新型厌氧氨氧化反应器脱氮性能及过程动力学特性的研究

对新型厌氧氨氧化折流板反应器的启动和运行性能进行了研究,并对其过程动力学特性进行了分析.试验中采用了两种启动策略：一是固定水力停留时间（HRT）（24h）并逐步提高进水基质浓度,二是固定进水浓度并逐步缩短HRT.结果显示后者（低基质浓度高水力负荷）更利于厌氧氨氧化反应器的启动.当厌氧氨氧化反应成功启动后,消耗的氨氮亚硝...     

盐度对中试厌氧氨氧化脱氮特性的影响及其恢复动力学

采用中试ASBR反应器(530 L),以逐步提高Cl~-浓度的方式考察了厌氧氨氧化菌(An AOB)处理高盐废水的脱氮特性.结果表明,采用逐步盐度驯化的方式,An AOB可适应高盐度(Cl~-浓度10 000 mg·L~(-1))环境进行高效脱氮(TN去除率高达92. 3%).其中,在Cl~-浓度6 000 mg·L~(-1)和10 000 mg·L~(-1)两个梯度内,反应器脱氮性能受到了较大影响,但随着驯化过程的持续进行可逐步恢复.修正的Boltzmann模型能较为准确地拟合An AOB受到不同盐度抑制后的活性恢复过程,相关系数R~2均在0. 96以上.得到的Cl~-浓度6 000 mg·L~(-1)和10 000 mg·L~(-1)时的恢复中间值tc分别为28. 765 d和44. 495 d,NRRmax分别为0. 145 kg·(m~3·d)~(-1)和0. 212 kg·(m~3·d)~(-1),NRRmin分别为0. 021 kg·(m~3·d)~(-1)和0. 085 kg·(m~3·d)~(-1).高盐度驯化后,厌氧氨氧化菌仍主要为Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia(其丰度分别是14. 76%和2. 7%),且污泥颗粒化程度和污泥密度均有不同程度的提高,污泥呈红褐色.     

ASBR反应器厌氧氨氧化脱氮II:反应动力学

研究了ASBR厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应器稳定条件下周期内的基质动力学特性以及过程抑制动力学特性,并得到适合描述上述特性的动力学模型.其中,稳态下周期内基质去除模型是首次被调查研究,研究发现,修正的Logistic模型和修正的Boltzmann模型相比Grau二级基质去除模型和修正的Gompertz模型而言,更适合描述稳态下周期内基质去除特性,并且通过模型得到了周期内任意t时刻下的出水总氮和总氮去除率预测公式.运用Haldane模型和Aiba模型建立了出水FA浓度与总氮去除负荷(TN RR)以及出水NO2--N浓度与总氮去除负荷(TN RR)之间的关系,结果表明:Haldane模型更适合用来描述基质抑制动力学特性,模型预测得到的出水FA和出水NO2--N抑制浓度分别为72.36mg/L和140.60mg/L.上述动力学模型的应用和动力学参数的获得可能会有助于ASBR反应器的优化设计和过程控制.     

中试一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的启动与区域特性

通过好氧区接种亚硝化悬浮填料,厌氧区接种厌氧氨氧化絮状污泥和普通厌氧污泥研究了中试规模下一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的启动与区域特性.结果表明,历时74 d成功启动中试一体式PN-ANAMMOX反应器,整体氮去除速率由0.02 kg·(m3·d)-1上升至0.48 kg·(m3·d)-1左右,可达到快速启动的效果,接种ANAMMOX污泥的比例与活性是实现PN-ANAMMOX反应器快速启动的关键因素;对两区域氮素转化特性分析表明,好氧区中AOB一直处于优势地位,NOB受到DO和基质的双重抑制,亚硝化效果稳定,NPRa由0.22 kg·(m3·d)-1上升到0.58 kg·(m3·d)-1左右,NAPa随着厌氧区脱氮能力的提升可达95%以上;厌氧区为一体式PN-ANAMMOX反应器的关键性区域,NRRana由0.02 kg·(m3·d)-1上升至4.7 kg·(m3·d)-1左右,期间中常温(温度由32℃下降至27℃)的变化首先对厌氧区产生影响,NRRana下降至3.7kg·(m3·d)-1左右,降低约21%,而对好氧区影响不大;在长时间运行下,两区域均可实现大量ANAMMOX菌的富集,此时好氧区也具有一定的脱氮能力,厌氧区则起强化脱氮的作用.     

盐度对厌氧氨氧化反应器运行性能的影响

考察了厌氧氨氧化反应器处理高盐度、高浓度含氮废水的可行性.结果表明,高盐度显著抑制厌氧氨氧化活性,这种抑制具有可逆性.在30g·L-1(以NaCl计)盐度条件下,未驯化泻泥的厌氧氨氧化活性比对照(无盐水质条件)低67.5%;驯化污泥的厌氧氨氧化活性只比对照低45.1%.由高盐环境转移到低盐环境(无盐水)时,驯化污泥的厌氧氨氧化活性可提高43.1%.通过逐渐提高盐浓度,并调整反应器容积负荷避免基质抑制,可使厌氧氨氧化反应器适应30g·L-1(以NaCl计)盐度,其处理效能与对照期接近.但由于高盐度条件对厌氧氨氧化细菌生长的负面影响,反应器长期运行于高盐度条件下,容易出现功能衰退.     

厌氧氨氧化工艺在UASB反应器中的启动运行研究

利用UASB反应器进行了厌氧氨氧化工艺的启动运行研究。以自配高氮低碳废水为进水,普通厌氧污泥为接种污泥,在温度35℃,pH7.5～8.0的条件下连续运行220d,成功实现了厌氧氨氧化工艺的启动,氨氮容积负荷为0.43kg/(m~3·d)时,氨氮的去除率最高达88.3％,扫描电镜的观察结果表明,厌氧氨氧化污泥中的细菌以形状不规则的短杆菌为主。     

常温下厌氧氨氧化生物膜反应器的启动研究

以广东省某垃圾填埋场SBR池活性污泥为接种污泥,以含氮模拟废水为对象,研究了常温条件下UASB-Anammox生物膜反应器的启动情况。结果表明,UASB生物膜反应器运行97d后,NH4+-N和NO2--N的去除效率均可达90%以上,NH4+-N去除量、NO2--N去除量和NO3--N生成量之比为1:1.44:0.26,pH值稳定在8.5左右,污泥由黄褐色转为红褐色,成功启动了厌氧氨氧化反应器。启动成功后,将反应器温度从24℃降至18℃,总氮的去除率依然可以保持90%以上,表明常温下启动运行的厌氧氨氧化生物膜反应器具有良好的温度适应性。     

厌氧氨氧化反应器微生态的研究

运用显微技术、常规的分离纯化和分子生物技术的方法研究了厌氧氨氧化系统中微生物群落结构和多样性.在实验室条件下,上流式厌氧污泥床(UASB)反应器和UASB生物膜反应器在无机和黑暗的条件下成功富集了厌氧氨氧化菌,在适宜的温度30-34℃和pH7～8条件下,氨氮和亚硝酸盐氮在UASB反应器的去除率分别为99.99%和99.9%,在UASB生物膜反应器的去除率分别为99.3%和97.4%.通过传统的鉴定方法分析了该系统中的细菌、真菌和放线菌,表明2套反应器中微生物类群基本一致,都以厌氧或缺氧的细菌为主,大部分微生物在污泥中浓度很低.电镜观察发现优势菌是大小为(0.6～0.8)μm × (0.9～1.2)μm的椭圆形菌,占菌群的90%以上.变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)和16SrDNA片段的酶切表明该系统只有1种优势的微生物,微生物多样性不高.     

超声强化作用下厌氧氨氧化工艺启动运行性能

通过批式实验,得到超声波强化Anammox菌活性的最优工作参数,超声频率25kHz、超声时间3min、超声强度0.2 W/cm²,而后在此最优超声强化条件下采用固定床反应器接种传统活性污泥启动Anammox工艺.整个试验过程,温度维持在35℃.在启动阶段,水力停留时间（HRT）为2d,控制进水NH₄⁺-N和NO₂^--N浓度为70mg/L.反应器运行至第38d,首次表现Anammox活性.运行至53d时,NH₄⁺-N、NO₂^--N去除速率和去除率分别为30.81,34.97mgN/（L·d）和88.03%、99.91%,总氮去除速率和去除率达60.34mgN/（L·d）和86.20%.R₁和R₂分别稳定在1.14和0.18.在负荷提升阶段（53~135d）,当进水NH₄⁺-N和NO₂^--N负荷维持在最高值380mg/（L·d）时,NH₄⁺-N和NO₂^--N平均去除效率分别为82.74%和97.89%.NH₄⁺-N和NO₂^--N最大去除速率分别为320.67和379.85mgN/（L·d）,最大总氮去除速率和去除率为698.00mgN/（L·d）和91.84%.负荷提高阶段末,R₁稳定在1.18左右,R₂接近于0.反应器内Anammox菌占主导,存在少量反硝化菌强化总氮去除.     

铁离子对厌氧氨氧化反应器性能的影响

考察了铁离子对厌氧氨氧化反应器性能的影响.研究发现,经过205d的连续培养,添加铁离子可提高反应器的基质转化能力,铁离子浓度为0.075 mmol·L-1时,反应器对NH4+-N和NO2--N的最大去除速率分别为对照(铁离子浓度0.03 mmol·L-1)的1.8倍和1.6倍;添加铁离子可促进厌氧氨氧化菌生长,以NO3--N产生量和挥发性固体浓度(VS)表征厌氧氨氧化菌生长,铁离子浓度为0.075 mmol·L-1时,细胞生长量为对照(铁离子浓度为0.03 mmol·L-1)的1.36倍;试验反应器的VS是对照的2.15倍.添加铁离子可引起厌氧氨氧化菌细胞结构改变,细胞内产生不明灰色区域.试验还证明,厌氧氨氧化菌对铁离子的需求量相对较大,原有厌氧氨氧化菌培养基的铁含量相对不足.     

长期饥饿下厌氧氨氧化反应器的启动与恢复性能

厌氧氨氧化菌生长缓慢,其富集过程困难,是限制厌氧氨氧化技术应用的瓶颈. 因基质供应不足导致的功能菌长期饥饿使厌氧氨氧化（ANAMMOX）反应器稳定运行面临更大挑战. 从长期饥饿的视角出发,重新审视厌氧氨氧化反应器的启动和恢复性能、揭示其抗性机制具有现实意义. 分别采用硝化和反硝化污泥在不同运行条件下成功启动了厌氧氨氧化反应器,分析了长期饥饿后不同启动策略下反应器的恢复性能,及污泥对长期饥饿的耐受机制. 结果表明,接种反硝化污泥的反应器采用高基质浓度低流速运行更稳定,运行85 d后NH₄⁺-N、NO₂^--N和总氮去除率分别高达98.7%、99.3%和89.3%;但长期饥饿（144 d）后采用低基质浓度高流速运行的氮去除性能更优,NH₄⁺-N、NO₂^--N和总氮去除率可在30 d后分别恢复至99.8%、99.8%和93.6%. 研究发现,饥饿期胞外多聚物将厌氧氨氧化菌包裹,有助于保持细胞完整以抵抗长期饥饿胁迫;nirS、hzsA和hdh基因的表达,保证了亚硝酸盐/一氧化氮氧化还原酶、联氨合成酶和联氨脱氢酶的合成,有助于维持厌氧氨氧化活性. 饥饿恢复前后厌氧氨氧化菌属的相对丰度无显著差异,其中Candidatus Kuenenia经30 d恢复后相对丰度提升86%以上,表明其对长期饥饿更具耐受性.     

有机碳源作用下厌氧氨氧化系统的脱氮效能

采用ASBR厌氧氨氧化反应器,研究不同有机碳源及浓度变化对厌氧氨氧化菌活性与反应器脱氮性能的影响.实验结果表明,当葡萄糖浓度为200 mg·L~(-1)时,厌氧氨氧化活性下降84.2%;当乙酸钠浓度低于120 mg·L~(-1)时不但不会抑制厌氧氨氧化菌的活性,还在一定程度上促进了厌氧氨氧化反应的进行;蔗糖对厌氧氨氧化的促进作用与乙酸钠类似,当浓度为80mg·L~(-1)时,最大比厌氧氨氧化速率提高了25.0%;柠檬酸三钠对厌氧氨氧化反应几乎没有影响,当有机物浓度为80 mg·L~(-1)时,最大比厌氧氨氧化速率达到最大.有机碳源对厌氧氨氧化的促进作用由大到小为:蔗糖乙酸钠柠檬酸三钠葡萄糖.有机碳源作用下,厌氧氨氧化反应可协同反硝化反应去除系统中的硝态氮,提高了系统总氮的去除率.     

全海水盐度抑制下厌氧氨氧化工艺的恢复特性

采用ASBR厌氧氨氧化反应器,研究了ANAMMOX反应器在全海水盐度(100%海水比例)下的抑制及恢复特性.结果表明受到盐度抑制后,ANAMMOX反应器的容积氮去除负荷(NRR)在经过了对盐度响应的敏感期、过渡稳定期和恢复期后可以再次进入稳定期,稳定期的NRR可达0.52 kg·(m~3·d)~(-1),与对照组[10%海水比例,NRR为0.462 kg·(m~3·d)~(-1)]接近.对修正的Logistic模型和修正的Gompertz模型做了改进,拓展了模型的适应性.推荐使用再次修正的Logistic模型,对受到全海水盐度抑制后的NRR恢复过程进行模拟.通过建立ANAMMOX反应器NRR恢复时间的预测公式,得到了全海水盐度下NRR的倍增周期为11.359 d.     

常温低基质下碱度和溶解氧对厌氧氨氧化的影响

通过改变进水碱度、光照条件和溶解氧,对以陶粒为填料的常温低基质上向流厌氧氨氧化生物滤柱的脱氮性能进行了研究.借助克隆测序技术对滤柱内的微生物菌群进行了分析.结果表明,水温为20℃±2℃,水力停留时间为3 h条件下,当进水碱度在44~350 mg·L-1时,随着碱度的降低,氨氮去除率从97.2%降至75.6%,总氮去除率从89.7%降至75.1%,而亚硝氮去除率稳定在99.7%,进水碱度为0 mg·L-1时,出水亚硝氮浓度突跃至4.9 mg·L-1.当进水碱度恢复至350 mg·L-1,存在自然光照情况下,氨氮去除率较没有光照时的氨氮去除率降低12.3%.水力停留时间为1.5 h条件下,当进水DO小于3mg·L-1时,平均氨氮去除率和亚硝氮去除率分别为99.7%和100%,平均总氮去除负荷为1.0 kg·(m3·d)-1.16S rRNA克隆测序鉴定结果表明,滤柱下部的厌氧氨氧化菌种类为Candidatus Jettenia asiatica和Candidatus Brocadia sp.,这两种菌对20℃±2℃水温有很好的适应性.     

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).     

短程深度脱氮中试工艺的低温启动和维持

试验采用有效体积为7.0 m3的SBR中试反应器处理生活污水,考察了低温条件下短程深度脱氮工艺的启动方法及稳定性.利用基于鼓风机频率(BF)和pH的实时控制策略对SBR系统进行实时控制.结果表明,SBR系统在低温条件(11～16℃)和50 d内快速启动短程深度脱氮工艺,亚硝酸盐积累率从19.8%上升到90%.在中低温条件(9～28℃)下短程深度脱氮性能维持长达550 d,亚硝酸盐积累率始终维持在95%左右,出水TN浓度维持在3 mg·L-1,TN去除率维持在95%以上.由此可见,低温下启动SBR短程深度脱氮工艺并长期维持完全可行.     

气升装置对厌氧氨氧化污泥形态及性能的影响

通过接种粒径小于0.9 mm的厌氧氨氧化污泥,启动具有气升装置的上流式厌氧反应器.利用厌氧氨氧化过程产生的氮气作为动力,研究了气升回流系统在厌氧反应器中对厌氧氨氧化污泥形态和性能的影响.结果表明,在反应器启动初期,反应器脱氮速率较低,产气量很小,导致厌氧氨氧化污泥易于凝聚.当脱氮速率达到3.4 kg·(m3·d)-1时,气升产生的回流量明显,反应器自回流系统形成.经过183 d运行,污泥颗粒中MLVSS含量随着污泥粒径增加而不断增长,粒径分布主要集中在1.6~2.5 mm,占污泥总体积的53.2%.与外置回流泵相比,气升装置具有同样功能,产生的回流有利于厌氧氨氧化反应器内污泥的颗粒化,同时减少回流泵所需要的动力消耗和设备费用.     

温度对ANAMMOX生物膜工艺的脱氮影响与菌群结构分析

针对厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)工艺常低温运行问题,分别采用无纺布与改性聚氨酯泡沫塑料填料序批式生物膜反应器(sequence batch biofilm reactor,SBBR)处理含氮污水,考察了从35℃降至15℃过程的脱氮效果.结果表明,在进水氮容积负荷...     

膜生物反应器组合工艺处理PTA废水的研究

采用膜生物反应器为核心的组合工艺对PTA废水进行处理,考察了组合工艺的处理效果。结果表明,该工艺对PTA废水有较好的处理效果,系统抗负荷冲击性强,出水水质好。在有机负荷为3.55kgCOD/m3d时,系统出水CODcr稳定在120mg/L以下,COD去除率高达95%以上。同时构建了MBR系统有机底物降解动力学模型,并对其进行了分析。     

不同种泥的厌氧氨氧化反应器的启动及动力学特征

采用2套UBF反应器R1和R~2,R1接种好氧硝化污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,R~2接种厌氧消化絮状污泥与厌氧氨氧化-反硝化污泥的混合污泥,采用逐渐提高进水亚硝氮和氨氮浓度的方式富集培养ANAMMOX菌.结果表明,R1启动时间短,仅耗时36 d就成功启动了厌氧氨氧化反应器,而R~2则需要53 d; R1和R~2脱氮效果均较好,但R1脱氮效果优于R~2且稳定.在稳定运行阶段,R1氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为99. 92%、96. 64%和81. 87%左右,R~2氨氮、亚硝氮和总氮去除率分别为97. 54%、94. 91%和80. 98%左右.反应器启动成功后,Candidatus Kuenenia属在所检测出的属中丰度位列前六,在R1和R~2中的相对丰度分别为3. 22%和2. 35%;改进的Stover-Kincannon基质去除模型和二级动力学模型对拟稳态阶段R1和R~2的脱氮性能均能进行较好地拟合,经计算,R1的最大基质去除速率Umax稍大于R~2,说明R1的脱氮潜力较大.