【摘要】：亞硝化(PN)與厭氧氨氧化(ANAMMOX)組合工藝的開發(fā),有效彌補了傳統(tǒng)生物脫氮工藝的不足,并且其容積效能遠高于傳統(tǒng)的生物脫氮工藝,被視為最具可持續(xù)發(fā)展意義的新型生物脫氮工藝。目前亞硝化和厭氧氨氧化工藝的研究處理對象主要是污泥消化上清液和垃圾滲濾液等高溫高氨氮廢水上,而對于常溫低氨氮的城市生活污水處理的研究并不多見。為了深化PN-ANAMMOX工藝的理論研究,使PN-ANAMMOX工藝廣泛地應用于城市污水廠,本研究以實驗室規(guī)模的亞硝化反應器和厭氧氨氧化反應器為對象,從亞硝化反應器的啟動策略,穩(wěn)定亞硝化的影響因素、不同溫度下厭氧氨氧化反應器的脫氮效能、不同溫度下厭氧氨氧化反應器微生物群落結(jié)構(gòu)特征及演替規(guī)律、常溫下厭氧氨氧化反應器的影響因素、PN-ANAMMOX工藝處理實際生活污水的探索等方面開展了研究。亞硝化反應器可采用多種反應器形式,本研究開展了連續(xù)攪拌反應器(CSTR)和移動床生物膜反應器(MBBR)的亞硝化試驗,比較兩種形式的反應器在常溫低氨氮階段的亞硝化效果。結(jié)果表明CSTR反應器比MBBR反應器更容易實現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化。這是由于CSTR反應器是完全混合式的,反應器內(nèi)NOB的活性可以持續(xù)全面地被高游離氨和低溶解氧所抑制,并且可以通過人工排泥將某些可能適應高游離氨環(huán)境的NOB洗脫掉,但是在MBBR反應器中,少量適應高游離氨的環(huán)境的NOB卻能夠和其他微生物在載體表面附著形成生物膜,因此很難被單獨洗脫。另外通過將CSTR反應器投加的堿度類型從單獨的Na HCO3轉(zhuǎn)為Na HCO3和Na OH聯(lián)合投加,在獲得較好亞硝化效果的同時可以減少約60%的原料成本。與單獨投加Na HCO3相比,Na OH的加入可以更為強烈地抑制NOB的活性,即使存在短時間的高濃度溶解氧或高p H值的沖擊,反應器亞硝化效果也能夠快速恢復。考慮到嘗試將厭氧氨氧化工藝應用于城市生活污水處理中,本研究進行了中溫條件下厭氧氨氧化反應器的啟動和常低溫低基質(zhì)條件下厭氧氨氧化反應器的運行試驗。33±1oC水溫下,在100天內(nèi)成功啟動了厭氧氨氧化反應器,在進水氨氮和亞硝態(tài)氮濃度都為73 mg/L的情況下,總氮去除率為88.3±6.5%。在20±2oC,HRT 1.5 h,進水氨氮和亞硝態(tài)氮濃度分別為29 mg/L、41 mg/L時,反應器平均總氮去除負荷達到1.00 g/(L·d),平均總氮去除率為87.6%,出水(NH4++NO2-)濃度為0.08±0.08 mg/L,出水總氮濃度為5.3~12.1 mg/L。在15±1oC和10±1oC水溫下,厭氧氨氧化濾池依然表現(xiàn)出很高的脫氮效能,平均總氮去除率分別為82.5%、73.0%。本研究考察了20±2oC水溫時厭氧氨氧化反應器脫氮效能的影響因素,結(jié)果表明當進水堿度≤350 mg/L時,堿度的變化對厭氧氨氧化菌活性的影響較大,在反應器穩(wěn)定運行時,控制進水堿度/氨氮比值≥1.2,可使反應器總氮去除率保持在80%以上。另外由于本研究厭氧氨氧化生物反應器進水中一直含有0.6~1.5 mg/L的溶解氧,在考察溶解氧濃度對反應器脫氮效能影響時,發(fā)現(xiàn)其對高濃度溶解氧有很強的抵抗能力,當進水溶解氧濃度≤3.0 mg/L時,反應器總氮去除率可以保持較高的水平。本研究對不同運行溫度下的厭氧氨氧化反應器內(nèi)的微生物群落特征進行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在進水基質(zhì)不含有機碳源的情況下,反應器內(nèi)仍鑒定出了大量不同的菌屬。其中厭氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia屬和Candidatus Jettenia屬)、反硝化菌和硝化細菌共生于反應器,但AOB和NOB菌屬較為單一。同時檢測到相對比例較多的Dokdonella屬好氧異養(yǎng)菌和Gallionella屬好氧自養(yǎng)菌,它們的存在促進了生物膜微環(huán)境的穩(wěn)定,這也是常溫低溶解氧低氨氮基質(zhì)進水的厭氧氨氧化濾柱穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。在較低運行溫度(15±1oC)時,厭氧氨氧化菌的活性有所降低,但是反應器內(nèi)Denitratisoma屬反硝化菌在脫氮過程中發(fā)揮了重要作用,使得厭氧氨氧化濾柱在15±1oC甚至10±1oC也有很好的脫氮效能�；谝陨涎芯拷Y(jié)果,本研究利用高負荷生物濾池處理實際生活污水獲得低COD、高氨氮的二級出水,再依次通入CSTR亞硝化反應器和厭氧氨氧化濾柱中進行生活污水脫氮試驗。結(jié)果表明高負荷生物濾池出水中的COD對亞硝化反應器的效能影響較小,亞硝化反應器出水中的溶解氧對厭氧氨氧化反應器的脫氮效能幾乎沒有影響,亞硝化反應器可以為后續(xù)厭氧氨氧化反應器持續(xù)提供適宜的基質(zhì),實現(xiàn)了生活污水中C、N的經(jīng)濟高效去除。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文Nitrosomonas）的厭氧氨氧化速率只有 ANAMMOX 菌的 1/25。另外，，研究還發(fā)現(xiàn) 反 硝 化 菌 中 的 自 養(yǎng) 微 球 菌 （ Micrococcus denitrificans ） 和 脫 氮 副 球 菌（Paracoccus denitrificans）[97]能夠利用氫氣作為電子供體將硝態(tài)氮還原為氮氣。1.4.3 厭氧氨氧化菌種群與特性研究目前已在多種環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化菌的存在[98-103]。而在厭氧氨氧化菌的分離純化方面，由于厭氧氨氧化菌的增殖速率非常慢（倍增時間為 11 d）[41]，常規(guī)的細菌分離培養(yǎng)方法難以獲得該類細菌的純種，1999 年 Strous 等[104]利用Percoll 密度梯度離心技術(shù)，從 Candidatus Brocadia Anammoxidans 的混培物中提取出了 99.5%以上的純種厭氧氨氧化菌，為后續(xù)的分子生物學和細胞學研究奠定了基礎(chǔ)。目前鑒定并給出名稱的厭氧氨氧化菌包括 5 個不同屬的 9 個種[105,106]（表 1- 3），歸入浮霉狀菌門（Planctomycetes）布羅卡地科（Brocadiaceae）。浮霉菌門的主要分類[107]如圖 1- 2。

胞壁；Cytoplasmic membrane：細胞質(zhì)膜；Paryphoplasm：PP 質(zhì)；Intracyto細胞內(nèi)質(zhì)膜；Riboplasm：核糖質(zhì)；Nucleoid：細胞類核；Anammoxosome me體膜；Anammoxosome：厭氧氨氧化體；標尺：200 nm圖 1- 3 厭氧氨氧化菌細胞的超微結(jié)構(gòu)圖[112]Fig. 1- 3 Ultrastructure of ANAMMOX bacterial cell[112]來源、目的、意義及主要研究內(nèi)容題來源題由城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室開放基金項目（08UW體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07201007）支持。究目的與意義來，全國水體污染雖得到了一定程度的遏制，但是湖泊（水庫）仍然突出，水體中的氮素污染已嚴重威脅到我們賴以生存的生態(tài)有效的生物脫氮技術(shù)對于解決全國水體氮污染意義重大。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：X703


本文編號：2677751