Characterization of the start-up period of single-step autotrophic nitrogen removal in a sequencing batch reactor

The characteristics of the start-up period of single-step autotrophic nitrogen removal process were investigated. The autotrophic nitrogen removal process used a sequencing batch reactor to treat wastewater of medium to low ammonia-nitrogen concentration, with dissolved oxygen (DO), hydraulic retention time (HRT) and temperature controlled. The experimental conditions were temperature at (30±2) °C, ammonia concentration of (60 to 120) mg/L, DO of (0.8 to 1.0) mg/L, pH from 7.8 to 8.5 and HRT of 24 h. The rates of nitrification and nitrogen removal turn out to be 77% and 40%, respectively, after a start up period going through three stages divided according to nitrite accumulation: sludge domestication, nitrifying bacteria selection and sludge adaptation. It is demonstrated that dissolved oxygen is critical to nitrite accumulation and elastic YJZH soft compound packing is superior to polyhedral hollow balls in helping the bacteria adhere to the membrane.

低氨氮质量浓度废水DPR-SNAD脱氮除磷效能研究

针对低氨氮废水单级自养脱氮系统副产物硝氮残留,有机物耐受能力差,以及缺乏除磷功能等问题,提出反硝化除磷(Denitrifying Phosphorus Removal,DPR)-单级自养脱氮(Simultaneous Partial Nitrification,Anaerobic Ammonium Oxidation and Denitrification,SNAD)组合处理技术,重点考察氨氮负荷对单级自养脱氮工艺(Single-stage Nitrogen Removal Using Anammox And Partial Nitritation,SNAP)系统、泥龄对DPR系统构建的影响,以及低氨氮废水DPR-SNAD组合处理系统的脱氮除磷效能与微生物种群。研究结果显示:采用氨氮质量浓度梯度递减方式,氨氮负荷为0.20 kg N/(m^(3)·d)的低氨氮质量浓度的SNAP系统构建时间为63 d,较负荷为0.05 kg N/(m^(3)·d)的系统缩短了37 d。泥龄对构建的DPR系统效能影响显著,泥龄为35 d的系统除磷脱氮效能较高,PO_(4)^(3-)-P、NO_(3)^(-)-N、COD去除率分别为86.25%、98.00%、92.00%,系统释磷、吸磷、反硝化脱氮速率分别达4.60 mg/(L·h)、4.13 mg/(L·h)、5.53 mg/(L·h)。DPR-SNAD组合处理系统的氨氮(NH_(4)^(+)-N)、总氮(Total Nitrogen,TN)、总磷(Total Phosphorus,TP)、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)去除率分别为100%、98.64%、86.00%、93.30%。TN、TP去除率较对照组SNAP分别提高了19.20百分点和86.00百分点。16S rRNA高通量测序结果显示,组合系统脱氮除磷功能菌属主要有Rhodobacter、Candidatus_Brocadia、Nitrosomonas、Gemmobacter,SNAD系统中厌氧氨氧化菌(Anaerobic Ammonia Oxidation,AnAOB)相对丰度显著高于对照组SNAP系统,DPR促进SNAD提高了系统脱氮效能。

一体式厌氧氨氧化工艺处理高氨氮污泥消化液的启动

利用新型固定生物膜一活性污泥反应器处理实际污泥消化液,通过接种短程硝化污泥和厌氧氨氧化生物膜填料,逐渐提高进水氨氮浓度并控制溶解氧浓度在0.11～0.42mg/L,系统在65d内实现了短程硝化-厌氧氨氧化反应的启动.反应器系统稳定运行阶段具有良好的污染物去除效果,进水COD和氨氮浓度为921和1120.8mg/L,COD、氨氮和总氮去除率分别为66.8%,99.0%和94.4%,总氮去除负荷为0.27kg N/（m3·d）.试验表明采取逐步提高进水中消化液比例的策略,有利于一体式厌氧氨氧化工艺的快速启动.进一步分析发现系统同时存在厌氧氨氧化和反硝化的脱氮途径,对总氮去除的贡献率分别为67.4%～91.1%和8.9%～32.6%。

A/O+Anammox工艺处理低C/N城市污水的脱氮性能

以低C/N城市污水为研究对象,研究A/O+Anammox工艺的脱氮特性。试验结果表明:A/O+Anammox工艺可实现高效脱氮;在进水总氮(TN)平均质量浓度为62.01 mg/L,溶解性COD/TN(C/N)为2.42的条件下,出水TN平均质量浓度为11.48 mg/L,NH4+-N平均质量浓度为1.83 mg/L,可以达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准;A/O反应器中TN去除占该工艺TN去除量的51.13%,主要通过缺氧反硝化、好氧同步硝化反硝化和剩余污泥排放实现;AO反应器出水ρ(NO2--N)/ρ(NH4+-N)可控制在1.0左右,满足后续厌氧氨氧化对进水的要求。Anammox反应器TN去除量占该工艺TN去除量的48.87%;半亚硝化和厌氧氨氧化作用是A/O+Anammox工艺处理低C/N污水实现高效脱氮的关键原因。

启动炭管膜曝气生物膜反应器实现全程自养脱氮

启动包裹无纺布的多微孔炭管为膜组件的膜曝气生物膜反应器(MABR),实现基于短程硝化和厌氧氨氧化的完全自养脱氮.首先接种普通硝化污泥启动反应器,在温度35℃,pH为7.9条件下,通过对膜内腔压力的适当控制逐步降低反应器溶解氧浓度,实现亚硝酸盐的积累.然后再次接种厌氧氨氧化污泥,使无纺布上形成好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌稳定共存的膜曝气生物膜,从而实现全程自养脱氮.结果表明,经过120 d连续运行,在膜内压力为0.015 MPa,水力停留时间6 h,进水NH4+-N为200 mg/L±10 mg/L条件下,NH4+-N转化率达到88.7%,出水总氮平均为48.65 mg/L,总氮去除率达到83.77%.荧光原位杂交(fluorescent in situ hybridization,FISH)分析表明,好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌作为主要功能菌群分别控制着靠近炭管膜/生物膜界面区域和靠近生物膜/液体界面区域.

全程自养脱氨氮悬浮填料床反应器性能的研究

以NH4+-N溶液为基质建立和启运了全程自养脱氨氮悬浮填料床反应器,反应器连续运行的实验结果表明:在pH为8.0～8.5、溶解氧为0.7～1.0mg/L和温度为28℃的条件下。当氨氮表面负荷为2～2.5g/(m2·d)时,其表面去除速率为1.1～1.3g/(m2·d),全程自养脱氮率基本稳定在55％左右;全程自养脱氮的最适pH范围为7.5～8.5,其中最佳pH为8.0左右;最适溶解氧范围为0.5～1.5mg/L,其中尤以0.8～1.0mg/L左右为最佳。

限氧系统中厌氧氨氧化菌的富集与脱氮效能

通过接种普通活性污泥,以氨氮为进水基质,在连续曝气SBR系统中进行了厌氧氨氧化菌的富集与单级自养脱氮效能试验.控制系统DO质量浓度为0.8-1.0 mg.L^-1、温度为30-31℃,经过1 a左右的短程硝化稳定运行期后氮素去除率达到9%;DO质量浓度降至0.3-0.5 mg.L^-1,并将单周期的曝气时间由330 min延长至450 min后,出水亚硝酸盐氮质量浓度由200 mg.L^-1持续降到5 mg.L^-1以下,获得了自养脱氮效果.TN最高去除率和去除速率分别达到79.8%和0.15 kg.kg^-1.d^-1.系统中污泥形态结构由絮体向颗粒态转变;镜检发现污泥内部分布有深色球状物.经FISH鉴定,污泥内部富集了厌氧氨氧化菌.结果表明：连续曝气短程硝化悬浮系统中可直接富集厌氧氨氧化菌,获得单级自养脱氮效果.

SBBR单级自养脱氮系统N_2O排放特征分析

采用3组人工配水的单级自养脱氮生物膜反应器,对比研究了曝气方式及碳源对系统N2O排放量和排放特征的影响。结果显示,1号、2号和3号反应器在一个运行周期内N2O累积排放量和N2O转化率分别为13.69、14.28、2.51mg和1.36%、1.49%、0.236%。连续曝气的1号反应器与间歇曝气的2号反应器相比,其N2O累积释放量、N2O转化率相近。进水含有机碳源的3号反应器N2O累积释放量、N2O转化率约为进水不含有机碳源的2号反应器的1/6。曝气方式对N2O排放特征影响较大,连续曝气的1号反应器N2O累积排放量持续增加,N2O平均排放速率和溶解态N2O质量浓度表现为先升高至最大值后持续下降。间歇曝气的2号反应器N2O排放量主要来自曝气段,N2O平均排放速率和溶解态N2O质量浓度整体呈现出先升高后降低的趋势。与其他生物脱氮工艺相比,单级自养脱氮工艺N2O转化率较低。

序批式活性污泥法单级自养脱氮特性试验研究

为使序批式活性污泥法系统中单级自养脱氮获得稳定运行效果,对脱氮性能、单周期氮素转化特性进行了研究,并通过氮元素守恒和计量关系探讨其脱氮途径。结果表明,进水氨氮负荷为0.494 kg.m-.3d-(1n=50)时,TN平均去除率、最高去除负荷和去除速率分别达81.8%、0.493 kg.m-.3d-1和0.201 kg.kg-.1d-1。单周期过程中氨氮和TN几乎呈线性去除;ρ(NO2--N)变化不大,维持在4 mg·L-1以下;ρ(NO3--N)则由12.9逐渐升高最终达到28.6 mg·L-1。ρ(DO)由0.4降低到0.2最后升至0.3 mg·L-1,pH先由8.02升高到8.15后缓慢降低至7.98。系统中产生的硝酸盐与消耗的氨氮质量比为0.08～0.12,小于"基于亚硝化的自养脱氮工艺"。通过计量关系分析系统中除短程硝化和厌氧氨氧化的协同脱氮作用外,还存在自养反硝化的辅助脱氮途径。

微量NO2下完全自营养脱氮动力学及运行优化

采用间歇试验研究了微量NO2氛围下,好氧、厌氧氨氧化复合颗粒污泥动力学特性.结果表明,微量NO2能提高O2反应活性,强化好氧氨氧化过程.反应动力学可用Andrews方程描述,NO2半饱和系数和抑制系数分别为1.32,7.11μmol/L.NO2强化厌氧氨氧化过程动力学模型中最大强化系数为43.5,NO2半饱和系数和抑制系数分别为16.9,0.348μmol/L,基础速率系数为0.024.建立了NO2强化完全自营养脱氮动力学模型,并对EGSB反应器中脱氮过程进行了模拟,当DO为0.6mg/L,NO2为3.0μmol/L时,总氮去除率达最大值.根据模拟结果优化反应器运行条件,总氮去除率由26.86%～31.65%提高到58.83%～63.08%,总氮平均去除速率由0.113kg/(m3·d)提高到0.234kg/(m3·d).

废水半硝化脱氮新工艺

对国内外正在研究开发的一种新的生物脱氮技术 :厌氧半硝化工艺 (SHARON)进行了介绍 ,对传统生物脱氮工艺和新的生物脱氮工艺的原理进行了比较 ,分析了这种新工艺的理论基础、运行条件、特点和存在的问题等 。

种源对单级自养脱氮系统同步构建影响研究

针对单级自养脱氮微生物系统异步分期构建周期长、过程复杂、接种污泥难于获取等问题,开展单级自养脱氮系统同步构建研究。以SBBR反应器为对象,分别以好氧活性污泥、下水道底泥、脱水污泥作为接种污泥,系统研究种源对单级自养脱氮系统同步构建的影响,并采用PCRDGGE技术探讨了系统微生物种群结构的变化。结果表明:反应器在温度为(30±1)℃、初始氮负荷为0.025kgN/(m^3·d)的条件下,进水NH3-N浓度由最初的100mg/L逐渐提升至2 150mg/L,连续运行153~190d,各反应器的去除负荷均达到0.50kgN/(m^3·d)以上,NH_3-N和TN去除率分别为99.4%和91.8%以上,接种污泥种类对单级自养脱氮系统构建有显著影响。采用脱水污泥作为接种污泥,单级自养脱氮系统构建速度最快为153d,其来源广泛可作为工程化应用的接种污泥。PCR-DGGE研究表明:在系统构建过程中微生物群落结构及优势种群发生了变化,与相对应的接种污泥样品相比,成功构建稳定运行后系统内微生物种群分属于另一不同集群。

硫自养反硝化系统运行效能和微生物群落结构研究

启动了单质硫自养反硝化反应器并研究其脱氮性能,通过血清瓶批式实验测定了污泥的反硝化活性,并采用扫描电镜和高通量测序手段揭示了系统内微生物群落结构特征.结果表明,SBR反应器进水NO3^--N浓度为80mg/L,随水力停留时间由12h逐渐缩短为6h,反应器的自养脱氮性能逐渐增强,稳定期反应器的总无机氮去除率达99.1%,总无机氮去除负荷平均值为0.158kg N/(m^3·d);SBR周期内NO2^--N浓度最大值为13.3mg/L,NO3^--N还原为NO2^--N过程pH值由7.38降低至6.94,NO2--N还原为N2过程pH值基本不变;批式实验结果表明,硫自养反硝化和异养反硝化NO3^--N去除速率分别为0.515,0.196kg N/(kg VSS⋅d),硫自养反硝化污泥NO2^--N降解速率为0.117kg N/(kg VSS⋅d),污泥同时具有自养反硝化和异养反硝化活性;扫描电镜显示,污泥中存在大量的杆状细菌和球状菌;污泥中主要的硫反硝化细菌分别为Thiobacillus、Sulfurimonas和Thermomonas属,其相对丰度分别为14.5%、7.6%和6.0%.

上流双层填料单级自养脱氮反应器启动与运行

通过接种亚硝化与厌氧氨氧化污泥,以无机高氨氮(110～130mg/L)废水为对象,研究上流式双层填料反应器的启动与运行.反应器上层与下层分别以沸石和聚氨酯海绵作为填料,启动两种填料高度比分别为2:3和3:2的1号和2号反应器,历时139d成功建立自养脱氮系统.结果表明,1号反应器最高总氮去除率达84.4%, 2号最高总氮去除率达81.8%,总氮去除负荷分别达0.15,0.14kgN/(m^3·d).进水未添加有机碳源时, 2号△NO_3^--N/△NH_4^+-N一直稳定在特征值0.11附近,自养脱氮系统更为稳定.在添加有机碳源情况下,2个反应器总氮去除率都得到提升,△NO_3^--N/△NH_4^+-N也更为稳定.说明一定浓度的有机物能强化系统稳定运行,提高系统脱氮性能.反冲洗稳定后,1号反应器出水NO_3^--N由未反冲洗前的17.61 g/L降低到10 g/L以下,说明适当的反冲洗可以有效恢复反应器运行,反冲洗与NOB抑制手段相结合能更好地维持反应器的长期稳定运行.

硫磺-生物绳为填料的自养反硝化污水脱氮处理

针对传统的填充床硫自养反硝化工艺填料用量大、水头损失严重以及反应器易堵塞等问题,采用硫涂层接触反硝化工艺进行模拟污水脱氮研究,主要考察反应器内部的填料填充比、温度以及水力停留时间(HRT)对其脱氮性能的影响。结果表明:在进水NO_(3)^(-)-N浓度为50 mg/L、温度为(25±1)℃、HRT=19.5 h时,将填料填充比由1/10增大到1/5,NO_(3)^(-)-N的去除效果明显提升,由56.77%提升至78.26%;温度变化对反应器脱氮有很大影响,当填料填充比为1/5、HRT=19.5 h时,在(25±1)℃和(30±1)℃条件下,NO_(3)^(-)-N的平均去除率分别为71.05%和98.38%;此外,当HRT降低至9.7 h时,NO_(3)^(-)-N的平均去除率为89.29%。整个反应过程中,出水NO_(2)^(-)-N浓度均很低,保持在0.4 mg/L以内,并且反应器出水pH值保持在6.8~8.3之间,满足微生物生长所需的pH条件。硫涂层接触反硝化系统的硫自养反硝化优势菌属是Thiothrixs、Thiomonas和Sulfuritalea,其占比分别为2.89%、1.55%和1.35%。微生物功能预测结果表明,硫、氮代谢对系统脱氮起着关键作用。

低温对CANON型序批式生物膜反应器脱氮的影响

探究了4种低温水平下基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)型序批式生物膜反应器(SBBR)的运行效果及其氮素转化机制.结果表明,当CANON型SBBR在不同的低温水平下稳定运行后,其脱氮微生物优势菌群发生了不同程度的变化,随之改变了系统的氮素转化途径及其脱氮性能.当温度>15℃时,SBBR中AOB和anammox菌的丰度与活性未受到明显抑制,CANON作用始终是系统脱氮的主要途径,SBBR对TN的平均去除率亦较为理想;而当温度<15℃时,anammox菌的丰度与活性在10,5℃下分别出现不同程度的降低,进而改变了SBBR的氮素转化途径,使其脱氮性能出现不同程度的恶化.在10℃时,NOB的增殖及其活性的提高使硝化/反硝化作用取代CANON作用成为SBBR脱氮的主要途径,此时系统对TN的去除率骤降至(16.87±4.79)%;在5℃时,反硝化过程中第1步还原反应的停滞与反硝化菌对NO_2^--N利用率的提高使SBBR中氮素的去除依赖于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的协同,系统对TN的去除率为(54.83±3.68)%.

溶解氧对单级颗粒污泥自养脱氮系统影响的模拟

为了研究溶解氧对SBR单级颗粒污泥自养脱氮系统的影响,基于活性污泥ASM3模型和短程硝化-硝化-反硝化模型,将颗粒污泥传质过程与氨氧化菌(AOB)、厌氧氨氧化菌(AAOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)、反硝化菌(DNF)的生长过程、好氧内源呼吸及缺氧内源呼吸过程等耦合,建立了单级自养脱氮颗粒污泥动力学模型,并对颗粒内部基质浓度分布进行预测.结果显示,当DO为0.4mg/L时,好氧区和缺氧区(厌氧区)的比例为0.4:1;当DO为0.6mg/L时,颗粒污泥好氧区与缺氧区(厌氧区)的比例为3:1.同时,根据基质反应速率方程,建立了颗粒污泥的单级自养脱氮系统动力学模型,对SBR系统运行效果进行预测,结果显示,DO为0.6mg/L时,氨氮反应完全,亚硝酸盐氮和硝酸盐氮在5mg/L以下,总氮去除率模拟值为89%左右,略低于实际测量脱氮率95%.

3DBER系统功能强化与协同作用机制研究

针对污水厂二级生物处理出水C/N低且可生化性差、深度脱氮需外加碳源等问题,结合污水资源化对二级处理出水深度去除TN、TP和微污染物的技术需求,通过改变传统三维电极生物膜工艺(3DBER)的填料组成,构建了强化反硝化脱氮、并具备同步除磷、除微污染物(以邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸(2-乙基已基)酯(DEHP)为例,用PAEs表示)功能的3DBER多功能复合反硝化系统,探讨了3DBER工艺强化脱氮同步实现除磷、除微污染物复合功能的技术途径,并从工艺性能、微生物种群分布等角度,深入解析了实现复合功能的技术方法与微观作用机制.结果表明,硫/铁复合功能填料是实现低C/N二级生物处理出水深度脱氮、除磷､除微污染物的关键因素,多功能复合反硝化系统脱氮效率比传统3DBER工艺平均提高20%左右,TP去除率可达80%,PAEs去除率在90%以上.化学计量学和分子生物学技术的分析表明,复合系统脱氮､除磷过程中在微生物生态、电子供体补偿和酸碱度平衡等方面存在协同促进作用.其中,脱氮功能来自异养与多种自养反硝化共同作用,除磷的关键是海绵铁的持续腐蚀,PAEs的去除过程则是吸附、电化学氧化与生物降解协同作用的结果.

泥膜混合MBBR系统自养脱氮工艺的启动研究

为了加速厌氧氨氧化菌(AnAOB)富集,解决自养脱氮工艺启动缓慢的问题,在短程硝化絮状污泥反应器中投加含有少量AnAOB的悬浮填料,构建泥膜混合移动床生物膜反应器(MBBR)系统,探讨该系统在自养脱氮启动中的作用.结果表明:①在温度为20~30℃、pH为7.8~8.2、DO浓度为0.2~0.9 mg/L的条件下,经45 d的运行,成功富集AnAOB.通过调整运行模式和曝气量,TN去除率提高至70%左右,成功启动自养脱氮工艺.②在运行过程中,曝气阶段主要发生短程硝化反应,缺氧阶段主要发生厌氧氨氧化反应.③泥膜混合MBBR系统中优势的好氧氨氧化菌(AOB)和AnAOB分别为Nitrosomonas和Candidatus_Kuenenia.Nitrosomonas主要分布于絮状污泥中,其相对丰度从42.95%减至30.98%;而Candidatus_Kuenenia主要分布于填料生物膜中,其相对丰度从5.88%增至25.90%.④泥膜混合MBBR系统中还检测出Ignavibacteriales_bacterium_UTCHB1、Pseudomonas、Denitratisoma等多种反硝化细菌,说明部分TN损失是通过内源反硝化途径实现.研究显示,基于短程硝化絮状污泥的泥膜混合MBBR系统,可以维持稳定的短程硝化,快速富集AnAOB,也可以有效缩短自养脱氮工艺的启动时间.

复合钛网生物膜电极反应器处理低C/N污水脱氮性能及机理研究

本研究在金属钛网间填充无机纤维棉形成多层电极组件,构建了一种新型复合钛网生物膜电极反应器(Multi Titanium-mesh Biofilm Electrode Reactor,MTBER)用于低碳氮比(C/N)污水的脱氮处理,并探究了电流密度、进水C/N、总氮负荷及水力停留时间(HRT)对MTBER脱氮性能的影响.结果表明,总氮去除最佳电流密度范围为250~350 m A·m^(-2),适宜进水总氮浓度为60~75 mg·L^(-1),最佳水力停留时间为12~16 h.当C/N=1,进水总氮浓度=75 mg·L^(-1),电流密度=250 m A·m^(-2),HRT=12 h时,NO_(3)^(-)-N、NH_(4)^(+)-N和TN的去除率与未通电时相比分别提高了29.67%、30.30%和26.83%.MTBER对TN的脱除机制主要是在电化学氧化还原作用条件下,体系硝化、异养及氢自养协同反硝化的共同结果.