序批式间歇反应系统(SBR)好氧颗粒污泥脱氮研究

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工业化和人口的不断增长增加了人们的水需求,也对水资源造成极大压力。传统的废水处理厂没有考虑氮的脱除,处理出水不能达到目前的出水排放标准。然而,随着越来越严格的废水排放标准的出台,废水处理厂对废水中氮的脱除已成为必然。因此,先进的废水脱氮技术的开发成为目前研究热点。生物脱氮技术以其技术、经济可适性成为目前应用范围最广的技术之一。然而,传统生物脱氮技术(生物硝化和反硝化过程)的一些局限性,如处理过程中易发生的硝化菌流失问题,活性污泥法自身难以克服的污泥膨胀、剩余污泥产量高和处理厂占地大问题,都束缚了传统生物脱氮技术的进一步发展。好氧颗粒污泥技术以其承担负荷率高、水力停留时问(HRT)短、抗毒物能力强、构筑物设施规模小、基础设施投资省等优点而成为国际水技术研究的前沿。目前已经开发的好氧颗粒污泥脱氮技术主要包括交替式好氧/厌氧工艺(0A)、交替式好氧/厌氧工艺(A0)、同时硝化反硝化工艺(SND)和使用反硝化聚磷菌的交替式厌氧/好氧或者厌氧/好氧/缺氧工艺(A0或AOA)。然而,这些处理工艺也存在一些问题,如对低含碳废水处理处理效果不佳,不适用于高含氮废水(如含氮量高于100mgN/1)的处理。本研究采用SBR培养的好氧颗粒污泥对这些问题进行了研究。一般而言,含氮废水包括两种,一种是生活废水,含氮量一般低于100。另外一种是高氮废水,如消化污泥出水,垃圾渗滤液,化工厂,制革废水和焦化废水等等。本课题就好氧颗粒污泥对两种废水的脱氮过程展开研究。课题包括两部分:第一部分针对生活废水(模拟新加坡JURONG WEST废水厂的水质)进行研究。第二部分针对高含氮废水,进行了单纯氮转化(氨氮的硝化过程)的研究。其具体结果如下:1.SBR系统好氧颗粒污泥脱氮策略研究针对新加坡JURONG WEST废水厂模拟进水水质(COD 600mg/l, NH4+-N 60 mg/l),本研究提出了基于SBR反应器的分步进水-交替缺氧好氧工艺脱氮模式。对比具有不同平均粒径大小(0.7mm和1.5mm)的颗粒污泥在AO, ALO(相当于A+SND)及分步进水-交替缺氧好氧工艺条件下的脱氮效果试验表明,前两种方法分别只有67.9-71.5%和75.0-80.4%的脱氮效率,而本研究模式脱氮效率可达到90%以上,而且不受颗粒污泥粒径大小的影响。通过对比不同工艺的脱氮速率表明,除了颗粒污泥粒径大小对脱氮速率有影响,颗粒污泥密度也是影响系统脱氮速率的重要因素。而密度因素被以前的颗粒污泥降解速率研究所忽视了。论文讨论部分详细分析了颗粒污泥粒径大小和密度对颗粒污泥反应速率的影响及不同操作模式对颗粒污泥系统脱氮效率的影响。(本部分内容发表在Journal of Hazardous materials上)2.分步进水-交替好氧缺氧颗粒污泥系统测试研究由于目前大部分含氮废水都存在碳氮比较低的问题,使得反硝化过程中电子供体不足,因此反硝化过程往往成为颗粒污泥脱氮系统的限速步骤。目前,许多颗粒污泥脱氮研究都致力于提高反硝化过程的效率。其中额外碳源的投加和同时硝化反硝化是目前研究比较多的策略之一。好氧和缺氧过程相结合并在缺氧段额外投加碳源,可大大提高系统脱氮效率,但额外碳源的投加使系统操作繁琐、运行成本高,技术经济适用性大大降低。而利用好氧颗粒污泥内部的好氧和厌氧区来实现同时硝化反硝化的方法,虽然省去了额外碳源的投加,低溶解氧导致的硝化速率低和系统稳定性差的缺点,也大大影响了该方法的推广使用。本研究开发的分步进水-交替缺氧好氧工艺是否能适用于低含碳废水的处理,成为其进一步推广使用的关键问题之一。同时,该工艺的长期运行的稳定性,也是其进一步应用的基础。针对这两个问题,本部分试验表明:分步进水-交替缺氧好氧工艺对于C/N为5:1和3:1的废水也有90%的脱氮效率,在C/N为5:1的情况下稳定运行两个多月,颗粒污泥性能稳定(SVI为20 ml/g)。说明该工艺能适用于低含氮废水,并具有长期运行稳定性,可以做进一步推广使用研究。3.硝化颗粒污泥的培养在活性污泥法脱氮工艺中,由于硝化菌生长速率低,对外界环境很敏感,硝化过程往往成为脱氮过程的限速步骤。污泥的颗粒化可以确保高浓度硝化菌存留,并增强系统抵御外界不利因素的影响,被认为是有效提高系统硝化速率的策略之一。目前,使用合成无机废水培养硝化颗粒污泥提高硝化速率的研究已有许多相关报道。然而,这些研究几乎都是针对低于500mgN/l氨氮的处理,而高氨氮废水含氮浓度多是远远高于这个浓度的。本研究在两个平行SBR反应器(N1和N2)中培养出的颗粒污泥能够在6h停留时间内完全去除1000mgN/l的氨氮,并具有很好的沉降性和稳定性(SVI为10-15ml/g)。虽然具有非常相似的污泥浓度和优势菌群,两个反应器的硝化颗粒污泥显示了不同的生长过程:N1反应器的硝化颗粒污泥经历了小颗粒破裂为絮体而又自发絮凝为大颗粒污泥的过程,而N2反应器的硝化颗粒污泥经历了颗粒粒径逐步由小变大的过程。这表明硝化颗粒污泥具有比混合菌颗粒污泥更灵活的生长模式,因此具有更好的稳定性和更优的发展前景。针对其中的一个反应器中的硝化颗粒污泥粒径演变过程,适用于混合菌群颗粒污泥的经验模型很好地显示了硝化颗粒污泥粒径演变规律。4.硝化颗粒污泥负荷耐受能力测试硝化菌的脆弱敏感性及其在前期试验中高负荷的耐受能力,使探究其负荷耐受极限成为很有意义的课题。而其能否由完全硝化顺利转化为短程硝化(为高氨氮废水处理技术-厌氧氨氧化和短程硝化反硝化提供反应介质),成为其进一步推广使用的关键问题之一。针对这两个问题,本研究采取缩短周期时间(N1)和增加进水浓度(N2)的负荷增加策略,对两个反应器的硝化颗粒污泥分别进行了负荷耐受试验和短程硝化转化试验。试验结果表明,在200天的运行中,N1、N2反应器中的硝化颗粒污泥在极高负荷情况下(N1反应器运行周期由360min缩短至190min, N2反应器进水浓度由1000 mg/l增加到1700 mg/l)显示了很好的硝化效果(99%硝化率),卓越的稳定性(SVI为10-15 ml/g),颗粒污泥粒径分别达到468μm和490μm。硝化菌的颗粒化使得大量硝化菌固定在系统内,硝化菌抗抑制能力大大提高,是硝化颗粒污泥在极高负荷下能稳定运行的主要原因。通过调节pH值由7.5-8.5降低到7.0-8.0,两个反应器成功实现了硝化产物由完全硝化向短程硝化的转化。N1、N2反应器中颗粒污泥性能稳定,粒径分别达到863μm和757μm, SⅥ都为10 ml/g左右。值得注意的是,N1反应器中硝化颗粒污泥污泥浓度的暂时降低导致了颗粒污泥中有机成分和氨氮降解率的波动,而N2反应器始终保持了稳定的有机成分和氨氮降解率。经分析,N1中硝化颗粒污泥的比污泥负荷在一个月内由0.58升高到1.08kg NH4+-N kg-1VSS·d-1,导致系统负荷增长过快,是导致系统性能波动的主要原因。通过沉降时间的调整,N1反应器中硝化颗粒污泥处理能力和有机成分在一个月内得到了恢复。DGGE分析结果表明,负荷增长方式和硝化进程都会影响硝化颗粒污泥优势菌种的种类。短程硝化的顺利实现,说明硝化颗粒污泥可以作为实现短程硝化的稳定技术推广使用。(本部分内容已在ICOSSE会议上发表,USA,2011.1)创新点:1.本研究开发的好氧颗粒污泥分步进水-交替缺氧好氧工艺具有很高的脱氮效率和稳定性,并可适用于低碳氮比的废水,具有很广的应用前景。2.通过不同脱氮模式反应速率的比较发现,颗粒密度是除了颗粒污泥粒径大小之外的另一个不可忽视的基质降解速率影响因素,而这个因素常常被以前的研究忽略了。3.本研究培养的硝化颗粒污泥能承受的氨氮负荷可达3.8kgNH4+-Nm-3d-1,这么高的负荷在目前的硝化颗粒培养中鲜有报道。4.在相同的操作条件下,两个反应器中的硝化颗粒污泥在硝化性能和颗粒特性相似的情况下表现出了不同的形态、大小发展模式。这表明硝化颗粒污泥具有比混合菌颗粒污泥更为灵活的生长模式,因而系统更稳定,应用前景更好。5.基于硝化颗粒污泥粒径大小的颗粒生长模型,很好地揭示了具有稳定粒径增长的硝化颗粒污泥生长规律。
摘要第3-7页
Abstract第7-11页
Appendix 1 List of symbols and abbreviations第15-17页
Chapter 1 Objectives and Scope of the Study第17-21页
    1.1 Background第17-20页
    1.2 Objectives of the study第20-21页
Chapter 2 Literature review第21-40页
    2.1 Introduction第21-24页
    2.2 The formation of aerobic granules第24-30页
        2.2.1 Mechanisms of the formation of aerobic granules第24-25页
        2.2.2 The influence of operational factors on aerobic granulation第25-30页
    2.3 Characteristics of aerobic granules第30-34页
        2.3.1 The structure features of mature aerobic granules第31页
        2.3.2 Settleability第31-32页
        2.3.4 Density and strength第32页
        2.3.5 Cell surface hydrophobicity第32-33页
        2.3.6 Specific oxygen utilization rate第33页
        2.3.7 Microbial structure and diversity第33-34页
        2.3.8 Porosity第34页
    2.4 Nitrogen removal in granular SBR第34-38页
        2.4.1 Total nitrogen removal in granular SBR第34-36页
            2.4.1.1 AO mode第35页
            2.4.1.2 OA mode第35-36页
            2.4.1.3 SND第36页
            2.4.1.5 AO or AOA mode using denitrifying phosphorous accumulating organisms (DNPAOs)第36页
        2.4.2 Ammonia removal in granular SBR第36-38页
    2.5 Current state and directions of research第38-40页
Chapter 3 Operational Strategies for nitrogen removal in granular SBR第40-59页
    3.1 Introduction第40-41页
    3.2 Materials and methods第41-43页
        3.2.1 Reactor set-up and operation第41-42页
        3.2.2 Reactor operation description第42-43页
        3.2.3 Analytical methods第43页
    3.3 Results第43-54页
        3.3.1 Reactor performances under AO (non-aeration+aeration) mode without DO control第45-47页
        3.3.2 Reactor performance under AO mode with DO of 2mg/l第47-51页
        3.3.3 Reactor performance under alternating anoxic/oxic mode combined with step-feeding第51-54页
    3.4 Discussion第54-57页
    3.5 Conclusions第57-59页
Chapter 4 Application of Alternating Anoxic/Oxic Conditions Combined with Step-feeding mode for nitrogen removal第59-72页
    4.1 Introduction第59页
    4.2 Materials and methods第59-61页
        4.2.1 Reactor set-up and operation第59-60页
        4.2.2 Reactor operation description第60-61页
        4.2.3 Analytical methods第61页
    4.3 Results第61-68页
        4.3.1 Formation of microbial granules第61-66页
        4.3.2 Nitrogen removal behaviors of microbial granules from low strength wastewater57第66页
        4.3.3 Long term performance第66-68页
    4.4 Discussion第68-70页
        1. Nitrogen removal from wastewater with low carbon source第68-69页
        2. Long-term stability of the system第69-70页
    4.5 Conclusion第70-72页
Chapter 5 The Cultivation of Nitrifying Granules in Granular SBR第72-98页
    5.1 Introduction第72页
    5.2 Material and Methods第72-76页
        5.2.1 Experiment Set up and Operation第72-73页
        5.2.2 Media第73页
        5.2.3 Analytical Methods第73-74页
        5.2.4 Microbial Population Analysis第74-75页
        5.2.5 Characteristics of Seeded Sludge第75-76页
    5.3 Results第76-93页
        5.3.1 Performance of Nitrifying Granules in Sequencing Batch Reactor (SBR)第76-86页
            5.3.1.1 Morphology of nitrifying granules in the operation第76-78页
            5.3.1.2 Wastewater Treatment Performance第78-79页
            5.3.1.3 Settleability of Nitrifying Granules第79-80页
            5.3.1.4 Size Change of Nitrifying Granules第80-84页
            5.3.1.5 Biomass Concentration第84-86页
        5.3.2 Cycle Analysis of Nitrifying Granules in the Stable State第86-90页
            5.3.2.1 Nitrogen Removal Performance of Nitrifying Granules in one cycle第86-87页
            5.3.2.2 pH Changing Trend of Nitrifying Granules in One Cycle第87-88页
            5.3.2.3 FA Changing Trend of Nitrifying Granules in One Cycle第88-90页
        5.3.3 SEM Images of Nitrifying Granules in N1 and N2第90-92页
        5.3.4 Denature Gradient Gel Electrophoresis Analysis第92-93页
    5.4 Discussion第93-97页
    5.5 Conclusions第97-98页
Chapter 6 Loading Pressure Experiments of the Nitrifying Granules第98-119页
    6.1 Introduction第98页
    6.2 Experiment Set up and Operation第98页
    6.3 Results第98-114页
        6.3.1 Performance of the Nitrifying Granules in N1 and N2第98-108页
            6.3.1.1 Morphology of the nitrifying granules in operation第100-102页
            6.3.1.2 Wastewater Treatment Performance第102-104页
            6.3.1.3 Settleability of the Nitrifying Granules第104-106页
            6.3.1.4 Size Changing Trend of the Nitrifying Granules第106页
            6.3.1.5 Biomass Concentration第106-108页
        6.3.2 Cycle Analysis of the Stable Nitrifying Granules第108-112页
            6.3.2.1 Nitrogen Removal Performance of the Nitrifying Granules in one cycle第108-109页
            6.3.2.2 pH Changing Trend of the Nitrifying Granules in one Cycle第109-111页
            6.3.2.3 FA and FNA Changing Trend of Nitrifying Granules in One Cycle第111-112页
        6.3.3 Denature Gradient Gel Electrophoresis Analysis第112-114页
    6.4 Discussion第114-118页
        1. Physical stability of the nitrifying granules第114-117页
        2. Partial nitrification第117-118页
    6.5 Conclusions第118-119页
Chapter 7 Conlusions and Prospects第119-123页
    7.1 Conclusions第119-120页
    7.2 Main innovations in this study第120-121页
    7.3 Prospect第121-123页
Acknowledgement第123-125页
Reference第125-136页
List of Publications第136页
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