上流式厌氧污泥床反应器厌氧氨氧化工艺脱氮运行研究

摘要

水体的氮素污染对人类的生存环境造成了巨大危害,氨氮是水体氮素污染的首恶,己成为人们关注的焦点。厌氧氨氧化技术是一项具有广阔应用前景的新型生物脱氮技术,具有很高的开发价值。但是,要将这项生物脱氮技术推向应用,必须深入研究厌氧氨氧化反应过程中的控制运行条件、工艺参数、稳定性以及影响因素等问题。 接种城市污水处理厂浓缩污泥和垃圾填埋场处理渗滤液的污泥分别成功启动并运行5套UASB厌氧氨氧化反应器、UASB-生物膜反应器,对各个实验阶段的效果进行比较和分析,研究正常条件下的废水中,pH、温度、基质等对厌氧氨氧化反应过程的影响程度并确定最佳控制范围。对温度对比试验及有机物协同作用进行了研究,补充了该工艺在温度控制及有机物影响方面的不足,为今后厌氧氨氧化工艺在常温环境及含有机污染物氨氮污水方面的应用奠定了基础。 (1)UASB厌氧氨氧化反应器、UASB-生物膜反应器稳定运行阶段对合成废水处理效果理想,NH_4~+-N、NO_2--N去除率均达到99.9％,总氮去除率保持在90％以上的高水平,反应器内ANAMMOX菌群驯化富集情况良好,ANAMMOX菌群具有极强的活性,抗基质浓度及容积负荷冲击能力强,反应器稳定性能优异,具有极强的适应能力及自我修复能力。ANAMMOX反应活性提高期,反应器对ANAMMOX菌的驯化和富集已基本结束,但运行仍然很不稳定,容易受到冲击。容积负荷对反应器的影响在反应器活性提高期表现较为明显,该阶段反应器内ANAMMOX菌群处在一个快速生长及驯化期,稳定性较差,容易受到冲击,容积负荷的剧烈波动,将不利于ANAMMOX菌的富集。当反应器进入稳定运行阶段,低负荷运行容积负荷的影响则较小。UASB-生物膜反应器在ANAMMOX菌的驯化、富集方面更具有优势,反应器内ANAMMOX菌群具有更强烈的敏感性及良好的活性,受冲击后恢复迅速,脱氮性能整体优于普通UASB反应器。 (2)低负荷阶段NH_4~+-N和NO_2--N去除率均在99.9％以上,出水NH_4~+-N、NO_2--N含量接近于零。中、高浓度负荷阶段NH_4~+-N去除率降低较NO_2--N明显,分别为85.0～92.0％、97.0～99.0％,总氮去除率在85.0％附近波动。当NH_4~+-N、NO_2--N以及TN浓度负荷分别提升至0.239 kg/(m3·d)、0.315 kg/(m3·d)、0.554 kg(m3·d)时,氮素去除率下降明显,反应器总体性能较差,此时反应器已达到满负荷阶段。UASB-生物膜厌氧氨氧化反应器不仅适用于处理低浓度含氮废水,也可用于中、高浓度氮素废水处理。 (3)UASB厌氧氨氧化反应器、UASB-生物膜反应器内厌氧氨氧化反应NO2--N与NH4+-N比率σ=[1.0,1.5]区间内厌氧氨氧化菌活性最佳,反应器对总氮去除效果理想。经长期驯化、运行的ANAMMOX菌群成熟度较高,适应性、耐冲击能力均较强,能够适应基质NO2--N与NH4+-N比率及浓度急剧变化的环境,并保持较好的处理效果。NO2--N与NH4+-N比率σ是ANAMMOX工艺的限制性因素,NO2--N与NH4+-N比率失调,抑制ANAMMOX菌群活性,过高的NO2--N含量将对ANAMMOX菌群具有毒害作用。反应器内基质NH4+-N消耗量:NO2--N消耗量:NO3-N产生量=1:1.0～1.5:0.15～0.26。 (4)UASB厌氧氨氧化反应器、UASB-生物膜反应器最佳pn值为8.5,pH值在8.0～8.8之间时,反应器内ANAMMOX菌群具有较高活性。当出水pH值介于8.0～8.3时,常常是反应器运行状况变好或变坏的分界点。在试验过程中,可以通过观察出水pH值变化来掌握反应器总体运行情况及反应器内ANAMMOX菌去除NH4+-N、NO2--N以及TN的效果。TN去除率与出水pH值变化在一定范围内存在正相关关系,出水pH值曲线随着反应器TN去除率曲线的波动而变化,pH值可作为反应器运行的控制参数。极低pH值对ANAMMOX反应过程产生抑制作用。 (5)溶解氧对ANAMMOX菌群的毒害作用是致命的。偌大量氧气进入反应器主反应区,反应器内ANAMMOX菌群将受到强烈的毒害作用,反应器失去厌氧氨氧化脱氮能力。另一方面,厌氧氨氧化反应器内通常存在一定数量的好氧氨氧化菌,进水中的氧在污泥床区的好氧区被消耗,从而为厌氧氨氧化过程消除了溶解氧的毒害作用。试验中并没有对合成废水所含溶解氧(DO)进行控制,进水中的溶解氧在2.7～3.2mg/L之间,进水中的溶解氧并未对厌氧氨氧化过程产生明显的影响。因此,在厌氧氨氧化过程中无需对配水中的溶解氧进行控制。 (6)低温对UASB厌氧氨氧化反应器、UASB-生物膜反应器具有抑制作用。低温试验表明,在14～34℃之间,ANAMMOX菌群均保持较高的活性,在此温度下ANAMMOX反应保持较好脱氮效果。温度在30～34℃是,ANAMMOX菌群活性最佳。常温下,ANAMMOX反应能以较高速率进行,ANAMMOX菌群均能保持较高的活性。该试验研究为ANAMMOX反应的工程应用提供了有益的借鉴及有效的控制参数。 (7)反应器在运行阶段发生了以硝氮为电子受体将氨氮、硝氮氧化成氮气的反应。反应器系统内存在反硝化菌,反硝化菌通过细胞物质的自身氧化即内源代谢产物作为碳源进行反硝化反应,反硝化将有机碳转变为CO2,可为厌氧氨氧化提供碳源,从而有利于厌氧氨氧化的进行；厌氧氨氧化产生的NO3-可被反硝化菌利用。以上两种反应的发生使得出水硝氮含量远远低于理论含量,大大改善了出水水质。这对废水深度处理具有极其重要的作用。 (8)试验进水中加入了一定量的有机物(葡萄糖),模拟反硝化反应器的运行,配水氨氮、亚硝氮浓度分别为240.0mg/L、316.8mg/L,CODCr控制在330.0～380.0mg/L之间,反应器对有机CODCr去除率达到90.0％以上。在总氮浓度负荷达到0.390 kg/(m3·d)、有机COD浓度负荷0.260 kg/(m3·d)的条件下,添加葡萄糖为有机物对ANAMMOX反应器的运行性能影响不大,短期内(约23d)能够在同一反应器系统中成功实现厌氧氨氧化与反硝化脱氮的协同作用。这将极大拓展了ANAMMOX工艺在市政污水、含氮工业废水等领域的应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1水体中氮素污染与控制

1.1.1水体中氮素污染来源及其危害

1.1.2水体中氮素污染控制技术

1.2生物脱氮技术与工艺

1.2.1生物脱氮原理

1.2.2生物脱氮工艺

1.3厌氧氨氧化脱氮技术研究进展

1.3.1厌氧氨氧化反应起源

1.3.2厌氧氨氧化菌的生理生化特征

1.3.3影响厌氧氨氧化的因素

1.3.4厌氧氨氧化反应器的启动及运行

1.4本论文研究的目的意义与主要内容

1.4.1研究的目的意义

1.4.2研究内容

1.4.3创新点

第二章试验材料与研究方法

2.1试验装置与流程

2.1.1试验仪器设备

2.1.2接种污泥

2.1.3试验配水

2.2分析测试方法

2.2.1测试方法

2.2.2分析方法

2.2.3测试仪器及药品

第三章UASB厌氧氨氧化反应器的运行研究

3.1 UASB反应器的运行

3.1.1接种城市污泥厌氧氨氧化反应器的运行

3.1.2接种垃圾填埋场渗滤液污泥厌氧氨氧化反应器的运行

3.1.3小结

3.2 UASB-生物膜反应器的运行

3.2.1反应器的运行情况

3.2.2 ANAMMOX反应过程中的三氮比

3.2.3 pH变化

3.2.4影响ANAMMOX反应器稳定运行的因素

3.2.5UASB-生物膜反应器与UASB反应器性能对比

3.2.6小结

3.3本章小结

第四章温度对比试验及有机物协同作用研究

4.1温度对比试验

4.1.1研究现状及目的意义

4.1.2反应器运行情况

4.1.3 ANAMMOX反应过程中的三氮比

4.1.4 pH变化

4.1.5低温的影响

4.1.6小结

4.2有机物协同作用试验

4.2.1研究现状及目的意义

4.2.2反应器运行情况

4.2.3添加葡萄糖为有机碳源的试验

4.2.4小结

4.3本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢