基于呼吸图谱的活性污泥反硝化性能评估及控制方法研究

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近年来污水处理的排放标准不断提升,污水处理厂在运行中也有诸多问题待解决,活性污泥法也面临着改进和创新的问题,对活性污泥法提升改造的研究迫在眉睫。污水的脱氮过程主要是由反应器内的微生物完成的,微生物的反硝化过程直接影响出水NO3--N及总氮的浓度。目前,我国大多污水处理厂因碳源不足严重影响反硝化过程,使得出水氮含量严重超过排放标准。为使出水总氮达标,污水处理厂进行工艺改造和投加碳源等操作,但是这些手段无疑增加了污水处理成本。因此通过污水处理系统的过程控制研究,高效利用现有资源具有较长的现实意义。呼吸图谱法已广泛应用于活性污泥系统生物特性的评估,是否可以用于缺氧反硝化过程的评估尚不清楚。反硝化是污水处理过程的关键环节,但目前尚缺乏易于在线的反硝化效果评估技术手段。本研究从活性污泥絮体的微观变化入手,研究了反硝化过程对活性污泥的物化特性的影响,以及对活性污泥耗氧速率测量数据进行研究处理并分析,建立了呼吸图谱和活性污泥反硝化性能之间的关系,从而提出了基于呼吸图谱的脱氮性能提升和控制策略。本研究获得的主要成果如下:(1)在缺氧反硝化过程中,硝酸盐被还原为气体从污泥内部逸出,从而使得活性污泥粒径逐渐变大,污泥絮体的结构变松散,沉降性变差。(2)与持续曝气的SBR系统相比,存在缺氧反硝化的SBR系统出水硝氮浓度较低,表现出较高的脱氮性能。持续曝气的SBR和存在缺氧反硝化的SBR中污泥絮体平均粒径分别为98.23μm和111μm,同一时期的最大吸附量Qmax分别为316mg/g MLSS和354mg/g MLSS。存在缺氧反硝化的SBR中的污泥粒径分布更宽,吸附性能较高,并且EPS中PS含量较高,PN/PS较小,说明该系统中活性污泥絮体结构较为疏松。(3)基于OTUs的Alpha多样性分析,污泥的种群结构在短期的反硝化培养下变化不大,但随着反硝化培养时间的延长,污泥的种群结构差异变得明显。反硝化菌属索氏菌属(Thauera)作为反硝化菌属的优势菌属被富集,有机物好氧分解菌属动胶菌属(Zoogloea)逐渐被淘汰。(4)无论是改变活性污泥类型还是MLSS,反硝化作用均使得活性污泥SOURe值和SOURq值增大,并且随着比反硝化速率增大,SOURq呈指数级增长。反硝化前经历一段厌氧适应时间可有效的提高反硝化速率,但是当厌氧时间长至300min时,污泥的反硝化性能恶化,出水硝酸盐含量较高,SOURe值和SOURq值减小。(5)在污水处理厂的现场运行中,为避免缺氧段反硝化反应给后续处理过程带来的不利影响,应尽量不使用很高的SOURq和SOURe值。并且可根据准内源呼吸速速率比值(Rq/t)的变化判断反硝化性能,稳定运行的污水处理厂的Rq/t值一般稳定在一个范围内,若Rq/t值发生明显降低,则表明系统的反硝化性能变差,可通过调整碳源类型或投加量等措施提高反硝化性能。
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