SBBR同步好氧氧化、短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化工艺处理高氨低C/N比废水研究

摘要

高氨低碳氮比（C/N）废水由于氨氮浓度高、碳氮比不足，传统生物脱氮工艺脱氮除碳效率严重受限，导致出水TN超标，其高效处理已成为国内外水处理领域研究的热点和难点，因此开发基于高氨低C/N比废水的新型脱氮除碳工艺具有重要意义。序批式生物膜反应器（SBBR）结合了SBR及生物膜法的优点，被广泛应用于高氨低C/N比废水的处理。然而对于SBBR处理高氨低C/N比废水的脱氮新工艺与机理研究很少。本研究以聚氨酯（PU）海绵为填料，采用SBBR反应器处理高氨低C/N比模拟废水，开发了一种单级同步好氧氧化、短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化脱氮除碳新工艺，实现氨氮、总氮和COD同步高效去除，并探索同步脱氮除碳工艺机制，为高氨低C/N比废水高效处理的工艺设计与技术应用提供理论基础。本研究取得的主要结论如下：
　　（1）实验连续运行140个反应周期，考察不同运行阶段R1-R4下PU-SBBR系统对高氨低C/N比废水的脱氮除碳效能。结果表明：R1阶段由于HRT长，氨氮负荷低，PU-SBBR系统以全程硝化反硝化方式完成对高氨低C/N比废水中氨氮及COD的去除，此时NH4+-N平均去除率98.7％，COD平均去除率89.5%，TN平均去除率39%，亚硝酸盐累积率小于5%；R2阶段随着氨氮负荷及曝气量的增加，亚硝酸盐累积率提高至92%，COD去除率、氨氮去除率及总氮去除率分别为93%、98%以及65%。在R2阶段实现短程硝化反硝化的基础上，C/N比控制到3，DO维持在1.3 mg/L，R3阶段生物膜呈现明显的淡红色，此时氨氮最高去除率为90.7%，亚硝酸盐累积率为87.5%，COD去除率为94%，总氮最高去除率进一步提高至85.6%。氮、碳平衡及化学计量学结果表明：短程硝化反硝化及厌氧氨氧化分别占TN去除的53.6%及41.2%，71.9%的COD通过好氧氧化作用去除，其余COD通过反硝化去除，表明系统出现了好氧氧化-短程硝化-反硝化与厌氧氨氧化的同步耦合；当进一步提高曝气量，R4阶段厌氧氨氧化作用明显减弱，氨氮及总氮去除率分别从最高90.7%及85.6%降低至79%及74%。同步好氧氧化、短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化脱氮工艺实现的最佳工艺参数为：C/N比为3，进水氨氮负荷为0.188 kg/(m3 d)，COD负荷为0.563 kg/(m3 d)，曝气量为200 mL/min，DO为1.3 mg/L。
　　（2）PU海绵填料具有较高孔隙率及比表面积，填料表面粗糙度Rq达41.31nm，填料结构中含有羟基、胺基及亚胺基等活性基团，有利于填料表面微生物的附着与生长。通过外观及SEM观察发现：R1-R4阶段填料表面生物膜颜色依次为浅黄色、黄褐色、浅红色及黄褐色。在TN去除率最高的R3阶段生物膜结构密实，微生物相主要以球菌、丝状菌为主。三维荧光光谱及傅里叶变换红外光谱分析发现，较高的色氨酸蛋白类物质及适量的腐殖酸类物质的存在有助于促进好氧氧化-短程硝化-反硝化与厌氧氨氧化耦合作用的实现。氧微电极测试结果表明：在最佳DO浓度1.3 mg/L下，生物膜内部厌氧微区比例达到58.1%。过高和过低的溶解氧均不利于系统有效厌氧微环境的形成及同步好氧氧化-短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化的发生；生物膜结构内部或松散或紧凑并存在着孤立及与外界贯穿的空洞，有利于促进生物膜内的传氧传质。氧传质动力学研究表明生物膜内氧传质系数为3.3×10-5 m2/d。
　　（3）高通量测序结果显示：变形菌门（Proteobacteria）及β-变形菌纲（β-Proteobacteria）是PU-SBBR系统处理高氨低C/N比废水中的优势菌门及优势菌纲。氨氧化菌（AOB）及亚硝酸盐氧化菌（NOB）之间及在各阶段占细菌总数的相对丰度与系统处理效能关系密切。亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）及硝化螺菌属（Nitrospira）分别是AOB及NOB的优势菌属。在R3阶段检测到大量厌氧氨氧化菌科Brocadiaceae厌氧氨氧化菌属Candidatus Anammoxoglobus的存在，证明系统在R3阶段发生了厌氧氨氧化反应，而该菌属在R4阶段丰度明显减弱。R1-R4四阶段系统内共检测到反硝化菌种类28个，占细菌总数的百分比均在30%以上。其中Thauera、Comamonas、Thermomonas、Azospira、Dechloromonas是反硝化菌群的优势菌属。RDA分析结果表明进水氨氮负荷及C/N比是不同阶段系统内菌群结构演替及系统好氧氧化-短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化实现的重要驱动因子。
　　（4） PU-SBBR系统中氨氮及 TN去除较好地符合改进型Stover-Kincannon模型；而COD降解更好地符合莫诺接触氧化动力学模型。根据最优模型结果，氨氮的最高去除速率为10.2459 kg/(m3 d)，TN最高去除速率为0.1345 kg/(m3 d)，填料单位面积对COD最高去除速率为0.0084 g/(m2 d)，系统体现出对高氨低C/N比废水较高的去除潜力。
　　（5）通过工艺控制与优化，高氨低C/N比废水在PU-SBBR单级系统中实现了好氧氧化、短程硝化、反硝化与厌氧氨氧化的同步耦合，可以达到对COD、NH4+-N及TN的同步高效去除，该工艺突破了基于ANAMMOX工艺对C/N比大于1.5的高氨低碳废水的处理瓶颈，进一步提高了废水的同步脱氮除碳效能，具有广阔的应用前景。

目录

声明

第一章 前 言

1.1 高氨低C/N比废水来源、特性及危害

1.2 生物脱氮工艺

1.3 序批式生物膜反应器研究进展

1.4 研究目的与内容

第二章 材料与方法

2.1 实验材料

2.2 分析方法

第三章 SBBR处理高氨低C/N比废水效能研究

3.1 系统挂膜启动特性

3.2 系统稳定运行效果

3.3 本章小结

第四章 SBBR处理高氨低C/N比废水微环境特性

4.1 聚氨酯海绵填料特性

4.2 生物膜形貌及微生物相分析

4.3 生物膜胞外聚合物分析

4.4 生物膜氧微电极分析

4.5 本章小结

第五章 SBBR处理高氨低C/N比废水微生物群落特征

5.1 不同阶段微生物种类丰度及多样性

5.2 不同阶段微生物群落差异性分析

5.3 不同阶段微生物群落在高分类水平结构分析

5.4 不同阶段菌属分析

5.5 环境因子对微生物群落结构影响关系

5.6本章小结

第六章 SBBR处理高氨低C/N比废水生化反应动力学

6.1 反应动力学模型的建立

6.2 NH4+-N去除动力学分析

6.3 TN去除动力学分析

6.4 COD去除动力学分析

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间研究成果