海洋厌氧氨氧化菌处理含海水污水的脱氮特性及其动力学研究

摘要

海洋Anammox作为Anammox的一个分支，自从被发现以来备受关注，利用海洋Anammox具有较高的耐盐性，对于高盐废水的处理有着良好的优势和前景。本文研究分析了海洋Anammox反应器处理含海水污水的脱氮特性及其动力学特性，取得以下结果：
　　采用厌氧序批式生物反应器（ASBR）反应器，研究了不同温度对海洋Anammox菌处理含海水污水脱氮效能的影响，并利用修正的Logistic模型模拟不同温度下海洋Anammox菌的动力学特性。结果表明，在25～35℃之间，温度对反应器的脱氮效能影响不大，总氮去除率（TNRE）基本保持在(82±2)%，总氮容积负荷去除速率（TNRR）稳定在(0.62±0.01)kg·(m3·d)-1；在20℃时，TNRE从起初的59%经过13天上升到79%，说明在此温度下，海洋Anammox菌仍然具有较强的脱氮能力，反应器在较低温处理含海水污水具有较好的发挥潜能；然而当温度降到15℃和10℃时，反应器的脱氮效能受到明显的抑制，TNRE分别下降至(40±8)%和(11±4)%，TNRR也下降至(0.30±0.04)kg·(m3·d)-1和(0.08±0.03)kg·(m3·d)-1。根据Arrhenius方程得到，在25～35℃时，海洋Anammox反应的活化能为26kJ·mol-1，在10～25℃时，海洋Anammox反应的活化能为76kJ·mol-1。此外，通过Logistic模型对海洋Anammox脱氮进行动力学分析，得到不同温度下NRE和出水总氮浓度(ceff)的预测公式，相关系数R2在0.9668～0.9957之间。
　　采用ASBR反应器，研究了pH冲击对海洋Anammox菌处理含海水污水脱氮效能的影响，并利用Andrew模型和Ratkowsky模型模拟pH冲击下海洋Anammox菌的脱氮过程。结果表明，当pH在7～8时，反应器的脱氮效果最佳，氨氮去除负荷（NRR）稳定在(0.30±0.04)kg·(m3·d)-1，总氮去除率（TNRE）在(76.73±5.74)%;当pH为8.5时，游离氨（FA）的平均浓度为14.22mg·L-1，该FA浓度对NRR的影响较小，NRR仍维持在(0.30±0.02)kg·(m3·d)-1左右，但是NO2--N在pH的直接影响下出现了积累，不能够完全去除，此条件不利于反应器的稳定运行；当pH为6.5和9时，FA浓度分别为0.22mg·L-1和37.84mg·L-1，NRR分别低至(0.10±0.02)kg·(m3·d)-1和(0.15±0.02)kg·(m3·d)-1，且 TNRE仅为(23.04±9.88)%和(42.12±5.52)%。海洋Anammox菌在碱性条件下的耐受性强于酸性条件。采用修正的Andrew模型进行拟合，得到了NRR与FA之间的相互关系，同时还可以得到NRRmax、ks和kI等参数，对于表征海洋厌氧氨氧化菌的脱氮过程具有实际意义。
　　采用ASBR反应器通过改变单一基质浓度分别研究了NH4+-N和NO2--N浓度对海洋厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响及其动力学特性。结果表明，保持进水NO2--N为105.6mg·L-1，当进水NH4+-N浓度提高至1200mg·L-1时，海洋厌氧氨氧化反应器仍保持较好的脱氮能力，未受到明显的抑制作用，NO2--N的去除率稳定在80.70%左右；当进水NO2--N浓度提高至265.6mg·L-1时，反应器开始受到明显的抑制作用，NH4+-N的去除率下降至63.01%左右，随着进水NO2--N浓度继续提高至305.6mg·L-1时，NH4+-N的去除率进一步下降至43.93%左右。利用Haldane模型和Aiba模型拟合NH4+-N和NO2--N抑制作用的动力学特性，得到了NRRmax、Ks、Ki三个动力学参数及出水基质浓度与总氮容积负荷（TNRR）之间的关系，根据进一步分析可知，Haldane模型更适合描述NH4+-N抑制作用下的动力学特性，Aiba模型更适合描述NO2--N抑制作用下的动力学特性，并得到NH4+-N和NO2--N的出水抑制浓度分别为3898.625mg·L-1和287.208mg·L-1，为海洋厌氧氨氧化菌处理含海水污水提供了理论依据。

目录

第一章 绪论

1.1 废水生物脱氮工艺

1.2 厌氧氨氧化工艺

1.3 海洋Anammox简介

1.4 本课题的研究意义及内容

第二章 温度对海洋厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响

2.1 试验材料

2.2 温度对海洋厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响

2.3 温度对海洋厌氧氨氧化反应脱氮过程的影响

2.4 不同温度下海洋厌氧氨氧化反应的动力学特性

2.5 本章小结

第三章 pH冲击对海洋Anammox菌处理含海水污水脱氮效能的影响

3.1 试验材料与方法

3.2 pH冲击对海洋厌氧氨氧化脱氮效能的影响

3.3 pH冲击条件下周期内海洋厌氧氨氧化反应器的脱氮过程

3.4 pH冲击条件下海洋厌氧氨氧化反应器脱氮的动力学特性

3.5 本章小结

第四章 海洋Anammox菌处理含海水污水的基质抑制及其动力学

4.1 试验材料与方法

4.2 基质NH4+-N对海洋厌氧氨氧化菌脱氮性能的影响

4.3 基质NO2--N对海洋厌氧氨氧化菌脱氮性能的影响

4.4 基质NH4+-N和NO2--N的抑制动力学特性

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 不足与展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢

声明