厭氧氨氧化甲烷化反硝化耦合的機理及動力學研究.pdf

1、“可持續發展”和“節能減排”是當今廢水處理技術研究與開發的指導思想和重要原則。論文通過實驗室EGSB和BAF廢水處理反應器及其耦合的連續運行試驗、序批式反應動力學試驗和分子生物學測試與分析,配合進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規律、耦合機理及影響因素,O2和或微量NO2下氨氧化菌的氨代謝特性及其動力學,EGSB與限制氧曝氣BAF耦合處理廢水的技術特點,進行了深入和系統研究;以便為研究和開發集好氧氨氧化、厭氧氨氧化

2、、甲烷化和反硝化為一體的廢水生物處理新技術,在高容積負荷速率下同時去除COD和氨組分的前提下節約能源和有機碳源,提供科學依據,積累重要技術資料。論文得到如下主要研究結果: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)反應器中,進水流量為10 mL/min,回流量為180 mL/min,進水COD濃度在180 mg/L,有機負荷率(OLR)和污泥負荷率(SLR)分別為2.51 kgCOD/(m3.d)和0.19 kgC

3、OD/(kgMLSS.d),出水COD維持在約40 mg/L,COD去除率達80％以上?？刂茰囟仍?2～35℃,pH在6.8～7.2,反應器內氧化還原電位在-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),進而縮短了啟動時間,促進了顆粒污泥的形成。分別經過60 d和120 d運行,反應器啟動成功。試驗結果表明,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

4、好氧活性污泥在低濃度COD下,合理控制負荷率仍能成功啟動EGSB反應器。②完成啟動的EGSB反應器控制溫度在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,進水中添加亞硝酸鹽和氨鹽組分,經過240 d運行,逐步耦合厭氧氨氧化甲烷化反硝化。EGSB1＃和EGSB2＃進水有機容積負荷速率(OLR)分別為4.8 kgCOD/(m3.d)和2.88 kgCOD/(

5、m3.d),污泥負荷速率(SLR)分別為0.55 kgCOD/(kgMLSS.d)和0.33 kgCOD/(kgMLSS.d),COD去除率分別達到85%和76%,氨氮去除率分別達到35%和20%,亞硝態氮去除率都達到99.9%,總氮去除率分別達到67%和59%。結果表明,pH、溫度、溶解氧、氧化還原電位、亞硝酸鹽和有機物COD對EGSB反應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用間歇式試驗同時測定顆粒污泥的氨氮和亞

6、硝態氮的消耗量,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 mgNO2--N/(mgMLSS.h);通過16S-rRNA的分子生物學基因序列測試,發現了一種新的厭氧氨氧化菌(anaerobic ammonium-oxidizing Planctomycete cquenviron-1)。④在間歇式試驗反應器中接種顆粒污泥,對厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化動力學特性進行分別研究。求

7、得厭氧氨氧化動力學參數:最大氨氮反應速率為6.65×10-3(mg NH+4-N/(mgMLSS.h)),氨氮半飽和常數為87.1 mg/L,氨氮抑制常數為1123 mg/L;亞硝態氮半飽和常數為15.39 mg/L,亞硝態氮抑制常數為159.5 mg/L;甲烷化動力學參數:最大比基質降解速率為0.158(mgCOD/(mgVSS.h)),半飽和常數為464.27 mg/L,甲烷的產率系數為0.254 ml/mg;短程反硝化動力學參數:

8、最大反硝化速率為0.0069 mgNO2--N/(mgMLSS.h),亞硝酸鹽氮半飽和常數為2.26 mg/L,有機物半飽和常數為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研究時均減小。⑤采用間歇式試驗方法,分別研究微量NO2對厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化的影響。微量NO2對厭氧氨氧化具有強化作用,保持厭氧氨氧化動力學參數值不變,基于Haldane模型建立了厭氧氨氧化的NO2強化函數,估計了強化函數中的最大

9、強化系數(48.79)、NO2半飽和常數(2570 mg/m3)、NO2抑制常數(3.9 mg/m3)和基礎速率系數(0.0188)。微量NO2對甲烷化和反硝化的影響可用反競爭性抑制動力學方程進行描述;甲烷化的最大比乙酸鹽去除速率為0.149 mgCOD/(mgVSS·h),乙酸鹽半飽和常數為396 mgCOD/L,NO2抑制系數為231 mg/m3;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0.1 mg/

10、L,NO2抑制系數為1530 mg/m3。試驗中大部分的NOX出現損失。⑥采用間歇式試驗方法,研究微量NO2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參數值不變,基于Haldane模型建立了厭氧氨氧化的NO2強化函數,估計了強化函數中的最大強化系數(30.55)、NO2半飽和常數(1960 mg/m3)、NO2抑制常數(8.2 mg/m3)和基礎速率系數(0.0314)。微量NO2對三者耦合時甲烷化和反硝化的影響可用反

11、競爭性抑制動力學方程進行描述;甲烷化的最大比乙酸鹽去除速率為0.15 mgCOD/(mgVSS·h),乙酸鹽半飽和常數為395 mgCOD/L,NO2抑制系數為623 mg/m3;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0.214 mg/L,NO2抑制系數為22400 mg/m3。試驗中大部分的NOX氣體物質出現損失。三者耦合時甲烷化和反硝化受到NO2的抑制作用明顯低于獨立試驗;當NO2小于50 ppm時,

12、三者耦合時厭氧氨氧化速率比獨立實驗時小;在當NO2大于50 ppm時,三者耦合時厭氧氨氧化速率與獨立實驗時大。⑦采用SBR反應器,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NH4+-N濃度為50 mg/L,待穩定后逐漸增加進水氨氮濃度至250 mg/L,每次增加幅度50 mg/L,MPN計數結果顯示,經120 d富集,好氧氨氧化菌的濃度提高了300倍。間歇式試驗結果表明,pH值、

13、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濃度和溫度是關鍵因素,游離氨和HNO2進行適當控制,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率系數為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))

14、。在間歇式試驗中加入24μM NaN3抑制NO2--N氧化,建立氨氧化反應動力學方程,得到氨氮半飽和系數為18.38 mg NOD/L(或者5.36 mg NH4+-N/L),DO半飽和系數為0.494 mg/L。⑨采用批式試驗,在無分子氧條件下,確定了好氧氨氧化菌的NO2型氨氧化動力學方程,得到了最大氨氧化速率( q NO2,max=0.144 mgNOD/(mgCOD·h))、二氧化氮半飽和常數(K NO2=0.821μmol/L)

15、和二氧化氮抑制性常數( K I=1.721μmol/L)。在微量NO2氣體中添加2%O2氧氣后,氨氧化速率明顯提高,最大氨氧化速率發生在2%O2和50 ppm NO2的條件下,達到0.198 mgNOD/(mgCOD·h)。在21%O2和微量NO2條件下,氨氧化速率繼續大幅度提高;在21%O2和100 ppmNO2時氨氧化速率達到0.477 mgNOD/(mgCOD·h),比無NO2空氣曝氣條件下氨氧化速率高3倍。提出了NO2表觀強化氨

16、氧化函數的概念,建立了在O2和微量NO2混合氣體下的氨氧化動力學方程,利用2%O2和微量NO2條件下的實驗結果驗證了動力學方程,討論了NO2強化氨氧化的機理。⑩進行充填陶瓷濾料的曝氣生物濾池去除COD和氨氧化試驗。進水氨氮為50mg/L左右、COD為100 mg/L左右和回流比為200%時,經過20多天的運行,出水氨氮小于0.1mg/L、COD小于30mg/L、亞硝態氮為45.55 mg/L和硝態氮為4.18 mg/L;過大和過小的回流

17、比對BAF的運行性能都是不利的。⑾將EGSB與BAF耦合,實現了好氧氨氧化、厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化的集成。當進水流量為13 mL/min,進水氨氮濃度為50 mg/L、COD濃度為500 mg/L,外回流比為200%時,系統的總氮去除率達到80.6%,出水COD濃度保持在40 mg/L以下,出水氨氮1 mg/L、亞硝態氮4.3 mg/L和硝態氮2.56 mg/L。系統的COD去除負荷速率:1.7122(kg/m3.d),氮去除負荷速