我國水體富營養(yǎng)化問題依然嚴峻,脫氮除磷仍是污水處理的重點和難點之一。在傳統(tǒng)城市污水處理工藝中,脫氮和除磷均需有機物的參與,污水中碳源匱乏成為提高脫氮除磷效果的主要瓶頸。厭氧氨氧化是一種新型的生物脫氮技術(shù)。通過應用厭氧氨氧化,可實現(xiàn)城市污水的自養(yǎng)脫氮,從而解決了生物脫氮和除磷對碳源的競爭,有利于提高出水水質(zhì)。目前,城市污水厭氧氨氧化的可行性已得到初步驗證,但脫氮性能及穩(wěn)定性有待進一步提高。其中如何在持留厭氧氨氧化菌的同時有效抑制并淘洗競爭性細菌亞硝酸鹽氧化菌(NOB)是亟待解決的關(guān)鍵問題。根據(jù)厭氧氨氧化菌和硝化細菌生長特性的差異,本論文提出在同一系統(tǒng)中分別利用顆粒污泥(或生物膜)和絮體污泥來持留厭氧氨氧化菌和硝化細菌,從而解決NOB難以淘洗的難題。本論文分別提出了基于顆粒污泥-絮體污泥共存的序批式一段式厭氧氨氧化工藝和基于復合式生物膜-活性污泥反應器(IFAS)的連續(xù)流一段式厭氧氨氧化工藝,研究了這兩種工藝對城市污水的處理效能、微生物菌群變化、NOB抑制策略及低溫下系統(tǒng)穩(wěn)定性。最后在上述研究基礎(chǔ)上,進一步提出了強化生物除磷/一段式厭氧氨氧化組合工藝以實現(xiàn)城市污水的同步脫氮除磷,探究了組合工藝對實際城市污水的處理效能。在中試SBR反應器中利用高氨氮廢水富集培養(yǎng)厭氧氨氧化菌,發(fā)現(xiàn)一段式厭氧氨氧化中可以實現(xiàn)顆粒污泥和絮體污泥的長期共存。定量分析了自養(yǎng)脫氮功能菌在顆粒污泥和絮體污泥中的分布,結(jié)果表明厭氧氨氧化菌主要生長在顆粒污泥中,而氨氧化菌(AOB)則更傾向于生長在絮體污泥中。顆粒污泥-絮體污泥共存體系可以為厭氧氨氧化菌和硝化細菌提供不同的污泥齡。提出了基于顆粒污泥-絮體污泥共存體系的序批式一段式厭氧氨氧化工藝。在小試SBR反應器中研究了該工藝對城市污水的處理效能。反應器接種高氨氮一段式厭氧氨氧化反應器中的顆粒污泥和絮體污泥。城市污水經(jīng)預處理去除有機物后進入SBR反應器進一步脫氮。穩(wěn)定運行階段反應器脫氮性能良好,TN去除負荷為0.09kg N/(m3·d),TN去除率為79%。低氨氮條件下,厭氧氨氧化菌和AOB在顆粒污泥和絮體污泥中的分布規(guī)律未發(fā)生變化,但厭氧氨氧化菌菌群發(fā)生了變化,Brocadia逐漸被淘洗出系統(tǒng),而Kuenenia成為反應器內(nèi)優(yōu)勢的厭氧氨氧化菌。在小試SBR反應器中研究了一段式厭氧氨氧化系統(tǒng)中NOB的分布規(guī)律及控制策略。長期低氧運行條件下,反應器中NOB的優(yōu)勢菌屬為Nitrospira,主要生長在絮體污泥中。采用三種不同策略來降低反應器中的NOB活性及生物量,包括降低DO、生物強化、間歇曝氣。結(jié)果表明降低DO不能有效地抑制NOB的活性;降低絮體污泥齡可有效淘洗NOB,同時采用短程硝化污泥來強化系統(tǒng)中的AOB,可以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行;間歇曝氣(厭氧15min/好氧9min)可以選擇性抑制NOB的活性,但NOB的淘洗相對緩慢。在小試SBR反應器中研究了低溫對一段式厭氧氨氧化的影響。溫度逐漸由24°C降至12°C,反應器TN去除負荷下降近3倍,TN去除率由85.0%降至30.5%。低溫對厭氧氨氧化菌的影響更為顯著,當溫度降至18°C時反應器出水出現(xiàn)NO2-的積累,隨后導致NOB的過量增殖,使系統(tǒng)脫氮性能進一步惡化。低溫下反應器中厭氧氨氧化菌優(yōu)勢菌屬為Brocadia。提出了基于IFAS的連續(xù)流一段式厭氧氨氧化工藝。IFAS反應器以生物膜的形式富集和持留厭氧氨氧化菌,AOB則傾向于生長在氧傳質(zhì)阻力小的活性污泥中。城市污水經(jīng)預處理后進入IFAS反應器進一步脫氮。在進水TN和COD濃度分別為44.2和56.1mg/L的條件下,IFAS反應器實現(xiàn)了TN的高效去除。穩(wěn)定運行階段,平均出水NH4+-N和TN濃度分別為3.9和7.9mg/L,TN去除率高達82%,TN去除負荷為0.10kg N/(m3·d)。在上述研究基礎(chǔ)上,進一步提出了強化生物除磷/一段式厭氧氨氧化組合工藝,以實現(xiàn)城市污水中氮磷的同步去除。在SBR-SBBR串聯(lián)系統(tǒng)中研究了組合工藝對城市污水的處理效能。試驗結(jié)果表明,組合工藝對實際城市污水具有良好的處理效果,COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分別高達82%、90%、86%和95%。此外在強化生物除磷反應器中,通過縮短沉淀時間實現(xiàn)了污泥的顆�；�,平均粒徑為0.5mm,污泥中聚磷菌的相對豐度由2.3%增至15.5%,使得反應器處理效率大幅提高,水力停留時間由4.5h降至1.3h。對基于厭氧氨氧化的污水處理廠進行了碳平衡分析和能耗估算。結(jié)果表明通過應用強化生物除磷/一段式厭氧氨氧化組合工藝,城市污水中有機碳的流向發(fā)生變化,組合工藝可以將更多的有機物捕獲至強化生物除磷反應器的剩余污泥相中,而非氧化為CO2。通過節(jié)省有機物氧化需氧量和硝化需氧量,以及對剩余污泥進行厭氧消化產(chǎn)甲烷,可以提高污水處理廠的能源自給率。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文 污水中的 NH4+氧化為 NO3-；好氧區(qū)流出的泥水混合液部分回流至缺化脫氮，另一部分則進入二沉池進行泥水分離；經(jīng)泥水分離后，二沉剩余污泥一部分回流至厭氧區(qū)繼續(xù)厭氧釋磷同時保證反應池內(nèi)的污泥則以富磷剩余污泥的形式排放，達到生物除磷的目的。A2/O 工藝具有簡單、不易發(fā)生污泥膨脹、有利于磷回收等技術(shù)優(yōu)勢。

圖 1-3 厭氧氨氧化菌的代謝機理[17]Fig. 1-3 Mechanism pathway of anammox bacteriaO2-在亞硝酸鹽還原酶（NirS）的作用下吸收 1 個低能電子 NO 和 NH4+在聯(lián)氨合成酶（HZS）的作用下生成 N2H4，能電子，最后 N2H4在聯(lián)氨氧化還原酶（HZO）的作用下被放 4 個高能電子，這些高能電子用于能量轉(zhuǎn)化與產(chǎn)生質(zhì)子過電子傳遞鏈后的電子已經(jīng)失去了能量，就再次進入下一。這部分過程方程式為：NH4++NO2-→N2+2H2O (ΔGΘ=-297kJ/M) 氧氨氧化菌屬于自養(yǎng)菌，它可以固定環(huán)境中的無機碳來合成N0.15）。在碳固定過程中，NO2-作為 CO2還原的電子供體，（Nar）的作用下被氧化為 NO3-。方程式[18]為：H4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O

鹽存在的條件下，Candidatus Anammoxoglobus propionicus 比其它類型的厭氧氨氧化菌更能競爭底物 NO2-，因此在有丙酸鹽存在時 Candidatus Anammoxoglobuspropionicus 容易成為優(yōu)勢厭氧氨氧化菌。在有乙酸存在時 Candidatus Brocadiafulgida 更容易利用底物 NO2-，更容易與其它厭氧氨氧化菌競爭[21]。在分類學上，厭氧氨氧化屬于浮霉菌目的一個很深的分支[22, 23]。厭氧氨氧菌系統(tǒng)發(fā)育樹如圖 1-4 所示。目前已有 5 屬厭氧氨氧化菌被鑒定，分別為Candidatus Brocadia 、 Candidatus Kuenenia 、 Candidatus Jettenia 、 CandidatusScalindua 和 Candidatus Anammoxoglobus[24]。其中前三屬在淡水生態(tài)系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)中比較常見[25-27]，而 Candidatus Scalindua 則僅在海洋生態(tài)系統(tǒng)中被檢測到[28, 29]。盡管不同厭氧氨氧化菌在系統(tǒng)進化樹中距離較遠，但它們具有相似的厭氧氨氧化機理和細胞結(jié)構(gòu)。所有厭氧氨氧化菌都含有一種致密的，由低滲透性膜包裹的細胞器-厭氧氨氧化體（anammoxosome），被認為是厭氧氨氧化反應發(fā)生的場所[23]。此外，厭氧氨氧化菌中還含有一種獨特的階梯烷脂（Ladderanes），可以將 N2H4包裹在內(nèi)，降低其對細胞的毒害作用[23]。Ca. Scalindua marina (EF602038)
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