膜曝气生物反应器单级自养脱氮工艺关键技术研究

本课题采用中空纤维膜MABR对短程硝化-反硝化和厌氧氨氧化途径的单级自养脱氮工艺关键技术进行研究。采用Voronoi分布模拟膜纤维运动，借助CFD和传质模型对反应器局部流场和液-固相传质进行模拟并以实验验证，初步建立MABR结构设计理论体系，用于指导反应器结构优化；借助分子生物学中PCR-DGGE、FISH-CLSM等方法和微电极检测技术，着重分析膜曝气生物膜中各功能菌种群比例、分布和氧、氮化合物浓度分布，从定性和定量两方面阐明功能微生物特性、生物膜内传质过程与工艺参数之间的微观关系；试图揭示不同工艺参数下EPS组成、结构和分布对生物膜中氧及氮化合物传质的影响，以及其在生物膜分层过程中起到的重要作用。通过本课题的开展，完善和补充以MABR为核心的单级自养脱氮理论，建立运行工况－微生物特性－出水含氮量之间的相互关系，为MABR工艺应用于污水脱氮工业化应用提供行之有效的理论基础。

本课题提出以计算流体力学（CFD）与流体实验相结合的技术思路，对膜曝气生物膜反应器（MABR）内流场与多相传质及脱氮性能的关系；内流场与微生物种群动态变化的规律进行研究。并以此为理论基础指导MABR的工程化应用。本项目围绕研究目标按计划开展工作，主要取得了如下几方面的成果。. （1）MABR单级自养脱氮性能研究。分析与比较了不同工艺参数（水力停留时间、DO、pH、C/N比、氨氮负荷等）对MABR的除碳脱氮性能的影响，并以此研究MABR反应器硝化、反硝化和去除有机碳的规律。在优化的工艺参数条件下（HRT=12h，DO=0.5mg/L，C/N=5，pH=7.2～7.5），MABR反应器对COD和TN的去除率分别达到了91%和75%。. （2）MABR反应器内流场分析和优化研究。借助CFD技术建立了MABR的数值模型，并对影响反应器内流场的参数（进水方式、填充方式、循环流量、填充密度、长径比、内置挡板、以及膜纤维摆动等）进行了优化和筛选，以局部流速与生物膜性状的最佳关系为优化目标，构建了特定条件下的MABR内流场动态模型。. （3）MABR内流场动态数值模型的验证，及局部流场特性对生物膜脱氮性能的影响研究。采用三维电磁流体测速仪测定实体模型的速度场，结果显示模拟结果与实验值基本吻合，平均误差为9.76%，具有较高的模拟精度。实验验证了局部流场与反应器脱氮之间的关系，当反应器平均流速均为0.026 m/s，均匀填充密度为30%时可获得70%以上的TN脱除率。. （4）生物膜性状组成与流场特性关系研究。研究发现反应器内高速区和中速区曝气膜纤维上附着微生物量远高于死区；通过分子生物学方法测定，高速区以厌氧氨氧化和短程硝化－反硝化反应为主；中速区主要进行厌氧氨氧化和硝化－反硝化反应；死区进行硝化－反硝化反应。.本项目从MABR反应器运行参数条件的优化，反应器结构设计的优化和验证，反应器内流场特性与微生物种群关系及脱氮机理三个层次开展研究，完善和补充了以MABR为核心的单级自养脱氮理论，建立反应器结构－运行工况－微生物特性－出水含氮量之间的相互关系，为MABR工艺应用于污水脱氮工业化应用提供行之有效的理论指导。