晚期垃圾渗滤液MBR亚硝化与UASB厌氧氨氧化耦合脱氮工艺

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垃圾渗滤液具有成分复杂、高氨氮、组分多变等特点,并且含有毒性有机物和重金属等毒害物质,氨氮的去除是其重点和难点。晚期垃圾渗滤液为典型的高氨氮低碳氮比污水,其中的有机物往往可生化性很差,在采用常规硝化反硝化工艺脱氮过程中需要补充大量碳源,造成处理成本增高,且会产生大量污泥,增加水厂运行负担。厌氧氨氧化工艺是目前最为经济快捷的脱氮途径,在污废水生物脱氮领域(尤其是低有机碳高氨氮污废水)应用前景广阔。基于此,本课题开展了基于亚硝化与厌氧氨氧化自养脱氮的晚期垃圾渗滤液耦合处理工艺研究,主要研究内容和结果如下:  采用连续流MBR反应器处理晚期垃圾渗滤液,在进水NH4+-N浓度为280±20mg/L时,通过控制DO为0.5-1mg/L,pH值为7.8-8.2和温度为(30±1)℃,成功启动MBR的亚硝化工艺;后逐步升高进水负荷,并提高DO至2-3mg/L,逐渐实现MBR系统中以晚期垃圾渗滤液原液为进水的亚硝化,在第112d时,系统出水NO2--N浓度为889mg/L,NO2-N积累率为97.23%。通过HRT和DO调控可以快速实现半量亚硝化,采用低DO控制策略则可实现半亚硝化的长期稳定运行。底物、产物和毒性物质的抑制实验表明,毒性物质对微生物的抑制作用强于底物和产物。分别采用Haldane底物抑制模型、Aiba产物抑制模型以及修正后的毒性物质抑制模型对实验数据进行非线性拟合,相关系数R2分别为0.9821、0.9961和0.9924,并得到底物、产物和毒性物质的抑制动力学模型。分别构建了亚硝化系统稳定期的总细菌通用克隆文库和针对亚硝化功能菌氨氧化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria,AOB)的功能基因——amoA基因的克隆文库,表明亚硝化系统中主要有4个优势菌群,分别是Proteobacteria类群(64.65%)、Uncultured bacterium类群(18.3%)、Bacteroidetes类群(9.76%)、Firmicutes类群(7.32%),在系统中起到亚硝化作用的氨氧化菌(AOB)主要是亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)。  通过接种亚硝化絮状污泥和粒径小于0.5mm的厌氧氨氧化颗粒污泥,逐步提高进水基质浓度和负荷成功启动UASB-ANAMMOX反应器,在第120天时,系统总氮去除负荷为0.93[g/(L·d)]。启动过程中系统的TN去除负荷变化可用Logistic增长模型来描述(R2为0.9816),拟合曲线呈现“S型”变化。系统稳定运行期,大量的颗粒污泥都聚集在反应器底部,从而导致底部的氮素去除速率较快。底部颗粒污泥的粒径明显大于上部,并且底部的MVLSS/MLSS值较低,而上部的则较高。进水基质与上升流速的提高促进了污泥颗粒化过程,系统中污泥到第120天时多以颗粒状态为主,粒径大于0.5mm的颗粒污泥占比为73.6%,颗粒化程度较好,并且污泥呈现红褐色。ANAMMOX颗粒污泥对氨氮具有吸附作用,ANAMMOX颗粒污泥对氨氮的吸附在20min左右基本达到吸附平衡,吸附容量随着氨氮初始浓度的增加而增加,随ANAMMOX颗粒污泥浓度的升高而减少。低温有利于ANAMMOX颗粒污泥对氨氮的吸附,其最佳pH为7.0。盐度和金属阳离子显著影响ANAMMOX颗粒污泥对氨氮的吸附,在NaCl浓度为5g/L时,吸附作用已不明显。在质量浓度相同的条件下,Fe3+对吸附作用抑制最强,Mg2+与Ca2+次之,而Cu2+相对最弱。ANAMMOX颗粒污泥吸附氨氮过程更符合Freundlich等温式,吸附过程符合准二级动力学模型,并且是由表层扩散和内部扩散共同作用的结果。热力学研究表明,该吸附过程是一个自发的放热过程。  采用稀释的晚期垃圾渗滤液对UASB反应器中无机环境培养条件下厌氧氨氧化菌进行驯化,结果表明,采用ANAMMOX-UASB系统处理晚期垃圾渗滤液可实现高效脱氮。系统中ANAMMOX颗粒污泥厌氧氨氧化活性良好,仍然是脱氮的主要途径;同时也有部分异养反硝化作用同步脱氮。此外,系统中还存在好氧氨氧化和亚硝氮氧化作用,其活性分别为0.031和0.010g/(g·d)。系统中颗粒污泥颜色由砖红色转变成红褐色,平均粒径由小变大;稳定运行期粒径大于1.5mm的颗粒污泥比重为81%;颗粒污泥表层有球菌、杆菌和丝状菌附着。此外,基质和HRT冲击试验表明,基质的去除量随进水基质浓度的升高呈先升高后降低的变化趋势。随着HRT的延长,迸水基质及渗滤液浓度逐渐升高,系统脱氮效果降低。抑制动力学试验表明,厌氧氨氧化基质抑制的阈值是NH4+-N浓度为489.03mg/L和NO2--N浓度为192.36mg/L。厌氧氨氧化受垃圾渗滤液影响尤为显著,垃圾渗滤液条件下厌氧氨氧化活性被完全抑制的浓度为1450.69mg/L(以COD计)。  将MBR与UASB串联对晚期垃圾渗滤液进行耦合脱氮。MBR亚硝化反应器通过对DO进行调控(0.7-1.3mg/L之间),实现稳定的半量亚硝化,反应器出水亚氮与氨氮的浓度比在0.95-1.95之间。厌氧氨氧化反应器通过内回流逐渐取代自来水稀释,成功实现了以部分亚硝化与厌氧氨氧耦合工艺对晚期垃圾渗滤液原液的高效脱氮处理,对于整个工艺系统而言,出水平均总氮为176mg/L,平均总氮去除率为83%。但是,随着系统中垃圾渗滤液浓度的升高,厌氧氨氧化系统对TN去除负荷逐渐降低(由2.16g/(L·d)降低至0.77g/(L·d))。
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