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养殖业的发展产生了大量的养殖废水,造成了严重的环境污染.随着绿色发展理念的深入,传统生物法处理养殖废水耗能大、污泥产量高等缺点逐渐暴露出来,研究传统生物法的替代工艺成为一种趋势.厌氧氨氧化耦合反硝化(Simultaneous Anammox and Denitrification,SAD)将厌氧氨氧化技术和反硝化技术结合,具有处理效率高和耗能低的优点,能够实现同步脱氮除碳的目的.SAD工艺运行过程中需要具备一定的抗冲击能力,如进水COD浓度的变化、四季温度的变化、前置反应器复氧程度不同导致进水NO2--N/NH4+-N不稳定等因素,因此研究这些因素对SAD的影响,对增强SAD的稳定运行,具有重要的实用价值.针对这些问题,论文研究了厌氧氨氧化和SAD工艺的启动以及SAD工艺的抗冲击性能,获得的主要结论如下:
①研究了厌氧氨氧化启动过程中脱氮特性与反应器中微生物群落变化.经过不断增加NH4+-N和NO2--N进水浓度,成功启动了厌氧氨氧化反应.启动稳定后NH4+-N、NO2--N和TN平均去除率分别为97.6%、94.1%和85.6%,TN容积去除负荷为1.11kg·(m3·d)-1.ΔNO2--N/ΔNH4+-N和NO3--N/ΔNH4+-N略低于理论值1.32和0.26.在启动过程中,污泥的厌氧氨氧化活性逐渐增加,下层污泥厌氧氨氧化活性高于上层污泥.启动成功后,反应器中微生物多样性和丰富度有所下降,厌氧氨氧化菌得到富集,Candidatus Kuenenia取代Candidatus Brocadia成为主要的厌氧氨氧化菌.
②通过不断增加进水COD浓度研究了厌氧氨氧化耦合反硝化工艺的启动.随着进水COD浓度的增加,NH4+-N和NO2--N出水稳定,平均去除率在98%以上;TN去除率逐渐升高,当进水COD浓度为330mg·L-1时,TN平均去除率为95.6%,比厌氧氨氧化理论TN去除率高6.8%.SAD启动后厌氧氨氧化活性略微降低,污泥反硝化活性明显增加,上层污泥反硝化活性较高.反应器内与脱氮除碳有关的功能微生物主要有厌氧氨氧化菌、反硝化菌和厌氧发酵菌.SAD启动后反应器内厌氧氨氧化菌丰度相对减少,厌氧发酵菌和反硝化菌丰度明显增加.
③研究了NO2--N/NH4+-N对SAD工艺的影响.SAD反应器经过进水基质NO2--N/NH4+-N波动后,NH4+-N平均去除率由98.1%降至93%,而基质波动前后NO2--N平均去除率均高于98%.在基质波动中,COD去除率和TN容积去除负荷较稳定,SAD工艺脱氮除碳效果对进水NO2--N/NH4+-N波动具有良好的抗冲击性.批式试验结果表明,在0~10h内NO2--N和NH4+-N降解呈线性下降特征,10h后降解缓慢趋于稳定.NO3--N浓度在反应中先增后减,在10~12h NO3--N浓度达到极大值,且随着原水NO2--N/NH4+-N的增加,NO3--N浓度的极大值逐渐增大.反应24h后,ΔNO2--N/ΔNH4+-N、COD去除率和反硝化脱氮贡献率的变化规律相同,随着原水NO2--N/NH4+-N的增加整体呈逐渐上升趋势.
④研究了自然状态下季节温度变化对SAD脱氮除碳效能的影响以及SAD低温运行后的恢复性能,SAD反应温度变化范围为10.1℃~31.8℃.在夏季至冬季温度变化过程中,当反应温度高于15℃时,SAD能够保持良好的脱氮除碳效果,三氮平均去除率均能保持在93%以上,COD平均去除率80%以上.当反应温度低于15℃后,NH4+-N和NO2--N平均去除率降至80%以下,15℃是SAD脱氮效果优劣的临界温度.SAD经过较长时间的低温抑制后,氨氮去除率经过温度升高后有所好转但依然低于夏秋季节的去除率,TN去除效果经过恢复后基本达到了夏秋季节水平,COD去除效果一直保持良好.6月19日至11月21日,SAD反应器内厌氧氨氧化菌丰度为8.8%~11.7%,SAD脱氮效果良好,在该阶段Candidatus Kuenenia取代了Candidatus Brocadia成为主要的厌氧氨氧化菌.11月21日至12月30日,反硝化菌成为丰度最高的功能菌,主要的反硝化菌为Thauera和Hydrogenophaga.12月30日至次年1月21日,经过22d的升温恢复,厌氧氨氧化菌丰度从4.2%恢复至6.6%.在季节温度变化过程中,反应器中较高的厌氧发酵菌和反硝化菌丰度使得SAD对COD保持良好的去除效果.相比单一的厌氧氨氧化工艺,SAD工艺更能适应低温带来的不良影响,具有良好的抗冲击性,将SAD工艺应用于处理养殖废水是可行的,既能获得良好的脱氮除碳效果又能减少运行成本.
论文研究结果表明厌氧氨氧化和SAD启动过程中污染物去除规律与微生物群落特征密切相关,进水NO2--N/NH4+-N和季节温度变化是SAD脱氮除碳效能和微生物群落的重要影响因素,分析表明将SAD工艺应用于处理养殖废水是可行的,既能较好的去除污染物,又能减少运行成本.
①研究了厌氧氨氧化启动过程中脱氮特性与反应器中微生物群落变化.经过不断增加NH4+-N和NO2--N进水浓度,成功启动了厌氧氨氧化反应.启动稳定后NH4+-N、NO2--N和TN平均去除率分别为97.6%、94.1%和85.6%,TN容积去除负荷为1.11kg·(m3·d)-1.ΔNO2--N/ΔNH4+-N和NO3--N/ΔNH4+-N略低于理论值1.32和0.26.在启动过程中,污泥的厌氧氨氧化活性逐渐增加,下层污泥厌氧氨氧化活性高于上层污泥.启动成功后,反应器中微生物多样性和丰富度有所下降,厌氧氨氧化菌得到富集,Candidatus Kuenenia取代Candidatus Brocadia成为主要的厌氧氨氧化菌.
②通过不断增加进水COD浓度研究了厌氧氨氧化耦合反硝化工艺的启动.随着进水COD浓度的增加,NH4+-N和NO2--N出水稳定,平均去除率在98%以上;TN去除率逐渐升高,当进水COD浓度为330mg·L-1时,TN平均去除率为95.6%,比厌氧氨氧化理论TN去除率高6.8%.SAD启动后厌氧氨氧化活性略微降低,污泥反硝化活性明显增加,上层污泥反硝化活性较高.反应器内与脱氮除碳有关的功能微生物主要有厌氧氨氧化菌、反硝化菌和厌氧发酵菌.SAD启动后反应器内厌氧氨氧化菌丰度相对减少,厌氧发酵菌和反硝化菌丰度明显增加.
③研究了NO2--N/NH4+-N对SAD工艺的影响.SAD反应器经过进水基质NO2--N/NH4+-N波动后,NH4+-N平均去除率由98.1%降至93%,而基质波动前后NO2--N平均去除率均高于98%.在基质波动中,COD去除率和TN容积去除负荷较稳定,SAD工艺脱氮除碳效果对进水NO2--N/NH4+-N波动具有良好的抗冲击性.批式试验结果表明,在0~10h内NO2--N和NH4+-N降解呈线性下降特征,10h后降解缓慢趋于稳定.NO3--N浓度在反应中先增后减,在10~12h NO3--N浓度达到极大值,且随着原水NO2--N/NH4+-N的增加,NO3--N浓度的极大值逐渐增大.反应24h后,ΔNO2--N/ΔNH4+-N、COD去除率和反硝化脱氮贡献率的变化规律相同,随着原水NO2--N/NH4+-N的增加整体呈逐渐上升趋势.
④研究了自然状态下季节温度变化对SAD脱氮除碳效能的影响以及SAD低温运行后的恢复性能,SAD反应温度变化范围为10.1℃~31.8℃.在夏季至冬季温度变化过程中,当反应温度高于15℃时,SAD能够保持良好的脱氮除碳效果,三氮平均去除率均能保持在93%以上,COD平均去除率80%以上.当反应温度低于15℃后,NH4+-N和NO2--N平均去除率降至80%以下,15℃是SAD脱氮效果优劣的临界温度.SAD经过较长时间的低温抑制后,氨氮去除率经过温度升高后有所好转但依然低于夏秋季节的去除率,TN去除效果经过恢复后基本达到了夏秋季节水平,COD去除效果一直保持良好.6月19日至11月21日,SAD反应器内厌氧氨氧化菌丰度为8.8%~11.7%,SAD脱氮效果良好,在该阶段Candidatus Kuenenia取代了Candidatus Brocadia成为主要的厌氧氨氧化菌.11月21日至12月30日,反硝化菌成为丰度最高的功能菌,主要的反硝化菌为Thauera和Hydrogenophaga.12月30日至次年1月21日,经过22d的升温恢复,厌氧氨氧化菌丰度从4.2%恢复至6.6%.在季节温度变化过程中,反应器中较高的厌氧发酵菌和反硝化菌丰度使得SAD对COD保持良好的去除效果.相比单一的厌氧氨氧化工艺,SAD工艺更能适应低温带来的不良影响,具有良好的抗冲击性,将SAD工艺应用于处理养殖废水是可行的,既能获得良好的脱氮除碳效果又能减少运行成本.
论文研究结果表明厌氧氨氧化和SAD启动过程中污染物去除规律与微生物群落特征密切相关,进水NO2--N/NH4+-N和季节温度变化是SAD脱氮除碳效能和微生物群落的重要影响因素,分析表明将SAD工艺应用于处理养殖废水是可行的,既能较好的去除污染物,又能减少运行成本.