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上流式厌氧氨氧化反应器运行特性及菌群结构研究

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上流式厌氧氨氧化反应器运行特性及菌群结构研究

作者：梁启煜东北大学

学位级别：硕士

人类的生产生活过程中大量的氮素被排放到自然界水体中,过量的氮素给自然环境和人类健康带来了巨大的危害。传统的生物脱氮工艺存在着高能耗,维护复杂,效率低下等诸多问题。为了高效经济的处理氮素污染废水,开发应用新型高效、低耗的生... 详细信息

人类的生产生活过程中大量的氮素被排放到自然界水体中,过量的氮素给自然环境和人类健康带来了巨大的危害。传统的生物脱氮工艺存在着高能耗,维护复杂,效率低下等诸多问题。为了高效经济的处理氮素污染废水,开发应用新型高效、低耗的生物脱氮工艺显得尤为重要。厌氧氨氧化(ANaerobicAMMonium OXidation,ANAMMOX)工艺是高效、经济、节能的新型生物脱氮技术,自问世以来就受到了广泛的关注。然而,该工艺仍面临着污泥难以富集培养,易受环境条件影响等难题。本课题采用上流式ANAMMOX反应器,对无机碳(Inorganic Carbon,IC)、温度、有机物等关键环境影响因素和反应动力学特性进行研究,分析反应器运行过程中的微生物群落结构变化,并在上流式厌氧氨氧化反应器的基础上成功启动亚硝化——厌氧氨氧化一体化反应器。采用具有ANAMMOX菌的混合污泥启动反应器。反应器稳定运行后,在进水中按不同比例投加无机碳,通过进出水氮含量的变化来研究IC在厌氧氨氧化过程中的作用及IC浓度对厌氧氨氧化过程的影响,并探寻适合ANAMMOX反应的最佳无机碳浓度。研究发现IC在厌氧氨氧化过程中除提供碳源外还充当反应催化剂,充足的IC供应是提高ANAMMOX菌活性和维持稳定脱氮的必要条件,厌氧氨氧化启动过程中进水IC和总无机氮(Total Inorganic Nitrogen,TIN)最佳比值为0.4。在此条件下启动新反应器,氮去除负荷在61天内就达到1.04 kg-N·m·m-3·day-1,ANAMMOX菌活性明显高于原反应器。温度、有机物、基质浓度、pH等环境因素对厌氧氨氧化过程有非常显著的影响。采用连续流反应器结合序批实验,通过反应器运行参数的改变和ANAMMOX菌的活性测试,解析环境因素对厌氧氨氧化过程的影响。实验发现温度对ANAMMOX菌活性有明显影响,保持较高的温度对获得高活性的ANAMMOX菌有非常重要的作用。厌氧氨氧化污泥中存在着反硝化菌,有机物的存在会引起反硝化菌和ANAMMOX菌之间的基质竞争。实验培养的ANAMMOX菌对基质氨和亚硝酸盐的半速率常数Km分别为151.97 g·L-1 和 42.59 g·L-1 抑制常数 Kj 分别为 555.31 g·L-1 和 200.61 g·L-1。pH 值对 ANAMMOX菌有明显影响,最适pH在7.47到8.03之间。为了解最优IC浓度下反应器脱氮效能与微生物群落结构的关系和有机物对反应器微观生态结构的影响,采用高通量测序技术对不同时期反应器内微生物群落结构的变化进行分析。高通量测序结果显示,厌氧氨氧化反应器启动到稳定过程中微生物群落结构趋于稳定。其中,与脱氮相关的变形菌门和浮霉菌门合计占比达到40%以上。ANAMMOX菌所在的浮霉菌门比例随运行时间延长而逐渐增加,是反应器脱氮效能提高的主要原因。反应器内的占据优势地位的ANAMMOX菌主要是Candidatus Kuenenia属,比例达到14%左右,同时也有少量Candidatus Brocadia 属的ANAMMOX菌存在。在上流式ANAMMOX反应器的基础上,通过接种亚硝化污泥并提高溶解氧(DissolvedOxygen,DO)来启动一体化厌氧氨氧化反应器。考察一体化反应器启动稳定过程中脱氮效能的变化,同时通过高通量测序技术对反应器内微生物群落演替进行研究。一体化反应器在总氮负荷0.75kg-N/m3/day,温度30℃,DO 2mg/L的条件下,氨氮去除率和总氮去除率稳定在85%和80%以上。反应器中参与亚硝化反应的是亚硝化单细胞菌属(Nitrosomonas),厌氧氨氧化反应是Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia两个属参与,反应器内还检测到少量Denitratsoma属的反硝化细菌。除此之外还有许多其他种类的细菌存在。本课题通过ANAMMOX反应器启动及其运行特性的研究,了解了不同环境因素对厌氧氨氧化过程的影响,明确了厌氧氨氧化工艺的启动和运行条件,为厌氧氨氧化工艺的实际应用提供了技术指导和理论依据。

关键词：厌氧氨氧化无机碳影响因素高通量测序一体化

厌氧氨氧化反应器运行过程微生物群落演替分析

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东北大学学报（自然科学版） 2018年第5期39卷 693-698页

作者：朱彤贾若坦梁启煜谢元华东北大学机械工程及自动化学院辽宁沈阳110819

为探究厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程中微生物群落结构的演化,采用高通量测序技术对ANAMMOX反应器中微生物群落结构进行分析.结果表明:反应器运行61 d后氮去除负荷达到1.04 kg·N·m^(-3)·d^(-1),总氮去除率达75%以上.反应器中微生物多样性... 详细信息

为探究厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程中微生物群落结构的演化,采用高通量测序技术对ANAMMOX反应器中微生物群落结构进行分析.结果表明:反应器运行61 d后氮去除负荷达到1.04 kg·N·m^(-3)·d^(-1),总氮去除率达75%以上.反应器中微生物多样性较为丰富,存在变形菌门、绿曲挠菌门、绿菌门、浮霉菌门等微生物.从启动到稳定过程中微生物群落结构趋于稳定.其中和脱氮相关的变形菌门和浮霉菌门合计占比达40%以上.ANAMMOX菌所在的浮霉菌门比例随运行时间延长而逐渐增加,是反应器脱氮效能提高的主要原因.反应器内占据优势地位的ANAMMOX菌主要为Candidatus Kuenenia属,占比14%左右,同时还有少量Candidatus Brocadia属.

关键词：厌氧氨氧化高通量测序群落特征氮去除微生物

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厌氧氨氧化过程中无机碳对脱氮效能的影响

东北大学学报（自然科学版） 2018年第2期39卷 278-282,287页

作者：朱彤梁启煜谢元华马永光东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

采用上流式厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)反应器,通过氮去除效能的变化,研究无机碳(inorganic carbon,IC)在厌氧氨氧化过程中的作用及IC质量浓度对厌氧氨氧化过程的影响.结果表明:当进水不投加IC时,反应器脱氮效能... 详细信息

采用上流式厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)反应器,通过氮去除效能的变化,研究无机碳(inorganic carbon,IC)在厌氧氨氧化过程中的作用及IC质量浓度对厌氧氨氧化过程的影响.结果表明:当进水不投加IC时,反应器脱氮效能明显下降,当进水IC和总无机氮(total inorganic nitrogen,TIN)的质量浓度之比ρIC/ρTIN为0.2~0.4时,脱氮效能得到恢复并逐步提高.ρ_(IC)/ρ_(TIN)从0.4继续提高至1.0时,脱氮效能不再发生明显变化.在ρ_(IC)/ρ_(TIN)为0.4的条件下启动新反应器,运行61天后氮去除负荷达到1.04 kg·m^(-3)·d^(-1),ANAMMOX菌活性明显高于原反应器.表明厌氧氨氧化过程中,IC主要提供碳源并充当反应催化剂,充足的IC供应是提高ANAMMOX活性和维持稳定脱氮的必要条件,厌氧氨氧化启动过程中进水IC和TIN最佳质量浓度之比为0.4.

关键词：厌氧氨氧化无机碳脱氮效能 ρIC/ρTIN 废水

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流体剪切与超声空化破解剩余污泥的参数优化

环境科学研究 2017年第11期30卷 1777-1782页

作者：谢元华相阳梁启煜李现瑾韩进由美雁朱彤东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

为提高剩余污泥的破解效果并降低能耗,采用FS(fluid shear,流体剪切)、UC(ultrasonic cavitation,超声空化)、FS和UC联合工艺(FS-UC,UC-FS)破解剩余污泥,并应用单因素试验结合响应面法对联合工艺进行优化.结果表明:FS对剩余污泥破解效... 详细信息

为提高剩余污泥的破解效果并降低能耗,采用FS(fluid shear,流体剪切)、UC(ultrasonic cavitation,超声空化)、FS和UC联合工艺(FS-UC,UC-FS)破解剩余污泥,并应用单因素试验结合响应面法对联合工艺进行优化.结果表明:FS对剩余污泥破解效果一般,只在开始阶段具有较好效果,随作用时间延长,破解效果未有显著提高甚至下降.UC对剩余污泥破解效果明显,随作用时间延长,破解效果显著提升,但能耗也随之增大,EDR(energy disintegration ratio,效能比)明显下降.相同作用时间下,UC破解效果优于FS破解效果,UC破解剩余污泥的DDCOD(degree of disintegration,破解率)与EDR均明显高于FS方法.单因素试验得出的较优FS作用时间范围为2~8 min,较优UC作用时间范围为5~15 min.响应面法试验结果显示,联合工艺的剩余污泥破解效果和能量利用率均优于单一方法,联合工艺中FS-UC工艺的破解效果优于UC-FS工艺.FS-UC工艺的最佳参数:FS处理5.6 min再UC处理15.0 min,该条件下剩余污泥实际DDCOD为50.8%,EDR为26.8%.UC-FS工艺的最佳参数:先UC作用15.0 min再FS作用7.8 min,该条件下剩余污泥实际DDCOD为36.5%,EDR为17.1%.研究显示,以DDCOD和EDR为指标,4种工艺的高效性顺序为FS-UC>UC-FS>UC>FS,其中FS-UC工艺具有能耗低、破解效率高的特点,是4种工艺中剩余污泥破解效果最好的一种工艺.

关键词：废物处理优化设计降解流体剪切超声空化剩余污泥

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一体化厌氧氨氧化反应器工艺运行优化研究

环境科学与技术 2019年第7期42卷 88-94页

作者：梁启煜王迎春刘志刚朱彤谢元华山西能源学院电气与动力工程系山西晋中030600 东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

文章以上流式厌氧氨氧化反应器为基础,通过接种亚硝化污泥并提高溶解氧(DO)来启动一体化厌氧氨氧化反应器。考察了一体化反应器启动稳定过程中脱氮效能的变化,同时通过高通量测序技术对反应器内微生物群落演替进行了研究。结果表明:一... 详细信息

文章以上流式厌氧氨氧化反应器为基础,通过接种亚硝化污泥并提高溶解氧(DO)来启动一体化厌氧氨氧化反应器。考察了一体化反应器启动稳定过程中脱氮效能的变化,同时通过高通量测序技术对反应器内微生物群落演替进行了研究。结果表明:一体化反应器在总氮负荷0.75 kg/(m^3·d),DO含量2 mg/L的条件下,氨氮去除率和总氮去除率稳定在85%和80%以上。反应器中参与亚硝化反应的是亚硝化单细胞菌属,厌氧氨氧化反应是Candidatus kuenenia和Candidatus brocadia 2个属参与,反应器内还检测到少量Denitratisoma属的反硝化细菌。除此之外还有许多其他种类的细菌存在。

关键词：厌氧氨氧化高通量测序群落特征一体化

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烟气协同治理中烟气换热器的设计计算

内蒙古煤炭经济 2019年第19期 5-7页

作者：王迎春梁启煜山西能源学院山西晋中030600

本文以某燃用神华煤的1000MW机组为研究对象,分别采用螺旋肋片管和H型肋片管进行烟气换热器的设计计算、分析并采用编程计算了两种管型,不同节距、不同烟速下,高温侧出口水温改变对尾部烟道换热器各项性能指标的影响,并绘制了工质流量... 详细信息

本文以某燃用神华煤的1000MW机组为研究对象,分别采用螺旋肋片管和H型肋片管进行烟气换热器的设计计算、分析并采用编程计算了两种管型,不同节距、不同烟速下,高温侧出口水温改变对尾部烟道换热器各项性能指标的影响,并绘制了工质流量、换热面积、阻力损失、高低温侧阻力损失之和、高温侧和低温侧折合换热总管长度、高低温侧折合换热总管长度等随高温侧出口水温的变化曲线。

关键词：烟气换热器设计计算阻力损失

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基于介尺度曳力模型的细颗粒扬析CFD模拟

化学工程 2020年第12期48卷 47-51,56页

作者：宋晓皎赵佳悦刘志刚梁启煜王帅山西能源学院能源与动力工程系山西晋中030600 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

为了揭示细颗粒扬析特性,采用双流体模型,并结合考虑气泡影响的介尺度曳力模型,对双组分流化床内细颗粒扬析过程进行了CFD数值模拟。验证了气泡介尺度曳力模型的合理性,分析了入口气体速度、初始细颗粒质量分数、细颗粒直径和床层温度... 详细信息

为了揭示细颗粒扬析特性,采用双流体模型,并结合考虑气泡影响的介尺度曳力模型,对双组分流化床内细颗粒扬析过程进行了CFD数值模拟。验证了气泡介尺度曳力模型的合理性,分析了入口气体速度、初始细颗粒质量分数、细颗粒直径和床层温度对细颗粒扬析过程的影响。结果显示:气泡介尺度曳力模型可以较好地再现颗粒扬析过程,气体入口速度和初始细颗粒质量分数的增大有利于扬析过程的加深,并且由于颗粒聚集导致细颗粒扬析速率与细颗粒直径呈非单调线性关系,同时,床层温度过高会使得相间曳力非均一化程度加深,细颗粒的扬析速率减小。

关键词：双组分扬析介尺度曳力模型流化床数值模拟

CFB锅炉吹脱分离型SNCR脱硝系统设计及调试研究

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电站系统工程 2020年第2期36卷 9-12页

作者：王迎春梁启煜山西能源学院山西晋中030600

为了确保CFB锅炉烟气NO+x排放浓度满足环保要求,对1060 t/h CFB锅炉吹脱分离型SNCR脱硝工艺及主要参数进行设计,并阐述系统主要组成部分、工作原理和SNCR布置形式。对脱硝系统中各分系统的主要调试内容进行说明,并列出调试过程中的重点... 详细信息

为了确保CFB锅炉烟气NO+x排放浓度满足环保要求,对1060 t/h CFB锅炉吹脱分离型SNCR脱硝工艺及主要参数进行设计,并阐述系统主要组成部分、工作原理和SNCR布置形式。对脱硝系统中各分系统的主要调试内容进行说明,并列出调试过程中的重点注意事项。针对该脱硝系统进行热态调整试验,试验结果为:NSR接近设计值2.0左右时,机组100%负荷及75%负荷下,喷氨后NOx排放浓度分别由喷氨前的均值183.22 mg/Nm^3和111.96 mg/Nm^3降至均值86.62 mg/Nm^3和59.96 mg/Nm^3,平均脱硝效率分别为52.72%、46.45%,平均氨逃逸浓度分别为3.03 mg/Nm^3、1.71 mg/Nm^3。

关键词： CFB锅炉吹脱分离型选择性非催化还原(SNCR) 脱硝调试特性

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探讨电力系统中节能技术的应用研究

能源与环境 2021年第3期 37-38页

作者：赵佳悦宋晓皎梁启煜刘志刚山西能源学院能源与动力工程系山西晋中030600

围绕电力应用过程中能源消耗大的问题,探讨电能利用中节能技术的应用研究。通过节能技术,判断电力系统中的无功损耗,平衡运行电压,补偿功率因数,降低能耗,实现节能技术在能源利用中的发展应用。通过设计实例分析,结果表明,应用节能技术... 详细信息

围绕电力应用过程中能源消耗大的问题,探讨电能利用中节能技术的应用研究。通过节能技术,判断电力系统中的无功损耗,平衡运行电压,补偿功率因数,降低能耗,实现节能技术在能源利用中的发展应用。通过设计实例分析,结果表明,应用节能技术后的能源消耗量明显低于对照组,能够解决传统能源应用中能源消耗大的问题。

关键词：电力系统节能技术能源消耗量补偿能源