好氧厭氧氨氧化耦合顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮機理與模擬優(yōu)化.pdf

1、好氧氨氧化與厭氧氨氧化耦合顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮與傳統(tǒng)的硝化反硝化過程相比可以減少60％以上的O2消耗并且不消耗COD，能大幅減少廢水生物脫氮過程的能量消耗和CO2排放量。論文通過EGSB連續(xù)運行試驗、SBR反應器間歇實驗和分子生物學測試，以及完全自營養(yǎng)脫氮動力學模型研究與模擬優(yōu)化等方法，研究好氧厭氧氨氧化耦合顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮機理，優(yōu)化顆粒污泥生物反應器的運行條件，研究添加微量NO2條件下限制DO曝氣方法強化生物反應器完全自營養(yǎng)脫

2、氮特性等，論文得到如下主要研究結果：
　　①在EGSB反應器中接種厭氧顆粒污泥，采用間歇進水、間歇出水方式運行210天，成功啟動了厭氧氨氧化反應器。在總氮容積負荷為0.11 kg/（m3·d）下，氨氮去除效率達75%，亞硝酸鹽氮去除效率達85%，污泥顏色由原來的黑色漸漸變?yōu)樽厣?，形成新的厭氧氨氧化污泥顆粒粒徑較小。氨氮、亞硝酸鹽氮去除量和硝酸鹽氮生成量的比例為1:1.1:0.18。在對厭氧氨氧化過程電子流分析基礎上，建立了厭氧氨氧

3、化細胞產率系數(shù)與NH4+、NO2-去除量和NO3-生成量之間的計量學關系，估算得厭氧氨氧化菌產率系數(shù)為0.080mol CH2O0.5N0.15/mol NH4+。
　?、谕ㄟ^SBR反應器間歇實驗，研究了基質濃度、pH值和溫度對厭氧氨氧化活性的影響。結果表明可用Andrews方程描述氨氮和亞硝酸鹽氮濃度對厭氧氨氧化動力學特性的影響，動力學分析表明理論最大氨氧化速率369.94 mg/（gMLSS·d）、氨氮半飽和系數(shù)值30.39m

4、g/L、亞硝酸鹽氮半飽和系數(shù)值25.54mg/L、氨氨抑制常數(shù)為148.44mg/L、亞硝酸鹽對厭氧氨氧化的抑制常數(shù)為90.64 mg/L。當氨濃度為67.12 mg/L、亞硝酸鹽氮濃度為48.11mg/L，表觀最大厭氧氨氧化速率達93.53mg/（gMLSS·d）。pH值是影響厭氧氨氧化活性的重要因素，pH過高或過低都不利于細菌生長和反應進行，本研究中厭氧氨氧化菌的最適pH為8.04。20℃~30℃條件下，厭氧氨氧化反應速率與溫度的關

5、系可用修正的Arrhenius方程描述。
　　③使用電解質呼吸儀測定間歇實驗中好氧氨氧化過程的累積耗氧量和耗氧速率，通過Mann-Kendell趨勢檢驗方法確定好氧氨氧化菌進入內源呼吸的時刻以及內源呼吸過程中耗氧速率，計算氨氮氧化的耗氧量?；诤醚醢毖趸^程中合成代謝和能量代謝耦合，測得好氧氨氧化污泥產率系數(shù)為0.199mgCOD/mg NH4+-N。
　?、茉?EGSB反應器中同時接種好氧氨氧化污泥和厭氧氨氧化污泥進行完全

6、自營養(yǎng)脫氮顆粒污泥的培養(yǎng)，pH控制在7.6～8.0，DO控制在0.6～0.8 mg/L，上升流速為4.2m/h。反應器經(jīng)過120多天的運行，NH4+-N去除效率達75%，總氮去除效率為52%，總氮去除速率達0.101 kg/（m3·d），顆粒污泥粒徑主要分布在0.5~1.0mm。
　　⑤在 SBR間歇實驗中，DO一定的條件下完全自營養(yǎng)脫氮速率在一定范圍內隨NH4+-N濃度而提高，NH4+-N濃度為150mg/L時未發(fā)現(xiàn)對完全自營養(yǎng)

7、脫氮活性的顯著抑制。DO對完全自營養(yǎng)脫氮過程的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：過高的DO會抑制厭氧氨氧化活性，提高亞硝酸鹽氧化速率，導致NO2-和NO3-在反應器內積累，降低總氮去除效率；DO過低時，好氧氨氧化過程中 NO2-生成速率較低，限制了厭氧氨氧化速率的提高，總氮去除速率較低，但反應器內NO2-和NO3-積累較少，總氮去除效率較高。
　?、尢崛∥勰嘀屑毦侱NA并純化，以好氧氨氧化菌AmoA基因為進化指標設計特異性引物AMo-F/

8、AMo-R，對好氧氨氧化菌AmoA基因部分序列進行PCR擴增，擴增片段克隆到 pMD19-T載體并測序，測得序列的系統(tǒng)發(fā)育分析表明污泥中的好氧氨氧化菌主要是亞硝化單胞菌屬，與 Nitrosomonas europaea具有95％～98％的同源性。根據(jù)厭氧氨氧化菌的16SrDNA序列中的特異序列片斷設計特異引物Anammox1/Anammox2，對厭氧氨氧化菌16SrDNA進行PCR擴增。擴增產物連接到pMD19-T載體，將載體轉化到感受

9、態(tài)細胞大腸桿菌JM109中，并對其16SrDNA基因進行測序。測序結果進行系統(tǒng)發(fā)育樹分析，表明富集得到的厭氧氨氧化菌與Candidatus Anammoxoglobus propionicus進化關系比較接近。
　?、呋谶吔鐚蛹僭O模擬顆粒污泥與主體液相間傳質過程，并將其與顆粒污泥內傳質過程以及好氧氨氧化菌、厭氧氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌生長過程、內源呼吸過程相耦合，建立顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮動力學模型。通過SBR反應器內間歇實驗對

10、模型進行驗證，模型模擬結果與實測結果有較好的一致性。對間歇反應過程中完全自營養(yǎng)脫氮過程模擬結果分析表明，在一定NH4+-N濃度下，通過合理控制DO，可使總氮去除效率和去除速率同時達到較好水平。
　　⑧基于顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮動力學模型對EGSB反應器操作條件進行優(yōu)化。結果表明較高的上升流速有利于提高EGSB的脫氮性能，當上升流速由1.1 m/h提高到4.9 m/h時，總氮去除速率提高約10.2％；合適的DO是提高總氮去除性能的關

11、鍵，通過優(yōu)化控制EGSB反應器內DO，總氮去除平均除率由52%提高到61%，平均去除速率由0.103 kg/（m3·d）提高到0.114 kg/（m3·d），與模型預測結果的誤差均小于10％。
　?、岵捎肧BR反應器間歇試驗方法，研究微量NO2氛圍下顆粒污泥完全自營養(yǎng)脫氮動力學特性。無O2時好氧氨氧化菌的NO2型氨氧化可用Andrews方程描述，最大氨氮降解速率為10.46 mg/（g?h），NO2半飽和系數(shù)和抑制數(shù)分別為2.09

12、 mmol/m3和10.62 mmol/m3。存在O2時，NO/NO2形成的NOx循環(huán)能強化好氧氨氧化過程，常規(guī)好氧氨氧化過程和NO2強化好氧氨氧化過程同時發(fā)生，動力學特性分析表明，最大強化系數(shù)40.85，NO2半飽和常數(shù)和抑制常數(shù)分別為1.32mmol/m3和7.11 mmol/m3。NO2對厭氧氨氧化過程的強化采用基礎速率系數(shù)修正的Andrews方程描述，最大強化系數(shù)43.5、NO2半飽和常數(shù)和抑制常數(shù)分別為16.9 mmol/m3

13、、0.348 mmol/m3，基礎速率系數(shù)0.024。好氧氨氧化和厭氧氨氧化耦合有利于減小NOx對于NO2型氨氧化過程的抑制。
　?、庠趯O2強化好氧、厭氧氨氧化動力學特性研究的基礎上，建立NO2強化完全自營養(yǎng)脫氮動力學模型，并對EGSB反應器內NO2強化完全自營養(yǎng)脫氮過程進行模擬，根據(jù)模擬結果優(yōu)化EGSB反應器操作運行模式，控制DO和NO2分別為0.5~0.8mg/L和2.7~3.3 mmol/m3，總氮去除效率由26.86%