微氧碳氮硫共脫除工藝的運行效能及數(shù)學(xué)模擬.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，制藥、化工等行業(yè)每年排放大量的高濃度有機廢水，其中含硫含氮有機廢水是對生物和環(huán)境造成惡劣影響的一類重污染行業(yè)廢水的典型代表，如何穩(wěn)定高效地去除該類廢水中碳氮硫污染物質(zhì)成為當前亟需解決的問題。碳氮硫共脫除（Simultaneous desulfurization and denitrification，SDD）工藝將硫酸鹽還原-有機物厭氧氧化與反硝化脫硫過程耦合，可實現(xiàn)碳-氮-硫污染物質(zhì)的同步高效去除，大大節(jié)省空間

2、和投資；然而其最大的弊端在于單質(zhì)硫產(chǎn)率較低（小于30％）。針對該工藝存在的問題，本文提出了一種新型的微氧碳氮硫共脫除工藝，考察了微氧環(huán)境對多元污染物質(zhì)的去除及單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化的影響。同時，采用GeoChip、Illumina等分子生物學(xué)手段，研究了活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)對微氧環(huán)境的響應(yīng)及功能微生物間的相互關(guān)系，解析了微氧環(huán)境對促進單質(zhì)硫生成的調(diào)控機制。在活性污泥模型（ASM）和厭氧消化模型（ADM）基礎(chǔ)上，通過對化學(xué)計量系數(shù)和動力學(xué)參數(shù)的估計

3、和測定，建立了硫酸鹽還原-硫化物氧化（SR-SO）、反硝化脫硫（DSR）和SDD工藝的數(shù)學(xué)模型，為廢水生物處理工藝系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化運行提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。
　　本文開展了不同曝氣速率對 SR-SO和SDD工藝運行效能影響的研究。當?shù)孜锪蛩猁}和乳酸鈉濃度分別為1000 mg L-1和3000 mg L-1（以COD計），曝氣速率為0.5 mL O2 min-1 Lreactor-1時 SR-SO工藝獲得的最大單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化率為71.

4、8%，硫酸鹽的去除率為81.5%。硫酸鹽還原速率受氧硫比（ROS）的影響很小，而硫化物氧化與單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化過程則與 ROS密切相關(guān)；當氧氣消耗殆盡后，由于培養(yǎng)基中含有過剩的有機物，導(dǎo)致單質(zhì)硫重新還原為硫化物從而造成單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化效率下降。當?shù)孜锪蛩猁}、硝酸鹽和乳酸鈉濃度為1000 mg L-1、500 mg L-1和3000 mg L-1（以COD計）時，碳氮硫共脫除工藝獲得的最大單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化為69.2%，此時最佳曝氣速率為1.0 mL O2 m

5、in-1 Lreactor-1，硫酸鹽、硝酸鹽和有機物的去除率分別為91.0%、100%和89.6%。通過污染物轉(zhuǎn)化動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在微氧條件下硝酸鹽還原速率下降，而硫酸鹽還原速率不受影響且遠高于厭氧還原過程的速率，微氧有效解除了硝酸鹽對硫酸鹽還原過程的抑制作用。經(jīng)微氧環(huán)境定向選擇后的活性污泥轉(zhuǎn)至厭氧條件運行時仍能保持良好地污染物去除效能和硫化物氧化效率，為工藝的定向啟動運行提供新的思路。底物中有機物濃度主要影響硫化物氧化和單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化過

6、程，隨著有機物濃度增大出水中硫化物比例增高，單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化率下降；而硝酸鹽主要對硫酸鹽的還原過程產(chǎn)生抑制，隨著進水硝酸鹽濃度增大硫酸鹽還原率降低，但單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化差異不大。
　　Illumina高通量測序結(jié)果表明，厭氧運行時的碳氮硫共脫除工藝中硫氧化細菌所占豐度較低，僅在底物硝酸鹽濃度為3000和3500 mg L-1的微生物群落中檢測到豐度較高的硫氧化菌 Arcobacter（6.63%和14.53%），而在這兩個微生物群落中同樣檢測到

7、高豐度的單質(zhì)硫還原菌 Sulfurospirillum（22.05%和15.85%），二者的綜合效應(yīng)使得工藝的單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化率依然很低（<10%）。通過利用基因芯片（GeoChip）技術(shù)解析功能微生物對微氧環(huán)境的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，微氧環(huán)境使得微生物群落的多樣性顯著增加。與厭氧環(huán)境相比，微氧環(huán)境下硫酸鹽還原功能基因的表達豐度無明顯差異；而反硝化功能基因的表達豐度則有所降低。硫氧化基因的表達在微氧環(huán)境下顯著增強，從而促進硫氧化微生物更高效地將硫化物氧化

8、至單質(zhì)硫。高通量測序結(jié)果顯示，曝氣量1.0 mL O2 min-1 Lreactor-1條件下微生物群落中硫化物氧化微生物Spirochaeta相對豐度較高；而單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化微生物Sulfurovum所占比例較低，從而使得反應(yīng)器具有最高的單質(zhì)硫產(chǎn)率。
　　基于對硫酸鹽還原-硫化物氧化過程的分析，建立了一套用于描述硫酸鹽還原-硫化物氧化的數(shù)學(xué)模型，其中非線性最小二乘分析用于目標函數(shù)的建立，而Monte Carlo法則用于目標函數(shù)的優(yōu)化。

9、根據(jù)自養(yǎng)-異養(yǎng)協(xié)同反硝化脫硫的機理，將文獻中報道的自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化過程動力學(xué)描述相結(jié)合，同時加入用于描述自養(yǎng)與異養(yǎng)反硝化之間協(xié)同關(guān)系的特征動力學(xué)參數(shù)，建立了一套全面、準確的DSR數(shù)學(xué)模型。在上述硫酸鹽還原-硫化物氧化及反硝化脫硫數(shù)學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上，建立了描述碳氮硫共脫除過程的數(shù)學(xué)模型，并將氧氣作為一種新組分嵌入模型，使模型能夠很好地連接厭氧與微氧反應(yīng)過程。碳氮硫共脫除數(shù)學(xué)模型具有廣泛地適用性，它不僅可用于預(yù)測碳氮硫污染物的轉(zhuǎn)化過