包埋固定化生物反应器中亚硝化过程的研究

摘要

氨氮是水体中的主要耗氧污染物，也是水体富营养化和环境污染的一种重要污染物质，高浓度氨氮还严重威胁中水中生物及人类的身体健康，是重要的水污染控制指标之一。
　　现有的氨氮废水的处理方法中，生物法由于具有处理效果稳定，操作简单，适用范围广，不产生二次污染且比较经济等优点而被广泛采用。其中亚硝化过程由于具有节省曝气与投碱量，节省能源和产泥量以及紧凑高效、基建费用低和脱氮效率高等优点，同时作为亚硝化-反硝化工艺、亚硝化-厌氧氨氧化工艺等实现的关键步骤，正逐渐成为生物脱氮工艺领域的研究与应用热点。亚硝化过程实现及维持的主要影响因素包括温度、pH、溶解氧、游离氨、有机质和污泥龄等。
　　本文以人工模拟配水为进水，以水性聚氨酯化包埋的活性污泥为研究对象，探讨了固定化包埋颗粒在好氧流化床反应器中的亚硝化过程的实现途径，分析了影响反应器亚硝化过程的运行参数，并通过扫描电子显微镜及分子生物学手段，从微生物层面对反应器的亚硝化过程的实现及持续情况进行了微观解释。作为亚硝化出水的后续处理，厌氧氨氧化脱氮处理工艺也在本研究中进行了初步尝试。
　　本实验的主要研究内容包括以下几个方面：
　　（1）对通过快速提高进水NH4+-N浓度实现好氧流化床反应器亚硝化过程的可能性进行了探索；
　　（2）探讨了进水NH4+-N浓度、温度、溶解氧及有机物对好氧流化床反应器中已实现的亚硝化过程的影响，同时摸索反应器亚硝化过程实现及稳定运行的最佳操作参数；
　　（3）通过总结对比文献中其他硝化过程工艺的氨氧化反应速率及活化能，分析采用固定化包埋颗粒及好氧流化床反应器进行短程硝化过程的优势；
　　（4）启动并运行二级串联反应器，探讨高效反应器运行及灵活控制的实现；
　　（5）通过扫描电子显微镜（SEM）对实现亚硝化过程的固定化包埋颗粒微生物的形态进行观测，并通过分子生物学手段对比短程硝化过程与全程硝化过程的固定化包埋颗粒的微生物群落结构，从微生物层面探讨并解释固定化包埋颗粒在好氧流化床反应器中实现亚硝化的可能原因。
　　通过以上研究，得到以下结论：
　　（1）添加活性炭粒的固定化包埋颗粒较未添加活性炭粒的颗粒，在同样的运行条件下具有更快的反应速率和更高的颗粒去除率，平均硝化速率为34.66mg-N/L·h，最大颗粒去除率为698.2 mg/（L-pellet·h）；同时较文献中活性污泥法及生物膜法的硝化过程具有较低的反应活化能，为42.2 kJ/mol。
　　（2）通过快速提高进水NH4+-N浓度可实现好氧流化床反应器的亚硝化过程；DO、T等的变化对NO2--N盐积累率的影响不大，反应器最适的运行条件为：pH：7.5～8.5，DO为3～5 mg/L，温度控制在24～29 ℃之间，通过控制反应器的HRT，可实现反应器的优化操作；有机物对亚硝化过程影响较大，本研究的反应器适用于含少量或不含有机物的废水。进水有机物浓度为800 mg-TOC/L时，硝化反应依然能够进行，经过约8小时，氨氮全部转化为硝酸氮。
　　经过一段时间的搁置后，反应器可恢复高于90％的NO2--N积累率。
　　（3）二级串联反应器在HRT约为8 h进水氨氮浓度约为300 mg/L时，经二级串联反应器出水浓度约为30 mg/L，整个体系的颗粒最大去除负荷为680 mg/（L-pellet·h）。通过调节HRT可实现硝化反应的灵活控制。
　　（4）固定化颗粒的微生物学分析
　　SEM照片显示，实现亚硝化的好氧流化床反应器中固定化包埋颗粒表面的微生物为表面粗糙的短杆状，长度约为0.5μm，微生物排布紧密。
　　对比两种不同硝化类型反应器的DGGE图谱发现，两反应器中均存在大量硝酸菌种群，优势的微生物很多且相似性较高。两反应器中氨氧化菌经较短的驯化时间后就已形成稳定的生物群落结构；不同条件下运行，甚至经过一段时间的搁置，颗粒中微生物仍可保持较高的浓度，群落结构无明显变化；对优势种群DNA片段测序结果建立系统发育树，得两种不同类型的硝化反应器中的氨氧化菌均为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）。
　　对亚硝酸盐氧化菌的PCR产物进行DGGE分析发现在操作工艺参数相似的条件下，反应器内微生物种复杂程度取决于进水底物的多样性；分析优势种群DNA片段测序结果建立的系统发育树，亚硝酸盐氧化菌以Nitrobacter Sp.属为主。对比两种不同类型的硝化反应器中的亚硝酸盐氧化菌种属发现全程硝化反应器中具有亚硝化反应器中所不具备的Nitrobacter Sp.219和Nitrobacter Sp.263。

目录

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英文摘要

目录

第一章 综述

1.1 水中氨氮的危害

1.2 国内外处理氨氮废水技术方法

第二章 课题的研究目的、技术路线及研究意义

2.1 研究背景及意义

2.2 研究内容

2. 3课题的技术路线

第三章 固定化包埋菌亚硝化过程的实现及影响因素的探讨

3.1 阶段实验目的

3.2 实验材料及装置

3.3 颗粒驯化和稳定运行

3.4 亚硝化过程的影响因素

3.5 二级反应器运行情况

3.6本章小结

第四章 固定化包埋颗粒中的微生物

4.1 研究目的

4.2 方法与材料

4.3 固定化包埋颗粒微生物的形态特征

4.4 固定化颗粒生物群落结构特征

4.5 本章小结

第五章 厌氧氨氧化反应器运行

5.1 研究目的

5.2 方法与材料

5.3 固定化包埋颗粒ANAMMOX反应器的运行

5.4 活性污泥ANAMMOX反应器的运行

5.5 本章小结

第六章．结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 下阶段展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

上海交通大学学位论文答辩决议书

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