【摘要】： 單級(jí)自養(yǎng)脫氮工藝是指在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)由自養(yǎng)菌實(shí)現(xiàn)NH4+至N2全部轉(zhuǎn)化過(guò)程的一類(lèi)工藝,在處理低C/N比廢水方面極具潛力。由于該工藝在控制運(yùn)行和機(jī)理方面有很多難點(diǎn)沒(méi)有得到很好解決,限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。本論文系統(tǒng)地研究了構(gòu)建單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的方法,探討了運(yùn)行控制條件對(duì)單級(jí)自養(yǎng)脫氮工藝的影響機(jī)制和單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)運(yùn)行的適宜組合工況,并通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)內(nèi)生物膜和懸浮污泥的單級(jí)自養(yǎng)脫氮特性,分析了單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)起主導(dǎo)脫氮作用的污泥形式,同時(shí)深入研究了單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的氮素平衡和NH4+的去除途徑。 采用4組SBBR(Sequence Batch Biofilm Reactor)反應(yīng)器構(gòu)建單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng),并研究了構(gòu)建單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的適合條件和方法,結(jié)果表明:構(gòu)建單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的過(guò)程可分為亞硝化啟動(dòng)和單級(jí)自養(yǎng)脫氮實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段。亞硝化啟動(dòng)階段中系統(tǒng)內(nèi)的NO2-積累率較高,但系統(tǒng)的脫氮性能較差。單級(jí)自養(yǎng)脫氮實(shí)現(xiàn)階段中,系統(tǒng)內(nèi)的NH4+迅速被轉(zhuǎn)化,NO2-和NO3-基本無(wú)積累,單級(jí)自養(yǎng)脫氮性能得到提高;間歇曝氣和連續(xù)曝氣兩種曝氣方式均可構(gòu)建單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng),但間歇曝氣系統(tǒng)所需的DO(Dissolved Oxygen)濃度高于連續(xù)曝氣系統(tǒng);DO過(guò)高(連續(xù)曝氣條件下DO超過(guò)1.5mg/L)易導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生全程硝化反應(yīng),不利于構(gòu)建自養(yǎng)脫氮系統(tǒng);過(guò)低的DO(連續(xù)曝氣條件下DO低于0.8mg/L)則將延長(zhǎng)構(gòu)建單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的時(shí)間;單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的HRT(Hydraulic Retention Time)應(yīng)根據(jù)一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)DO和NO3-濃度的突升點(diǎn)來(lái)確定,隨系統(tǒng)的曝氣方式和DO等運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)節(jié);軟性組合填料和彈性立體填料均較多面空心球填料有利于快速掛膜,且軟性組合填料較彈性立體填料更有利于微生物的附著,以構(gòu)建穩(wěn)定運(yùn)行的SBBR單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng);通過(guò)T-A克隆的方法,在單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)2類(lèi)不同的AOB序列,一類(lèi)與氨氧化菌標(biāo)準(zhǔn)菌株Nitrosomonas有98%的較高相似性,另一類(lèi)則與其它一種未得到純培養(yǎng)的AOB接近,相似性為99%。存在的NOB比較單一,與Nitrospira相似性達(dá)到100%。AMAMMOX種類(lèi)豐富,檢測(cè)到11種不同ANAMMOX基因序列,與典型的厭氧氨氧化菌具有較高的相似性,相似性分別達(dá)到97~99%,主要?dú)w屬于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis及Candidatus Brocadia fulgida兩個(gè)屬。 利用已建立的SBBR單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng),調(diào)節(jié)其運(yùn)行控制條件至不同水平,研究了曝氣方式、DO、溫度和pH值對(duì)單級(jí)自養(yǎng)脫氮工藝的影響機(jī)制及單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)運(yùn)行的最適組合工況,結(jié)果表明:間歇曝氣條件下,單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的曝氣時(shí)間與停曝氣時(shí)間基本相當(dāng)時(shí)較有利于提高系統(tǒng)的脫氮性能;單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的DO濃度應(yīng)根據(jù)曝氣方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。連續(xù)曝氣和間歇曝氣(曝停比為2h:2h)的單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的最適DO濃度分別為1.5mg/L和2.0mg/L;DO過(guò)低將降低亞硝化反應(yīng)速率,并導(dǎo)致ANAMMOX(Anaerobic Ammonium Oxidation)反應(yīng)因缺乏足夠的反應(yīng)物質(zhì)而無(wú)法快速進(jìn)行,從而降低單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的脫氮性能。過(guò)高的DO則會(huì)破壞生物膜內(nèi)部的厭氧區(qū),降低ANAMMOX的反應(yīng)速率,在O2存在的條件下,剩余的NO2-則進(jìn)一步被氧化為NO3-,不利于NH4+的有效去除;間歇曝氣SBBR單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的最適溫度為30℃。在一定溫度范圍內(nèi)(不大于30℃),溫度的升高有助于提高系統(tǒng)的NH4+轉(zhuǎn)化速率和脫氮效能。但溫度達(dá)到35℃時(shí),ANAMMOX反應(yīng)速率較低而不能把亞硝化反應(yīng)生成的NO2-全部轉(zhuǎn)化為N2,在系統(tǒng)內(nèi)DO濃度(2.0mg/L)較高的條件下,部分NH4+將通過(guò)全程硝化反應(yīng)被氧化為NO3-;間歇曝氣SBBR單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的最適pH值為8。pH值為8左右時(shí),系統(tǒng)內(nèi)亞硝化和ANAMMOX的反應(yīng)速率較快,且二者反應(yīng)速率相當(dāng),有利于亞硝化反應(yīng)和ANAMMOX反應(yīng)的聯(lián)合脫氮,單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的脫氮性能較好。 以單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)的生物膜(包括填料上的生物膜和反應(yīng)器內(nèi)壁上的生物膜)和懸浮污泥為研究對(duì)象,研究了生物膜和懸浮污泥的亞硝化反應(yīng)、好氧NO2-氧化反應(yīng)、ANAMMOX反應(yīng)和單級(jí)自養(yǎng)脫氮活性,對(duì)比了生物膜和懸浮污泥的自養(yǎng)脫氮特性,并深入分析了造成其自養(yǎng)脫氮性能差別的根本原因及起主導(dǎo)脫氮作用的污泥形式。結(jié)果表明:單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)填料上生物膜的最大亞硝化反應(yīng)活性、好氧NO2-氧化活性、ANAMMOX反應(yīng)活性和單級(jí)自養(yǎng)脫氮活性分別為0.153±0.0064 gN·gVSS-1·d-1、0.0087±0.0016 gN·gVSS-1·d-1、0.282±0.0086 gN·gVSS-1·d-1和0.207±0.0045 gN·gVSS-1·d-1;單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)壁上生物膜的最大亞硝化反應(yīng)活性、好氧NO2-氧化活性、ANAMMOX反應(yīng)活性和單級(jí)自養(yǎng)脫氮活性分別為0.167±0.0087 gN·gVSS-1·d-1、0.0045±0.0016 gN·gVSS-1·d-1、0.313±0.014 gN·gVSS-1·d-1和0.298±0.0060 gN·gVSS-1·d-1;單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)懸浮污泥的最大亞硝化反應(yīng)活性、好氧NO2-氧化活性、ANAMMOX反應(yīng)活性和單級(jí)自養(yǎng)脫氮活性分別為0.137±0.0080 gN·gVSS-1·d-1、0.045±0.0038 gN·gVSS-1·d-1、0.095±0.0052 gN·gVSS-1·d-1和0.099±0.011gN·gVSS-1·d-1;填料上生物膜和反應(yīng)器內(nèi)壁上生物膜的亞硝化反應(yīng)活性、ANAMMOX反應(yīng)活性和單級(jí)自養(yǎng)脫氮活性均高于懸浮污泥,好氧NO2-氧化活性則低于懸浮污泥。生物膜比懸浮污泥更有利于形成好氧與厭氧共存的微環(huán)境使亞硝化和ANAMMOX反應(yīng)順利進(jìn)行,在單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)起主導(dǎo)脫氮作用。 利用現(xiàn)代物質(zhì)分析測(cè)試手段,監(jiān)測(cè)了密閉單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi),氣相和液相中生成的氮化合物的種類(lèi)及其含量,研究了系統(tǒng)的氮素平衡和NH4+去除的主要形式,結(jié)果表明,單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)62%的NH4+在微生物的作用下被轉(zhuǎn)化為NO2-、NO3-、NH2OH、N2H4、NO、NO2、N2O和N2等多種氮化合物,其中N2占90.07%,是NH4+轉(zhuǎn)化的主要產(chǎn)物形式。 根據(jù)單級(jí)自養(yǎng)脫氮工藝的幾種機(jī)理假說(shuō)及脫氮反應(yīng),配制不同的模擬含氮廢水,監(jiān)測(cè)不同進(jìn)水條件下,系統(tǒng)內(nèi)氮化合物種類(lèi)及其含量的變化,研究了單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)氨氮的去除途徑。結(jié)果表明:單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)6.72%的氨氮是通過(guò)吹脫等物化作用去除的,不超過(guò)6.02%的氨氮是通過(guò)傳統(tǒng)硝化反硝化途徑去除的,87.26%左右的氨氮是由自養(yǎng)脫氮途徑去除的,自養(yǎng)脫氮反應(yīng)起主要脫氮作用;在足夠NO2存在且缺氧的條件下,單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)的出水氨氮濃度與空白反應(yīng)器相當(dāng),NH4+并沒(méi)有被亞硝化單胞菌以NO2為電子受體氧化為NO2-和N2等化合物而得以去除,可能是因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)不存在該代謝功能的亞硝化功能菌;單級(jí)自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)內(nèi)存在兩條ANAMMOX反應(yīng)途徑:其中一條途徑即NH4+在好氧條件下被氧化為NH2OH后,生成的NH2OH與系統(tǒng)內(nèi)的NO2-在缺氧條件下被轉(zhuǎn)化為N2O,N2O則進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為N2而實(shí)現(xiàn)氮的去除;另外一條途徑即NO2-首先被還原為NH2OH,生成的NH2OH則與系統(tǒng)內(nèi)的NH4+反應(yīng)生成N2H4,N2H4繼續(xù)被轉(zhuǎn)化為N2而實(shí)現(xiàn)氮的去除。
【圖文】：

圖 1.1 微生物絮體內(nèi)反應(yīng)區(qū)分布和底物濃度變化ig. 1.1 Distributution of reactions and substrates in aggregate是從物理學(xué)角度對(duì)同步硝化反硝化現(xiàn)象進(jìn)行解釋,的微環(huán)境中各種生態(tài)因子(如溶解氧、有機(jī)物及其它 1.1 所示)（楊麒等，2004），各類(lèi)微生物的代謝活物理、化學(xué)和生物條件或狀態(tài)的變化。微觀生境論生物絮體或者生物膜內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度, 即微生濃度高, 以好氧 AOB 及 NOB 為主, 深入絮體內(nèi)部消耗, 產(chǎn)生缺氧區(qū),反硝化菌占優(yōu), 從而形成有利于目前, 此種理論解釋同步生物脫氮現(xiàn)象已被廣泛提出則源于近年來(lái)微生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)好氧反硝化菌和菌是自養(yǎng)型好氧微生物, 依靠氧化 NH4+和 NO2-獲呼吸的最終電子受體。20 世紀(jì) 80 年代以來(lái), 生物 如 熒 光 假 單 胞 菌 (Pseudomonas flurescens)

+4NHeNHpHTANKC +101硝態(tài)氮表示為 TNO2＝HNO2+ NO2-，，平衡常數(shù) KeNO=N可表達(dá)為：=pHeNOTNOKC +1012isen 等（1976）建議溫度對(duì)上面兩個(gè)平衡常數(shù)的影響可34和2732300+ = TNOeK e，由此可計(jì)算出不同溫度下 NH3和 HNO，NH3的濃度隨著溫度的升高而升高，HNO2的濃度隨溫度
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類(lèi)號(hào)】：X703

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本文編號(hào)：2683053