微氧碳氮硫共脫除工藝的運(yùn)行效能及數(shù)學(xué)模擬.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)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(jī)廢水，其中含硫含氮有機(jī)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(dāng)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(jī)物厭氧氧化與反硝化脫硫過程耦合，可實(shí)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(shí)，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(jìn)單質(zhì)硫生成的調(diào)控機(jī)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(jì)量系數(shù)和動力學(xué)參數(shù)的估計(jì)

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(jì)和優(yōu)化運(yùn)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(yùn)行效能影響的研究。當(dāng)?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(jì)），曝氣速率為0.5 mL O2 min-1 Lreactor-1時(shí) 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(dāng)氧氣消耗殆盡后，由于培養(yǎng)基中含有過剩的有機(jī)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(dāng)?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(jì)）時(shí)，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(shí)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(jī)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(yuǎn)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(yùn)行時(shí)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(yùn)行提供新的思路。底物中有機(jī)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(jī)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(jìn)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(yùn)行時(shí)的碳氮硫共脫除工藝中硫氧化細(xì)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(gè)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(dá)豐度無明顯差異；而反硝化功能基因的表達(dá)豐度則有所降低。硫氧化基因的表達(dá)在微氧環(huán)境下顯著增強(qiáng)，從而促進(jìn)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(biāo)函數(shù)的建立，而Monte Carlo法則用于目標(biāo)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(jī)理，將文獻(xiàn)中報(bào)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(shí)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(zhǔn)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