论文部分内容阅读
基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮（CANON）工艺是目前已知的最经济有效的污水生物脱氮途径，相比于传统硝化反硝化工艺，能够缩减60％需氧量、100%有机碳源以及90%污泥产量，被认为是实现城市污水处理厂能源自给自足的保障工艺。然而，由于对CANON工艺内微生物特性和脱氮机理缺乏深入研究，致使CANON工艺在启动和运行中存在诸多问题，例如较长的启动周期、硝化细菌的过度生长等，严重制约了工艺的发展和推广，尤其在城市生活污水脱氮领域，迄今仍未获得突破。本论文以序批式全程自养脱氮（CANON SBR）反应器为研究对象，借助现代分子生物学技术和数学模型方法，对CANON SBR反应器的运行效能、作用机制以及数值模拟展开了系统研究，旨在为CANON SBR工艺的应用和推广提供理论指导和技术支持。 在中温（33℃）、高氨氮（500mg N·L-1）条件下，历时140天成功启动CANON SBR反应器（有效容积2L），进水氨氮负荷达0.5kg N·m-3·d-1，总氮去除率维持在81.2%左右。高通量测序结果表明，启动过程中微生物种群多样性随反应器运行逐渐降低，反应器启动成功后，形成以亚硝化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（AMX）为优势菌的群落结构。运行方式（间歇曝气-连续进水、间歇曝气-间歇进水以及连续曝气-连续进水）对CANON SBR反应器运行效能影响的试验结果显示，“间歇曝气-间歇进水”方式下，CANON SBR反应器脱氮效果更稳定，且pH值、氧化还原电位（ORP）以及溶解氧（DO）可作为实现精确曝气的实时控制参数。另外，CANON SBR反应器内硝化细菌（NOB）的过度生长会与AMX竞争底物（NO2-），导致AMX数量锐减，是致使反应器难以恢复的主要原因。因此，CANON SBR反应器运行过程中需要警惕和避免NOB的过度生长。 采用扫描电镜（SEM）和荧光原位杂交（FISH）方法，对稳定运行CANON SBR反应器内污泥特性及功能菌分布进行了深入分析，观察发现反应器内存在两种形态的污泥：絮体污泥和颗粒污泥。絮体污泥以丝状菌和AOB为主，亚硝化作用显著；而颗粒污泥以AMX为主，亚硝化作用和厌氧氨氧化作用均较显著，对反应器脱氮起主要作用。通过宏基因组分析可知，参与亚硝化作用的功能菌（AOB）属于亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），参与厌氧氨氧化作用的功能菌（AMX）主要为待定杰特氏菌属（Candidatus Jettenia）。除了这两种功能菌外，CANON SBR反应器内还存在大量属于绿弯菌门（Chloroflexi）的丝状菌（约占23%），属异养菌，主要以胞外聚合物（EPS）和溶解性微生物产物（SMP）为碳源和能源，且被认为参与污泥絮体或颗粒的形成。 在明确CANON SBR工艺脱氮机制的基础上，建立了CANON SBR动力学模型。模型除了包括功能菌（AOB和AMX）所作用的脱氮过程外，还考虑到了EPS和SMP的形成过程，以及异养菌基于自养菌代谢产物的生长过程。模型分析显示，CANON SBR反应器内最佳溶解氧范围在0.2~0.5mg O2·L-1，最佳污泥龄约为60天。另外，进水中的COD会引起CANON SBR反应器内异养菌的过度生长，进而导致污泥龄的降低，破坏反应器内菌群结构及运行状态。因此，CANON SBR反应器进水COD浓度，尤其是易生物降解COD浓度，应予以控制（低于100mg·L-1）。 为了探究CANON SBR工艺处理城市生活污水的可行性，提出了污泥龄控制和AMX强化的运行策略。通过数值模拟，得出CANON SBR工艺处理城市生活污水（水温20℃、COD20mg·L-1、氨氮50mg N·L-1）的最佳运行工况：进水氨氮负荷为0.5kg N·m-3·d-1，溶解氧为0.25mg O2·L-1，污泥龄为10天，厌氧氨氧化菌投加量为250mg COD·d-1。基于上述模拟结果，成功在实验室2L CANON SBR反应器内实现了城市生活污水的全程自养脱氮。反应器出水氨氮和总氮浓度分别为3.5和10.8mg N·L-1左右，能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的一级A排放标准。