折流板自养脱氮反应器的快速启动及影响因素研究

摘要

随着人们生活水平的改善和工农业的持续发展，排放到废水中的氮素持续增加。如何减少氮元素的排放和对水体环境的危害已经成为当今研究者高度关注的问题。
　　自然界中存在着氮素的天然循环，脱氮现象广泛存在于生物圈中。传统的生物脱氮工艺需要大量曝气、额外投加有机碳源和碱度，投资和运行费用高昂，能耗高和效率低下已经越来越不能适应社会发展的需求。近年来以短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、亚硝化-厌氧氨氧化等为代表的新型的生物脱氮工艺应运而生。厌氧氨氧化工艺为其中的典型代表，其机理是在厌氧条件下，化能自养型微生物（厌氧氨氧化菌）以CO2或HCO3-为碳源，直接以NH4+为电子供体，以NO3-或NO2-为电子受体，将NH4+、NO3-或NO2-转变成N2的生物氧化过程。与传统生物脱氮工艺相比厌氧氨氧化工艺具有耗氧少、无需外加碳源、运行费用低等优点。
　　厌氧氨氧化菌生长缓慢，产率系数很低，厌氧氨氧化反应器的启动问题一直制约着该工艺应用于城市污水处理。并且厌氧氨氧化反应需要以亚硝态氮作为电子受体，需要有半亚硝酸化工艺与之匹配，适宜的反应器类型及组合也是该工艺推广研究的重点。
　　本课题采用生物量高、固液分离效果好的折流板生物膜反应器为装置，成功启动了厌氧氨氧化反应，并研究了稳定运行时反应器沿程氮元素的去除规律及影响因素。并在此基础上通过DO的优化控制成功实现了自养脱氮一体化。
　　研究主要分为两个阶段进行。第一阶段为折流板生物膜厌氧氨氧化反应器的快速启动及影响因素研究。主要研究结果如下:
　　(1)启动及运行效能。在人工配水条件下，控制进水NH4+-N及NO2--N浓度30～45mg/L、水温（30±2）℃、DO＜0.3mg/L、pH值7.6～8.0。经过85天的连续培养，成功启动折流板生物滤池厌氧氨氧化反应器。在稳定阶段，NH4+-N和NO2--N的去除率均达到了95％以上，稳定运行时的去除的容积负荷氨氮120mg/(L·d)和亚硝氮160mg/(L·d)。NH4+-N、NO2--N的去除和NO3--N的生成比例为1∶(1.20～1.37)∶(0.10～0.19)与理论值接近。出水达到国家一级A标准(NH4+=5mg/L，TN=15mg/L)
　　(2)影响因素。折流板生物膜厌氧氨氧化反应器启动成功后，研究了温度、pH值、COD对厌氧氨氧化反应的影响。结果显示:
　　①反应器的最适温度为30～40℃，在此温度区域内NH4+-N和NO2--N的去除率可达到95％以上，当温度较低于18℃，总氮的去除率较低，NH4+-N和NO2--N去除率仅有57％和65％，当温度高于42℃时，厌氧氨氧化的活性受到了严重的抑制，NH4+-N和NO2--N去除率仅有50％和55％。
　　②最适pH范围为7.1～8.5，pH＜6.5或pH＞8.5时脱氮效果明显下降，尤其pH＜6.0或pH＞9.5脱氮效果低于70％。
　　③COD浓小于160mg/L时有机物对厌氧氨氧化细菌没有影响，但当COD浓度大于200mg/L时就会对厌氧氨氧化反应产生明显抑制。
　　第二阶段:在成功启动并稳定运行折流板生物膜厌氧氨氧化反应器的基础上，通过DO优化，前两格室的DO为4.5mg/L，第三格室为DO在0.8～1.0mg/L，后三个格室DO为0.3mg/L，经过90天驯化成功实现了自养脱氮一体化。主要研究结果如下:
　　控制HRT为6小时，温度为（30±2）℃，pH7.6～8.2，NH4+-N进水浓度开始阶段14mg/L，并稳步提升至35mg/L。启动成功后NH4+-N、TN的平均去除率分别达到95％和85％，脱氮效果明显，反应器氮负荷最高达到140mg/(L·d)。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 国际和国内水资源现状

1．1．2 水体中氮元素的来源和危害

1．1．3 水体污染物中氮排放标准

1．2 生物脱氮处理技术

1．2．1 脱氮的传统工艺

1．2．2 新型的生物脱氮工艺

1．3 厌氧氨氧化工艺(ANAMMOX)的发展

1．3．1 厌氧氨氧化的发现和深层次反应原理

1．3．2 厌氧氨氧化细菌的形态分析

1．3．3 反应器的启动以及菌群的富集增值

1．3．4 厌氧氨氧化(ANAMMOX)的现状及未来的展望

1．4 本试验课题的研究内容

1．5 试验研究的创新点

1．6 试验研究的现实意义

第二章 试验材料和方法

2．1 试验用水与试验装置

2．1．1 试验用水及控制条件

2．1．2 试验装置

2．2 试验接种污泥和试验方案

2．2．1 试验污泥

2．2．2 试验方案

2．3 主要仪器和分析检测方法

2．3．1 主要试验仪器

2．3．2 主要分析项目与检测方法

第三章 折流板厌氧氨氧化反应器的启动及运行效能研究

3．1 试验装置

3．2 试验用水

3．3 试验方案

3．4 结果与讨论

3．4．1 厌氧氨氧化反应器的启动

3．4．2 启动过程中厌氧氨氧化生物膜形态的变化

3．5 稳定运行期反应器沿程氮元素降解规律

3．6 稳定运行期反应器沿程DO变化规律

3．7 稳定运行期反应器沿程pH变化规律

3．8 本章小结

第四章 折流板生物膜厌氧氨氧化反应器的影响因素研究

4．1 温度对厌氧氨氧化脱氮性能影响

4．2 pH值对厌氧氨氧化脱氮性能影响

4．3 不同COD浓度对厌氧氨氧化的影响

4．4 本章小结

第五章 折流板生物膜反应器自养脱氮一体化的快速启动

5．1 装置流程图

5．2 试验配水

5．3 接种污泥

5．4 试验方法

5．5 亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器的启动

5．6 稳定运行期间反应器沿程DO的变化规律

5．7 反应器启动过程中细菌形态的变化

5．8 自养脱氮一体化反应器沿程氮元素的去除规律研究

5．9 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 实验结论

6．2 试验成功后的建议

参考文献

致谢

声明