微生物电化学系统强化废水生物脱氮的工艺研究

摘要

传统生物脱氮工艺在富营养化废水处理中发挥了重要作用。然而，脱氮过程需要投加甲醇等电子供体以及补充碱度。SANI工艺以硫元素作为生物脱氮过程中电子传递的介体，利用异养型硫酸盐还原细菌和硫自养型反硝化细菌较好地解决了上述两个问题。但是，SANI工艺的正常运行要求废水S/N比在1.6以上，受限于高浓度硫化物对微生物的毒害作用以及前置厌氧工艺产生恶臭等因素，该工艺目前只适用于低浓度氨氮废水的处理。本文通过将生物电化学系统(BES)与SANI工艺耦合，将微生物电解池(MEC)和电化学活性反硝化细菌引入SANI工艺，以实现BES-SANI耦合工艺对高浓度氨氮废水的处理。
　　本文构建了BES-SANI耦合生物脱氮体系，并对回流比、废水pH、外加电压等关键操作条件进行了优化。研究结果表明:在TOC为600 mg/L，NH4+-N为214.6 mg/L的条件下，确定在回流比3∶1，pH8.0，外加电压0.3 V的最优条件下，BES-SANI耦合体系的脱氮速率为46.5g m-3 day-1，比SANI工艺(31.4g m-3 day-1)高48.1％，证明BES耦合SANI工艺能显著提高废水的脱氮效率。
　　通过改变废水的硫酸盐含量，对BES-SANI耦合生物脱氮体系在不同S/N配比条件下的运行状况进行了分析。研究结果表明:在TOC为600 mg/L、NH4+-N为214.6 mg/L、外加电压为0.3 V的条件下，当S/N为SANI工艺的理论值时，TN去除率约为41.0％，体系剩余污泥产量得到有效控制;当S/N为SANI工艺的0.6倍时，TN去除率约为43.9％，体系剩余污泥产量略有增加;当S/N为SANI工艺的0.3倍时，TN去除率约为56.8％，但反硝化过程中的污泥大量蓄积。由此说明:BES的阴极电极可以替代部分S2-成为反硝化过程的电子供体，提高脱氮效率的同时，降低SANI工艺SO42-的投加量。
　　通过对BES-SANI耦合体系脱氮机理的探讨，表明:在高浓度氨氮废水的处理过程中，当S/N≈1.5时，脱氮主要依靠以硫为电子介体的自养反硝化作用，但过高的硫浓度会对微生物造成毒害，限制脱氮效率的提高;当S/N≈1时，脱氮主要依靠以硫和电极为电子介体的自养反硝化作用，SANI工艺中因为硫的减少而缺失的电子介体通过BES中的电极得到补偿;当S/N≈0.5时，脱氮主要依靠以有机碳源为电子供体的异养反硝化作用，抑制了SANI工艺中自养型反硝化细菌的脱氮作用。
　　综上所述，在BES的辅助下，可将SANI工艺拓展应用到高浓度氨氮废水的处理中去。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 氨氮废水的主要来源及危害

1．1．2 氨氮废水的处理方法

1．2 生物脱氮的方法

1．2．1 A／O法

1．2．2 SANI工艺

1．3 微生物电化学脱氮的方法

1．3．1 BES脱氮的研究现状

1．3．2 BES脱氮的影响因素

1．4 生物脱氮存在的问题及研究思路

1．4．1 存在的问题

1．4．2 研究思路

1．5 研究目标、研究内容及技术路线

1．5．2 主要研究内容

1．5．3 技术路线

2 实验装置与分析测试方法

2．1 实验试剂与材料

2．1．1 实验试剂

2．1．2 贮备溶液

2．1．3 实验材料

2．2 实验仪器

2．3 实验装置及流程

2．4 分析方法

2．4．1 含氮化合物的检测

2．4．2 总有机碳的检测

2．4．3 含硫化合物的检测

2．4．4 溶解氧的检测

2．4．5 MLSS与MLVSS的检测

2．4．6 电化学数据的检测

3 BES-SANI耦合体系的构建与运行

3．1 引言

3．2 微生物培养与驯化

3．2．1 硫酸盐还原菌的培养与驯化

3．2．2 反硝化细菌的培养与驯化

3．2．3 硝化细菌的培养与驯化

3．3 耦合体系的构建与运行

3．4 结果与讨论

3．4．1 厌氧阳极室的运行情况

3．4．2 缺氧阴极室的运行情况

3．4．3 好氧硝化室的运行情况

3．5 本章小结

4 BES-SANI耦合体系的运行参数优化

4．1 引言

4．2 不同回流比对氨氮废水处理效果的影响

4．2．1 不同回流比对脱氮效果的影响

4．2．2 不同回流比对脱碳效果的影响

4．3 不同进料pH对氨氮废水处理效果的影响

4．3．1 不同pH对脱氮效果的影响

4．3．2 不同pH对脱碳效果的影响

4．3．3 各反应室出水pH对比

4．4 不同外加电压对氨氮废水处理效果的影响

4．4．1 不同外加电压对脱氮效果的影响

4．4．2 不同外加电压对电极电势的影响

4．4．3 不同外加电压对体系电流的影响

4．5 MEC-SANI与其他生物脱氨工艺的对比

4．6 本章小结

5 BES-SANI耦合体系的脱氮机理

5．1 引言

5．2 耦合体系SANI部分机理分析

5．3 耦合体系微生物电化学部分机理分析

5．4 体系溶氧分析

5．5 污泥减量化分析

5．6 无生物对照体系的构建

5．7 本章小结

6 结论与建议

6．1 主要结论

6．2 存在的问题与建议

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果