【摘要】： “可持續(xù)發(fā)展”和“節(jié)能減排”是當(dāng)今廢水處理技術(shù)研究與開發(fā)的指導(dǎo)思想和重要原則。論文通過實(shí)驗(yàn)室EGSB和BAF廢水處理反應(yīng)器及其耦合的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)、序批式反應(yīng)動力學(xué)試驗(yàn)和分子生物學(xué)測試與分析,配合進(jìn)行理論論證和模型研究,對厭氧氨氧化甲烷化反硝化的動力學(xué)規(guī)律、耦合機(jī)理及影響因素,O2和或微量NO_2下氨氧化菌的氨代謝特性及其動力學(xué),EGSB與限制氧曝氣BAF耦合處理廢水的技術(shù)特點(diǎn),進(jìn)行了深入和系統(tǒng)研究;以便為研究和開發(fā)集好氧氨氧化、厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化為一體的廢水生物處理新技術(shù),在高容積負(fù)荷速率下同時去除COD和氨組分的前提下節(jié)約能源和有機(jī)碳源,提供科學(xué)依據(jù),積累重要技術(shù)資料。論文得到如下主要研究結(jié)果: ①以好氧活性污泥和厭氧活性污泥接種于2個膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器中,進(jìn)水流量為10 mL/min,回流量為180 mL/min,進(jìn)水COD濃度在180 mg/L,有機(jī)負(fù)荷率(OLR)和污泥負(fù)荷率(SLR)分別為2.51 kgCOD/(m~3.d)和0.19 kgCOD/(kgMLSS.d),出水COD維持在約40 mg/L,COD去除率達(dá)80%以上�？刂茰囟仍�32～35℃,pH在6.8～7.2,反應(yīng)器內(nèi)氧化還原電位在-340 mV以下,水力停留時間(HRT)4.2 h,上升流速4.86 m/h以及加入80 mg/L絮凝劑(硫酸鋁鉀),進(jìn)而縮短了啟動時間,促進(jìn)了顆粒污泥的形成。分別經(jīng)過60 d和120 d運(yùn)行,反應(yīng)器啟動成功。試驗(yàn)結(jié)果表明,上升流速、絮凝劑和污泥類型對顆粒污泥的形成有明顯影響;接種好氧活性污泥在低濃度COD下,合理控制負(fù)荷率仍能成功啟動EGSB反應(yīng)器。 ②完成啟動的EGSB反應(yīng)器控制溫度在32℃～35℃、pH值在7.3～8.3、氧化還原電位在-40 mV～-150 mV,水力停留時間(HRT)和上升流速與啟動期相同,進(jìn)水中添加亞硝酸鹽和氨鹽組分,經(jīng)過240 d運(yùn)行,逐步耦合厭氧氨氧化甲烷化反硝化。EGSB1#和EGSB2#進(jìn)水有機(jī)容積負(fù)荷速率(OLR)分別為4.8 kgCOD/(m~3.d)和2.88 kgCOD/(m~3.d),污泥負(fù)荷速率(SLR)分別為0.55 kgCOD/(kgMLSS.d)和0.33 kgCOD/(kgMLSS.d),COD去除率分別達(dá)到85%和76%,氨氮去除率分別達(dá)到35%和20%,亞硝態(tài)氮去除率都達(dá)到99.9%,總氮去除率分別達(dá)到67%和59%。結(jié)果表明,pH、溫度、溶解氧、氧化還原電位、亞硝酸鹽和有機(jī)物COD對EGSB反應(yīng)器中厭氧氨氧化甲烷化反硝化的耦合和顆粒污泥的特性有影響。 ③用間歇式試驗(yàn)同時測定顆粒污泥的氨氮和亞硝態(tài)氮的消耗量,求得污泥厭氧氨氧化活性為9.84×10~(-4) mgNH+4-N/(mgMLSS.h)或者12.9×10~(-4) mgNO_2~--N/(mgMLSS.h);通過16S-rRNA的分子生物學(xué)基因序列測試,發(fā)現(xiàn)了一種新的厭氧氨氧化菌(anaerobic ammonium-oxidizing Planctomycete cquenviron-1)。 ④在間歇式試驗(yàn)反應(yīng)器中接種顆粒污泥,對厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化動力學(xué)特性進(jìn)行分別研究。求得厭氧氨氧化動力學(xué)參數(shù):最大氨氮反應(yīng)速率為6.65×10~(-3)(mg NH+4-N/(mgMLSS.h)),氨氮半飽和常數(shù)為87.1 mg/L,氨氮抑制常數(shù)為1123 mg/L;亞硝態(tài)氮半飽和常數(shù)為15.39 mg/L,亞硝態(tài)氮抑制常數(shù)為159.5 mg/L;甲烷化動力學(xué)參數(shù):最大比基質(zhì)降解速率為0.158(mgCOD/(mgVSS.h)),半飽和常數(shù)為464.27 mg/L,甲烷的產(chǎn)率系數(shù)為0.254 ml/mg;短程反硝化動力學(xué)參數(shù):最大反硝化速率為0.0069 mgNO_2~--N/(mgMLSS.h),亞硝酸鹽氮半飽和常數(shù)為2.26 mg/L,有機(jī)物半飽和常數(shù)為4.72 mg/L。三者耦合時厭氧氨氧化速率、甲烷化速率和反硝化速率比單獨(dú)研究時均減小。 ⑤采用間歇式試驗(yàn)方法,分別研究微量NO_2對厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化的影響。微量NO_2對厭氧氨氧化具有強(qiáng)化作用,保持厭氧氨氧化動力學(xué)參數(shù)值不變,基于Haldane模型建立了厭氧氨氧化的NO_2強(qiáng)化函數(shù),估計(jì)了強(qiáng)化函數(shù)中的最大強(qiáng)化系數(shù)( 48.79)、NO_2半飽和常數(shù)(2570 mg/m~3)、NO_2抑制常數(shù)(3.9 mg/m~3)和基礎(chǔ)速率系數(shù)(0.0188)。微量NO_2對甲烷化和反硝化的影響可用反競爭性抑制動力學(xué)方程進(jìn)行描述;甲烷化的最大比乙酸鹽去除速率為0.149 mgCOD/(mgVSS·h),乙酸鹽半飽和常數(shù)為396 mgCOD/L,NO_2抑制系數(shù)為231 mg/m~3;反硝化的亞硝酸鹽氮最大去除速率0.006865/h,亞硝酸鹽氮半飽和常數(shù)0.1 mg/L,NO_2抑制系數(shù)為1530 mg/m~3。試驗(yàn)中大部分的NOX出現(xiàn)損失。 ⑥采用間歇式試驗(yàn)方法,研究微量NO_2對厭氧氨氧化甲烷化反硝化三者耦合的影響。保持厭氧氨氧化動力學(xué)參數(shù)值不變,基于Haldane模型建立了厭氧氨氧化的NO_2強(qiáng)化函數(shù),估計(jì)了強(qiáng)化函數(shù)中的最大強(qiáng)化系數(shù)(30.55)、NO_2半飽和常數(shù)(1960 mg/m~3)、NO_2抑制常數(shù)(8.2 mg/m~3)和基礎(chǔ)速率系數(shù)(0.0314)。微量NO_2對三者耦合時甲烷化和反硝化的影響可用反競爭性抑制動力學(xué)方程進(jìn)行描述;甲烷化的最大比乙酸鹽去除速率為0.15 mgCOD/(mgVSS·h),乙酸鹽半飽和常數(shù)為395 mgCOD/L,NO_2抑制系數(shù)為623 mg/m~3;反硝化的亞硝酸鹽氮最大去除速率0.00685/h,亞硝酸鹽氮半飽和常數(shù)0.214 mg/L,NO_2抑制系數(shù)為22400 mg/m~3。試驗(yàn)中大部分的NOX氣體物質(zhì)出現(xiàn)損失。三者耦合時甲烷化和反硝化受到NO_2的抑制作用明顯低于獨(dú)立試驗(yàn);當(dāng)NO_2小于50 ppm時,三者耦合時厭氧氨氧化速率比獨(dú)立實(shí)驗(yàn)時小;在當(dāng)NO_2大于50 ppm時,三者耦合時厭氧氨氧化速率與獨(dú)立實(shí)驗(yàn)時大。 ⑦采用SBR反應(yīng)器,pH值控制在7.8～8.2,DO控制在0.8 mg/L～1.0 mg/L,溫度控制在30±2℃。初始NH_4~+-N濃度為50 mg/L,待穩(wěn)定后逐漸增加進(jìn)水氨氮濃度至250 mg/L,每次增加幅度50 mg/L,MPN計(jì)數(shù)結(jié)果顯示,經(jīng)120 d富集,好氧氨氧化菌的濃度提高了300倍。間歇式試驗(yàn)結(jié)果表明,pH值、DO濃度和溫度對好氧氨氧化菌的富集有顯著影響。在富集過程中,控制pH值、DO濃度和溫度是關(guān)鍵因素,游離氨和HNO_2進(jìn)行適當(dāng)控制,以保證抑制亞硝酸鹽氧化菌而不抑制好氧氨氧化菌。 ⑧采用批式呼吸法測得好氧氨氧化菌產(chǎn)率系數(shù)為0.2119 mg COD/mg NH4+-NOD(或者0.7268 mg COD/mg NH4+-N)氨氧化菌最大氨氮降解速率為0.1 mg NOD/(mg COD.h)(或者0.0292 mg N/(mg COD.h))。在間歇式試驗(yàn)中加入24μM NaN3抑制NO_2~--N氧化,建立氨氧化反應(yīng)動力學(xué)方程,得到氨氮半飽和系數(shù)為18.38 mg NOD/L(或者5.36 mg NH4+-N/L),DO半飽和系數(shù)為0.494 mg/L。 ⑨采用批式試驗(yàn),在無分子氧條件下,確定了好氧氨氧化菌的NO_2型氨氧化動力學(xué)方程,得到了最大氨氧化速率( q NO_2,max=0.144 mgNOD/(mgCOD·h))、二氧化氮半飽和常數(shù)(K NO_2=0.821μmol/L )和二氧化氮抑制性常數(shù)( K I =1.721μmol/L)。在微量NO_2氣體中添加2%O2氧氣后,氨氧化速率明顯提高,最大氨氧化速率發(fā)生在2%O2和50 ppm NO_2的條件下,達(dá)到0.198 mgNOD/(mgCOD·h)。在21%O2和微量NO_2條件下,氨氧化速率繼續(xù)大幅度提高;在21%O2和100 ppmNO_2時氨氧化速率達(dá)到0.477 mgNOD/(mgCOD·h),比無NO_2空氣曝氣條件下氨氧化速率高3倍。提出了NO_2表觀強(qiáng)化氨氧化函數(shù)的概念,建立了在O2和微量NO_2混合氣體下的氨氧化動力學(xué)方程,利用2%O2和微量NO_2條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了動力學(xué)方程,討論了NO_2強(qiáng)化氨氧化的機(jī)理。 ⑩進(jìn)行充填陶瓷濾料的曝氣生物濾池去除COD和氨氧化試驗(yàn)。進(jìn)水氨氮為50mg/L左右、COD為100 mg/L左右和回流比為200%時,經(jīng)過20多天的運(yùn)行,出水氨氮小于0.1mg/L、COD小于30mg/L、亞硝態(tài)氮為45.55 mg/L和硝態(tài)氮為4.18 mg/L;過大和過小的回流比對BAF的運(yùn)行性能都是不利的。 ⑾將EGSB與BAF耦合,實(shí)現(xiàn)了好氧氨氧化、厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化的集成。當(dāng)進(jìn)水流量為13 mL/min,進(jìn)水氨氮濃度為50 mg/L、COD濃度為500 mg/L,外回流比為200%時,系統(tǒng)的總氮去除率達(dá)到80.6%,出水COD濃度保持在40 mg/L以下,出水氨氮1 mg/L、亞硝態(tài)氮4.3 mg/L和硝態(tài)氮2.56 mg/L。系統(tǒng)的COD去除負(fù)荷速率:1.7122 (kg/m~3.d),氮去除負(fù)荷速率為:0.1363(kg/m~3.d);氨氮去除負(fù)荷速率為:0.1632 (kg/m~3.d);節(jié)約曝氣量0.2405 (kg O2/m~3.d)和碳源0.1775 (kg COD /m~3.d),回收甲烷554.94(L/m~3.d)。
【圖文】：

圖 1.1 Candidatus Brocadia anammoxidans 細(xì)菌的電鏡觀察e 1.1 Electron micrograph of Candidatus Brocadia anammo圖 1.2 三種梯式烷脂的結(jié)構(gòu)特征Figure 1.2 Structures of three characteristic ladderane lipids養(yǎng)期間，厭氧氨氧化菌污泥顏色從棕色變?yōu)樯罴t。對厭物的可見光譜分析發(fā)現(xiàn) c 型細(xì)胞色素的吸收信號明顯增

圖 1.2 三種梯式烷脂的結(jié)構(gòu)特征Figure 1.2 Structures of three characteristic ladderane lipids期間，厭氧氨氧化菌污泥顏色從棕色變?yōu)樯罴t。對的可見光譜分析發(fā)現(xiàn) c 型細(xì)胞色素的吸收信號明顯沒有 a 型、b 型和 d1型的細(xì)胞色素。在厭氧氨氧化收信號逐漸增加并達(dá)到最高值，用 CO 處理后就消失氧化菌的營養(yǎng)菌培養(yǎng)基含有 NH+4(5～30 mmol/L)、NO2-(5～35 m礦物質(zhì)及微量元素[5]。Dapena-Mora 等研究了氣提式R 中厭氧氨氧化過程的穩(wěn)定性，，其培養(yǎng)基的組成為：）；NaNO2：0.069～5.42（g）； NaNO3：0.425（g）4:0.05（g）；CaCl2·2H2O：0.3（g）；MgSO4·7H2O：EDTA：0.00625（g）；微量元素溶液：1.25(mL)；濃度應(yīng)低于 0.5 mmol/L[6]，加入甲烷不抑制氨和亞硝
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：X703

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號：2659347