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[硕士论文] 王霜
环境工程 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:猪场废水经厌氧消化处理后,氨氮基本没有降解。在土地紧张地区,厌氧消化液必须经过脱氮处理,达到排放标准后才能排入水体。由于厌氧消化液高氮低碳的特性,传统的硝化-反硝化工艺处理需要添加碳源、碱源,处理成本高,并且脱氮效率低。短程硝化-厌氧氨氧化(PN-Anammox)工艺因不外加碳源和碱源、脱氮负荷高、运行费用低和占地空间小等优点而备受关注。但是,PN-Anarmnox工艺处理厌氧消化液时常有启动时间长、脱氮效能不高,并且运行效果不稳定等问题。基于此,本论文紧密围绕“PN-Anammox同步脱氮工艺处理猪场废水厌氧消化液调控策略”展开研究。针对PN-Anammox同步脱氮工艺应用过程中的技术难点,本文研究了脉冲曝气控制短程硝化,添加零价铁、接种功能微生物等促进PN-Anammox同步脱氮等调控措施。探寻了PN-Anammox同步脱氮工艺处理猪场废水厌氧消化液的潜在脱氮效能及微生物机理。得出以下结论:
  (1)采用SBR反应器,考察不同的曝气频率对硝化过程的影响,短程硝化(PN)反应产物匹配厌氧氨氧化反应程度,确定最适的曝气频率,并评估不同脉冲曝气频率下的经济性。结果表明:在稳定阶段,3种脉冲曝气频率下亚硝酸盐积累率都在90%左右,NOB活性几乎为0,说明3种脉冲曝气频率都可以稳定实现PN反应。其次,曝气频率越高,出水NO2--N浓度越高。曝气频率最低的R3(2次h-1)更加符合既可以稳定控制PN过程,其出水又匹配Anammox反应的要求。能效分析表明,脉冲曝气频率越高,实际氧转移率和动力效率越高;在相同的曝气速率下,当产生等量的DO时,R1(6次h-1)的能耗分别比R2(3次h-1)和R3(2次h-1)低29.6%和48.5%。
  (2)试验了脉冲曝气下添加零价铁对PN-Anammox工艺脱氮效能的影响。结果表明:R1、R2和R3的氨氮转化率(ACE)和亚硝酸盐积累率(NAR)分别为93.2%、88.0%、81.2%和77.5%、89.3%、90.6%;R1、R2和R3的总无机氮去除率(TNRE)分别为38.4%、45.3%和51.3%。虽然R3获得了较高的NAR和TNRE,但总氮去除率仍不够高。该结果说明反应器均处于短程硝化阶段,Anammox细菌活性较低,因而未能降解基质(NO2--N和NH4+-N)。污泥浓度在243天运行中未有明显增加,且SVI低于30mLg-1SS,脱氮功能微生物相对丰度大于1%的只有Nitrosomonas。究其原因,第一,短程硝化反应产生的大量H+,致使反应体系pH过低(低至4.0),从而影响功能微生物的生长和代谢,同时也影响底物有效性,产生大量的FA和FNA,对功能微生物产生抑制作用。其次,过低的pH导致铁离子的大量析出(R1、R2和R3的总铁浓度平均为1009mg L-1,558mg L-1,319mg L-1),抑制脱氮功能微生物。
  (3)通过接种PN-Anammox颗粒污泥,采用逐步提高氨氮浓度和降低HRT的方法,进行了PN-Anammox同步脱氮工艺处理猪场废水厌氧消化液启动试验,试验共运行了390天。结果表明:反应总氮去除速率(NRR)和TNRE分别高达3.9kg-N m-3day-1和73%,显著高于目前已有文献的报道。试验获得高脱氮效能的原因是具有高浓度并且良好沉降性能的活性污泥(VSS(11.01gL-1),SVI(78.42mLg-1SS))。其次脱氮功能微生物的相对丰度高达12.15%,其中亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)高达4.2%。尽管处理猪场废水的TNRE与处理模拟废水相似,但是猪场废水脱氮效能(3.9kg-N m-3day-1)低于模拟废水(4.7kg-N m-3day-1),其污泥中的脱氮功能微生物相对含量也都低于处理模拟废水反应器中的功能微生物;究其原因主要是猪场废水厌氧消化液的复杂成分,存在重金属和抗生素等抑制因子,对脱氮功能微生物产生了抑制作用。
  综上所述,相对于连续曝气,脉冲曝气可以更加稳定的控制短程硝化过程。添加PN-Anammox颗粒污泥可以同步自养去除猪场废水厌氧消化液中的氨氮,其脱氮效能(3.9kg-N m-3day-1)可达到相似研究最高水平,其启动运行策略可为PN--Anammox同步脱氮工艺在猪场废水厌氧消化液上的中试及生产应用提供参考和借鉴,但是猪场废水厌氧消化液的某些成分限制其脱氮负荷的再次提升,需要进一步研究来解除这些抑制。
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