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近些年来,氮素污染现象加剧及其排放标准的日趋严格,促使具有效率高、费用低等特点的生物脱氮技术快速发展,生物脱氮工艺广泛应用于城市废水脱氮处理。人们在原有传统的生物脱氮工艺基础上,不断加强和改进工艺、开发新型工艺,在这一个过程中单级自养生物脱氮技术体现出了它的优越性。单级自养脱氮工艺在处理低碳比废水方面具有明显优势,适合垃圾渗滤液等处理高氨氮废水,它是一种高效经济的新型生物工艺,因具有需微量溶解氧、无需外加有机碳源、污泥产量低等特性受到水处理领域专家学者的广泛关注。本课题以聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)膜材料做成膜分离组件、以膜管曝气作为曝气方式,制作膜曝气分离单级自养脱氮生物反应器,以高氨氮浓度的人工模拟废水为处理对象,并接种普通硝化污泥,将膜曝气和膜分离技术应用于悬浮体系单级自养脱氮工艺,建立一种适合单级自养脱氮工艺的反应器形式和运行控制模式。该工艺通过控制DO浓度、温度、水力停留时间(Hydraulic Retention Time, HRT),使好氧氨氧化菌(AOB)将氨氮部分氧化成亚硝酸,产生的亚硝酸与部分剩余的氨氮发生厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应生成氮气,达到去除水中氮元素的目的。本实验在运行效果研究内容为:(1)分析研究在不同实验参数的运行效果,寻找研究适合单级自养脱氮运行的工艺参数,结果表明,当pH值控制在7-8之间,温度在(30+1)℃,DO控制在0.6-0.8mg/L,水力停留时间24h条件下,经过1年的驯化培养,出水水质中氨氮和亚硝酸氮比例约为1:1,确定了最佳的亚硝化反应实验条件。为发生厌氧氨氧化创造了良好的环境。(2)实验以进水氨氮负荷分别为0.012kg/(m3·d),0.029kg/(m3·d),0.058kg/(m3·d),0.087kg/(m3·d)划分为四个阶段,其中在第四段总氮容积负荷(以N计)为0.09kg/(m3·d),总氮最高去除率可以达到70%。(3)在反应第四阶段,在系统中投加无机碳源NaHCO3,浓度分别为0.3g/L,0.6g/L,0.8g/L,1.2g/L。在浓度为0.8g/L时,对亚硝酸盐积累结果的形成具有良好效果。采用单级自养脱氮工艺对高氨氮废水进行脱氮处理,在经济上、技术上是可行的。随着进水氨氮负荷增加,总氮去除率逐步提升,在一定程度上显示出了工艺在高氨氮废水处理方面的优势。本实验在微生物研究内容为:(1)取成熟的ANAMMOX污泥内的混合菌种进行测序并建立该系统发育树分析,研究ANANMMOX菌种在发育树上位置。(2)通过电子显微镜、扫描电镜对各阶段污泥进行表征。研究单级自养生物脱氮系统中好氧氨氧化和厌氧氨氧化等主要功能型微生物种群的结构组成及数量变化趋势,为提高反应器的脱氮效率提供实验依据,为优化反应器运行提供参考。观察结果表明,污泥中含有丝状菌,并分布着大量的球菌、椭球菌、螺旋菌、杆菌。(3)单级自养脱氮反应器运行6个月之后取污泥,进行革兰氏染色实验,细菌多为阴性细菌,可能为亚硝化菌和硝化菌影响的结果。(4)取反应器中污泥进行DNA测序,确定反应器中优势菌种,研究表明,反应内优势菌种为亚硝化菌,并含有其他类厌氧菌和与短程硝化厌氧氨氧化相关的菌种。