全程自养脱氮(CANON)反应器的启动及其脱氮性能

摘要

采用传统的生物脱氮工艺处理高氨氮废水时，往往面临碳源不足的问题，影响脱氮的效率与成本。全程自养脱氮( Completely Autotrophic Nitrogenremoval Over Nitrite, CANON)工艺具有无需碳源、节省曝气量、降低污泥产量、减少温室气体排放量等一系列优点，但仍然存在启动时间缓慢、短程硝化难以稳定等难题。为在上述难点问题上有所突破，采用四组反应器研究了CANON工艺启动及其脱氮性能。其中，反应器Ⅰ采用普通活性污泥启动，反应器Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在反应器Ⅰ启动成功后，接种其污泥启动。
　　 反应器Ⅰ通过人工配置无有机碳源的高氨氮废水(NH4+-N浓度约400mg·L-1)，控制温度35℃±1℃，pH在7.39～8.01条件下，以海绵为填料，在始终维持曝气的条件下，经过业硝化阶段和厌氧氨氧化阶段，运行210d后成功启动CANON工艺，TN去除负荷达到1.22kg/(m3.d)，TN去除率达到80％。启动成功后，反应器能够保持长期稳定，最大TN去除负荷可达到2.32kg/(m3·d),TN去除率可达到80％。试验发现：CANON工艺启动成功及短程硝化维持稳定的标志是：反应前后有明显的TN损失，⊿NO3--N/⊿TN相对稳定，且维持在0.127左右。反应器Ⅱ以改性乙烯为填料，通过接种CANON污泥启动CANON工艺。在常温、厌氧条件下，历经300d启动厌氧氨氧化，脱氮效果不明显，TN去除负荷仅为0.12kg/(m3·d)；后提高温度至30℃运行约30d后，厌氧氨氧化效果明显提高，TN去除负荷达到0.23kg/(m3·d)；转为好氧约30d状态后，处理人工配置无有机碳源的高氨氮废水(NH4+-N浓度约400mg·L-1），TN去除率达到77.61％，TN去除负荷达到1.01kg/(m3·d)，完成CANON工艺的启动。启动过程中发现，适量氧气的存在不仅不会抑制Anammox菌，而且还会加速CANON工艺的启动。
　　 反应器Ⅲ以海绵为填料，通过接种CANON污泥，温度为20～30℃，直接在好氧条件下启动，约50d后，处理人工配置无有机碳源的高氨氮废水(NH4+-N浓度约400mg·L-1),TN去除率达到73.67％，TN去除负荷可以达到1.56kg/(m3·d)，完成了CANON工艺的启动。
　　 反应器Ⅳ以火山岩为填料，通过接种少量CANON污泥，温度为20～30℃条件下，经过137d启动厌氧氨氧化，TN去除负荷达到0.87kg/(m3·d)，转为好氧状态后，经历约20d后，在进水NH4+-N浓度约为400mg·L-1情况下，TN去除率达到67.03％，TN去除负荷达到1.53kg/(m3·d)，成功启动CANON工艺。随着反应器Ⅳ的继续运行，在20℃条件下，TN去除负荷最高可达到2kg/(m3·d)，当调低进水负荷时，最高TN去除率达到85.50％，相应TN去除负荷为1.17kg/(m3·d)。
　　 试验通过SBBR反应器研究了温度对CANON工艺的影响，发现采用SBBR反应器在30℃～35℃稳定运行条件下，处理人工配置无有机碳源的高氨氮废水（NH4+-N浓度约400mg·L-1），TN去除率可达到88.3％,TN去除负荷达到0.52kg/(m3·d)，且pH值先降低后升高的拐点与DO突跃的拐点均可作为反应结束的指示参数。受低温冲击时，Anammox菌与AOB相比，前者更容易受到影响。但通过反应器Ⅲ长期在低于30℃温度下运行，发现Anammox菌能够逐渐适应较低的温度，且借助于Anammox菌与NOB对NO2--N的竞争，协同游离氨的抑制选择作用，可扩展短程硝化的温度应用范围至20℃～35℃。
　　 试验研究了曝气量对CANON工艺的影响，发现曝气量的大小与CANON工艺的脱氮效率密切相关。对CANON反应器而言，存在极限曝气量。曝气量小于极限曝气量时，提高曝气量有利于CANON反应器的TN去除率；曝气量超过极限曝气量时，提高曝气量不利于CANON反应器TN去除率的提高。以海绵为填料时，超过极限曝气量，TN去除效果能够维持稳定，而以改性乙烯为填料时，则会导致TN去除效果的严重恶化。
　　 针对小同水质，试验分别研究了不同浓度的NH4+-N、NO2--N与COD对CANON工艺的影响，试验发现：(1)提高NH4+-N与NO2--N浓度均有利于TN去除量增加，但当二者在反应器中的浓度超过50mg·L-1时，继续提高没有明显效果。(2)当NH4+-N约为400mg·L-1,COD浓度不足100mg·L-1，不会造成对CANON工艺的破坏，但COD浓度超过100mg·L-1时，会恶化CANON工艺。
　　 试验结合4组反应器在长期运行条件下的稳定性，认为两种海绵填料与火山岩填料均是CANON工艺的合适填料，改性乙烯为填料不适宜作CANON工艺的填料。
　　 最后，试验得出Anammox菌性质如下：厌氧氨氧化试验时消耗的NH4+-N、NO2--N及产生的NO3--N的比例为1:1.36:0.22；在30℃下活性最高，NO2--N对其抑制浓度处于200～280mg.L-1；PO43--P浓度不超过90mg·L-1时不会对其构成抑制，当高DO抑制其活性后，降低DO可快速恢复厌氧氨氧化活性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1. 研究背景

1.1.1． 高氨氮废水的来源

1.1.2． 高氨氮废水的危害

1.2． 传统处理高氨氮废水的方法

1.2.1． 吹脱法

1.2.2． 生物法

1.3． 生物脱氮中氮的转化

1.3.1． 氨化反应

1.3.2． 硝化反应

1.3.3． 反硝化反应

1.3.4． 厌氧氨氧化反应

1.4． 生物脱氮的路径

1.4.1． 路径Ⅰ

1.4.2． 路径Ⅱ

1.4.3． 路径Ⅲ

1.5. 一体式自养脱氮工艺的研究进展

1.5.1． 厌氧氨氧化的研究现状

1.5.2． 短程硝化的研究现状

1.5.3. CANON工艺的研究现状

1.6. 研究意义

1.7. 主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1. 试验装置

2.1.1． 反应器Ⅰ

2.1.2． 反应器Ⅱ

2.1.3． 反应器Ⅲ

2.1.4． 反应器Ⅳ

2.2． 试验用水

2.3. 分析项目与检测方法

第3章 好氧条件下CANON工艺的初次启动

3.1. 启动方法

3.2. 启动过程

3.2.1． 部分亚硝酸化启动阶段

3.2.2． 厌氧氨氧化启动阶段

3.3. Anammox菌的确认

3.4. 本章小结

第4章 接种CANON污泥启动CANON工艺

4.1. 反应器Ⅱ的启动

4.1.1． 启动方法

4.1.2． 启动过程

4.2． 反应器Ⅲ的启动

4.2.1． 启动方法

4.2.2． 启动过程

4.2.3． 反应器Ⅲ中基质的分布规律

4.3. 反应器Ⅳ的启动

4.3.1． 启动方法

4.3.2． 启动过程

4.3.3． 厌氧阶段反应器Ⅳ中基质的分布规律

4.4． 分析与讨论

4.5. 本章小结

第5章 温度对CANON工艺的影响

5.1. 温度对于CANON工艺的冲击试验

5.1.1． 材料与方法

5.1.2. SBBR反应器中的基质变化规律

5.2. 低温下CANON工艺的的长期适应性

5.2.1. △NO3-N/△TN比评价短程硝化

5.2.2． 通过OUR法评价短程硝化

5.3. 长期运行对于低温冲击的适应性

5.4. 分析与讨论

5.5. 本章小结

第6章 曝气量变化对于CANON反应器的影响

6.1. 曝气量变化对反应器Ⅰ的影响

6.2. 曝气量变化对反应器Ⅱ的影响

6.3. 过量曝气对CANON工艺的影响

6.4. 本章小结

第7章 水质条件对CANON工艺的影响

7.1. 氨浓度的影响

7.2. 亚硝酸盐的影响

7.2.1． 亚硝酸盐抑制浓度的确定

7.2.2. NO2--N浓度的影响

7.3. 磷酸盐的影响

7.4. 有机物对于CANON工艺的影响

7.4.1. COD浓度≤100mg·L-1

7.4.2. COD浓度＞100mg·L-1

7.5. 本章小结

第8章 CANON工艺的运行稳定性

8.1. 反应器Ⅰ的运行稳定性

8.1.1． 高氨氮运行期的稳定性

8.1.2． 温度冲击对运行稳定性的影响

8.1.3． 低氨氮运行的稳定性

8.2． 反应器Ⅱ的运行稳定性

8.3. 反应器Ⅲ的运行稳定性

8.4. 反应器Ⅳ的运行稳定性

8.5. 本章小结

第9章 结论与建议

9.1. 结论

9.2. 建议

9.3. 创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢