基于不同接种污泥复合型厌氧氨氧化反应器的快速启动特征

为获得快速启动厌氧氨氧化的最佳污泥源及厌氧氨氧化颗粒污泥的快速形成工艺,采用本实验室自主研发复合型CAMBR反应器(厌氧折流板反应器(ABR)+膜生物反应器(MBR),分别接种厌氧颗粒污泥(R1)和絮状反硝化污泥(R2),考察不同接种污泥的厌氧氨氧化启动特征和颗粒化程度.结果表明,R1与R2反应器分别耗时45 d和60 d均成功快速启动厌氧氨氧化,其启动过程均可分为活性停滞期、活性提高期、活性稳定期3个阶段,但每个阶段氮素的去除规律略有不同,稳定运行期内,R1和R2反应器内NH_4~+-N和NO-2-N的平均去除率均高达95%以上;此外,R1反应器中形成了直径0.8~1.6mm为主的厌氧氨氧化红色颗粒污泥,R2反应器则以不规则块状和絮状为主,颗粒化程度较低,两个反应器内均可观察到红色颗粒污泥上浮现象;稳定运行期内NH_4~+-N、NO-2-N和NO_3~--N之间的定量关系分析表明:R1反应器内可能存在着硝酸盐型厌氧氨氧化,致使NH_4~+-N过量转化,R2反应器内则为典型亚硝酸盐型厌氧氨氧化.     

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。     

ANAMMOX的快速启动及EPS在ANAMMOX颗粒污泥中的空间分布

为探讨厌氧氨氧化反应的快速启动过程及胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)在厌氧氨氧化颗粒污泥中的空间分布,采用厌氧序批式反应器(anaerobic sequencing batch reactor,ASBR)接种活性污泥成功启动厌氧氨氧化反应.结果表明稳定运行时,NH_4~+-N、NO_2~--N去除率均达到99%以上,TN去除率为89.87%±0.43%,总氮(TN)去除负荷达到1.7kg·(m~3·d)~(-1).NH_4~+-N与NO_2~--N的消耗量和NO_3~--N生成量之间的比例关系为1∶(1.32±0.08)∶(0.24±0.03).反应器运行中,出水pH和NO_3~--N浓度可作为反应性能的指标,快速判断反应器运行情况.蛋白质为厌氧氨氧化颗粒污泥EPS的主要组分,蛋白质(PN)和多糖(PS)的含量分别为(59.61±5.64)mg·g~(-1)、(12.21±2.04)mg·g~(-1),PN/PS为4.88±1.39.β-D-呋喃葡萄糖和死细胞集中分布在颗粒污泥最外层;活细胞、蛋白质、脂类、α-呋喃葡萄糖和α-甘露糖遍布整个颗粒污泥,但主要集中在外侧.蛋白质和脂类构成了厌氧氨氧化颗粒污泥的骨架,厌氧氨氧化菌分布在蛋白质和脂类中间.     

不同接种污泥ABR厌氧氨氧化的启动特征

采用两套相同的厌氧折流板反应器(ABR),分别接种厌氧絮状/颗粒污泥的混合污泥(R1)以及厌氧絮状污泥(R2).采用人工配水配制NH+4-N、NO-2-N负荷54.5~68.0 g·(m3·d)-1,在温度30~35℃,HRT为26 h,p H值7.5±0.5条件下,经过120 d、125 d分别成功启动厌氧氨氧化反应.两个反应器在氮素去除规律上基本相似,均经历了菌体水解期、活性停滞期、活性提高期和稳定运行期等4个阶段.在稳定运行期间,R1、R2反应器中NH+4-N、NO-2-N的平均去除率都高达90%以上,且NH+4-N、NO-2-N的平均去除负荷为57.3~67.9 g·(m3·d)-1,R1在NH+4-N的去除负荷上略高于R2.值得一提的是,90%以上的氮素都在ABR反应器的第一格室被去除.同时,随着水流的方向,污泥的颜色逐渐由少量红棕色、黄褐色向黑色转变,这与氮素去除规律一致.由此表明,接种污泥的不同并未造成ABR厌氧氨氧化反应器的启动规律和污染物去除特征有明显差异.     

厌氧氨氧化工艺的启动及有机物浓度对其影响研究

鉴于反硝化菌与厌氧氨氧化菌具有相似的生理特性,采用CSTR反应器研究了以异养反硝化污泥启动厌氧氨氧化系统的可行性,并考察了其对高氨氮废水的处理潜能。反应器运行170 d后,试验结果表明,此方法可快速培育出具有厌氧氨氧化活性的污泥,NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率分别可达99.20%和99.69%。在此基础上考察了有机物浓度对厌氧氨氧化性能的影响,结果表明:低浓度(ρ(COD)≤150 mg/L)有机物可促进厌氧氨氧化活性,而高浓度(ρ(COD)≥200 mg/L)有机物抑制厌氧氨氧化进程,该系统最适ρ(COD)/ρ(NH_4~+-N)为2.14,此时NH_4~+-N和NO_2~--N的去除率分别为99.41%和99.65%。     

K+强化高盐环境下厌氧氨氧化脱氮效能

针对含盐废水生物脱氮效能较低的问题,采用厌氧序批式反应器研究了K~+浓度变化对厌氧氨氧化污泥脱氮效能的影响.结果表明,适量的K~+可有效的提升反应器脱氮效能,K~+对厌氧氨氧化污泥脱氮效能的影响主要分为4个阶段:适应阶段,K~+浓度为(0~2 mmol·L~(-1)),K~+的突然添加破坏了原有反应平衡,但最终厌氧氨氧化菌适应了K~+的存在,由于K~+还未对厌氧氨氧化菌产生明显效果,NH_4~+-N和NO_2~--N去除率略有上升;活性提升阶段(2~8 mmol·L~(-1)),K~+对厌氧氨氧化生物系统有促进作用,随着K~+浓度的提升,NH_4~+-N和NO_2~--N去除率显著提升;活性稳定阶段(8~20 mmol·L~(-1)),厌氧氨氧化菌脱氮效能处于稳定状态,NH_4~+-N和NO_2~--N去除率虽有下降,但还是高于未添加K~+时;抑制阶段(大于20 mmol·L~(-1)),此时厌氧氨氧化菌活性降低,K~+对厌氧氨氧化产生较大抑制,脱氮效能已低于0 mmol·L~(-1).在整个周期内K~+浓度8 mmol·L~(-1)时达到最佳去除效果,NH_4~+-N与NO_2~--N的平均去除率为89.24%和84.87%,NRR为1.113 kg·(m~3·d)~(-1).     

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.     

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.     

制革废水的厌氧氨氧化ABR脱氮工艺研究

采用小试规模的厌氧折流板反应器(ABR)研究制革废水的厌氧氨氧化脱氮.结果表明,ABR可作为实现厌氧氨氧化的良好反应器,厌氧氨氧化ABR反应器能有效和稳定地处理制革废水.当进水NH+4-N为25.0~76.2 mg·L-1、COD为131~237 mg·L-1,NH+4-N容积负荷为0.05~0.15 kg·(m3·d)-1时,出水NH+4-N为0.20~7.12 mg·L-1、COD为35.1~69.2mg·L-1,去除率分别达到90.8%~99.6%和66.9%~74.7%.此外,厌氧氨氧化ABR反应器污泥在驯化和运行过程中形成了棕红色、棕黄色和红色的颗粒污泥.电镜扫描观察证实在厌氧氨氧化ABR反应器的4个隔室的颗粒污泥中均存在厌氧氨氧化菌.荧光原位杂交(FISH)检测结果显示厌氧氨氧化菌在驯化和运行过程中出现不同程度的增殖,厌氧氨氧化ABR反应器4个隔室的污泥中厌氧氨氧化菌所占比率分别由4%增加到9%、8%、12%和30%,呈现出前段隔室少、后段隔室多的分布规律.     

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.     

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.     

基质暴露水平对ANAMMOX微生物活性及生物量的影响

基质暴露水平对ANAMMOX微生物的生长代谢有着重要意义,目前关于基质暴露水平对ANAMMOX污泥长期富集过程中生长特性的研究少有报道.采用两个连续流搅拌反应器,在逐步提升进水负荷的过程中,研究了高基质暴露水平培养方式(R1:出水NH_4~+-N和NO_2--N浓度均为40～60 mg·L~(-1))与低基质暴露水平培养方式(R~2:出水NH_4~+-N和NO_2--N浓度均为0～20 mg·L~(-1))对ANAMMOX微生物生长量和生物活性,以及反应器脱氮效能的影响及机制.结果表明,高基质暴露水平培养方式更有利于ANAMMOX反应器脱氮性能的提升.相比之下,高基质暴露水平培养方式下获得的NLR [0. 69 kg·(m~3·d)~(-1)]和NRR [0. 41 kg·(m~3·d)~(-1)]分别是低基质暴露水平培养方式的2倍;高基质暴露水平培养方式下,ANAMMOX污泥浓度(以VSS计)和总基因拷贝数分别达到1805 mg·L~(-1)和4. 81×1012copies,更有利于ANAMMOX微生物的快速富集培养;低基质暴露水平培养方式下,ANAMMOX污泥的活性更强[以N/VSS计,0. 27 g·(g·d)~(-1)],有利于富集生物活性更高的ANAMMOX污泥.     

基质比对ABR厌氧氨氧化工艺脱氮性能的影响

为解决厌氧氨氧化底物去除不彻底导致总氮去除偏低的问题,通过控制不同的进水基质比,对厌氧折流板反应器(ABR)的厌氧氨氧化脱氮性能进行了研究.结果表明,ABR厌氧氨氧化系统最佳进水N_2~O--N/NH+4-N为1.34,此时NH+4-N和N_2~O--N的去除率同时达到99.99%左右,总氮去除率达到峰值为87%,当进水N_2~O--N/NH+4-N从1逐渐降低至0.49和从1.34逐渐提高至1.62时,反应器对NH+4-N和N_2~O--N的绝对去除量较为稳定,NH+4-N或N_2~O--N过量对ABR厌氧氨氧化系统没有产生明显抑制;此外,不同基质比条件下,NH+4-N和N_2~O--N的去除基本在第1隔室完成,基质比变化对ABR各隔室的脱氮效果没有产生显著影响,ABR厌氧氨氧化系统对基质浓度的变化具有较好的稳定性.     

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.     

一体式短程硝化-厌氧氨氧化工艺启动过程的亚硝酸盐调控

以两类中试反应器（SBR,116.6 m³,活性污泥法和SBBR,64.8 m³,泥膜法）为对象,接种猪场废水处理厂的活性污泥,通过控制DO、曝气方式为主和外加NaNO₂为辅的亚硝酸盐调控策略,考察不同反应器在启动一体式短程硝化-厌氧氨氧化（combined partial nitritation and ANAMMOX,CPNA）工艺过程中NO₂^--N浓度对ANAMMOX菌的影响.结果表明,在相同运行条件下,泥膜共生的SBBR更适于短程硝化的快速启动.尽管受到NO₂^--N抑制（100~129 mg ·L^-1,共计7 d）,但SBR在第39 d成功启动了ANAMMOX工艺,其TNRR和TNRE分别为0.069 kg ·（m³ ·d）^-1和23.3%,而长达17 d的NO₂^--N抑制（129~286 mg ·L^-1）则对SBBR中ANAMMOX菌活性造成了难以恢复的影响.外加NaNO₂后,SBR在第77 d成功启动了CPNA工艺,TNRR和TNRE分别从第51 d的0.070 kg ·（m³ ·d）^-1和16.0%迅速提高至第77 d的0.336 kg ·（m³ ·d）^-1和52.2%,ANAMMOX菌的活性也由最初的0.012 kg ·（kg ·d）^-1快速升高至第77 d的0.307 kg ·（kg ·d）^-1;SBR中AOB和ANAMMOX菌的基因拷贝数浓度由最初的8.06×10⁶ copies ·mL^-1和4.42×10⁴ copies ·mL^-1分别增长至第77 d的1.02×10⁹ copies ·mL^-1和1.77×10⁷ copies ·mL^-1,表明以调控DO和曝气方式为主,辅以外加NaNO₂的亚硝酸盐调控策略可有效实现反应器中AOB和ANAMMOX菌的快速增长.合理的NO₂^--N调控是CPNA工艺快速启动的关键因素.     

厌氧氨氧化颗粒污泥快速培养及其抑制动力学

为实现厌氧氨氧化颗粒污泥(ANAMMOX granular sludge,AGS)的快速培养,采用上流式厌氧污泥床(up-flow anaerobic sludge bed,UASB)工艺,在添加少量絮状厌氧氨氧化污泥(flocculent ANAMMOX sludge,FAS)的反应器内填充生物流离球作为填料,对ANAMMOX的启动及FAS的颗粒化进行研究.同时利用Haldane模型研究AGS的基质抑制动力学特性.结果表明,利用生物流离球作为填料,实现了ANAMMOX的启动,总氮去除率达85%以上,总氮容积负荷为0. 72 kg·(m3·d)-1,并在127 d内成功培养出直径1. 0～3. 0 mm的AGS.动力学研究表明,反应器内AGS对氨和亚硝酸盐的最大反应速率分别为1. 46 kg·(kg·d)-1和1. 76 kg·(kg·d)-1,半抑制速率分别是852. 2 mmol·L-1和108. 2 mmol·L-1.与絮状污泥相比,AGS能承受更高的氨和亚硝酸盐抑制浓度,并保持较高的反应速率.采用含有海绵的生物流离球作为填料,能有效加速反应器的启动,加快AGS的形成,对厌氧氨氧化工艺的实际运行具有积极的意义.     

基于CANON工艺的新型HABR反应器生物脱氮性能研究

采用新型复合式折流板反应器(HABR)启动及运行全程自养脱氮(CANON)工艺.通过缩短水力停留时间(HRT)的方式提高进水总氮负荷启动反应器,反应器运行成功后,考察反应器沿程氮素、电导率、p H值及MLSS的变化规律,并对反应器内微生物种群形态结构及空间分布进行分析.结果表明,当进水NH_4~+-N平均浓度为40 mg·L~(-1)时,经过89 d的连续运行,新型HABR反应器实现了快速启动,并能稳定运行至187 d,稳定运行期出水NH_4~+-N和TN浓度分别稳定在2 mg·L~(-1)和10 mg·L~(-1)以下,去除率分别达到96%和83%以上,NRR达到0.15 kg·(m~3·d)~(-1).稳定运行阶段,NH_4~+-N与TN浓度在反应器沿程逐渐降低,NO-2-N和NO-3-N的生成量一直维持在较低浓度.第1个单元格脱氮效率最高,通过SEM和FISH分析表明,在第1个单元格中存在丰富的功能菌种亚硝化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(An AOB).     

容积负荷对ABR-MBR工艺反硝化除磷性能的影响

采用连续流ABR-MBR组合工艺处理生活污水,研究不同容积负荷(volume loading rate,VLR)对该工艺反硝化除磷性能的影响,获得最佳工艺参数.试验考察ABR进水容积负荷(以COD计,下同)分别为0.76、1.01、1.51和2.27 kg·(m~3·d)~(-1)时系统去碳脱氮除磷的性能,并在各ABR容积负荷条件下考察MBR容积负荷对MBR反应器硝化性能的影响.结果表明,在ABR进水容积负荷为1.51 kg·(m~3·d)~(-1)的条件下,系统A2隔室COD去除量最大,并在MBR容积负荷为0.462 kg·(m~3·d)~(-1)时,MBR反应器中实现了短程硝化,系统NH_4~+-N和TN去除率分别达到90%和72%以上,厌氧释磷量为7.41 mg·L~(-1),缺氧吸磷量达到15.42 mg·L~(-1),出水PO_4~(3-)-P浓度低于0.5 mg·L~(-1),这表明短程硝化更有利于强化ABR-MBR系统的反硝化除磷性能.