【摘要】：亞硝化(PN)與厭氧氨氧化(ANAMMOX)組合工藝的開發(fā),有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生物脫氮工藝的不足,并且其容積效能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的生物脫氮工藝,被視為最具可持續(xù)發(fā)展意義的新型生物脫氮工藝。目前亞硝化和厭氧氨氧化工藝的研究處理對(duì)象主要是污泥消化上清液和垃圾滲濾液等高溫高氨氮廢水上,而對(duì)于常溫低氨氮的城市生活污水處理的研究并不多見。為了深化PN-ANAMMOX工藝的理論研究,使PN-ANAMMOX工藝廣泛地應(yīng)用于城市污水廠,本研究以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的亞硝化反應(yīng)器和厭氧氨氧化反應(yīng)器為對(duì)象,從亞硝化反應(yīng)器的啟動(dòng)策略,穩(wěn)定亞硝化的影響因素、不同溫度下厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮效能、不同溫度下厭氧氨氧化反應(yīng)器微生物群落結(jié)構(gòu)特征及演替規(guī)律、常溫下厭氧氨氧化反應(yīng)器的影響因素、PN-ANAMMOX工藝處理實(shí)際生活污水的探索等方面開展了研究。亞硝化反應(yīng)器可采用多種反應(yīng)器形式,本研究開展了連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CSTR)和移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)的亞硝化試驗(yàn),比較兩種形式的反應(yīng)器在常溫低氨氮階段的亞硝化效果。結(jié)果表明CSTR反應(yīng)器比MBBR反應(yīng)器更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的亞硝化。這是由于CSTR反應(yīng)器是完全混合式的,反應(yīng)器內(nèi)NOB的活性可以持續(xù)全面地被高游離氨和低溶解氧所抑制,并且可以通過人工排泥將某些可能適應(yīng)高游離氨環(huán)境的NOB洗脫掉,但是在MBBR反應(yīng)器中,少量適應(yīng)高游離氨的環(huán)境的NOB卻能夠和其他微生物在載體表面附著形成生物膜,因此很難被單獨(dú)洗脫。另外通過將CSTR反應(yīng)器投加的堿度類型從單獨(dú)的Na HCO3轉(zhuǎn)為Na HCO3和Na OH聯(lián)合投加,在獲得較好亞硝化效果的同時(shí)可以減少約60%的原料成本。與單獨(dú)投加Na HCO3相比,Na OH的加入可以更為強(qiáng)烈地抑制NOB的活性,即使存在短時(shí)間的高濃度溶解氧或高p H值的沖擊,反應(yīng)器亞硝化效果也能夠快速恢復(fù)。考慮到嘗試將厭氧氨氧化工藝應(yīng)用于城市生活污水處理中,本研究進(jìn)行了中溫條件下厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)和常低溫低基質(zhì)條件下厭氧氨氧化反應(yīng)器的運(yùn)行試驗(yàn)。33±1oC水溫下,在100天內(nèi)成功啟動(dòng)了厭氧氨氧化反應(yīng)器,在進(jìn)水氨氮和亞硝態(tài)氮濃度都為73 mg/L的情況下,總氮去除率為88.3±6.5%。在20±2oC,HRT 1.5 h,進(jìn)水氨氮和亞硝態(tài)氮濃度分別為29 mg/L、41 mg/L時(shí),反應(yīng)器平均總氮去除負(fù)荷達(dá)到1.00 g/(L·d),平均總氮去除率為87.6%,出水(NH4++NO2-)濃度為0.08±0.08 mg/L,出水總氮濃度為5.3~12.1 mg/L。在15±1oC和10±1oC水溫下,厭氧氨氧化濾池依然表現(xiàn)出很高的脫氮效能,平均總氮去除率分別為82.5%、73.0%。本研究考察了20±2oC水溫時(shí)厭氧氨氧化反應(yīng)器脫氮效能的影響因素,結(jié)果表明當(dāng)進(jìn)水堿度≤350 mg/L時(shí),堿度的變化對(duì)厭氧氨氧化菌活性的影響較大,在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),控制進(jìn)水堿度/氨氮比值≥1.2,可使反應(yīng)器總氮去除率保持在80%以上。另外由于本研究厭氧氨氧化生物反應(yīng)器進(jìn)水中一直含有0.6~1.5 mg/L的溶解氧,在考察溶解氧濃度對(duì)反應(yīng)器脫氮效能影響時(shí),發(fā)現(xiàn)其對(duì)高濃度溶解氧有很強(qiáng)的抵抗能力,當(dāng)進(jìn)水溶解氧濃度≤3.0 mg/L時(shí),反應(yīng)器總氮去除率可以保持較高的水平。本研究對(duì)不同運(yùn)行溫度下的厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落特征進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在進(jìn)水基質(zhì)不含有機(jī)碳源的情況下,反應(yīng)器內(nèi)仍鑒定出了大量不同的菌屬。其中厭氧氨氧化菌(Candidatus Brocadia屬和Candidatus Jettenia屬)、反硝化菌和硝化細(xì)菌共生于反應(yīng)器,但AOB和NOB菌屬較為單一。同時(shí)檢測(cè)到相對(duì)比例較多的Dokdonella屬好氧異養(yǎng)菌和Gallionella屬好氧自養(yǎng)菌,它們的存在促進(jìn)了生物膜微環(huán)境的穩(wěn)定,這也是常溫低溶解氧低氨氮基質(zhì)進(jìn)水的厭氧氨氧化濾柱穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在較低運(yùn)行溫度(15±1oC)時(shí),厭氧氨氧化菌的活性有所降低,但是反應(yīng)器內(nèi)Denitratisoma屬反硝化菌在脫氮過程中發(fā)揮了重要作用,使得厭氧氨氧化濾柱在15±1oC甚至10±1oC也有很好的脫氮效能。基于以上研究結(jié)果,本研究利用高負(fù)荷生物濾池處理實(shí)際生活污水獲得低COD、高氨氮的二級(jí)出水,再依次通入CSTR亞硝化反應(yīng)器和厭氧氨氧化濾柱中進(jìn)行生活污水脫氮試驗(yàn)。結(jié)果表明高負(fù)荷生物濾池出水中的COD對(duì)亞硝化反應(yīng)器的效能影響較小,亞硝化反應(yīng)器出水中的溶解氧對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮效能幾乎沒有影響,亞硝化反應(yīng)器可以為后續(xù)厭氧氨氧化反應(yīng)器持續(xù)提供適宜的基質(zhì),實(shí)現(xiàn)了生活污水中C、N的經(jīng)濟(jì)高效去除。
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哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文Nitrosomonas）的厭氧氨氧化速率只有 ANAMMOX 菌的 1/25。另外，，研究還發(fā)現(xiàn) 反 硝 化 菌 中 的 自 養(yǎng) 微 球 菌 （ Micrococcus denitrificans ） 和 脫 氮 副 球 菌（Paracoccus denitrificans）[97]能夠利用氫氣作為電子供體將硝態(tài)氮還原為氮?dú)狻?.4.3 厭氧氨氧化菌種群與特性研究目前已在多種環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化菌的存在[98-103]。而在厭氧氨氧化菌的分離純化方面，由于厭氧氨氧化菌的增殖速率非常慢（倍增時(shí)間為 11 d）[41]，常規(guī)的細(xì)菌分離培養(yǎng)方法難以獲得該類細(xì)菌的純種，1999 年 Strous 等[104]利用Percoll 密度梯度離心技術(shù)，從 Candidatus Brocadia Anammoxidans 的混培物中提取出了 99.5%以上的純種厭氧氨氧化菌，為后續(xù)的分子生物學(xué)和細(xì)胞學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。目前鑒定并給出名稱的厭氧氨氧化菌包括 5 個(gè)不同屬的 9 個(gè)種[105,106]（表 1- 3），歸入浮霉?fàn)罹T（Planctomycetes）布羅卡地科（Brocadiaceae）。浮霉菌門的主要分類[107]如圖 1- 2。

胞壁；Cytoplasmic membrane：細(xì)胞質(zhì)膜；Paryphoplasm：PP 質(zhì)；Intracyto細(xì)胞內(nèi)質(zhì)膜；Riboplasm：核糖質(zhì)；Nucleoid：細(xì)胞類核；Anammoxosome me體膜；Anammoxosome：厭氧氨氧化體；標(biāo)尺：200 nm圖 1- 3 厭氧氨氧化菌細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)圖[112]Fig. 1- 3 Ultrastructure of ANAMMOX bacterial cell[112]來(lái)源、目的、意義及主要研究?jī)?nèi)容題來(lái)源題由城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（08UW體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2013ZX07201007）支持。究目的與意義來(lái)，全國(guó)水體污染雖得到了一定程度的遏制，但是湖泊（水庫(kù)）仍然突出，水體中的氮素污染已嚴(yán)重威脅到我們賴以生存的生態(tài)有效的生物脫氮技術(shù)對(duì)于解決全國(guó)水體氮污染意義重大。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：X703


本文編號(hào)：2677751