部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化工艺常温下脱氮效能研究
作者单位：苏州科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：王建芳
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]
摘 要：相比于传统的硝化反硝化脱氮工艺,ANAMMOX、CANON、SHARON等新型脱氮工艺具有着节约碳源、能耗低、污泥产率低等特点而备受关注,这些新工艺均需要以亚硝酸盐的高效积累为前提。然而,氨氧化菌(AOB)生长缓慢、细胞产率低、对环境变化敏感等特点导致实际运行中亚硝酸盐难以积累,限制了新型脱氮工艺的推广。本论文主要研究了分体式部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺的运行效能及调控,通过对工艺系统中氨氧化菌活性、亚硝态氮氧化菌(NOB)活性、氮素的转化情况、污泥颗粒化及粒径变化,揭示部分亚硝化反应器的长期稳定运行调控方式及效能。在同一厌氧折流板反应器内实现厌氧氨氧化菌与异养反硝化菌协同脱氮,可提高总氮脱除率,充分利用有机物资源,符合减污降碳的可持续废水处理理念。本文采用序批试验的方法,设置一系列C/N(0.3,0.65,1,1.35),考察不同C/N对厌氧氨氧化耦合异养反硝化在比厌氧氨氧化活性、比反硝化活性、胞外聚合物及等方面的短期影响效果,并探求使厌氧氨氧化耦合异养反硝化脱氮性能最大化的C/N。并在厌氧折流板反应器中,探究厌氧氨氧化和反硝化分步协同培养,考察同一反应器中两类功能微生物的协同生长,探究进水氮负荷波动对系统协同脱氮性能以及厌氧氨氧化菌与反硝化菌活性的影响,及EPS对系统活性的响应规律,为该工艺实际工程应用提供技术理论支撑和运行参数。同时做投加填料的对照实验,采用PP填料和纤维束组合而成的填料对ABR反应器中SAD工艺进行强化,探究组合填料对系统性能的强化效果,以及不同微生物菌群的活性及变化情况。同时比较组合填料与空白实验污泥形态及EPS的变化特点,分析EPS对微生物活性的响应规律以及微生物群落变化特征。主要研究成果如下:(1)在气提式内循环反应器中,通过不断降低HRT提升进水氨氮容积负荷,耗时27 d时间优先实现了污泥的颗粒化,再通过不断提高进水氨氮浓度以及降低DO的方式促进污泥实现稳定的亚硝化,有利于反应器出水水质稳定。厌氧氨氧化启动过程中,浮霉菌门的相对丰度大幅增加,Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia为主要菌属,Candidatus Brocadia的相对丰度从第1 d的6.4%增长到第60 d的27.8%,Candidatus Kuenenia的相对丰度从第1 d的2.2%增长到第60 d的8.7%。在温度较低(20℃)的条件下,厌氧氨氧化性能稳定性较差,当反应器内温度升高到25.1℃时,降低HRT对反应器出水水质影响较小,厌氧氨氧化具有较强的稳定性,总氮去除率稳定在80.3%左右。(2)在适宜的工况(进水pH=8.0,25℃温度30℃,进水总氮约210 mg·L且部分亚硝化和厌氧氨氧化反应器的HRT分别为2 h和6 h)下,气提式内循环反应器和厌氧折流板反应器系统内分别富集培养了大量AOB和An AOB,部分亚硝化与厌氧氨氧化反应器能够相互匹配,实现长期稳定的耦合并做到高效脱氮,总氮去除率稳定在85%左右。(3)在优先启动厌氧氨氧化菌活性的情况下,再通过投加有机碳源并控制C/N为0.65,控进水基质浓度和HRT来提升负荷,有利于在厌氧折流板反应器中实现厌氧氨氧化和异养反硝化的耦合,50 d左右可实现厌氧氨氧化与反硝化协同脱氮,平均总氮去除率可达95.8%。耦合系统具有良好的稳定性,总氮负荷波动值低于1.04kg·m·d时,对工艺脱氮性能无显著影响。负荷变化幅度越大,系统性能下降越显著,主要是厌氧氨氧化活性受损,对反硝化活性基本无影响,反硝化耦合厌氧氨氧化协同脱氮可有效提升系统的稳定性。(4)系统经历进水负荷波动冲击后可恢复,负荷波动幅度越大,系统性能恢复时间越长。EPS和PN/PS对系统负荷冲击有较好的响应规律,氮负荷波动时,微生物分泌EPS,有助于其应对氮负荷波动。投加组分填料反应器相较于对照组在经历负荷冲击或温度降低冲击时表现出更强的适应性,且SAD系统中厌氧氨氧化菌和反硝化菌的活性都会受到影响,但厌氧氨氧化菌受到的抑制更为严重。(5)反应器长久受到负荷冲击能够缓慢恢复并生长更加成熟,处理更高负荷废水。但温度降低对SAD系统造成的抑制性影响难以恢复,R1的总氮去除率仅有56.4%,R2的反应器因投加填料形成生物膜较为稳定,总氮去除率恢复至90%以上。(6)在经历负荷冲击及温度减低冲击后,R2反应器内污泥颗粒化程度较高,平均粒径达到0.53 mm。与颗粒化程度相关的EPS有着相似规律,R2中污泥EPS含量增长快于R1,且PN分泌多于PS,对系统性能变化有较好的响应规律。(7)在氮负荷冲击下,R1污泥中浮霉菌门(Proteobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)丰度分别从26.4%、16.7%、15.8%增加到3
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