强化厌氧循环反应器+曝气生物滤池处理生活污水的研究

摘要

已有研究表明，强化循环厌氧反应器(strengthen circulation anaerobic reactor,SCAR)能够稳定处理生活污水，并可以获得良好处理效果。本课题使用自主设计SCAR反应器与上流式曝气生物滤池(biological aerated filter ,BAF)联用工艺处理生活污水，研究SCAR反应器中的污泥特性和污染物代谢特征，考察不同回流比(R)和曝气条件对生物滤池运行效果的影响，讨论生物滤池对有机污染物和氮去除，并通过扫描电镜(SEM)、酶活、高通量测序等手段，分析不同工艺条件对生物滤池中微生物特性和种群结构的影响。 本实验主要研究结果如下： （1）厌氧反应器与曝气生物滤池的联用系统，在启动后对于COD与氨氮去除效果能有较快提升，在30天后均有较好的的去除效率。COD与氨氮两项指标出水中含量分别在40 mg·L-1与8 mg·L-1左右，但无回流情况下，系统脱氮效果不理想。 （2）随着实验的持续运行，SCAR反应器运行状况愈加稳定，出水COD浓度逐渐从150 mg·L-1降至110 mg·L-1，VFAs从60.2 mg·L-1逐渐降至2.7 mg·L-1，反应器出水COD浓度逐渐降低，VFAs量也逐渐减少。厌氧反应器主反应区颗粒污泥粒径和污泥浓度(MLSS)均有所减小，分别从实验开始时以大于2mm为主降至0.6~2mm范围内、从48.5g·L-1减少至39.9g·L-1，但是SCAR反应器运行效果逐渐向好，SCAR反应器在低负荷条件下可以做到稳定运行。而SCAR反应器出水COD浓度逐渐降低，对后续生物滤池生物脱氮作用带来负面影响。 （3）回流比对系统的生物滤池运行效果影响明显。在无回流条件下生物滤池对污染物的去除效果较差；当回流比R在200%~400%时，生物滤池对COD、氨氮与TN去除率均在75%、90%、65%左右。但是当回流比降至100%，COD与TN去除率分别降至53.5%与41.8%。证明较大的回流比有利于硝态氮回流至生物滤池底部，而底部较高的有机物浓度提供反硝化作用必需的氮源。实验条件下，回流比R=200%可以作为生物滤池的重要控制条件，此时滤速为0.226m·h-1。 （4）一定的气水比变化范围内，曝气量对于生物滤池去除COD的影响较小，但是对硝化、反硝化的影响明显。实验条件下，当气水比降至2:1时，硝化与反硝化效果都出现大幅下降，气水比在3:1以上时，氨氮硝化率可达90%以上。气水比=3:1时去除单位TN消耗的COD量最少，适宜的曝气量使得反硝化过程能够更多地控制在短程硝化-反硝化段。 （5）曝气生物滤池微生物量在滤池底部最多，滤池顶部微生物数量与微生物活性都有明显下降。不同工况条件下滤池底部主要以为拟杆菌(Bacteroidetes)与变形杆菌(Proteobacteria)为主，而滤池中上部微生物在气水比=4:1时也依旧是拟杆菌(Bacteroidetes)与变形杆菌(Proteobacteria)数量最大，但是气水比=3:1工况下则以拟杆菌(Bacteroidetes)与硝化螺菌(Nitrospirae)丰度最多。从菌属丰度分布来看，气水比=4:1时，滤池菌属分布较为单一，底部数量较多的为黄杆菌属(Flavobacterium)与同属黄杆菌纲的Cloacibacterium属，之后为希瓦氏菌属(Shewanella)、气单胞菌属(Aeromonas)、热单胞菌属(Thermomonas)等菌属，而在滤池中部与顶部，硝化螺菌属(Nitrospira)也有存在。当气水比=3:1时，菌属类型较为丰富，底部主要有丝硫细菌属(Thiothrix)、黄杆菌属(Flavobacterium)与丛毛单胞菌属(Comamonadaceae)、红杆菌属(Rhodobacteraceae)等，滤池中部含量较多的有硝化螺菌属(Nitrospira)，之后为假单胞菌属(Pseudomonas)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)等，顶部前两位则为硝化螺菌属(Nitrospira)与亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)。

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