碳基生物载体对厌氧氨氧化脱氮工艺的过程研究

作     者：胡颖斌 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江进;安娜

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：厌氧氨氧化 自养型脱氮 生物炭 铁碳材料 胞外电子转移 

摘      要：传统的硝化/反硝化脱氮工艺存在高成本、高能耗、容易产生二次污染物等缺点,很难达到处理效果和经济效益的平衡。厌氧氨氧化工艺(anaerobic ammonium oxidation,anammox)是近二十年研发的高效经济自养型生物脱氮技术,具有污泥产量低、节省能耗和脱氮负荷高等优点。但是也存在厌氧氨氧化菌的倍增时间过长,电子受体NO-N不容易获得,脱氮过程中会有副产物NO-N产生等限制。有鉴于此,结合碳材料具有促进传统生物脱氮工艺的性能,碳材料具有加强微生物胞外电子传递的特点,本课题开展了以下研究:(1)采用批次实验探索添加不同生物载体对厌氧氨氧化菌脱氮活性的影响,结果发现,以木质、椰壳和煤质为原料制作的生物炭能够促进厌氧氨氧化菌的脱氮活性,但是生物炭的浸出液对厌氧氨氧化工艺没有明显的促进作用。不同生物炭表面都分布有氧化还原活性化学官能团,且具有电子供献能力和电子接受能力,功能性官能团介导的电子转移导致厌氧氨氧化反应过程中积累更少的硝酸盐副产物。此外,生物炭还能充当pH缓冲剂和生物载体,在水中提供更适合厌氧氨氧化菌生存的环境,使厌氧氨氧化菌在水环境中更具竞争优势,更快成为优势菌株,涉及厌氧氨氧化生物反应表达的基因复制数也更高,从而提高厌氧氨氧化工艺的总氮去除率。在厌氧氨氧化工艺中添加生物炭作为生物载体,为减少NO-N副产物的积累提供了一种高效且经济的解决方案。(2)基于批次实验的研究成果,为了减少单一工艺功能微生物所受到的运行条件的限制,研究碳材料在连续流反应器对厌氧氨氧化工艺的影响。本研究利用铁碳材料作为生物填料启动连续流的厌氧膨胀颗粒污泥床反应器(Expanded Granular Sludge Blanket Reactor,EGSB),该一体化自养型生物氮去除反应器存在耦合anammox和厌氧铁氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation coupled to iron(Ⅲ)reduction,Feammox)工艺的脱氮途径。在稳定运行期,反应器的总氮去除效率达到82.9±6.8%,且氮去除速率为0.46±0.04 kg-TN/m/d。经物料平衡法计算得出,Feammox,anammox和异养反硝化途径对总氮的去除贡献占比分别为7.5%,89.5%和3.0%。在耦合anammox和Feammox工艺的系统中,碳材料能加速anammox和Feammox的反应速率。用铁碳材料作为填料能成功启动自养型生物氮去除反应器进行高效脱氮,有很好的实际应用前景。(3)综上所述,本研究证明了利用生物炭作为生物载体,可以加速微生物的胞外电子转移过程,促进水中氮素的氧化还原反应;利用铁碳材料启动厌氧氨氧化脱氮反应器,可以形成耦合多种脱氮途径的脱氮工艺,提高反应体系的总氮去除效率;两类生物载体都具有促进厌氧氨氧化脱氮工艺工程化应用的潜力。