形成好氧與厭氧共存的微環(huán)境使亞硝化和ANAMMOX反應(yīng)順利進(jìn)行，在單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)起主導(dǎo)脫氮作用。
　　 利用現(xiàn)代物質(zhì)分析測試手段，監(jiān)測了密閉單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)，氣相和液相中生成的氮化合物的種類及其含量，研究了系統(tǒng)的氮素平衡和NH4去除的主要形式，結(jié)果表明，單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)62％的NH4+在微生物的作用下被轉(zhuǎn)化為NO2-、NO3-、NH2OH、

13、N2H4、NO、NO2、N2O和N2等多種氮化合物，其中N2占90.07％，是NH4+轉(zhuǎn)化的主要產(chǎn)物形式。
　　 根據(jù)單級自養(yǎng)脫氮工藝的幾種機(jī)理假說及脫氮反應(yīng)，配制不同的模擬含氮廢水，監(jiān)測不同進(jìn)水條件下，系統(tǒng)內(nèi)氮化合物種類及其含量的變化，研究了單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)氨氮的去除途徑。結(jié)果表明：單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)6.72％的氨氮是通過吹脫等物化作用去除的，不超過6.02％的氨氮是通過傳統(tǒng)硝化反硝化途徑去除的，87.26％左右的氨氮是由自

14、養(yǎng)脫氮途徑去除的，自養(yǎng)脫氮反應(yīng)起主要脫氮作用；在足夠NO2存在且缺氧的條件下，單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)的出水氨氮濃度與空白反應(yīng)器相當(dāng)，NH4+并沒有被亞硝化單胞菌以NO2為電子受體氧化為NO2-和N2等化合物而得以去除，可能是因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)不存在該代謝功能的亞硝化功能菌；單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)存在兩條ANAMMOX反應(yīng)途徑：其中一條途徑即NH4+在好氧條件下被氧化為NH2OH后，生成的NH2OH與系統(tǒng)內(nèi)的NO2-在缺氧條件下被轉(zhuǎn)化為N2O，N2O則進(jìn)