短程硝化-厌氧氨氧化-铁自合系统的脱氮除磷效能与机制.pdfVIP

摘要

摘要

随着我国人民生活方式的改变和生活水平的提高，市政污水越来越呈现出

低碳氮比（C/N）的特征，而畜禽养殖废水、厌氧消化液和垃圾渗滤液等废水

低C/N的特点更加突出，有机碳源的缺乏使传统硝化反硝化工艺的脱氮效能受

到很大限制。限氧活性污泥技术，可通过控制系统的溶解氧水平（0.5mg/L），

实现短程硝化-厌氧氨氧化（partialnitritation-anammox，PN/A）生物脱氮过程，

且无需外加碳源，具有经济高效的技术优势。然而，PN/A过程产生的硝酸盐

制约了系统的总氮（TN）去除效能，且低C/N条件不利于限氧活性污泥的聚

磷过程，导致系统的磷酸盐去除效率较低。针对上述问题，本文提出了以零价

铁（zerovalentiron，ZVI）强化低C/N废水限氧生物处理系统脱氮除磷效能的

技术思路，即通过外源ZVI的投加，在升流式限氧活性污泥系统中构建短程硝

化-厌氧氨氧化-铁自养反硝化（partialnitritation-anammoxandironbased

denitrification，PNAID）相耦合的生物脱氮途径，并借助于Fe(II)和Fe(III)的化

学絮凝沉淀作用强化磷酸盐的去除。

通过生物脱氮功能菌群富集物的培养实验，首先探究了ZVI添加对氨氧化

菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、厌氧氨氧化菌（ANAMMOX）和反硝

化菌（DNB）菌群代谢活性的影响。结果表明，ZVI剂量与菌群代谢活性之间

存在明显的“剂量-效应”关系，适量的ZVI能够刺激关键酶的活性，加速功

能菌群对目标底物的利用和转化。在此基础之上，平行构建和运行了R1（无

ZVI）和R2（按有效容积以300mg/L一次性投加ZVI，4天1次）两套升流式

限氧活性污泥系统。在HRT8h、28°C，以及进水氨氮（NH4+-N）和总磷（TP）

分别为320mg/L和18mg/L左右的条件下，R1的TN和TP去除率分别稳定在

80.1%和13.9%左右，而R2的平均去除率分别高达90.1%和80.2%左右，较R1

分别提高了10.0%和66.3%。这一结果说明，以ZVI强化低C/N废水限氧生物

处理系统的脱氮除磷效能，是可行且有效的。

在R2成功实现PNAID耦合脱氮基础上，进一步考察了温度（分阶段从

30°C降低为12°C）对PNAID系统脱氮除磷效能的影响，尤其是在低温（12°C）

下的长期运行特征及稳定性。结果表明，温度对R1和R2的TP去除率影响不

大，而对TN的去除率影响显著。在为期421天的连续调控运行中，R1和R2

的TP去除率分别维持在10.7%和74.1%左右。当温度降低为12°C后，R2的

NH4+-N和TN去除率仍高达84.3%和82.2%左右，而R1仅为63.1%和45.3%左

右。研究发现，外源ZVI不仅能够有效促进限氧活性污泥的颗粒化，并改善污

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文

泥颗粒的性状，还能显著降低AOB、ANAMMOX和DNB菌群的温度相关系

数和表观活化能，提高其耐低温能力。微生物群落结构分析表明，生物脱氮功

能菌群AOB（Nitrosomonas和Nitrosococcus）、ANAMMOX（Candidtus

Brocadia和CandidtusKuenenia）和DNB（Pseudomonas和Thauera），在R2

中的相对丰度分别是R1的1.94、1.24和1.98倍。以上结果说明，外源ZVI可

通过改善污泥颗粒性状、诱导