猪场废水厌氧氨氧化反硝化甲烷化复合工艺特征分析及应用研究

【摘要】：规模化猪场废水是一种高含氮的有机废水,经过厌氧消化处理后的出水氨氮不但没有减少,反而增加。厌氧氨氧化耦合反硝化甲烷化是一种新型的去碳脱氮工艺。本研究探讨将厌氧氨氧化菌、产甲烷菌和反硝化菌培养富集在UASBB反应器中的可行性,从运行性能、影响因素、微生物学、动力模型等多方面研究厌氧氨氧化反硝化甲烷化机理和工艺,并应用于猪场实际废水的去碳脱氮,旨在为进一步开发高氨氮的有机废水处理工艺及其应用提供理论依据。主要研究内容及结论如下： 1.研究了UASBB耦合厌氧氨氧化反硝化甲烷化工艺的实现。通过接种厌氧污泥和反硝化污泥,UASBB反应器经过48d的快速启动后,有机容积负荷达到0.76kg COD/(m3 d)),去除率稳定在95%以上。加入含有NH4Cl和NaNO2的实验用水,稳定运行90 d左右,逐步实现同步厌氧氨氧化反硝化甲烷化,COD的去除率达80%-90%,总氮去除率为50-60%,氨氮的去除率为8-24%。当有机物进水浓度降低到100 mg/L时,氨氮去除率由负值提高到41.2%；污泥样品经分子生物学检测,厌氧氨氧化菌与目前已鉴定出的淡水自养厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia同源性达94%,反硝化菌与目前已鉴定出的假单胞菌Pseudomonas sp.同源性达100%。 2.探讨了猪场废水中Cu2+、Zn2+对污泥活性的影响。Cu2+、Zn2+单独作用于污泥时,重金属离子对污泥的厌氧氨氧化活性、反硝化活性和甲烷化活性有抑制性,Zn2+对污泥的反硝化活性、甲烷化活性的抑制大于Cu2+,对污泥的厌氧氨氧化活性的抑制小于Cu2+。Cu2+、Zn2+同时作用于污泥时,对污泥的反硝化活性、甲烷化活性产生拮抗作用,对污泥厌氧氨氧化活性产生协同作用。 3.揭示了厌氧氨氧化反硝化甲烷化反应动力学参数。根据Haldane模型和厌氧氨氧化活性试验数据,通过Matlab软件拟合,得到：氨氮半饱和常数(Ks,nh)为34.03 mg/L,氨氮抑制常数(KI,nh)为1274 mg/L；亚硝酸盐氮半饱和常数(Ks,NO2-)为42.31 mg/L,亚硝酸盐氮抑制常数(Kl,NO2-)159.03 mg/L,最大基质反应速率(qmax)为1.55 mg/(g h)。由Monod方程和甲烷化活性试验数据,通过线性拟合,得到甲烷化的最大比降解速率Vmax为122 mg/(g·h),Ks为124mg//L,甲烷产率系数(y)为0.29 mL/mg,其与理论值0.35 mL/mg相比,大约为理论值的82.8%,进一步验证了厌氧颗粒污泥中产甲烷菌的甲烷化能力受到了反硝化菌和厌氧氨氧化菌的影响；根据COD浓度和相应的反硝化速率,用直线进行拟合,得到有机物半饱和常数Ks,COD为3.03 mg/L；根据亚硝酸氮浓度和相应的反硝化速率,得到最大反硝化反应速率qmax为25.25 mg/(g·h),亚硝酸氮半饱和常数Ks,NO2-为1.1 mg/L。 4.研究了UASBB-生物接触氧化池组合的可行性及工艺参数。UASBB与生物接触氧化池组合实现了厌氧氨氧化、甲烷化和短程硝化反硝化的集成,确定了最佳外回流比为300%,系统平均氨氮去除率为81.3%,COD去除率为95.2%,总氮去除率为77.6%。 5.利用UASBB-生物接触氧化池工艺处理实际猪场废水。厌氧氨氧化反硝化甲烷化复合工艺处理猪场实际废水共运行60d,其中进二级沼液、一级沼液各15 d,进原水30 d, COD负荷最高达到3 kg/(m3·d),复合工艺对二级沼液、一级沼液、原水的COD平均去除率达到94.4%、94%、97%;TN负荷最高达到0.51kg/(m3·d),复合工艺对二级沼液、一级沼液、原水的的TN平均去除效果达到83.8%、82.5%、84.2%；氨氮负荷最高达到0.3kg/m3d,复合工艺对二级沼液、一级沼液、原水的NH4+-N平均去除率达到91%、91.9%、88.2%；工艺出水水质优于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596-2001)要求,以处理猪场原水为例,厌氧氨氧化反硝化甲烷化化同传统的活性污泥比较,节约0.52kg O2/(m3 d),节约0.838kgCOD/(m3 d),回收40.51L CH4/(m3 d),工艺取得了良好的环境和社会效益。 【关键词】：厌氧氨氧化 短程反硝化 甲烷化 生物脱氮除碳 猪场废水
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第1章 前言12-35
• 1.1 研究的目的和意义12-13
• 1.2 养猪场废水处理技术研究进展13-19
• 1.2.1 猪场废水水质特征及危害13-15
• 1.2.2 养猪废水处理工艺15-19
• 1.2.3 存在的主要问题19
• 1.3 厌氧氨氧化反硝化甲烷化研究进展19-30
• 1.3.1 厌氧氨氧化19-25
• 1.3.2 反硝化25-26
• 1.3.3 甲烷化26-28
• 1.3.4 厌氧氨氧化反硝化甲烷化28-30
• 1.4 短程硝化-反硝化研究进展30-31
• 1.5 重金属元素对厌氧氨氧化反硝化甲烷化的影响31-32
• 1.6 研究内容与创新点32-35
• 1.6.1 研究内容32-33
• 1.6.2 创新点33-35
• 第2章 厌氧氨氧化反硝化甲烷化启动及工艺特征研究35-51
• 2.1 材料与方法35-40
• 2.1.1 试验装置及运行方式35-37
• 2.1.2 试验废水37-38
• 2.1.3 分析方法与仪器设备38
• 2.1.4 接种污泥及驯化38-40
• 2.2 结果与分析40-50
• 2.2.1 UASBB反应器的启动40-41
• 2.2.2 厌氧氨氧化反硝化甲烷化的驯化41-43
• 2.2.3 厌氧氨氧化反硝化甲烷化影响因素43-47
• 2.2.4 有机物浓度对厌氧氨氧化反硝化甲烷化的影响47-50
• 2.3 本章小结50-51
• 第3章 厌氧颗粒污泥物化及微生物的特性分析51-64
• 3.1 材料与方法51-54
• 3.1.1 颗粒污泥物化性能分析方法51-52
• 3.1.2 厌氧氨氧化活性测定方法52
• 3.1.3 厌氧颗粒污泥的分子生物学鉴定方法52-54
• 3.2 结果与分析54-63
• 3.2.1 厌氧颗粒污泥物化性能研究54-56
• 3.2.2 厌氧氨氧化活性56-57
• 3.2.3 厌氧颗粒污泥厌氧氨氧化菌和反硝化菌的分子生物学鉴定57-63
• 3.3 本章小结63-64
• 第4章 重金属对厌氧颗粒污泥活性的影响研究64-78
• 4.1 材料与方法64-66
• 4.1.1 试验废水与颗粒污泥64
• 4.1.2 试验装置与方法64-66
• 4.1.3 分析指标及方法66
• 4.2 结果与分析66-77
• 4.2.1 Cu~(2+)、Zn~(2+)对甲烷化活性的影响66-70
• 4.2.2 Cu~(2+)、Zn~(2+)对反硝化活性的影响70-73
• 4.2.3 Cu~(2+)、Zn~(2+)对厌氧氨氧化活性的影响73-77
• 4.3 本章小结77-78
• 第5章 厌氧颗粒污泥的动力学分析78-92
• 5.1 厌氧氨氧化的动力学分析78-83
• 5.1.1 试验方法78-79
• 5.1.2 试验结果79-80
• 5.1.3 基质降解动力学模型及参数推导80-83
• 5.2 甲烷化的动力学分析83-85
• 5.2.1 试验方法83
• 5.2.2 试验结果83
• 5.2.3 基质降解动力学模型及参数推导83-84
• 5.2.4 甲烷产率系数的推求84-85
• 5.3 反硝化的动力学分析85-90
• 5.3.1 试验方法85-87
• 5.3.2 试验结果87
• 5.3.3 模型及动力参数推导87-90
• 5.4 厌氧氨氧化反硝化甲烷化的动力学分析90-91
• 5.4.1 试验方法90
• 5.4.2 结果与分析90-91
• 5.5 本章小结91-92
• 第6章 短程硝化工艺的启动与实现92-105
• 6.1 材料与方法92-95
• 6.1.1 试验装置92-93
• 6.1.2 试验废水93
• 6.1.3 挂膜与驯化93-94
• 6.1.4 接种污泥94-95
• 6.1.5 分析方法及仪器95
• 6.2 结果与分析95-104
• 6.2.1 挂膜驯化启动阶段95-97
• 6.2.2 短程硝化的实现97-99
• 6.2.3 短程硝化过程主要的影响因素99-104
• 6.3 本章小结104-105
• 第7章 厌氧氨氧化反硝化甲烷化复合工艺研究105-114
• 7.1 材料与方法105-107
• 7.1.1 试验装置及工艺流程105-106
• 7.1.2 试验废水106-107
• 7.1.3 分析方法及仪器107
• 7.2 结果与分析107-112
• 7.2.1 外回流比对系统COD去除的影响107-108
• 7.2.2 外回流比对系统氨氮去除的影响108
• 7.2.3 外回流比对系统总氮去除的影响108-109
• 7.2.4 外回流比对系统亚硝酸盐氮累积的影响109
• 7.2.5 外回流比为300%时系统的运行性能109-112
• 7.3 本章小结112-114
• 第8章 厌氧氨氧化反硝化甲烷化复合工艺处理猪场实际废水研究114-120
• 8.1 材料与方法114-115
• 8.1.1 试验装置及工艺流程114
• 8.1.2 试验用水114
• 8.1.3 分析方法114-115
• 8.2 结果与分析115-118
• 8.2.1 复合工艺的运行效果115-117
• 8.2.2 复合工艺系统的技术经济分析117-118
• 8.3 本章小结118-120
• 第9章 结论与建议120-123
• 9.1 结论120-122
• 9.2 建议122-123
• 致谢123-124
• 参考文献124-133
• 攻读学位期间的研究成果133-134

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