快速内循环强化硝化/反硝化脱氮工艺处理低碳氮比废水研究

作     者：韦皓天 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘鸿

授予年度：2024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：快速内循环 硝化/反硝化脱氮工艺 强化脱氮 低碳氮比废水 泥水分离反应器 

摘      要：生物脱氮技术是污水处理行业最主要的氮素污染控制手段,但是在处理低C/N（C/N小于3.4）废水过程中,主流生物脱氮技术需要投加大量外部碳源。因此,减少生物脱氮过程碳源消耗成为亟需解决的问题。本研究自主设计了一种泥水分离反应器,在连续流条件下将污泥截留在反应器内部,实现功能菌富集。利用这一反应器构建快速内循环硝化/反硝化（Fast circulatory nitrification/denitrification,FCND）工艺,通过硝化和反硝化单元之间反应物质快速交换,克服传统工艺中硝化液回流比低的限制,实现低C/N废水高效处理。 利用快速内循环这一工艺思路,本论文开展了硝化/反硝化、短程硝化/反硝化两种技术路线下的脱氮工艺研究,在硝化/反硝化工艺体系下,分别从FCND工艺的启动过程和低碳氮比（C/N小于3.4）废水处理过程完整评估了FCND工艺的脱氮性能、与传统脱氮工艺相比具有的优势,验证了本工艺在提高脱氮过程碳源利用率,降低碳源消耗的应用价值;对于短程硝化/反硝化工艺体系,从反应动力学角度出发,基于快速内循环的工艺思路,提出了非胁迫条件下在FCND工艺维持短程硝化的新策略。主要研究内容及结论如下: （1）在模拟废水条件下进行FCND工艺的启动及运行,评估运行过程中反应器的泥水分离性能,探究C/N和碳源类型（乙酸钠、蔗糖、粘酸）对工艺氮去除特性的影响,对比运行过程菌群变化,分析泥水分离反应器的菌群富集效果。结果表明:在C/N为5时,工艺的TN去除率超过80%,COD去除率超过90%,不同功能单元的泥水分离反应器出水SS维持在35 mg·L-1～50 mg·L-1,具有良好的泥水分离效果。乙酸钠作为易降解碳源,在同一C/N条件下具有最高的碳源利用率。微生物测序结果表明泥水分离反应器对功能菌富集具有促进作用,Thauera、Caldilineaceae等反硝化菌总丰度超过50%,Nitrospira和具有异养硝化功能的Paracoccus组成的硝化菌总丰度超过25%。 （2）在生活污水条件下,对FCND工艺的脱氮性能影响因素进行了深入研究,包括进水氮负荷、外加碳源C/N、内循环速度。通过监测水质指标变化评估最优工况下的脱氮性能。结果表明:在废水内循环速度为140 m L·L-1条件下,FCND工艺的缺氧池和好氧池水力停留时间仅有1.3 h,低于传统脱氮工艺中缺氧池和好氧池建议采用的水力停留时间,实现了废水的快速内循环过程。在快速内循环条件下,FCND工艺的碳源利用率接近100%,TN去除率超过110%,能够完全去除进水氨氮和上一周期部分残留氮污染物。在最优工况下,FCND工艺出水TN浓度低于10mg·L-1,TN去除率达到89.7±2.4%。相比传统生物脱氮工艺,可在总C/N（污水C/N和外加碳源C/N）为3～4实现更高的氮去除负荷。微生物测序结果和污泥微观结构表明,泥水分离反应器与颗粒污泥结构对反硝化功能菌的多样性和相对丰度提高具有促进作用。 （3）在短程硝化功能菌培养阶段探究了游离氨、溶解氧对氨氧化菌（Ammonia-oxidazing bacteria,AOB）活性的影响,然后在FCND工艺体系内探究快速内循环策略维持短程硝化过程的可行性。结果表明:游离氨浓度小于100 mg·L-1时,AOB对氨氮的去除效率维持在70%～80%,浓度超过120 mg·L-1会对AOB活性产生严重抑制,氨氮去除率降至40%。溶解氧浓度为1 mg·L-1～1.7 mg·L-1对AOB抑制作用较小,超过2 mg·L-1,溶解氧浓度提高对AOB的促进作用逐渐降低。采用废水快速内循环的维持策略,成功在FCND工艺维持短程硝化超过40个运行周期,氨氮去除率超过90%,总C/N小于3也能维持TN去除率超过85%,进一步降低了系统脱氮的碳源消耗量。