不同C/N条件下排水管道生物膜中氮分布特性

为了探索排水管道生物膜内部的氮迁移转化机理,研究不同C/N对管道生物膜脱氮过程的影响.在C/N分别为2、5、10条件下培养排水管道壁面生物膜,利用微电极测试技术对成熟生物膜内部DO、NH_4~+、NO_2~-、NO_3~-分布规律进行研究.结果表明:C/N为2、5、10条件下培养的生物膜厚度分别为(1.7±0.1),(1.9±0.1),(2.0±0.1)mm;生物膜内的DO浓度、NH_4~+浓度和NO_3~-浓度沿纵深方向逐渐递减,而NO_2~-浓度在生物膜内则是沿着纵深方向逐渐递增.3种C/N比条件下,生物膜内的物质浓度分布表现出明显的差异性.生物膜厚度影响着DO在膜内的分布,继而影响着N在膜内的迁移转化过程.     

基于微电极技术的反硝化滤池生物膜特性分析

为研究反硝化滤池中溶解氧对反硝化作用的影响,制备性能良好尖端直径在30μm以内的氧(O2)以及硝酸盐(NO3-)微电极,以此为测试工具,对反硝化滤池中生物膜内部O2、NO3-微环境分布进行测试,通过建立扩散-反应方程,获得生物膜微环境耗氧及反硝化活性特征.研究结果表明,溶解氧在生物膜内部呈明显的下降趋势,从主体溶液氧浓度约1mg/L下降至生物膜300μm深度处约为0.生物膜内部反硝化活性区域发生在300~600μm深度范围内.该条件下反硝化滤池生物膜的氧利用速率常数以及反硝化速率常数之间的比值为1.46,溶解氧对反硝化过程的影响是显著的.     

模拟评价亚硝化-厌氧氨氧化生物膜工艺中氧的消耗

前期模拟研究显示,溶解氧是控制亚硝化-厌氧氨氧化生物膜工艺的关键因子.因此,作为一个设计参数,曝气量在工程上便显得尤为重要.生物膜工艺曝气量取决于发生在生物膜内各种反应(硝化、常规反硝化及厌氧氨氧化)的耗氧与氧补偿以及生物膜的厚度等.由于在生物膜内存在着基质扩散梯度,所以,通过试验方法确定净耗氧量十分困难,甚至难以实现.正因如此,数学模拟技术被用来评价这一在工艺设计和运行管理中具有实际意义的问题.模拟试验结果显示,不同的工艺及生物膜参数会导致不同的耗氧曲线.这些信息有助于亚硝化-厌氧氨氧化生物膜工艺的设计及运行.     

曝气压力对MABR中同步硝化反硝化脱氮的影响

以模拟生活污水为研究对象,探讨膜曝气生物反应器(MABR)推流运行时不同曝气压力下不同点位分布的溶解氧值特征;利用MABR可形成好氧/缺氧/厌氧的环境特性,针对曝气压力对MABR同步硝化反硝化脱氮效果的影响进行研究,借助微生物鉴定手段对MABR的群落结构进行分析。研究结果表明:相同曝气压力下的DO值,轴向上波动较大,径向上以曝气膜为中心向外部逐渐降低;随着曝气压力的增加,不同点位分布的DO值均提高,同步硝化反硝化效率先升高后降低。当曝气压力为0.04MPa时出水的同步硝化反硝化脱氮效果最佳为74.67%。在此曝气压力下,微生物群落鉴定证明生物膜内出现了好氧-兼氧的分层现象,生物膜内由好氧菌、兼氧菌共同完成硝化、反硝化过程,主体液料由厌氧菌作为优势菌群进行反硝化作用,并且根据未检测出厌氧氨氧菌的鉴定结果排除发生厌氧氨氧化的干扰。     

基于微气泡曝气的生物膜反应器处理废水研究

微气泡曝气有助于强化氧传质过程,在废水好氧生物处理中具有潜在的应用优势;生物膜反应器是应用微气泡曝气的可行工艺形式.本研究在生物膜反应器中采用SPG膜微气泡曝气处理模拟生活废水,探讨反应器连续运行过程中,SPG膜空气通透性、溶解氧变化、污染物去除效果及氧利用情况.结果表明,基于SPG膜微气泡曝气的生物膜反应器能够实现长期连续稳定运行,是微气泡曝气与废水好氧生物处理结合的可行方式.SPG膜表面性质及膜孔径影响其空气通透性,疏水性膜的空气通透性优于亲水性膜;膜孔径越大,空气通透性越好.一定的SPG膜空气通量下,反应器内的溶解氧浓度主要受有机负荷影响.SPG膜微气泡曝气生物膜反应器较优的COD处理负荷(以SPG膜面积计算)为6.88 kg·(m2.d)-1.氨氮的去除主要受溶解氧浓度及生物膜内氧扩散传质的影响,在高有机负荷下生物膜内出现同步硝化反硝化.微气泡曝气的氧利用率显著高于传统曝气方式,在优化的运行条件下,氧利用率可以接近100%.     

反硝化菌株DA-1的脱氮研究

菌株DA-1被发现能在好氧和厌氧环境中将硝酸盐转化为气态氮。在以NO3-为唯一氮源的条件下研究了碳源、C/N和pH值对菌株DA-1好氧和厌氧反硝化脱氮的影响。结果表明:同等条件下,48 h内菌株DA-1的厌氧脱氮效率高于好氧脱氮率;菌株DA-1能在好氧和厌氧条件下利用乙酸、柠檬酸以及葡萄糖进行细胞增殖和反硝化。在厌氧条件下,三者作为碳源时的反硝化效率分别为(34.04±0.15)%、(22.72±0.32)%和(11.32±0.06)%,均低于好氧条件下的(25.38±0.14)%、(17.52±0.11)%和(8.06±0.01)%。2种条件下均是乙酸为碳源时反硝化效率最高。而丁二酸仅能在厌氧环境中作为电子供体参与反硝化反应。C/N越高越有利于菌株DA-1的厌氧反硝化,当C/N为10时,反硝化效率最高为(35.06±0.19)%。而在好氧条件下,菌株反硝化效率随着C/N的升高,先升高再降低,当C/N为8时,反硝化效率最高;好氧和厌氧脱氮的最适pH值为7.0。体系偏酸或者偏碱都会造成菌株DA-1脱氮效率的降低并出现亚硝酸盐累积。厌氧环境中pH=5.0时累积的亚硝酸盐浓度高达(8.95±2.05)mg/mL。     

启动炭管膜曝气生物膜反应器实现全程自养脱氮

启动包裹无纺布的多微孔炭管为膜组件的膜曝气生物膜反应器(MABR),实现基于短程硝化和厌氧氨氧化的完全自养脱氮.首先接种普通硝化污泥启动反应器,在温度35℃, pH为7.9条件下,通过对膜内腔压力的适当控制逐步降低反应器溶解氧浓度,实现亚硝酸盐的积累.然后再次接种厌氧氨氧化污泥,使无纺布上形成好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌稳定共存的膜曝气生物膜,从而实现全程自养脱氮结果表明,经过120 d连续运行,在膜内压力为0.015MPa,水力停留时间6 h,进水NH 4-N为200 mg/L±10 mg/L条件下, NH 4-N转化率达到88.7%,出水总氮平均为48.65mg/L,总氮去除率达到83.77%.荧光原位杂交(fluorescent in situ hybridization, FISH)分析表明,好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌作为主要功能菌群分别控制着靠近炭管膜/生物膜界面区域和靠近生物膜/液体界面区域.     

在有氧条件下用生物过滤系统去除NOx

针对有氧环境下用生物过滤法处理废气中的NOx效率普遍不高的现状,将优选后的好氧反硝化菌应用于生物过滤系统用来脱除模拟燃烧废气中NOx,同时设立反硝化菌活性再生系统,维持系统中微生物间的持续稳定反硝化协同性和有效微生物量.进一步研究高浓度氧环境下,环境因素对NO脱除效率的影响,以及研究模拟气体中NO在生物过滤系统中的转化机理.结果表明,该工艺系统能有效克服氧对反硝化菌活性的抑制作用,生物滤塔在不同氧浓度下皆可实现对NO的高效率脱除;甚至在氧气体积分数20%、气体停留时间为1min、最佳操作温度为40～50℃条件下,对647mg·m-3NO的脱除率可达85%以上.本实验有目的地培养得到好氧条件下特有的微生物混合体系,其以兼性反硝化菌为主,多种菌种的存在形成良好的生物协同性,有利于有氧环境下NOx好氧反硝化反应的高效稳定进行.     

富氧条件流离反应器内好氧反硝化特征

基于连续流A/O流离生物膜反应器内同步硝化反硝化的研究结果,以流离生物膜内菌群为整体研究对象,在富氧条件下,对依赖不同氮源生存的细菌的活性、以及具有的反硝化特征进行了研究.研究结果表明,温度25~30℃、溶解氧4.0~6.0 mg·L-1条件下,低碳氮比废水在硝化菌和好氧反硝化菌共同作用下,总氮和氨氮浓度稳步下降,亚硝酸盐和硝酸盐在试验持续时间内无明显积累现象.再分别以硝酸盐氮和亚硝酸盐氮为氮源,在高温(40℃)条件下18 h内即被完全去除,证明流离生物膜内的好氧反硝化菌脱氮效果好,且对高温水环境耐受力强.相对于单一菌群的反硝化研究,以多种细菌整体为研究对象的试验研究具备实际应用的可能性.     

DO对SBBR工艺同步硝化反硝化的影响研究

实验研究了序批式生物膜反应器(SBBR)同步硝化反硝化生物脱氮城市污水处理工艺。试验结果表明:DO是影响SBBR工艺实现同步硝化反硝化的一个重要因素,将DO控制在2.8～4.0mg/L的范围内,可以取得较好同步硝化反硝化效果,总氮去除率可达67%以上。通过好氧反应过程中溶解氧在生物膜内反应扩散模型以及扫描电镜对生物膜的形态结构观察,分析了SBBR工艺同步硝化反硝化机理。SBBR工艺同步硝化反硝化主要是由微环境引起的,生物膜在好氧条件下能创造缺氧微环境,DO浓度直接影响生物膜内部好氧区与缺氧区比例的大小,进而影响硝化和反硝化的效果。DO浓度升高,使氧传递能力增强,使生物膜内部原来的微环境由缺氧性转为好氧性;反之DO浓度降低,生物膜内部微环境倾向于向缺氧或厌氧发展。     

BACF处理高氨氮进水的硝化与反硝化作用

采用生物活性炭滤池(BACF)深度处理高NH₄⁺-N微污染水源水.结果表明,BACF对NH₄⁺-N的去除率与进水NH₄⁺-N浓度有关,当进水NH₄⁺-N<1.0mg/L时,去除率达95%以上;当进水NH₄⁺-N较高(1.5～4.9mg/L范围)、进水DO≤10mg/L时,去除率随进水浓度的增加而下降,最低降到30%左右.限制生物活性炭滤池硝化作用的主要因素是进水的DO,由于硝化菌与异养菌的共同竞争,在滤床0.4m深度内DO被消耗殆尽,出水DO基本为0(小于0.2mg/L),滤床被自然分成好氧区与缺氧区,在好氧区发生硝化与有机物的降解反应,在缺氧区则发生反硝化反应,由于碳源受限,反硝化反应进行得不彻底,造成滤池出水NO₂^--N升高.在缺氧区内除存在反硝化菌外,还存在好氧的硝化菌与异养菌.     

污水短程硝化反硝化和同步硝化反硝化生物脱氮中N2O释放量及控制策略

采用SBR反应器考察了短程硝化反硝化和同步硝化反硝化脱氮过程中N_2O的释放.通过实时控制策略实现了短程硝化反硝化生物脱氮,亚硝化率可维持在90%以上.在溶解氧水平为0.5、 1.0、 1.5和2.0 mg/L条件下,考察N_2O的释放和亚硝化率的变化情况.结果表明,溶解氧1.5 mg/L时最有利于维持稳定的亚硝化率,同时N_2O逸出量最小,每去除1 g氨氮释放N_2O 0.06 g;在碳纤维填料SBR反应器中,通过维持较低溶解氧水平和分段投加碳源的运行方式成功实现了同步硝化反硝化,同步硝化反硝化率在79%以上.在溶解氧水平为0.2、 0.4、 1.0和1.5 mg/L时,考察N_2O的逸出情况.结果表明,溶解氧在1.0 mg/L时最有利于控制N2O的释放,每去除1g氨氮释放N2O 0.021 g,其N_2O释放量仅为短程硝化反硝化的1/3.     

数学模拟好氧颗粒污泥的形成及水力剪切强度对颗粒粒径的影响

以生物膜数学模型和活性污泥数学模型为基础,建立好氧颗粒污泥一维数学模型,并模拟营养物质的去除、颗粒粒径变化、反应器周期表现以及好氧颗粒污泥内DO和菌群分布.模拟有机物SS浓度和出水NH4+-N浓度逐渐降低,在大约50 d左右达到稳定,50 d后模拟出水浓度分别<25 mg.L-1和<1.5 mg.L-1.模拟出水NO3--N浓度随着粒径的增加呈现降低趋势.当颗粒粒径由模拟30 d时的1.1 mm增加到100 d时的2.5 mm,颗粒污泥缺氧区面积相应增加,总氮(TN)的去除率由不到10%增加到91%左右,最终模拟出水NO3--N浓度降低到<3 mg.L-1.在好氧颗粒污泥系统内,由于氧气传质阻力,模拟颗粒污泥外层DO浓度高而内层浓度低,颗粒内可以发生同时硝化反硝化,且好氧颗粒污泥内DO特征随时间而发生变化.在好氧初期,好氧颗粒污泥代谢活性高,模拟DO传质深度大约为100～200μm;而在好氧末期,模拟DO传质深度为800μm.模拟自养菌主要分布在DO浓度高的颗粒外层,异养菌分布在整个颗粒.当水力剪切系数kde由0.25(m.d)-1逐渐增加到5(m.d)-1时,模拟颗粒平衡粒径依次由3.5 mm左右减小到大约1.8 mm.在不同水力剪切强度下模拟颗粒污泥生长特征相似,其平衡状态下粒径随曝气强度的增加而减小,可以通过控制曝气强度来控制好氧颗粒污泥的平衡粒径.     

温度和DO对MBBR系统硝化和反硝化的影响

在缺氧/好氧/好氧串联运行的移动床生物膜反应器（MBBR）系统中考察了温度和好氧反应器中溶解氧（DO）水平对生物膜硝化和反硝化过程氮素去除的影响,并通过高通量测序技术探究温度和DO的变化造成的MBBR系统中脱氮功能菌群结构的差异,从而在微观水平解释硝化和反硝化受温度和DO影响的生物学机理.结果表明,系统温度的升高可以同时强化生物膜硝化和反硝化过程,且好氧反应器中DO水平的提高对硝化过程有利,从而提高系统的脱氮效果.本研究中,在系统连续运行阶段,当系统温度和好氧O₁反应器的DO浓度为本研究范围内的最高水平时（即温度=20~22℃、DO=5~8mg O₂/L）,比硝化负荷可达1.60g NH₄⁺-N/（m²·d）以上,而相同温度范围内比反硝化负荷可高达2.84g NO₃^--N/（m²·d）,从而使MBBR系统在该工况条件下获得了最佳的NH₄⁺-N和TN去除率（分别达到了98.7%和85.7%）.温度和DO影响硝化和反硝化的根本原因是温度和DO变化引起了脱氮功能菌群数量和群落结构的改变：当好氧反应器的DO水平下降时,硝化功能细菌的OTUs比例显著降低,尤其是异养硝化细菌的生长受到了严重的抑制;而温度的变化对反硝化细菌的影响主要体现在群落结构的变化.     

污水短程脱氮工艺中亚硝酸盐积累的影响因素

采用主要由厌氧-好氧-缺氧构成的短程脱氮工艺,进行了常温条件下处理生活污水的实验.分析了DO、游离氨(FA)等因素对亚硝酸盐积累的影响.结果表明,DO是影响短程硝化的主要因素,控制好氧1区的DO在1.5~2.5mg/L、好氧2区的DO在0.5~1.0mg/L,可以实现稳定的亚硝酸盐的积累,氨氮去除率达到90%.对氨氧化菌(AOB)进行T-RFLP群落分析表明,该工艺运行中的AOB优势菌种为Nitrosomonas oligotropha culster.     

DO浓度对EBPR耦合SND处理低C/N污水的影响

为了解厌氧/好氧运行的序批式反应器（SBR）中,强化生物除磷（EBPR）与同步硝化反硝化（SND）的耦合脱氮除磷特性,以实际低C/N （约为3.5）生活污水为处理对象,先通过调控进水C/N考察其对EBPR启动和聚磷菌（PAOs）富集情况的影响,再通过调控好氧段DO浓度考察其对系统脱氮除磷性能、SND率及碳源转化特性的影响.结果表明,DO浓度为2.0mg/L,当进水C/N由3.2提高至7.5并降至3.8时,反应器出水PO₄^3--P浓度由3.9mg/L逐渐降至0.5mg/L以下,且厌氧释磷量（PRA）由3.3mg/L逐渐升高至约30mg/L.此后,当DO浓度逐渐降至约1.0mg/L时,SND现象愈加明显,且其与EBPR耦合使得系统总氮（TN）和PO₄^3--P去除率分别提高至85%和94%.但当DO浓度约为0.5mg/L时,硝化过程进行不完全,亚硝酸盐积累较为明显,耦合系统中存在同步短程硝化反硝化现象.DO浓度为约1.0mg/L时,系统具有最高的脱氮除磷性能.此外,当DO浓度由2.0mg/L降至0.5mg/L时,PAOs较聚糖菌（GAOs）在厌氧内碳源储存中的贡献逐渐减小（P_PAO,An由30.3%逐渐降至20.2%）,PRA降低约7mg/L.DO浓度为1.0~1.5mg/L最有利于系统厌氧段内碳源PHA的合成.     

pH控制生物膜移动床反应器完全亚硝化的研究

接种硝化污泥以优势菌种法挂膜,在DO浓度为1.5～2.0 mg/L,温度为(30±1)℃,HRT为24 h的条件下,以pH控制启动移动床完全亚硝化生物膜反应器,并研究了氨氮负荷(NLR)和水力停留时间(HRT)对系统稳定性的影响.结果表明,在进水氨氮浓度为150 mg/L的情况下,pH控制在7.7～8.2,经过10 d驯化生物膜系统达稳定的完全亚硝化状态,氨氮转化率达96%以上,亚硝酸盐积累率高于95%;NLR(以NH4 -N计)从0.15 kg/(m3·d)提高到0.24 kg/(m3·d)基本不影响完全亚硝化的稳定性,氨氮转化率高于90%,亚硝酸盐积累率始终维持在96%左右;低NLR下,延长HRT由于过度曝气导致硝化类型改变为完全硝化,然而缩短HRT仍可恢复为亚硝化.     

厌氧-好氧-缺氧短程硝化同步反硝化除磷工艺研究

构建了主要由厌氧-好氧-缺氧构成的短程硝化同步反硝化除磷工艺,并在常温条件下用于生活污水的处理.研究发现,通过调节反应器内好氧区的pH(8.2～8.7)和溶解氧(DO为3～5mg·L-1)能实现该工艺的快速启动,在好氧区内实现亚硝酸盐的累积.在稳定运行期内,DO是影响短程硝化的主要影响因素,好氧1区DO控制在1.5～2.0mg·L-1,好氧2区DO控制在0.5～1.0mg·L-1,好氧区内亚硝酸盐氮累积浓度稳定在5～10mg·L-1,氨氮去除率达到90%以上.各反应单元内碳源、硝酸盐和亚硝酸盐对除磷贡献的研究表明,该工艺的缺氧段实现了在不外加碳源的情况下以亚硝酸盐和硝酸盐共同作为电子受体的反硝化除磷,反硝化除磷量占系统总除磷量的80%以上.     

生物膜SBR反应器中低氨氮浓度废水亚硝化启动试验研究

为建立生物膜SBR反应器处理中低氨氮浓度废水的自养脱氮系统,采用控制DO浓度、HRT和不同生物载体填料的4组小试生物膜SBR反应器,对中低氨氮浓度废水进行了单级自养脱氮工艺亚硝化阶段的启动试验研究.结果表明:接种普通好氧活性污泥和厌氧污泥,在水温30℃±2℃,氨氮浓度60～120mg/L,DO为0.8～1.0mg/L和HRT=24h条件下,运行130d可实现稳定的亚硝化,YJZH软性组合填料更适合于微生物附着.