【摘要】：經(jīng)濟高效的單級自養(yǎng)脫氮是新型脫氮技術(shù)的代表之一,并已在側(cè)流脫氮處理中實現(xiàn)工程應(yīng)用,而如何將其應(yīng)用于量大面廣的生活污水的主流脫氮處理是現(xiàn)今的研究熱點。其瓶頸問題之一是低進水氨氮濃度時單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中硝酸鹽氮極易過量積累。特別指出,在主流自養(yǎng)脫氮研究領(lǐng)域,低氨氮特指生活污水范圍的氨氮濃度(約30-90mg/L)。此外,顆粒污泥是實現(xiàn)單極自養(yǎng)脫氮的理想污泥形態(tài),但不易培養(yǎng)�；诖�,本課題研究了單級自養(yǎng)脫氮顆粒污泥的穩(wěn)定培養(yǎng),考察了影響單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)穩(wěn)定運行的進水氨氮濃度閾值,并探索了硝酸鹽過量積累的控制和恢復(fù)策略,以期為單級自養(yǎng)脫氮顆粒污泥系統(tǒng)應(yīng)用于生活污水的脫氮處理提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的培養(yǎng)就是富集好氧氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌(Anammox菌)這兩類功能菌群,同時抑制硝化細(xì)菌(NOB)這類干擾菌群的過程。本文采用微曝氣升流式流化床反應(yīng)器(Microaerobic Upflow Fluidized Bed:MUFB),固定進水氨氮濃度為280mg/L,基于曝氣量調(diào)控、進水NO2--N濃度調(diào)控、氮負(fù)荷調(diào)控,在100天內(nèi)成功將厭氧氨氧化顆粒污泥培養(yǎng)為單級自養(yǎng)脫氮顆粒污泥,為勻質(zhì)灰紅色顆粒�；趩渭壸责B(yǎng)脫氮系統(tǒng)的兩個理論化學(xué)計量比可以評估其脫氮潛力:ΔTN/ΔNH4+代表TN(總氮)去除量與NH4+-N去除量的比值,理論值為0.88;ΔNO3-/ΔNH4+代表NO3--N生成量與NH4+-N去除量的比值,理論值為0.11。本文的這兩個實際化學(xué)計量比值與理論值相近,表明反應(yīng)器中單級自養(yǎng)脫氮過程占絕對優(yōu)勢。脫氮效能較高,氨氮去除率和TN去除率分別達到99%和88%,容積去除負(fù)荷(NRR)高達2.3g N/L/d。從微生物群落結(jié)構(gòu)來看,在培養(yǎng)前后,Brocadia、Nitrosomonas europaea、Nitrospira、Rhodocycales的豐度分別在Anammox菌、AOB、NOB、反硝化菌(DNB)中占優(yōu)。NOB的活性和豐度在培養(yǎng)過程中都被有效抑制,其中基于低溶氧和高p H引起的高游離氨(FA-N)濃度是抑制NOB的關(guān)鍵因素。基于以上單級自養(yǎng)脫氮顆粒污泥系統(tǒng),在無曝氣條件下,通過逐級降低進水氨氮濃度(280、140、70mg/L)以探索脫氮效能惡化的進水氨氮濃度閾值(設(shè)定為ΔNO3-/ΔNH4+達到0.20時的進水氨氮濃度)。在高進水氨氮濃度(280mg/L和140mg/L)時,反應(yīng)器取得相似的較好的自養(yǎng)脫氮效果,氨氮去除率大于94%,TN去除率為83%,而且ΔTN/ΔNH4+和ΔNO3-/ΔNH4+分別為0.87和0.11,系統(tǒng)中自養(yǎng)脫氮過程占絕對優(yōu)勢地位;而在低進水氨氮濃度(70mg/L)時,硝酸鹽過量積累,自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)出現(xiàn)惡化,氨氮去除率降至91%,TN去除率降至71%,ΔNO3-/ΔNH4+上升至0.20,最終NRR為0.44g N/L/d。隨著進水氨氮濃度的下降并達到時閾值,自養(yǎng)脫氮功能菌Brocadia-Anammox菌、Nitrosomonas-AOB、DNB的相對豐度都有下降,而自養(yǎng)脫氮的干擾菌群Nitrospira-NOB的相對豐度有較大的增長,這種群落結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致自養(yǎng)脫氮效果惡化。因此,在33℃、無外加有機碳源時,70mg/L NH4+-N為影響單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行的進水氨氮濃度閾值�；诼�(lián)氨(N_2H_4)強化和高基質(zhì)濃度對NOB的抑制作用,本文考察了在低進水氨氮濃度下,單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的硝酸鹽過量積累的控制策略。發(fā)現(xiàn)在進水NH4+-N為70mg/L,投加5mg/L N_2H_4能夠明顯降低出水NO3--N濃度,提高ΔTN/ΔNH4+比值,使得ΔNO3-/ΔNH4+從0.20降至0.12,說明N_2H_4對低氨氮單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)具有明顯的強化作用。但是N_2H_4對NOB抑制作用可逆,需要連續(xù)不間斷投加才能有效發(fā)揮其強化作用,長期投加無不良影響。其強化機理為,投加N_2H_4后,Anammox潛在活性提高20%,AOB潛在活性不受影響,NOB潛在活性下降40%,從而整體強化自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)。進一步降低進水NH4+-N低至42mg/L時(即3m M,代表我國大部分地區(qū)的進水氨氮濃度水平),長期投加5mg/L N_2H_4會引起嚴(yán)重的亞硝酸鹽積累(ΔNO2-/ΔNH4+約為0.6),導(dǎo)致單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)崩潰。針對硝酸鹽積累嚴(yán)重的單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng),本文提出了基于限氧和高基質(zhì)濃度抑制的脫氮效能恢復(fù)策略。在低溶解氧濃度下,通過額外投加Na NO2,在保證95%去除率的前提下持續(xù)提高進水NH4+-N和NO2--N濃度至420mg/L并持續(xù)作用一周,可使得自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的ΔNO3-/ΔNH4+從0.30下降至0.12,讓自養(yǎng)脫氮過程在系統(tǒng)中重新占優(yōu)。其恢復(fù)機理為通過高FA-N濃度(420mg/L)和低溶氧濃度(0.13mg/L)對NOB活性的抑制作用,同時刺激Anammox菌的生長且不抑制AOB生長,從而原位強化并恢復(fù)單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)。
【圖文】：

本研究的目的是實現(xiàn)單級自養(yǎng)脫氮顆粒污泥的快速穩(wěn)定的培養(yǎng)，并提出培養(yǎng)調(diào)控策略；基于單級自養(yǎng)脫氮顆粒污泥，來探索進水氨氮濃度對單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的影響，以考察其高效穩(wěn)定運行的進水氨氮濃度閾值及效能惡化的菌群結(jié)構(gòu)變化規(guī)律；針對在低進水氨氮濃度時單級自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中硝酸鹽容易過量積累的問題，研究長期穩(wěn)定控制 NOB 的有效策略，以及 NOB 過量增殖導(dǎo)致自養(yǎng)脫氮效能惡化的的原位恢復(fù)策略。本研究為單級自養(yǎng)脫氮工藝應(yīng)用于低氨氮濃度的生活污水的脫氮處理提供規(guī)律性和理論性的指導(dǎo)和技術(shù)上的支持，為主流自養(yǎng)脫氮早日實現(xiàn)提供推動作用。1.3 自然界主要脫氮途徑氮元素是地球上所有生命體都需要的一種大量元素，主要用于蛋白質(zhì)和DNA 的合成，也是植物光合作用葉綠素的主要組成元素，同時可以以不同的價態(tài)化合物參與到某些能量代謝過程中。同時，它也是日益增長的主要環(huán)境污染因子之一。要想深入理解氮污染的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，有效的控制和防治氮素污染的發(fā)生，首先必須充分了解自然界氮循環(huán)的基本特征。

第 1 章 緒 論B 菌群集中分布 β-Proteobacteria 綱下的兩個分類屬：Nitrosomona菌屬）和 Nitrosospira（亞硝化螺菌屬，包括以前的 Nitrosolovibrio），其它少數(shù)海洋或是半咸水環(huán)境中的 AOB 在 γ-Proteobac形成的一個譜系分枝，即 Nitrosococcus（亞硝化球菌屬），歸于科。其中，Nitrosomonas、Nitrosospira 和 Nitrosococcus 都是污水屬[7]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X703

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本文編號：2623320