一体化全程自养脱氮(CANON)工艺的效能及污泥特性

在氨氮浓度梯度升高的条件下,通过控制DO等方式在一体化CSTR反应器中实现了一体化全程自养脱氮(CANON—completely autotrophic nitrogen removal over nitrite).结果表明随进水氨氮浓度(76.05~583.93mg/L)的升高,系统的氨氮和总氮去除负荷逐渐提高,试验期间无亚硝态氮的积累,反应器后期在高氨氮进水下最高氨氮去除率84.4%,最高去除负荷0.42kg/(m3·d);最高总氮去除率72.0%,最高去除负荷0.35kg/(m3·d).污泥氧消耗速率实验得出好氧氨氧化菌的耗氧速率为169.46 mgO2/(gVSS·h)、硝酸化细菌的好氧速率为39.63 mgO2/(gVSS·h).采用总氮去除量和硝态氮产生量的比值(△TN/△NO3-)表征硝酸化反应对出水氨氮浓度的影响.试验进一步研究了反应器内污泥形态的变化,得出第102d的污泥粒径(86.36μm)比第30d(54.09μm)增加60%,污泥的SEM分析得出实验后期相对于前期污泥表面丝状菌减少,胞外聚合物增多.以上结果表明该反应器具备良好的造粒功能,有利于自养脱氮工艺的启动与稳定.     

全自养脱氮颗粒污泥的培养及脱氮性能的恢复与强化

采用交替限氧-厌氧和低充放比(30%)运行模式,在SBR反应器中成功启动全自养脱氮(CANON)工艺,启动过程经历常规硝化主导阶段、短程硝化主导阶段和全自养脱氮阶段,总氮去除速率和总氮去除效率分别达到(312±15)mg/(L·d)和(71.2±4.3)%.培养得到的污泥中颗粒污泥(粒径3300μm)和絮状污泥(粒径<300μm)体积分别占污泥总体积的39%和61%.在自养脱氮性能恶化的SBR反应器进水中长期添加适量N2H4,反应器脱氮性能得以恢复甚至强化,反应器总氮去除速率升高到(480±34)mg/(L·d),颗粒污泥的比例增加到污泥总体积的51%.     

混合污泥接种的厌氧氨氧化处理污泥脱水液的启动

采用UASB反应器,接种由好氧颗粒污泥、厌氧颗粒污泥、氧化沟活性污泥及短程硝化活性污泥组成的混合污泥,以污泥脱水液经短程硝化处理后水质为进水,在温度(30±0.2)℃, pH值7.3~7.9,初期进水氨氮、亚硝氮容积负荷分别为0.07, 0.10kg/(m3×d)条件下,经过24d运行,氨氮和亚硝氮得到稳定同步去除,186d时TN去除负荷达0.99 kg/(m3×d).启动初期,氨氮、亚硝氮进水浓度分别为20,30mg/L,二者浓度随去除量增加而逐级增加,最高分别达到157,216mg/L;启动过程中,系统受到O2抑制以及O2和亚硝氮基质的连续抑制,分别经过了约10d和30d才得以恢复. 厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应与反硝化反应可以共存于系统中,产气量与总氮去除呈正比关系,可及时地指示系统运行状态,对气体成分检测,氮气含量在99.8%.在稳定期ANAMMOX反应呈pH值升高而碱度略有降低.接种混合污泥、低基质负荷启动ANAMMOX,可30d内实现稳定的氨氮和亚硝氮同步去除,180d左右启动成功.     

EGSB反应器中耦合厌氧氨氧化与甲烷化反硝化的研究

将好氧活性污泥接种于膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器中,经过120 d的启动运行,形成颗粒污泥.在启动好的EGSB反应器进水中添加亚硝酸盐和氨盐,反应器内温度控制在32～35 ℃,pH为7.5～8.3,氧化还原电位为-150～-40 mV;水力停留时间4.2 h,上升流速4.86 m/h,经过270 d运行,逐步富集和耦合产甲烷菌、反硝化菌和厌氧氨氧化菌.在进水ρ(COD_Cr)为500 mg/L,有机容积负荷速率为4.800 kg/(m3·d)(以COD_Cr计)和1.152 kg/(m3·d)(以N计)的条件下,出水ρ(COD_Cr)维持在80 mg/L以下;COD_Cr,氨氮,亚硝态氮和总氮去除率分别为85%, 35%, 99.9%和67%;其去除速率分别稳定在6.12,0.202,0.575和0.777 kg/(m3·d);其中氨氮和总氮的去除速率分别是传统活性污泥法硝化/反硝化(0.05 kg/(m3·d))的4和15.5倍. pH,温度,溶解氧,氧化还原电位,亚硝酸盐和COD_Cr对EGSB反应器中厌氧氨氧化与甲烷化反硝化的耦合和颗粒污泥的特性均有影响.      

含硝氮废水的好氧反硝化处理及其系统微生物群落动态分析

利用好氧反硝化细菌强化生物陶粒反应器处理含硝氮废水,探讨了生物陶粒反应器中好氧反硝化生物脱氮的实现过程,并运用变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)对微生物菌群结构稳定性进行了分析.结果表明,在水力负荷0.75 m/h,气水比5:1～10:1,水温15～23℃,进水COD负荷1.92～5.98 kg/(m3·d),硝氮负荷O.60～1.34 kg/(m3·d)的条件下,生物陶粒反应器在稳定运行阶段可以基本实现对硝酸氮的完全去除,对总氮的去除率最高可达95.73%,出水中亚硝酸盐一直保持在较低水平.PCR-DGGE指纹图谱显示,微生物多样性与废水的处理效果出现协同变化的特征.在整个运行阶段,好氧反硝化菌群X31在反应器中稳定存在,并始终是优势菌群.     

pH对亚硝化、厌氧氨氧化反应及联合工艺氮素转化的影响

利用具有pH调节功能的序批式反应器,分别接种好氧生物膜和厌氧颗粒污泥,研究了不同pH对自养生物脱氮工艺氮素转化的影响。结果表明:当pH为8.18时,亚硝氮累积速率较高,为0.79 kg/(m3·d)。当pH为7.85时,厌氧氨氧化菌脱氮效能达到最大,为1.52 kg/(m3·d)。联合工艺进水pH为7.7±0.1时,优先控制好氧段pH为7.5左右,厌氧段pH为7.6,氮去除速率高达0.98 kg/(m3·d)。     

一体式厌氧氨氧化工艺处理高氨氮污泥消化液的启动

利用新型固定生物膜一活性污泥反应器处理实际污泥消化液,通过接种短程硝化污泥和厌氧氨氧化生物膜填料,逐渐提高进水氨氮浓度并控制溶解氧浓度在0.11~0.42mg/L,系统在65d内实现了短程硝化-厌氧氨氧化反应的启动.反应器系统稳定运行阶段具有良好的污染物去除效果,进水COD和氨氮浓度为921和1120.8mg/L,COD、氨氮和总氮去除率分别为66.8%,99.0%和94.4%,总氮去除负荷为0.27kgN/(m3·d).试验表明采取逐步提高进水中消化液比例的策略,有利于一体式厌氧氨氧化工艺的快速启动.进一步分析发现系统同时存在厌氧氨氧化和反硝化的脱氮途径,对总氮去除的贡献率分别为67.4%~91.1%和8.9%~32.6%.     

原生颗粒污泥单级自养脱氮工艺处理污泥压滤液的研究

在长期运行的处理污泥压滤液的气提亚硝化反应器中发现了单级自养脱氮反应,并形成了具有自养脱氮性能的原生颗粒污泥.以原生颗粒污泥启动并运行了单级自养脱氮反应器,对污泥压滤液进行脱氮处理取得了良好效果.进水总氮浓度为350 mg.L-1左右时,总氮平均去除率为74.81%,最高达86.92%,总氮平均去除负荷(以N计,下同)为0.68 kg.(m3.d)-1,最高达0.90 kg.(m3.d)-1.投加粉末活性炭后单级自养脱氮反应得到强化,运行稳定性得到提高.进水基质浓度、氮负荷及曝气量对自养脱氮反应影响较大.污泥压滤液中的有机物、pH值和碱度对单级自养脱氮反应影响较小.曝气量/ΔTN、曝气量/ΔNH4+-N及ΔALK/ΔTN比值可作为单级自养脱氮反应重要的运行指标.     

SNAD反应器中颗粒污泥和絮体污泥脱氮特性

通过血清瓶批试研究了温度为30℃时, SNAD(simultaneous partial nitrification, anaerobic ammonium oxidization and denitrification)反应器内的颗粒污泥R1(1~2.5mm)和絮体污泥R2(0~0.25mm)的脱氮特性. 结果表明,颗粒污泥的好氧氨氮和好氧亚硝态氮氧化活性分别为0.166,0kgN/(kg VSS×d).厌氧氨氧化、亚硝态氮反硝化、硝态氮反硝化总氮去除速率分别为0.158,0.105,0.094kgN/(kg VSS×d).絮体污泥的好氧氨氮氧化活性和好氧亚硝态氮氧化活性分别为 0.180,0kgN/(kg VSS×d).厌氧氨氧化、亚硝态氮反硝化、硝态氮反硝化总氮去除速率分别为0.026,0.096,0.108kgN/(kg VSS×d).颗粒污泥和絮体污泥都具有良好的亚硝化性能和反硝化性能.颗粒污泥的厌氧氨氧化性能良好,絮体污泥的厌氧氨氧化性能较差.扫描电镜显示,在SNAD颗粒污泥的表面主要是一些短杆菌和球状菌.在SNAD颗粒污泥中心区域主要为火山口状细菌.在絮体污泥中,同时存在短杆菌,球状菌和火山口状细菌.     

不同方式启动全自养脱氮组合工艺对比研究

为探究不同进水方式实现快速启动全自养脱氮工艺(CANON)处理高含氮有机废水的可行性,该研究分别采用直接高浓度进水和梯度浓度进水在2个完全相同的ABR-CSTR组合一体式反应器(1#、2#反应器)中启动反应,考察系统中全自养微生物活性和总氮去除性能。结果表明,在相同水力停留时间和间歇曝气的条件下,2组反应器均能在较短时间内成功启动,但相较于直接高浓度启动,逐步提高进水浓度更有利于脱氮功能菌的生长富集;1#反应器受到高负荷启动的限制,运行44 d总氮去除率(NRR)始终低于50%,但接种污泥经连续培养驯化后,最终NRR逐步升高并稳定在80%左右;2#反应器在梯度浓度进水状态下运行至第39天时,NRR达到88%,氨氮去除率达到99%,总氮去除负荷达到0.863 4 kg/(m~3·d),反应器内壁出现较多红色污泥,成功启动CANON;微生物高通量测序表明,不同的进水模式下CANON系统中优势功能菌属均为Nitrosomonas和Candidatus Kuenenia。     

耦合反硝化的CANON生物滤池脱氮研究

为探究有机物对全程自养脱氮(CANON)工艺的脱氮性能的影响,采用上向流火山岩填料反应器处理模拟废水,在反应器最优工况下实现亚硝化、厌氧氨氧化与反硝化的耦合.结果表明,滤柱在氨氮浓度为200mg/L时的最优总氮去除率均值可达76.73%,总氮去除负荷为2.82kgN/(m3·d).C/N为0.2的有机物水平对反应器的脱氮效果具有促进作用,并可通过HRT的调节实现总氮去除率大于89%(理想条件下CANON的最大脱氮率).因此,通过控制C/N可以提升滤柱氮素去除效率.     

Performance of a completely autotrophic nitrogen removal over nitrite process for treating wastewater with different substrates at ambient temperature

The stability and parameters of a bio-ceramic filter for completely autotrophic nitrogen removal were investigated.The completely autotrophic nitrogen removal over nitrite(CANON) reactor was fed with different concentrations of ammonia(400,300,and 200mg N/L) but constant influent ammonia load.The results showed that the CANON system can achieve good treatment performance at ambient temperature(15-23°C).The average removal rate and removal loading of NH4+-N and TN was 83.90%,1.26kg N/(m3·day),and 70.14%,1.09kg N/(m3·day),respectively.Among the influencing factors like pH,dissolved oxygen and alkalinity,it was indicated that the pH was the key parameter of the performance of the CANON system.Observing the variation of pH would contribute to better control of the CANON system in an intuitive and fast way.Denaturing gradient gel electrophoresis analysis of microorganisms further revealed that there were some significant changes in the community structure of ammonium oxidizing bacteria,which had low diversity in different stages,while the species of anaerobic ammonium oxidizing(anammox) bacteria were fewer and the community composition was relatively stable.These observations showed that anaerobic ammonia oxidation was more stable than the aerobic ammonia oxidation,which could explain that why the CANON system maintained a good removal efficiency under the changing substrate conditions.     

排水速率对潮汐流人工湿地中CANON作用的强化

为强化潮汐流人工湿地（TFCW）中基于亚硝化的全程自养脱氮（CANON）作用,探究了不同排水速率（v_d）下系统中氮素的迁移转化机制与微生物特征.结果表明,v_d可显著影响TFCW中脱氮功能微生物的数量与活性,进而影响其氮素转化速率.当v_d由1.00降至0.50L/min时,填料层中逐渐形成较为严格的限氧环境,有利于短程硝化的稳定和厌氧氨氧化菌的富集,进而有助于CANON反应体系在TFCW中形成.而当v_d小于0.50L/min时,填料层中溶解氧相对不足,好氧氨氧化菌活性受到抑制,数量随之减少,CANON作用的强化效果有限,系统脱氮性能受到影响.当v_d为0.50L/min时,TFCW中的CANON作用可得到最大限度的强化,系统脱氮性能达到最佳,其TN和NH₄⁺-N的去除负荷分别为（116.79±13.16）和（102.75±4.35） mg/（L·d）.对v_d的合理设置可实现TFCW中CANON作用的强化,有利于CANON型人工湿地的构建.     

ANAMMOX富集与优化停曝比对MBR-SNAD工艺的影响

采用膜生物反应器（MBR）研究了厌氧氨氧化细菌在富集过程中的活性变化,在启动全程自养脱氮（CANON）工艺中以恒定曝气量,通过优化停曝比实现氨氧化细菌（AerAOB）和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）协同脱氮并且有效抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性,然后添加有机物（乙酸钠）逐步启动同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化（SNAD）工艺.结果表明,在厌氧氨氧化细菌富集过程中,通过不断缩短水力停留时间（HRT）提高进水氮负荷的方式强化厌氧氨氧化细菌活性,其平均活性由0.603mgN/（h·gVSS）提高到了8.1mgN/（h·gVSS）;当恒定曝气量为50mL/min,停曝比为4：10（min：min）时,AerAOB和AnAOB对氨氮的去除量分别占总氨氮去除量的58.8%和41.2%,NOB氧化亚硝态氮的量占总硝态氮生成量的15.3%,成功抑制了NOB的活性;当C/N比为0.5,调整停曝比为4：15后,反硝化过程氮去除量占总氮去除率的20.9%,厌氧氨氧化过程氮去除量占总氮去除率的79.1%,实现了AerAOB、AnAOB和反硝化细菌（DNB）协同脱氮的目的.     

基于侧流FNA处理的颗粒-絮体污泥CANON启动

为探究游离亚硝酸(FNA)侧流处理絮体污泥抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性启动全程自养脱氮(CANON)工艺的可行性,考察了FNA处理对氨氧化菌(AOB)和NOB活性的影响,探究在颗粒-絮体污泥SBR反应器中水力筛分的絮状污泥经侧流FNA处理的运行效果. 结果表明:0.6mg/L FNA处理后的R1经过30d运行,NH₄⁺-N去除率恢复到处理前的水平,并且短程硝化稳定,系统平均出水总氮为13.84mg/L,且△NO₃^--N/△NH₄⁺-N比值接近CANON反应方程式理论比值0.11,成功启动CANON工艺. 而0mg/L FNA处理的R2由于NOB大量增殖导致启动失败. 批次试验结果证实,经过0.6mg/L FNA处理后,6h内NOB活性仅为对照组(FNA=0mg/L)的16.39%,并且在随后的运行中并未发现NOB活性的恢复,NOB得到了有效的抑制. 但与此同时,AOB的活性也受到了影响,反应器中NH₄⁺-N去除率仅为处理前的69.69%,AOB活性6h仅恢复68.06%.     

上升流速对CANON工艺稳定性及微生物群落的影响

采用膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器作为全程自养脱氮（CANON）工艺启动运行的装置,考察了不同上升流速对CANON工艺脱氮性能的影响,并对固定生物膜-活性污泥（IFAS）系统内颗粒污泥粒径的变化和生物膜上的生物量进行定量分析,同时对颗粒污泥和生物膜上的微生物进行高通量分析,探究在不同聚集体上微生物群落结构的特点.结果表明,在连续运行过程中,上升流速由2m/h增加至6m/h的过程中,总氮去除负荷由0.20kg/（m³·d）逐渐增加至0.66kg/（m³·d）,而ΔNO₃^--N/ΔNH₄⁺-N的比值稳定在0.11,成功实现了CANON的高效稳定运行.当上升流速增加至8m/h时,CANON工艺脱氮性能失稳,总氮去除负荷（NRR）降低至0.42kg/（m³·d）,污泥平均粒径由1.3mm减小到0.9mm.上升流速恢复至6m/h后,CANON脱氮工艺脱氮性能逐渐恢复,最终NRR稳定在0.60kg/（m³·d）以上,污泥平均粒径恢复至1.2mm,生物膜生物量的比生长速率为0.0024d^-1.高通量测序显示,颗粒污泥中主要以氨氧化细菌（AerAOB）功能菌Nitrosomonas（2.45%）,和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）功能菌Candidatus Kuenenia（2.38%）为主要菌属;而生物膜中主要是AnAOB功能菌Candidatus Kuenenia（9.78%）、Candidatus Brocadia（4.23%）,同时还检测出少量AerAOB功能菌Nitrosomonas（0.40%）.结果表明两种微生物在不同聚集体上存在一定的差异性.     

部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合工艺处理污泥脱水液

在缺氧滤床+好氧悬浮填料生物膜工艺中实现部分亚硝化,然后进行厌氧氨氧化(ANAMMOX),考察其对高含氮、低C/N污泥脱水液的处理能力.结果表明,亚硝化反应器在15~29℃、DO 6~9mg/L条件下,通过综合调控进水氨氮负荷(ALR)、进水碱度/氨氮、水力停留时间(HRT)等运行参数,可以调节出水(NO2--N)/(NH4+-N)的比率,能够较好地实现部分亚硝化反应以完成厌氧氨氧化.当进水ALR为1.16kg/(m3·d),进水碱度/氨氮为5.1时,出水(NO2--N)/(NH4+-N)在1.2左右,(NO2--N)/(NOx--N)大于90%,进入ANAMMOX反应器的氮物质去除率达到83.8%.     

EGSB-CANON工艺启动及动力学特性

采用EGSB（Expanded Granular Sludge Bed）反应器,在启动全程自养脱氮（CANON）工艺中通过改变曝气方式以及优化曝气/非曝气逐步实现CANON工艺的稳定运行.通过研究不同曝气/非曝气条件下CANON工艺的脱氮性能的变化,探究系统内不同污泥粒径中功能菌的活性,揭示EGSB反应器不同的运行条件以及系统内不同粒径的微生物聚集体在CANON工艺启动过程中的影响机制与菌群结构特性.结果表明,当恒定曝气量为0.5L/min,曝气/非曝气为2：1（60min：30min）时,实现了AerAOB（Aerobic Ammonia-Oxidizing Bacteria）与AnAOB（Anaerobic Ammonium-Oxidation Bacteria）协同脱氮的目的,并成功将NOB（Nitrite-Oxidizing Bacteria）的活性由3.41mgN/（h·gVSS）抑制到0.75mgN/（h·gVSS）.在对AnAOB的双底物（NO₂^--N和NH₄⁺-N）抑制动力学结果进行Haldane拟合时,得到NH₄⁺-N和NO₂^--N的半饱和常数（k_s）、抑制动力学常数（k_h）分别为106.8,331.9mg/L,272.4,66.61mg/L,相关性系数（R²）分别为0.98133和0.99142.在CANON污泥颗粒化形成过程中,污泥粒径在0.154~0.335mm范围内主要以AerAOB为主,污泥粒径在1mm以上主要以AnAOB为主.不同粒径下微生物聚集体的协同作用以及稳定的群落结构实现了CANON工艺的稳定运行.