海洋厌氧氨氧化菌处理含海水污水的基质抑制及其动力学特性

采用ASBR反应器通过改变单一基质浓度分别研究了NH_4~+-N和NO_2~--N对海洋厌氧氨氧化菌脱氮效能的影响及其动力学特性.结果表明,保持进水NO_2~--N为105.6 mg·L~(-1),当进水NH_4~+-N浓度提高至1 200 mg·L~(-1)时,海洋厌氧氨氧化反应器仍保持较好的脱氮能力,未受到明显的抑制作用,NO_2~--N的去除率稳定在80.70%左右;当进水NO_2~--N浓度提高至265.6mg·L~(-1)时,反应器开始受到明显的抑制作用,NH_4~+-N的去除率下降至63.01%左右,随着进水NO_2~--N浓度继续提高至305.6mg·L~(-1)时,NH_4~+-N的去除率进一步下降至43.93%左右.利用Haldane模型和Aiba模型拟合NH_4~+-N和NO_2~--N抑制作用的动力学特性,得到了NRRmax、KS、Ki这3个动力学参数及出水基质浓度与总氮容积负荷(TNRR)之间的关系,根据进一步分析可知,Haldane模型更适合描述NH_4~+-N抑制作用下的动力学特性,Aiba模型更适合描述NO_2~--N抑制作用下的动力学特性,并得到NH_4~+-N和NO_2~--N的出水抑制浓度分别为3 893.625 mg·L~(-1)和287.208 mg·L~(-1),为海洋厌氧氨氧化菌处理含海水污水提供了理论依据.     

基质比对厌氧氨氧化脱氮性能的影响

采用厌氧氨氧化反应器(ASBR)处理模拟生活污水,在温度为30℃时,控制进水NO_2~--N浓度为(30.0±0.2)mg·L~(-1),pH为(7.2±0.2),考察了NO_2~--N/NH_4~+-N分别为0.9、1.1、1.3、1.4、1.5和1.6时,对厌氧氨氧化(ANAMMOX)脱氮效果的影响.结果表明,当NO_2~--N/NH_4~+-N为1.4时,出水NH_4~+-N、NO_2~--N及TN的浓度分别为0.8、1.5和7.7 mg·L~(-1),NH_4~+-N、NO_2~--N及TN的去除率分别高达96.2%、95.4%和85.3%,此时脱氮性能最好,与发生厌氧氨氧化时NO_2~--N/NH_4~+-N理论值1.32比较接近.     

基质比对厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮除碳的影响

采用SBR处理实际生活污水,在实现半亚硝化时,其出水加入定量的Na NO_2作为厌氧氨氧化过程厌氧序批式反应器(ASBR)的进水.在温度为24℃、pH为7. 2±0. 2时,考察不同进水NO_2~--N/NH_4~+-N对厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮除碳的影响.结果表明:(1)进水NO_2~--N/NH_4~+-N为1. 4～1. 6时系统脱氮效能最佳,NH_4~+-N、NO_2~--N和COD平均出水浓度分别为2. 14、1. 07和30. 50 mg·L~(-1),三者去除率分别为93. 62%、97. 79%和74. 75%,ΔNO_2~--N/ΔNH_4~+-N和ΔNO_3~--N/ΔNH_4~+-N分别为1. 60和0. 17,TN的去除是异养反硝化菌和厌氧氨氧化菌共同作用的结果.(2)随着进水NO_2~--N/NH_4~+-N的逐渐增大,厌氧氨氧化对脱氮的贡献率逐渐减小,异养反硝化对脱氮的贡献率逐渐增加.(3)典型周期内,NH_4~+-N和NO_2~--N的降解过程均为零级反应,线性关系良好,比降解速率分别为0. 404 mg·(g·h)~(-1)和0. 599 mg·(g·h)~(-1),两者的比降解速率之比为1. 48,COD的比降解速率呈现逐渐增大的趋势.     

海藻糖强化厌氧氨氧化耦合反硝化工艺处理高盐废水的脱氮除碳效能

采用SBR反应器研究海藻糖强化厌氧氨氧化耦合反硝化工艺(SAD)处理高盐水的脱氮除碳效能及其动力学特性.当海藻糖为0.25 mmol·L~(-1)时反应器具有最佳的脱氮效能,NH_4~+-N、NO_2~--N、NO_3~--N和COD均可以被完全去除,与没有添加海藻糖相比,NH_4~+-N、NO_2~--N和总氮去除率分别提高了50%、43%和46%,氨氮去除速率(ARR)和亚硝氮去除速率(NRR)分别提高了81.25%和75%.当海藻糖浓度进一步提升至0.5 mmol·L~(-1)时,NH_4~+-N去除率(ARE)仅为58.82%,出水NH_4~+-N浓度下降为33.25 mg·L~(-1).相比于Haldane模型和Aiba模型,Luong模型更适合拟合海藻糖添加条件下SAD的脱氮性能.由其得到的NRRmax、KS、Sm和n分别为0.954 kg·(m3·d)-1、0 mg·L~(-1)、184.785 mg·L~(-1)和0.718.与修正的Logistic模型和修正的Boltzman模型相比,修正的Gompertz模型得到的预测值与实验值最为贴近,修正的Gompertz模型更适合描述海藻糖添加条件下单周期内基质的降解过程.     

不同运行策略下厌氧氨氧化的脱氮性能

采用厌氧氨氧化反应器(ASBR)处理模拟生活污水,考察低基质比、降温方式及pH对系统脱氮性能的影响.结果表明,温度为30℃时,控制进水NO_2~--N浓度为(30±0.2)mg·L~(-1),基质比(NO_2~--N/NH_4~+-N)由0.9升至1.4,系统NH_4~+-N和NO_2~--N去除率均值分别从54.4%和65.3%升至95.8%和92.5%;当基质比继续升高至1.6时,NH_4~+-N去除率基本不变,而NO_2~--N去除率降至54.6%,即基质比接近理论值1.32时,其厌氧氨氧化脱氮性能较强.当反应温度一次性从30℃降低至15℃时,NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率由97.5%和98.5%分别降至35.2%和40.1%,当采用阶梯式降温方式(30℃→25℃→20℃→15℃)时,NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率分别由97.7%和98.6%逐渐降至52.7%和62.4%.控制NO_2~--N/NH_4~+-N为1.4,逐步升高pH由7.7至8.5时,NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率先增大后减小,当pH为8.3时系统脱氮性能最佳.     

不同TOC/NH4+-N对厌氧氨氧化脱氮效能的影响

采用SBR厌氧氨氧化反应器,研究了不同TOC与NH_4~+-N比值对厌氧氨氧化反应器的脱氮效能的长短期影响.结果表明,在有机物短期影响时,反应器所能承受的最大TOC/NH_4~+-N为1.4,总氮去除速率可达0.26 kg·(m~3·d)~(-1).长期影响下,在TOC/NH_4~+-N小于0.4时,反应器可获得最高脱氮效能,总氮去除率为0.34 kg·(m~3·d)~(-1),TOC/NH_4~+-N大于0.4后,反应器脱氮效能持续降低,并且短期内厌氧氨氧化菌难以迅速恢复活性.利用q PCR(定量PCR)技术对长期影响前后反应器内菌种群落变化做定量分析,结果表明随着有机物的增加,反应器中的ANAMMOX菌数量从2.9×10~(11)copies·mL~(-1)减少至3.15×10~(10)copies·mL~(-1),在TOC/NH_4~+-N大于1.6的环境中,NH_4~+-N未能由厌氧氨氧化菌去除,厌氧氨氧化菌不能表现出生物活性.此时测得反硝化菌数量为3.0×10~9copies·mL~(-1),反应器中的NO_2~--N绝大部分由反硝化去除,虽然反硝化菌数量远少于ANAMMOX菌,但能表现出远超ANAMMOX菌的活性.     

HRT对厌氧氨氧化协同异养反硝化脱氮的影响

采用SBR处理实际生活污水,在实现半亚硝化时,出水NH_4~+-N、NO-2-N及COD平均浓度分别为37.27、39.97和120mg·L~(-1),将其作为厌氧氨氧化反应器(ASBR)的进水.控制温度为24℃,pH为7.2±0.2,考察HRT分别为36、33、30和27h时对厌氧氨氧化协同异养反硝化脱氮的影响.结果表明:(1)HRT为33 h时系统脱氮效能最佳,总氮容积负荷(TNLR)和总氮去除负荷(TNRR)平均值分别为0.056 kg·(m3·d)~(-1)和0.050 kg·(m3·d)~(-1);NH_4~+-N、NO-2-N和COD平均出水浓度分别为1.36、0.47和49.79 mg·L~(-1),三者去除率分别为96.30%、98.83%和56.17%;ΔNO-2-N/ΔNH_4~+-N和ΔNO_3~--N/ΔNH_4~+-N分别为1.17和0.15,比厌氧氨氧化反应的理论值(1.32,0.26)小0.15和0.11,造成此偏差的原因是由于系统中存在异养反硝化.(2)随着HRT的逐渐减小,厌氧氨氧化对脱氮的贡献率逐渐减小,异养反硝化对脱氮的贡献率逐渐增加.本研究结果可为厌氧氨氧化技术在实际工程中的应用提供参考.     

Anammox启动过程中脱氮性能及污泥特性研究

采用NH_4~+-N和NO_2~--N进水浓度分别为200 mg/L和300 mg/L不变,不断缩短HRT以启动厌氧氨氧化反应器,研究了此过程中氮的去除情况、厌氧氨氧化反应化学计量关系及颗粒污泥的特性。结果表明:历时58 d成功启动了厌氧氨氧化反应器,NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率分别为96.62%、76.37%,总氮去除速率达到1.71 kg/(m3·d);NH_4~+-N的去除量、NO_2~--N的去除量及NO_3~--N的生成量三者之间的比值为1∶1.29∶0.26,表现出典型的厌氧氨氧化反应特征;运行后期,反应器内的颗粒污泥呈红棕色,结构紧密,表面可见明显的孔洞,其表面分布的球菌具有火山口状的凹陷结构,为典型的厌氧氨氧化菌。     

基于SBR-ABR实现PN-SAD耦合工艺的运行与优化调控

采用序批式活性污泥反应器-厌氧折流板反应器(SBR-ABR)组合工艺,构建"部分亚硝化-厌氧氨氧化反硝化"(PNSAD)反应链实现深度脱氮除碳.设定3种不同的运行工况,工况Ⅰ将SBR出水(NO_2~--N/NH_4~+-N为1～1.32)直接接入单隔室ABR厌氧氨氧化系统,发现虽然实现了厌氧氨氧化反应的稳定运行,但联合工艺总氮(TN)去除率低于80%,出水TN约20mg·L~(-1).为在ABR内增加反硝化功能,向ABR反应器第三隔室添加反硝化污泥,于工况Ⅱ将SBR出水接入,发现耦合反应对TN去除率仍偏低若实现深度脱氮需在厌氧氨氧化后段补充碳源.故在工况Ⅲ调控SBR出水(NO_2~--N/NH_4~+-N=5)与部分原水混合(NO_2~--N/NH_4~+-N=1.4;C/N=2.5),接入单隔室ABR厌氧氨氧化反硝化系统不仅实现了厌氧氨氧化段基质的良好配比,也为反硝化提供了良好的有机碳源,整个工艺出水COD为50左右,TN在6以下,TN去除率达到95%.在SBR-ABR反应器内构建PN-SAD联合反应为废水深度脱氮除碳提供了理论基础.     

城市生活污水SNAD生物膜脱氮特性

通过批试实验研究了同步亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化(SNAD)生物膜的脱氮性能.SNAD生物膜具有良好的厌氧氨氧化和反硝化活性.厌氧氨氧化NH_4~+-N、NCV-N和总无机氮(TIN)去除速率分别为0.121,0.180,0.267kgN/(kgVSS·d);反硝化和亚硝态氮氧化活性分别为0.211,0.053kg NO_2~--N/(kg VSS·d).SNAD生物膜厌氧氨氧化适宜的pH值范围为5~9,生物膜有助于缓解pH值对厌氧氨氧化菌的抑制作用.SNAD生物膜对NO_2~--N和FNA的抑制作用表现出良好的耐受能力.当NO_2~--N浓度分别为100,150mg/L时,对应的FNA浓度分别为70,100ng/L,厌氧氨氧化NH_4~+-N去除速率分别为0.087,0.029kg N/(kg VSS·d).扫描电镜显示,在SNAD生物膜表面主要是一些短杆菌.在SNAD生物膜内部主要为火山口状细菌,应为厌氧氨氧化菌.     

PN-ANAMMOX一体化反应器处理电子行业PCB废水

利用已经启动成功并达到稳定脱氮效能的部分亚硝化-厌氧氨氧化一体化反应器,研究碱性印制电路板(PCB)废水自养生物脱氮的可行性及运行特性.结果表明,将进水NH+4-N浓度维持在220 mg·L-1时,经过80 d的运行,一体化反应器出水NH+4-N、NO-2-N浓度降低并稳定在4.0 mg·L-1和9.8 mg·L-1左右,脱氮效能最高达到1.29 kg·(m3·d)-1.同时出水总氮小于50 mg·L-1,满足接管排放标准.一体化反应器内好氧区NO-2-N产生速率最高为2.05 kg·(m3·d)-1,厌氧区的厌氧氨氧化菌最高脱氮效能为2.91 kg·(m3·d)-1,说明各功能菌在相应区域得到稳定地增长.一体化反应器适用于无机含氨的碱性PCB废液自养生物脱氮处理.     

苯酚对厌氧氨氧化污泥脱氮效能长短期影响

通过接种厌氧氨氧化(ANAMMOX)污泥,研究了苯酚浓度对ANAMMOX污泥脱氮效能长短期影响.短期结果表明,随着苯酚浓度的增大,氮去除率快速下降.当苯酚浓度大于600 mg·L-1时,NH+4-N的去除率降低到6%以下,TN的去除率只有10%左右.长期实验结果表明,当苯酚浓度小于100 mg·L-1时,NH+4-N的去除率都能达到99%以上,说明低浓度苯酚对ANAMMOX菌有一个驯化的过程.当苯酚浓度高于400 mg·L-1时,NH+4-N的去除率只有23.59%,TN去除率只有50.3%,ANAMMOX污泥抑制明显,与短期结果相同.此时反硝化菌活性明显高于ANAMMOX菌,说明苯酚可作为有机碳源诱发体系中发生反硝化反应,最终导致反硝化菌在体系中占据主导地位.但高浓度(1 000 mg·L-1)苯酚对反硝化菌也具有抑制作用.通过拟合得到苯酚对ANAMMOX半抑制有效浓度(IC50)为71.57 mg·L-1.经过18 d的恢复后,NH+4-N去除率基本恢复,但氮素之间的转化计量式发生了改变,ρ(NH+4-N)去除/ρ(NO-2-N)去除/ρ(NO-3-N)生成为1∶0.86∶0.2.研究结果表明,将苯酚控制在合理范围内可以使反应器达到同步脱氮除酚的效果.     

PN/A双菌层系统的构建及其脱氮性能

分别采用SBR反应器和MBR反应器驯化培养亚硝化污泥和厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX)污泥,并通过微生物包埋技术将两类污泥分别包埋,构建亚硝化-厌氧氨氧化(partial nitrification-ANAMMOX,PN/A)双菌层系统.短期实验证明该系统中亚硝化菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)和ANAMMOX菌在不同阶段分别起主导作用,维持系统的酸碱平衡,并实现NH+4-N的高效去除(98.8%).长期实验表明,在溶解氧受限时,PN/A双菌层系统能够有效提高系统对溶解氧的利用效率,并增强系统的稳定性和脱氮效能.在溶解氧为1.0 mg·L~(-1),进水NH+4-N质量浓度分别为200 mg·L~(-1)和400 mg·L~(-1)时,对照组脱氮效率仅为58.1%和61.4%,而PN/A双菌层系统脱氮效率均稳定在80%左右;溶解氧为3.0mg·L~(-1),进水NH+4-N质量浓度为400 mg·L~(-1)时,PN/A双菌层系统总氮去除率达87.9%,总氮积累负荷(NLR)为0.4kg·(m3·d)-1,总氮去除负荷(NRR)为12.8 mg·(g·h)-1.     

气升装置对厌氧氨氧化反应器脱氮效能的影响

通过接种厌氧氨氧化污泥研究了气升回流装置在提高进水基质浓度以提高反应器氮负荷过程中对反应器脱氮效能的影响.结果表明,在气升室中利用厌氧氨氧化反应产生的氮气作为动力可以实现出水自动循环.随着反应器脱氮效能的提高,气升室回流量也逐步增加,能够有效稀释进水基质浓度,缓解其对厌氧氨氧化菌的抑制.经过183 d运行,进水NH+4-N、NO-2-N质量浓度分别提高至700 mg·L-1和840 mg·L-1,出水NH+4-N和NO-2-N质量浓度最高达到46.3 mg·L-1和53.21mg·L-1,氮去除速率稳定在28.3 kg·(m3·d)-1左右.说明气升装置所形成的自回流系统能够有效改善传统厌氧氨氧化反应器运行过程中高基质浓度抑制的问题,同时减少外置回流泵的动力消耗,是一种经济有效的措施.     

基于硫化物硝酸菌抑制的城市污水单级自养脱氮工艺研究

采用外循环序批式反应器(ECSBR),通过向反应器中分阶段投加硫化物,成功抑制体系中亚硝酸氧化菌(NOB)的活性,实现了城市污水单级短程硝化/厌氧氨氧化自养生物脱氮,出水氨氮为3.78 mg·L-1,氨氮去除率为88.4％,氮去除负荷为66.8 g·m-3·d-1.在投加硫化物前,系统氮转化途径以全程硝化为主,出水硝酸盐为13 ～22 mg·L-1,生成硝态氮与去除氨氮比值＞0.9.在投加硫化物后,NOB的活性受到了抑制,出水硝酸盐降为4.18 mg·L-1,生成硝酸盐与去除氨氮比值平均为0.17.体系中大量的氮以氮气的形式被去除,占进水氮的65.4％.氮转化途径由全程硝化向短程硝化/厌氧氨氧化耦合脱氮转化.研究还表明,硫化物对于体系NOB的抑制是可逆的,停止投加硫化物后,NOB的活性又重新恢复.因此,分阶段投加硫化物能保证反应过程中对NOB的持续抑制作用,为实现单级自养脱氮工艺的快速启动和稳定维持提供了一种新的策略.     

快速启动厌氧氨氧化工艺

为研究如何获得厌氧氨氧化的快速启动工艺,采用两种不同水力流态反应器:完全混合式膜生物反应器(MBR)和推流式厌氧折流板反应器(ABR),分别接种絮状硝化污泥,考察其厌氧氨氧化快速启动性能.结果表明:两种反应器均能成功启动厌氧氨氧化,MBR启动周期(90 d)比ABR(111 d)缩短20%;稳定运行期内,MBR总氮(NH_4~+-N+NO_2~--N)平均去除负荷[0.098 kg·(m3·d)-1]也明显高于ABR[0.089 kg·(m3·d)-1];此外,两个反应器中污泥形态差异明显,MBR中污泥呈絮状,而ABR第1隔室中以厌氧氨氧化颗粒污泥为主;NH_4~+-N、NO_2~--N和NO_3~--N之间的定量关系分析表明:相较于ABR,MBR能实现完全的生物截留,使得系统内含有更多种类的脱氮功能菌,有利于氮素的去除.MBR在厌氧氨氧化的快速启动方面表现出更明显的优势.     

厌氧氨氧化污泥恢复过程中的颗粒特性

目前运行容易失稳已成为制约厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺应用的因素之一.在保证底物不抑制的条件下,通过对实验室前期运行失稳的连续流全混反应器(CSTR)中的厌氧氨氧化污泥进行活性恢复,研究了滞留的基质浓度对ANAMMOX污泥恢复过程中颗粒化及活性的影响.结果表明,经过126d运行,ANAMMOX污泥活性获得恢复且脱氮能力明显提升.控制高、低基质浓度水平的2个反应器均能实现污泥的颗粒化及氮素的高效去除,NRR最大分别达到16. 97 kg·(m~3·d)~(-1)和14. 43 kg·(m~3·d)~(-1).随着反应器脱氮能力的提高(污泥颗粒粒径增大),R1、R2两个反应器内污泥的胞外聚合物EPS含量(以VSS计)均增大,分别由接种时的34. 45 mg·g~(-1)增大至77. 52 mg·g~(-1)和94. 18 mg·g~(-1),PN/PS由1. 89分别增大到6. 25和6. 84.在一定范围内,PN/PS比值增大有利于ANAMMOX污泥颗粒化,但PN/PS过大会导致颗粒污泥结构失稳上浮,加剧污泥流失现象.     

厌氧膜生物反应器耦联部分亚硝化/厌氧氨氧化用于污水处理研究

本研究构建了厌氧膜生物反应器（AnMBR）-部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/Anammox）污水处理工艺,以探究AnMBR-PN/A工艺处理效果最佳的水力停留时间（HRT）.AnMBR将厌氧生物处理与膜分离技术相结合实现有机物去除,AnMBR出水NH₄⁺-N通过PN部分转化为NO₂^--N,最终通过NO₂^--N氧化剩余NH₄⁺-N去除.实验结果表明：在HRT=11.2 h时,AnMBR-PN/A工艺化学需氧量（COD）去除率稳定在97%以上,COD转化为CH₄效率超过77.5%,总氮（TN）去除率为78%,出水COD和TN浓度分别低于14和11 mg·L^-1.AnMBR段COD去除率达到95%,平均甲烷产率为0.39 L·L^-1·d^-1.PN段实现了NO₂^--N的高效积累,其出水中NO₂^-/NH₄⁺为0.91±0.11.Anammox段出水中的NO₂^--N、NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度分别低于1.0、4.9和5.1 mg·L^-1.高通量测序结果表明PN段氨氧化菌主要为Nitrosomonas,丰度为7.09%,Anammox段主要微生物为Candidatus Brocadia,丰度高达21.01%.本研究构建的AnMBR-PN/A工艺实现了污水处理过程的高效能源回收和深度自养脱氮,研究成果为工程应用提供了理论支撑.