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在中国这样的发展中国家,农村地区人口聚居分散,且经济水平较低,不适合建立大规模的集中式污水收集系统,具有占地小、投资省、噪音低、管理方便等多方面优势的分散式污水处理工艺在农村地区拥有广阔的发展前景和推广空间。针对我国农村地区的生活污水,主要表现为排放点源分布随机、位置偏远、动力介入不方便、水质水量波动大、污水中氨氮含量日益升高等特点和难题,本课题提出一种可靠、简单、运行成本较低的好氧/缺氧两段式一体化污水氨氮深度脱除技术。在本次试验研究中,设计并开发一种填充载体的两段式、一体化处理装置,其设计思路是:采用两段式处理,在内层发生硝化作用,在外层发生联合反硝化作用。以模拟低C/N氨氮污水为研究对象,研究了反应器好氧区和缺氧区三氮(氨氮、硝态氮和亚硝氮)的变化情况以及温度、COD和pH对脱氮效果的影响,最终建立了属于本试验过程中的联合脱氮体系;对反应器不同分区的生物膜样品进行高通量测序分析,从微生物的角度进一步验证了联合脱氮体系,建立了自养/异养细菌耦合脱氮机制。其结论如下:(1)填充载体的两段式新型脱氮一体化反应器结构设计合理,设置为“O/A”方式:在好氧区填充碳纤维复合聚氨酯生物活性载体,在缺氧区填充铁碳载体和铁碳-生物质耦合载体。相比较传统的A/O工艺,该反应器不需要回流和搅拌,极大的减小了动力消耗,有效的节省了能源。(2)当运行条件为进水氨氮为40.0 mg/L,pH = 8.0-8.5,好氧区DO = 3.5 ± 0.3 mg/L,HRT好氧=12.0h,HRT缺氧=20.7h,缺氧区T = 30±1℃时,TN去除率最高可以达到98%以上,出水中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮接近于0.0 mg/L,氨氮低于0.50mg/L,COD接近于20.0mg/L,实现了进水氨氮的深度去除,完全达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。(3)建立本系统中的联合脱氮工艺体系,分析证明该系统内存在自养反硝化、异养反硝化、化学还原3种脱氮途径,三者存在共生,协同和促进作用,为反应器的脱氮效果提供了良好的保证。(4)对该反应器中各个沿程生物膜样品中微生物种群的分析表明,系统内存在丰富的硝化细菌(好氧区)和反硝化细菌(缺氧区),微生物在生物载体上能够较好的繁殖并维持稳定,从而保证较好的污水脱氮效果。对缺氧区的微生物种群分析证明反应器确实是异养和自养结合的,脱氮过程多种微生物共同作用,支撑了工艺高效运行,最终建立了自养/异养反硝化细菌耦合脱氮机制。好氧/缺氧两段式一体化污水氨氮深度脱除技术可实现氨氮的高效、稳定、低成本的深度去除,无需污泥回流、占地空间小、污泥产量少,具有多方面的优越性,为我国农村地区低C/N比生活污水的深度脱氮提供了技术支持和理论根据。