1、“可持續(xù)發(fā)展”和“節(jié)能減排”是當(dāng)今廢水處理技術(shù)研究與開發(fā)的指導(dǎo)思想和重要原則。論文通過實(shí)驗(yàn)室EGSB和BAF廢水處理反應(yīng)器及其耦合的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)、序批式反應(yīng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和分子生物學(xué)測試與分析,配合進(jìn)行理論論證和模型研究,對(duì)厭氧氨氧化甲烷化反硝化的動(dòng)力學(xué)規(guī)律、耦合機(jī)理及影響因素,O2和或微量NO2下氨氧化菌的氨代謝特性及其動(dòng)力學(xué),EGSB與限制氧曝氣BAF耦合處理廢水的技術(shù)特點(diǎn),進(jìn)行了深入和系統(tǒng)研究;以便為研究和開發(fā)集好氧氨氧化、厭氧氨氧化

2、、甲烷化和反硝化為一體的廢水生物處理新技術(shù),在高容積負(fù)荷速率下同時(shí)去除COD和氨組分的前提下節(jié)約能源和有機(jī)碳源,提供科學(xué)依據(jù),積累重要技術(shù)資料。論文得到如下主要研究結(jié)果:①以好氧活性污泥和厭氧活性污泥接種于2個(gè)膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器中,進(jìn)水流量為10 mL/min,回流量為180 mL/min,進(jìn)水COD濃度在180 mg/L,有機(jī)負(fù)荷率(OLR)和污泥負(fù)荷率(SLR)分別為2.51 kgCOD/(m3.d)和0.19 kgC

3、OD/(kgMLSS.d),出水COD維持在約40 mg/L,COD去除率達(dá)80％以上?？刂茰囟仍?2～35℃,pH在6.8～7.2,反應(yīng)器內(nèi)氧化還原電位在-340 mV以下,水力停留時(shí)間(HRT)4.2 h,上升流速4.86 m/h以及加入80 mg/L絮凝劑(硫酸鋁鉀),進(jìn)而縮短了啟動(dòng)時(shí)間,促進(jìn)了顆粒污泥的形成。分別經(jīng)過60 d和120 d運(yùn)行,反應(yīng)器啟動(dòng)成功。試驗(yàn)結(jié)果表明,上升流速、絮凝劑和污泥類型對(duì)顆粒污泥的形成有明顯影響;接種

4、好氧活性污泥在低濃度COD下,合理控制負(fù)荷率仍能成功啟動(dòng)EGSB反應(yīng)器。②完成啟動(dòng)的EGSB反應(yīng)器控制溫度在32℃～35℃、pH值在7.3～8.3、氧化還原電位在-40 mV~-150 mV,水力停留時(shí)間(HRT)和上升流速與啟動(dòng)期相同,進(jìn)水中添加亞硝酸鹽和氨鹽組分,經(jīng)過240 d運(yùn)行,逐步耦合厭氧氨氧化甲烷化反硝化。EGSB1＃和EGSB2＃進(jìn)水有機(jī)容積負(fù)荷速率(OLR)分別為4.8 kgCOD/(m3.d)和2.88 kgCOD/(

5、m3.d),污泥負(fù)荷速率(SLR)分別為0.55 kgCOD/(kgMLSS.d)和0.33 kgCOD/(kgMLSS.d),COD去除率分別達(dá)到85%和76%,氨氮去除率分別達(dá)到35%和20%,亞硝態(tài)氮去除率都達(dá)到99.9%,總氮去除率分別達(dá)到67%和59%。結(jié)果表明,pH、溫度、溶解氧、氧化還原電位、亞硝酸鹽和有機(jī)物COD對(duì)EGSB反應(yīng)器中厭氧氨氧化甲烷化反硝化的耦合和顆粒污泥的特性有影響。③用間歇式試驗(yàn)同時(shí)測定顆粒污泥的氨氮和亞

6、硝態(tài)氮的消耗量,求得污泥厭氧氨氧化活性為9.84×10-4 mgNH+4-N/(mgMLSS.h)或者12.9×10-4 mgNO2--N/(mgMLSS.h);通過16S-rRNA的分子生物學(xué)基因序列測試,發(fā)現(xiàn)了一種新的厭氧氨氧化菌(anaerobic ammonium-oxidizing Planctomycete cquenviron-1)。④在間歇式試驗(yàn)反應(yīng)器中接種顆粒污泥,對(duì)厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分別研究。求

7、得厭氧氨氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù):最大氨氮反應(yīng)速率為6.65×10-3(mg NH+4-N/(mgMLSS.h)),氨氮半飽和常數(shù)為87.1 mg/L,氨氮抑制常數(shù)為1123 mg/L;亞硝態(tài)氮半飽和常數(shù)為15.39 mg/L,亞硝態(tài)氮抑制常數(shù)為159.5 mg/L;甲烷化動(dòng)力學(xué)參數(shù):最大比基質(zhì)降解速率為0.158(mgCOD/(mgVSS.h)),半飽和常數(shù)為464.27 mg/L,甲烷的產(chǎn)率系數(shù)為0.254 ml/mg;短程反硝化動(dòng)力學(xué)參數(shù):

8、最大反硝化速率為0.0069 mgNO2--N/(mgMLSS.h),亞硝酸鹽氮半飽和常數(shù)為2.26 mg/L,有機(jī)物半飽和常數(shù)為4.72 mg/L。三者耦合時(shí)厭氧氨氧化速率、甲烷化速率和反硝化速率比單獨(dú)研究時(shí)均減小。⑤采用間歇式試驗(yàn)方法,分別研究微量NO2對(duì)厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化的影響。微量NO2對(duì)厭氧氨氧化具有強(qiáng)化作用,保持厭氧氨氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù)值不變,基于Haldane模型建立了厭氧氨氧化的NO2強(qiáng)化函數(shù),估計(jì)了強(qiáng)化函數(shù)中的最大

9、強(qiáng)化系數(shù)(48.79)、NO2半飽和常數(shù)(2570 mg/m3)、NO2抑制常數(shù)(3.9 mg/m3)和基礎(chǔ)速率系數(shù)(0.0188)。微量NO2對(duì)甲烷化和反硝化的影響可用反競爭性抑制動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行描述;甲烷化的最大比乙酸鹽去除速率為0.149 mgCOD/(mgVSS·h),乙酸鹽半飽和常數(shù)為396 mgCOD/L,NO2抑制系數(shù)為231 mg/m3;反硝化的亞硝酸鹽氮最大去除速率0.006865/h,亞硝酸鹽氮半飽和常數(shù)0.1 mg/

10、L,NO2抑制系數(shù)為1530 mg/m3。試驗(yàn)中大部分的NOX出現(xiàn)損失。⑥采用間歇式試驗(yàn)方法,研究微量NO2對(duì)厭氧氨氧化甲烷化反硝化三者耦合的影響。保持厭氧氨氧化動(dòng)力學(xué)參數(shù)值不變,基于Haldane模型建立了厭氧氨氧化的NO2強(qiáng)化函數(shù),估計(jì)了強(qiáng)化函數(shù)中的最大強(qiáng)化系數(shù)(30.55)、NO2半飽和常數(shù)(1960 mg/m3)、NO2抑制常數(shù)(8.2 mg/m3)和基礎(chǔ)速率系數(shù)(0.0314)。微量NO2對(duì)三者耦合時(shí)甲烷化和反硝化的影響可用反

11、競爭性抑制動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行描述;甲烷化的最大比乙酸鹽去除速率為0.15 mgCOD/(mgVSS·h),乙酸鹽半飽和常數(shù)為395 mgCOD/L,NO2抑制系數(shù)為623 mg/m3;反硝化的亞硝酸鹽氮最大去除速率0.00685/h,亞硝酸鹽氮半飽和常數(shù)0.214 mg/L,NO2抑制系數(shù)為22400 mg/m3。試驗(yàn)中大部分的NOX氣體物質(zhì)出現(xiàn)損失。三者耦合時(shí)甲烷化和反硝化受到NO2的抑制作用明顯低于獨(dú)立試驗(yàn);當(dāng)NO2小于50 ppm時(shí),

12、三者耦合時(shí)厭氧氨氧化速率比獨(dú)立實(shí)驗(yàn)時(shí)小;在當(dāng)NO2大于50 ppm時(shí),三者耦合時(shí)厭氧氨氧化速率與獨(dú)立實(shí)驗(yàn)時(shí)大。⑦采用SBR反應(yīng)器,pH值控制在7.8～8.2,DO控制在0.8 mg/L~1.0 mg/L,溫度控制在30±2℃。初始NH4+-N濃度為50 mg/L,待穩(wěn)定后逐漸增加進(jìn)水氨氮濃度至250 mg/L,每次增加幅度50 mg/L,MPN計(jì)數(shù)結(jié)果顯示,經(jīng)120 d富集,好氧氨氧化菌的濃度提高了300倍。間歇式試驗(yàn)結(jié)果表明,pH值、

13、DO濃度和溫度對(duì)好氧氨氧化菌的富集有顯著影響。在富集過程中,控制pH值、DO濃度和溫度是關(guān)鍵因素,游離氨和HNO2進(jìn)行適當(dāng)控制,以保證抑制亞硝酸鹽氧化菌而不抑制好氧氨氧化菌。⑧采用批式呼吸法測得好氧氨氧化菌產(chǎn)率系數(shù)為0.2119 mg COD/mg NH4+-NOD(或者0.7268 mg COD/mg NH4+-N)氨氧化菌最大氨氮降解速率為0.1 mg NOD/(mg COD.h)(或者0.0292 mg N/(mg COD.h))

14、。在間歇式試驗(yàn)中加入24μM NaN3抑制NO2--N氧化,建立氨氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程,得到氨氮半飽和系數(shù)為18.38 mg NOD/L(或者5.36 mg NH4+-N/L),DO半飽和系數(shù)為0.494 mg/L。⑨采用批式試驗(yàn),在無分子氧條件下,確定了好氧氨氧化菌的NO2型氨氧化動(dòng)力學(xué)方程,得到了最大氨氧化速率( q NO2,max=0.144 mgNOD/(mgCOD·h))、二氧化氮半飽和常數(shù)(K NO2=0.821μmol/L)

15、和二氧化氮抑制性常數(shù)( K I=1.721μmol/L)。在微量NO2氣體中添加2%O2氧氣后,氨氧化速率明顯提高,最大氨氧化速率發(fā)生在2%O2和50 ppm NO2的條件下,達(dá)到0.198 mgNOD/(mgCOD·h)。在21%O2和微量NO2條件下,氨氧化速率繼續(xù)大幅度提高;在21%O2和100 ppmNO2時(shí)氨氧化速率達(dá)到0.477 mgNOD/(mgCOD·h),比無NO2空氣曝氣條件下氨氧化速率高3倍。提出了NO2表觀強(qiáng)化氨

16、氧化函數(shù)的概念,建立了在O2和微量NO2混合氣體下的氨氧化動(dòng)力學(xué)方程,利用2%O2和微量NO2條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)方程,討論了NO2強(qiáng)化氨氧化的機(jī)理。⑩進(jìn)行充填陶瓷濾料的曝氣生物濾池去除COD和氨氧化試驗(yàn)。進(jìn)水氨氮為50mg/L左右、COD為100 mg/L左右和回流比為200%時(shí),經(jīng)過20多天的運(yùn)行,出水氨氮小于0.1mg/L、COD小于30mg/L、亞硝態(tài)氮為45.55 mg/L和硝態(tài)氮為4.18 mg/L;過大和過小的回流

17、比對(duì)BAF的運(yùn)行性能都是不利的。⑾將EGSB與BAF耦合,實(shí)現(xiàn)了好氧氨氧化、厭氧氨氧化、甲烷化和反硝化的集成。當(dāng)進(jìn)水流量為13 mL/min,進(jìn)水氨氮濃度為50 mg/L、COD濃度為500 mg/L,外回流比為200%時(shí),系統(tǒng)的總氮去除率達(dá)到80.6%,出水COD濃度保持在40 mg/L以下,出水氨氮1 mg/L、亞硝態(tài)氮4.3 mg/L和硝態(tài)氮2.56 mg/L。系統(tǒng)的COD去除負(fù)荷速率:1.7122(kg/m3.d),氮去除負(fù)荷速