水體中氮濃度超標(biāo)是引起富營養(yǎng)化的主要原因之一。當(dāng)前廣泛采用的硝化反硝化脫氮工藝可以實現(xiàn)廢水中氮素的有效去除,但其需要消耗大量的電能與化學(xué)藥劑。上世紀九十年代發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化(ANaerobic AMMonia OXidation,ANAMMOX)技術(shù),其可以將NH4+和NO_2~-在厭氧條件下直接轉(zhuǎn)化為氮氣,具有低耗、高效和環(huán)境友好等特性,是迄今為止最經(jīng)濟高效的脫氮工藝。然而,該工藝所需的底物NO_2~-難以穩(wěn)定獲取,并且其無法處理硝酸鹽(NO_3~-)廢水。針對這一問題,本論文基于前期實現(xiàn)的短程反硝化(Partial denitrification(PD):NO_3~-→NO_2~-),進一步研究了PD在間歇式SBR(Sequencing Batch Reactor)和連續(xù)流氣體自循環(huán)(Gas Automatic Circulation,GAC)USB(Upflow Sludge Bed)反應(yīng)器(USBGAC)中的顆�；^程,以實現(xiàn)NO_2~-的高效產(chǎn)生;并構(gòu)建了基于短程反硝化的厭氧氨氧化脫氮工藝深度處理含過量NO_3~-的高基質(zhì)anammox出水和污水廠二級出水,以及含高濃度NO_3~-的工業(yè)廢水,以此推進厭氧氨氧化技術(shù)的廣泛應(yīng)用。主要研究如下:(1)培育了性能良好的短程反硝化顆粒污泥,揭示了其形成過程特性與菌群特征。研究發(fā)現(xiàn)SBR系統(tǒng)PD過程產(chǎn)生的Ca CO3沉淀在運行過程初期充當(dāng)顆粒的“晶核”,對污泥的快速顆�；哂兄匾拇龠M作用。成熟的顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實、具有良好的沉降性能(SVI在32.0 m L/g MLSS左右),顆粒表面密集的分布著大量的短桿菌。污泥顆�；^程中,PD功能菌Thauera一直占主導(dǎo)地位,穩(wěn)定維持在61.1%~63.8%范圍內(nèi),觀察到norank_p__Gracilibacteria屬和Flavobacterium屬微生物相對比例有很大提高,并且其含量和污泥的粒徑變化具有很好的一致性,推測可能和污泥的顆�；嘘P(guān)。此外,PD污泥顆粒化過程中,一直保持良好的NO_2~-產(chǎn)生,平均NO_2~-轉(zhuǎn)化率(NTR)高達88.3%。(2)建立了連續(xù)流短程反硝化NO_2~-產(chǎn)生工藝,提出了穩(wěn)定運行控制技術(shù)。試驗證實連續(xù)流USBGAC可以實現(xiàn)高效的NO_2~-產(chǎn)生,在中低溫下NO_2~-產(chǎn)生速率平均值分別達到6.63 Kg N/m3/d(28.0℃)和3.35 Kg N/m3/d(15.7℃),運行過程應(yīng)避免過高的進水負荷,以防污泥發(fā)生膨脹。提出了GAC控制技術(shù),其可以有效強化USBGAC的流化,提高NTR;并且對USBGAC的穩(wěn)定性具有重要作用,可以有效阻止污泥的上浮,但在運行過程應(yīng)避免過快的GAC導(dǎo)致污泥流失。高通量測序結(jié)果表明PD功能菌Thauera在運行過程相對比例有小幅降低(67.2%~50.2%),而Zoogloea屬(0~16.0%)和Rhodocyclaceae_unclassified屬(0~9.0%)微生物含量增加。(3)構(gòu)建了Anammox+PD工藝深度處理高基質(zhì)廢水,揭示了運行過程菌群協(xié)作機制。針對高基質(zhì)厭氧氨氧化反應(yīng)器出水含過量NO_3~-問題,構(gòu)建了Anammox+PD工藝,將NO_3~-轉(zhuǎn)化為NO_2~-,再回流到Anammox去除。在進水NH4+和NO_2~-分別為400和420 mg N/L時,回流比為300%時出水總氮22.8 mg N/L,遠遠低于單一Anammox時的理論值110 mg N/L。將城市生活污水泵入PD反應(yīng)器,可以在實現(xiàn)Anammox出水深度脫氮的同時對生活污水中NH4+和有機物進行去除,并且PD過程外碳源耗量從COD/NO_3~--N=3.0降低為2.0,系統(tǒng)出水NO_3~-濃度降低至13.8 mg N/L,總氮去除率高達97.8%。高通量測序結(jié)果表明Anammox反應(yīng)器Candidatus_Brocadia為主要的脫氮菌(7.52%~1.32%),并含大量的PD功能菌Thauera(6.43%~18.37%),兩種菌在低有機物濃度下,可以和諧的共存,并且協(xié)同脫氮,提高總氮去除率。(4)提出了PD+Anammox工藝技術(shù)實現(xiàn)二級出水的三級脫氮,評估了工藝的運行效能及可行性與風(fēng)險性。針對城市污水處理廠二級出水含大量NO_3~-的問題,提出了PD+Anammox工藝實現(xiàn)低C/N城市污水的三級脫氮,研究表明在進水NO_3~-濃度從20提高至40 mg N/L,通過調(diào)節(jié)其與原水(城市污水)的進水體積,系統(tǒng)出水總氮平均值穩(wěn)定維持在5.0 mg N/L以下。組合工藝相比傳統(tǒng)的反硝化濾池三級處理單元,無需氧氣,在碳源需求量和污泥產(chǎn)量方面具有巨大經(jīng)濟優(yōu)勢,分別降低80%和64.8%,并且在溫室氣體CO2和N2O產(chǎn)生方面具有較好的環(huán)境優(yōu)勢。另外,組合工藝在工程應(yīng)用時,升級改造簡單,風(fēng)險性低。(5)研發(fā)了處理高濃度NO_3~-廢水的PD+Anammox工藝技術(shù),提出了優(yōu)化運行調(diào)控策略,并分析了工藝的優(yōu)勢。研究表明PD+Anammox工藝可以對工業(yè)廢水中高濃度NO_3~-(1000 mg N/L)進行有效去除,并且同步實現(xiàn)城市污水的處理。通過逐步優(yōu)化NO_3~-廢水和城市污水的進水體積和外碳源投加量,組合工藝可以保證較低的出水氮濃度,在城市污水和NO_3~-廢水進水體積比為7.0,外碳源投加量為COD/NO_3~--N=1.7時,出水總氮平均值低至11.0 mg N/L。PD+Anammox工藝相比傳統(tǒng)的反硝化工藝處理高濃度NO_3~-廢水具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢,其不僅降低了外碳源耗量和污泥產(chǎn)量、同步處理城市污水,而且避免了傳統(tǒng)反硝化工藝出現(xiàn)的技術(shù)難題(如長時間的污泥馴化、高出水有機物、NO_2~-抑制導(dǎo)致的氮去除效率低)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

圖 1-2 基于 Kuenenia. stuttgartiensis 基因組學(xué)的 ANAMMOX 模型[2. 1-2 Anammox model based on genome analysis of Kuenenia. stuttgarti氧氨氧化細菌種類、生理特性及形態(tài)結(jié)構(gòu)mmox 細菌廣泛分布于自然界，在海洋、淡水水體及陸地生

圖 1-3 電子顯微鏡下 Anammox 細菌結(jié)構(gòu)。（MB：膜）[50]Fig. 1-3 Electron micrograph of anammox bacterium (MB, membrane)在透射電鏡下，觀察到厭氧氨氧化菌細胞分為 3 個部分：外室細胞質(zhì)（paryphoplasm）、核糖細胞質(zhì)（riboplasm）和厭氧氨氧化體（anammoxosome），如圖 1-3 所示。厭氧氨氧化體是發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)的重要場所，其由單層含

世界上第座厭氧氨氧化工程于 2002 年在荷蘭鹿特丹 Dokhaven 污水處理廠建成（圖1-4），其采用兩段式的 SHARON-ANAMMOX 工藝處理污泥消化液，其中ANAMMOX 反應(yīng)器有效容積高達 70m3。雖然該工藝啟動時問長達三年半之，但反應(yīng)器啟動完成后，容積負荷穩(wěn)步提升，最高容積氮去除速率達到 9.50 KgN/m3/d，遠遠高于傳統(tǒng)的生物脫氮工藝[120]。在奧地利 Strass 污水處理廠建成的生產(chǎn)性厭氧氨氧化 SBR 反應(yīng)器，其從小試（0.004~0.3 m3）、中試（2.4 m3）到生產(chǎn)性實驗（500 m3）同樣經(jīng)歷了三年左右的啟動時間[139]。此后，隨著anammox 工藝在工程應(yīng)用過程中的問題不斷解決，其工程應(yīng)用在世界上得到不斷的推廣。截止到 2014 年全世界已有 114 座厭氧氨氧化工程[3]

本文編號：2865411