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s b r 系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究 摘要 玉米、大豆、小麦、薯类等农产品加工利用过程中，会产生大量废水，这类废水不仅有机 物浓度高，而且还含有高浓度硫酸盐和氨氮。研究人员对高硫酸盐废水的厌氧处理工艺和设备 进行了广泛研究，但在厌氧处理过程中，硫酸盐会转化成有毒且对设备腐蚀性强的硫化物，氨 氮也不能有效去除，需经过进一步处理才能有效解决农产品加工废水污染问题。目前采用的传 统好氧生物脱氮除硫工艺，存在着工艺复杂、投资和运行费用高等缺点。寻求低成本、高效率 的先进废水处理工艺，对农产品加工企业的发展具有重要意义。 好氧颗粒污泥工艺是近年来发展起来的污水处理新工艺，与传统的絮状活性污泥相比，具 有容积负荷高、沉降性能好、占地小、投资低等优点。由于颗粒污泥对溶解氧传质的限制，使 好氧颗粒污泥内部形成好氧区、缺氧区和厌氧区，可使好氧和厌氧微生物在颗粒内部共存，实 现多种污染物的同步去除，具有良好的发展前景。 本研究利用好氧颗粒污泥的特点，进行了脱氮除硫好氧颗粒污泥的培养及特性研究，并重 点对其脱氮除硫的过程及影响因素进行了研究，为好氧颗粒污泥在农产品加工废水处理中的应 用提供理论依据。 主要研究结果如下： ( 1 ) 在s b r 反应器中对脱氮除硫好氧颗粒污泥的培养和污泥特性进行了研究。以厌氧颗粒 污泥为接种污泥，采用人工配制的含硫化物和氨氮的有机废水，通过控制运行条件，在2 1 d 内 可培养出脱氮除硫好氧颗粒污泥。好氧颗粒污泥粒径以1 1 5 m m 为主，s v i 为3 0 - - 4 0 m l g ，微 生物组成以短杆菌为主，外部包裹大量丝状菌。进水硫化物、c o d 和n i - h + - n 浓度分别保持在 5 0 m g l 、5 5 0 m g l 和5 5 m g l 时，好氧颗粒污泥对硫化物、c o d 和n h n 一n 的去除率分别达到9 9 、 8 0 和9 9 9 6 以上。 ( 2 ) 研究了硫化物对好氧颗粒污泥脱氮除硫效果和污泥稳定性的影响。当进水c o d 和n h 。+ 一n 浓度分别保持在5 5 0 m g l 和5 5 m g l 时，硫化物浓度从5 0 m g l 逐步提高到3 0 0 m g l 时，硫化物 去除率一直保持在9 9 以上，c o d 和n i 。+ 一n 的去除率在提高浓度初期略有下降，但下降幅度不大， 经过一周左右的恢复，c o d 和n h 。+ 一n 去除率又可分别达到8 0 和9 9 以上。但硫化物浓度超过 l o o m g l 时，引起丝状菌过度繁殖，s v i 大于l o o m l g ，系统变得不稳定。 ( 3 ) 对脱氮除硫好氧颗粒污泥的微生物种群进行了研究。p c r d g g e 分析结果表明，稳定 运行期，脱氮除硫好氧颗粒污泥中微生物种群比较丰富，其结构也比较稳定。微生物群落以b 一 变形菌( j 9 - p r o t e o b a c t e r i u m ) 和拟杆菌( u n c u l t u r e db a c t e r o i d e t e sb a c t e r i u m ) 为主，分别 占总数的2 7 2 7 和1 8 1 8 。优势菌群有反硝化细菌( t h a u e r as p ) 、异氧硝化反硝化细菌 ( p s e u d o m o n a sa l c a l i g e n e s ) 及发硫菌属( u n c u lt u r c dt h i o t h r i xs p ) 等。 ( 4 ) 对好氧颗粒污泥的脱氮除硫过程及影响因素进行了研究。s b r 反应系统中的脱氮途径 包括硝化反硝化、同步硝化反硝化和异养硝化反硝化；硫化物主要是通过发硫菌属( u n c u lt u r e d 河南农业大学博士学位论文 t h i o t h r i xs p ) 的生物氧化作用去除的。d o 对好氧颗粒污泥脱氮除硫的效果有显著影响。 ( 5 ) 对高硫化物浓度下，好氧颗粒污泥仍能高效脱氮的原因进行了分析。硫化物的氧化去 除主要发生在反应开始前3 0 m i n ，而氨氮的去除主要发生在3 0 - - 一1 2 0 m i n 。在高进水硫化物浓度 下，s b r 系统仍表现出良好的脱氮效果，是由硫化物比氨氦快速氧化的特点及好氧颗粒污泥的 层状结构决定的。 ( 6 ) 对好氧颗粒污泥的传质及动力学进行了研究。d o 和硫化物的传质对硝化反硝化脱氦 影响较大，而氨氮的传质对其去除速率影响较小。好氧颗粒污泥对c o d 和n h t + 一n 去除的动力学 模型分别为： 矿：q ：塑和v ：q ：q 兰! 璺。 1 1 9 5 + s 9 2 4 + s 关键词：s b r 反应器，好氧颗粒污泥，脱氮除硫，p c r d g g e ，微生物种群，传质，动力学模型 s b r 系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究 c u l t i v a t i o na n dc h a r a c t e r so ft h ea e r o b i c g r a n u l e sf o ra m m o n i u ma n ds u l f i d er e m o v a li ns b r s y s t e m s u p e r v i s o r ：p r o f y uy o n g c h a n g p h d c a n d i d a t e ：s uc a i l i a b s t r a c t ：t h ep r o c e s s i n ga n du t i l i z a t i o no fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t ss u c ha sm a i z e ，s o y b e a n ， w h e a ta n d p o t a t oc a ng e n e r a t eal a r g ea m o u n to fo r g a n i cw a s t e w a t e rw h i c hc o n t a i n sh i g h c o n c e n t r a t i o n so fs u l f a t ea n da m m o n i a r e s e a r c h e r sc o n d u c t e da ne x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o n o ft h et e c h n o l o g i e sa n de q u i p m e n t so fa n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n to fs u l f a t e - r i c h w a s t e w a t e r ，h o w e v e r ，i nt h ep r o c e s so fa n a e r o b i ct r e a t m e n t ，s u l f a t ec h a n g e di n t oak i n d o ft o x i cs u l f i d et h a tw a sh i g h l yc o r r o s i v et ot h ee q u i p m e n t s ，b e s i d e s ，t h ea m m o n i ac o u l d n o tr e m o v ee f f e c t i v e l y ，i tr e q u i r e daf u r t h e rt r e a t m e n tt or e s o l v et h ep r o b l e mo f w a s t e w a t e rp o l l u t i o nf r o ma g r i c u l t u r a lp r o d u c t sp r o c e s s i n g t h e r ea r es e v e r a ld e f e c t si n t h ec u r r e n t l y - a d o p t e da e r o b i cs u l f i d ea n da m m o n i u mr e m o v a lt e c h n o l o g y ，n a m e l y ， c o m p l e xp r o c e s s i n g ，b i gi n v e s t m e n ta n dh i g ho p e r a t i n gc o s t t h e r e f o r e ，t os e e ka n a d v a n c e d ，l o w - c o s ta n dh i g h l y e f f i c i e n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o t h ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t sp r o c e s s i n gb u s i n e s s c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ef l o c s ，t h en e w l y - d e v e l o p e da e r o b i c g r a n u l a rs l u d g et e c h n o l o g yh a v es e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hv o l u m e t r i cl o a d i n g ， g o o ds e t t l i n ga b i l i t y ，s m a l lo c c u p y i n gs p a c e ，l o wi n v e s t m e n ta n ds oo n o w i n gt ot h e r e s t r i c tm a s st r a n s f e ro ft h ed i s s o l v e do x y g e ni ng r a n u l e s ，s oi n s i d et h ea e r o b i cg r a n u l e si t f o r ma e r o b i cz o n e ，a n o x i cz o n ea n da n a e r o b i cz o n e ，w h i c he n a b l e st h ec o e x i s t e n c eo f a e r o b i ca n da n a e r o b i cm i c r o o r g a n i s ma n dr e a l i z e ss i m u l t a n e o u sr e m o v a lo fm a n yk i n d s o fp o l l u t a n t t h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g et e c h n o l o g yh a sag o o dp r o s p e c t d r a w i n go nt h ep r o p e r t i e so fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，t h i sr e s e a r c hi n v e s t i g a t e dt h e c u l t i v a t i o na n dc h a r a c t e r so ft h ea e r o b i cg r a n u l e sf o ra m m o n i u ma n ds u l f i d er e m o v a l ， e s p e c i a l l yt h er e m o v a lp r o c e s sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r s ，w h i c hw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sf o r t h e a p p l i c a t i o no fa e r o b i cg r a n u l e si na g r i c u l t u r a lp r o d u c t sp r o c e s s i n g w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h em a i nr e s u l t sa r ea sf c i l l o w s ： ( 1 ) c u l t i v a t i o na n dc h a r a c t e r so ft h ea e r o b i cg r a n u l e sf o ra m m o n i u ma n ds u l f i d e r e m o v a li nas e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o rw e r es t u d i e d u s i n ga n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ea s s e e ds l u d g e ，t h ea e r o b i cg r a n u l e sf o ra m m o n i u ma n ds u l f i d er e m o v a lw e r ec u l t i v a t e df e d 、析t h s y n t h e t i ca m m o n i aa n ds u l f i d e r i c hw a s t e w a t e ru n d e rc o n t r o l l e do p e r a t i o n a l c o n d i t i o n si n21d a y s t h ed i a m e t e ro fm o s to ft h ea e r o b i cg r a n u l e sw a sa b o u t1 - 1 5m l t l a n dt h es v lw a s3 0 4 0 m l g t h eg r a n u l ew a sd o m i n a t e db yb r e v i b a c t e r i u m ，a n d w r a p p e db yal a r g en u m b e ro ff i l a m e n t o u sb a c t e r i a w h e nt h es u l f i d ei n f l u e n t ，c o da n d n h a + - nc o n c e n t r a t i o nw e r e5 0 m g l ，5 5 0 m g la n d5 5 m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so f s 厶，c o da n dn h a 十- nw e r e 9 9 ， 8 0 a n d 9 9 ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo fs u l f i d eo nr e m o v a le f f e c ta n ds l u d g es t a b i l i t yw a si n v e s t i g a t e d 、册1 e nt l l ec o da n dn h 4 + - nc o n c e n t r a t i o nw e r e5 5 0 m g la n d5 5 m g la n dt h es 2 c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df r o m5 0 m g lt o 3 0 0 m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c y o fs 2 m a i n t a i n e da b o v e9 9 ，a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o da n dn h a + - nw e r es l i g h t l y d e c r e a s e da tt h ee a r l ys t a g eo fc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e ，b u ta f t e ro n ew e e k ，t h e yc o u l d r e a c ha b o v e8 0 a n d9 9 r e s p e c t i v e l y h o w e v e r ，w h e nt h es 2 。c o n c e n t r a t i o ne x c e e d e d lo o m g l ，f i l a m e n t o u sb a c t e r i aw o u l do v e r g r o w t ha n ds v i 1 0 0 m l g ，s ot h es y s t e m w o u l db e c o m ei n s t a b l e ( 3 ) t h em i c r o b i a lp o p u l a t i o no fa e r o b i cg r a n u l e sf o ra m m o n i u ma n ds u l f i d e r e m o v a lw a sa l s os t u d i e d t h ep c r - d g g ea n a l y s i ss h o w e dt h a t ：d u r i n gs t a b l eo p e r a t i o n ， t h em i c r o b i a lp o p u l a t i o no fa e r o b i cg r a n u l e sw a sc o m p a r a t i v e l yr i c ha n dt h e i rs t r u c t u r e s w e r es t e a d y t h ep o p u l a t i o n m a i n l y i n c l u d e df l - p r o t e o b a c t e r i u ma n du n c u l t u r e d b a c t e r o i d e t e sb a c t e r i u m ，w h i c ha c c o u n t e df o r2 7 2 7 a n d18 18 ，r e s p e c t i v e l y d o m i n a n tc o n s o r t i u mi ng r a n u l e sw e r ed e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ( t h a u e r as p ) ，h e t e r o t r o p h i c n i t r i f i c a t i o nb a c t e r i a ( p s e u d o m o n a sa l c a l i g e n e s ) a n du n c u l t u r e dt h i o t h r i x s p ( 4 ) t h er e m o v a lp r o c e s sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r es t u d i e d t h en i t r o g e nr e m o v a l p a t h w a y si n c l u d i n gn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o na n dh e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni nt h es b rs y s t e m s u l f i d ew a sr e m o v e dm a i n l yt h r o u g ht h eb i o l o g i c a lo x i d a t i o np r o c e s s e so fu n c u l t u r e d t h i o t h r i xs p d oh a dag r e a ti m p a c to nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fa m m o n i u ma n ds u l f i d e ( 5 ) t h er e a s o nw h ya e r o b i cg r a n u l e sc o u l dk e e pah i g h l y e f f i c i e n ta m m o n i u m r e m o v a lp e r f o r m a n c eu n d e rh i g hc o n c e n t r a t i o no fs u l f i d ew a sa l s od i s c u s s e d t h es u l f i d e r e m o v a lm a i n l yt o o kp l a c ei nt h ef i r s t3 0m i n u t e so ft h ec y c l eo ft h es b r ，w h i l e a m m o n i u mr e m o v a li nt h er a n g eo f3 0 1 2 0 m i n t h es b rr e a c t o rs h o w e dh i g hr e m o v a l c a p a c i t yo fn h a 十- nu n d e rt h eh i g hs 2 。c o n c e n t r a t i o n ，w h i c hw a sp o s s i b l ed u et ot h e l a y e r e ds t r u c t u r eo fa e r o b i cg r a n u l e so rt h ec h a r a c t e r i s t i c st h a ts u l f i d ec o u l db ef a s t s b r 系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究 o x i d i z e dp r i o rt ot h ea m m o n i u m ( 6 ) t h em a s st r a n s f e ra n dk i n e t i c so fa e r o b i cg r a n u l e sw e r ea l s oc o n s i d e r e d t h e m a s st r a n s f e ro fd oa n ds u l f i d es h o w e dm o r ei n f l u e n c eo nn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f y i n g ， w h i l et h em a s st r a n s f e ro fa m m o n i u ms h o w e dl i t t l e t h ek i n e t i cm o d e l so fa e r o b i c g r a n u l e sf o rc o da n dn h a + - nr e m o v a lw e r ea sf o l l o w s ： v = 0 5 6 s 1 1 9 5 + s v ：q ：q 兰堕 9 2 4 + s k e yw o r d s ：s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) ；a e r o b i cg r a n u l e s ；a m m o n i u ma n ds u l f i d e r e m o v a l ；p c r d g g e ；m i c r o b i a lp o p u l a t i o n ；m a s st r a n s f e r ；k i n e t i cm o d e l s 致谢 感谢我的导师余泳昌教授。在课题的选择、研究的过程及论文的写作修改过程 中，他都倾注了很多的心血，提出很多好的建议，使我的课题研究顺利完成。在日 常的学习生活过程中，他虽然工作很忙，也给予我细心的关怀。余老师渊博的知识 结构、严谨的治学态度和宽容的为人风格令我敬佩不已，他的教诲将使我受益终身。 再次向他表示衷心的感谢! 感谢机电工程学院农业生物环境与能源工程教研室的张全国教授和刘圣勇教 授，在课题的选择和研究过程中，他们给我提出许多好的建议和指导! 另外，在研 究过程中，还得到教研室张百良教授、杨群发、郭前辉、尤喜风、徐桂转、王艳锦、 李纲、岳建芝、胡建军等老师的指导和帮助，在此向他们表示真诚的感谢! 同时， 感谢机电工程学院的所有领导和老师们在学习和生活中给予的帮助! 感谢林学院的赵勇、李有等老师及生命科学学院的王风琴老师在实验研究中给 我的热心帮助，与他们的交流探讨，解答了我许多疑惑! 感谢周恒涛、杜金宇、任天宝、黄黎、荆艳艳等博士在课题研究方面给予的宝 贵建议和意见! 感谢张莎莎、田园、吴高峰、王建、菅明星、史胜杰、刘雷铭等师 妹师弟们在实验过程中给予的辛勤协助! 感谢我的父母和爱人，儿子在他们的精心照顾下健康成长，解除了我的后顾之 忧，使我有更多的时间和精力投入学习；感谢我的儿子，幼小的他在面对繁忙的我 时，总能给予体谅和支持，让我感动，给我前进的力量。 最后，衷心感谢在我求学期间给予我热情、无私的帮助与支持的老师、朋友和 家人。 苏彩丽 2 0 1 0 年6 月 s b r 系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着世界工农业的迅猛发展，水资源危机已成为全球面临的严重问题之一。 我国是一个水资源短缺的国家，水资源总量居世界第六位，人均占有量只有2 5 0 0 立方米， 已被联合国列为1 3 个贫水国家之一。同时，随着经济的快速发展，我国水资源质量也在不断下 降，水环境持续恶化，由于污染所导致的事故不断发生，不仅使工厂停产、农业减产甚至绝收， 而且造成了不良的社会影响和较大的经济损失，严重地威胁了社会的可持续发展。 我国是一个农业大国，为了提高农民收入，促进农业可持续发展，近年来，国家从政策、技术和 资金等多方面给予大力扶持，在全国掀起了农产品加工经营的热潮。据农业部统计，2 0 0 5 年，我国规 模以上农产品加工企业有7 万多家。农产品加工企业由于生产技术水平低，资源利用率低，污 废水排放量较大，对周围环境造成严重的污染。 农产品加工废水种类繁多，水质情况各不相同。总体上，农产品加工废水具有以下特点： 有机物浓度较高；含有高浓度s 0 。 、c l 一、氨氮等旧1 。这些废水如不经有效处理排入水体， 大量的有机物和氨氮将使受纳水体溶解氧迅速降低，使水质恶化；同时，硫酸盐在缺氧环境下 又会在硫酸盐还原菌的作用下转化为h ：s ，h 。s 具有恶臭味和腐蚀性，因此将污染大气，对人体 健康和区域生态环境造成危害。 为有效解决农产品加工企业的水污染问题，自2 0 世纪8 0 年代开始，各国研究人员就开始 了对高浓度硫酸盐废水处理工艺的研究，他们的研究主要集中在厌氧去除有机物的过程中硫酸 盐还原菌对产甲烷菌的影响及控制措施方面，取得了较好的效果f 3 吲。但是，经过厌氧处理后的 废水仍不能满足污水排放标准要求，氨氮经厌氧过程不能有效去除，厌氧出水中还含有一定量 的硫酸盐还原产物一硫化物和未被降解的有机物，还需进一步处理。目前常采用传统的活性污 泥法处理工艺旧川，存在着负荷低、占地面积大、投资和运行费用高等缺点，许多农产品加工企 业难以承受，因此，寻求经济、高效的脱氮除硫工艺对农产品加工企业的持续发展将有积极作 用。 目前研究较多的厌氧同步脱硫反硝化工艺旧。3 j 无需曝气，运行费用低，但该工艺尚存在一 些缺点u4 】： ( 1 ) 需要前置反应器完成氨氮的硝化过程，增加投资；( 2 ) 出水可能含h ：s 气体， 对设备和环境有害；( 3 ) 系统运行中需加酸进行p h 值调节，运行不稳定。在实际工程中尚不 能采用。 上世纪9 0 年代初，研究人员发现了好氧反应器中的污泥颗粒化现象5 1 。颗粒污泥是微生 物群体为适应自身生长环境而自然聚集形成的，由于d o 在颗粒污泥内部的传质限制，使颗粒污 泥内部可同时存在着好氧区、兼氧区和厌氧区，从而使好氧、厌氧等多种微生物在颗粒内部共 存，并在生存竞争过程中自发形成一种代谢互补紧密的营养关系。因而能够实现多种污染物的 河南农业大学博士学位论文 同步去除，使复杂的有机污染物得以完全降解、还可耐受较高的有毒物质，可望在高浓度、难 降解或有毒有机废水的处理中得以广泛应用n6 l 。d eb r ui n 等将好氧颗粒污泥工艺与传统活性污 泥工艺进行了比较，结果显示，好氧颗粒污泥工艺的占地面积为活性污泥工艺的2 5 ，总投资 远低于活性污泥工艺，从年均总运行费用比较，单独的好氧颗粒污泥工艺比活性污泥工艺低 1 7 ，而后续沉淀池的好氧颗粒污泥工艺比活性污泥法低7 左右n 引。好氧颗粒污泥与活性污泥 的理化性质比较见表i - i 。 表i - i 好氧颗粒污泥与活性污泥理化性质比较“叫 t a b l e1 1c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i s o nb e t w e e ng r a n u l e sa n da c t i v a t e ds l u d g e s 根据好氧颗粒污泥内好氧、厌氧区同时存在，多种微生物共存的特点，如果将脱氮除硫在 一个好氧颗粒污泥反应器内实现，不仅可以使工艺简化，而且可减小占地面积，降低能耗，节 省建设和运行费用，从而减轻农产品加工企业的治污负担。 本研究即利用好氧颗粒污泥的特点，针对目前脱氮除硫工艺所存在的问题，将好氧颗粒污 泥用于废水的脱氮除硫，为农产品加工废水的处理寻求一条经济高效的途径。 1 2 生物脱氮除硫研究现状 1 2 1 生物脱氮研究现状 1 2 1 1 氮素循环 氮素是所有生物的必需营养元素，在自然生态系统中起重要作用。自然界的氮素以分子氮、 有机氮和无机氮等形成存在，在微生物和动植物的协同作用下互相转化，构成氮循环，如图i - i 所示。 自然界中氮素循环包括生物固氮作用、氨的同化作用、氨化作用、硝化和反硝化作用及异 化硝酸盐还原作用，见表i - 2 。影响其循环过程的因素有很多，包括氧化、酸碱度等自然环境 2 s b r 系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究 因素，也包括人类施肥施药等人类活动因素。 图卜1 生物圈氮素循环 f i g 1 1n i t r o g e nc y c l ei nb i o s p h e r e 表卜2 自然界氮素循环的生物反应h 8 1 t a b l e1 2b i o r e a c t i o no fn i t r o g e n c o m p o u n di nn a t u r e 在自然界未受人类扰动时，各生态系统通过生物固氮，以氨的形式输入氮素；然后经过氨 化、同化、硝化等进行生物转化；最终在反硝化作用下以分子态氮( 氮气) 的形式输出氮素， 输入与输出的氮素接近平衡，氮素循环接近稳态。但是，随着工农业的快速发展，对氮素的需 要量越来越大，而人民生活水平静提高，也增加了氮素的排放量，由此造成人类生活区域内氨 氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等的升高，破坏了氮素循环体系，造成日益严重的氮素污染。 为控制氮素污染，可采用空气吹脱、化学中和等物理化学的方法，但其运行费用太高，根 据氮素循环所开发的生物脱氮技术具有工艺简单、成本低廉等特点，已成为控制氮素污染应用 最广泛的的方法。 3 河南农业大学博士学位论文 1 2 1 2 传统硝化反硝化脱氮 传统上，生物脱氮需要经过微生物的硝化和反硝化两个过程完成。 ( 1 ) 硝化 硝化是指在有氧条件下，氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。硝化过程分为两个阶段， 分别由氨氧化茵和亚硝酸盐氧化茵完成。第一步由氨氧化茵将氨氮转化为亚硝酸盐，第二步由 亚硝酸氧化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐。反应计量式为n 引： n h 4 + + 1 3 8 2 0 2 + 1 9 8 2 h c 0 3 一- - - 0 9 8 2 n 0 2 + 1 0 3 6 h 2 0 + i 8 9 1 h 2 c 0 3 + o 0 1 8 c 5 1 1 7 0 2 n( 1 1 ) n 0 2 一+ o 4 8 8 0 2 + 0 0 0 3 h c 0 3 一+ 0 0 1 h 2 c 0 3 + 0 0 0 3 n h 4 - - - n 0 3 + o 0 0 8 h 2 0 + 0 0 0 3 c 2 7 0 2 n ( 1 2 ) 通过物料平衡计算，在亚硝化过程中，每氧化i gn h 4 十一n 需要3 4 3 9 的氧和7 1 4 9 的碱度 ( 以c a c 0 3 ) 计，同时产生0 1 4 6 9 氨氧化菌；在硝化过程中，将亚硝酸转化为硝酸盐需要1 1 4 9 的氧和0 9 碱度，同时产生0 0 1 9 9 亚硝酸菌n 引。 氨氧化菌为专性好氧菌，化能无机营养，氧化氨氮为亚硝酸氮，从中获得能量，供合成细 胞和固定c o 。，最适温度2 5 一- - 3 0 ，最适p h 值为7 5 8 0 。氨氧化细菌由亚硝酸单胞菌属 ( n i t r o s o m o n a s ) 、亚硝酸螺菌属( n i t r o s o s p i r a ) 、亚硝酸球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 、亚硝 酸弧菌( n i t r o s o v i b r i o ) 和亚硝酸叶菌属( n i t r o s 0 1 0 b u s ) 等五个属组成心0 。 亚硝酸氧化菌由硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 、硝化球菌属( n i t r o c o c c u s ) 、硝化螺菌属 ( n i t r o s p i r a ) 和硝化刺菌属( n i t r o s p i n a ) 等四个属组成，大多数在温度2 5 3 0 。c ，p h 值为 7 5 8 0 ，亚硝酸浓度为2 - 3 0 m m o l l 时生长较好心0 1 。 ( 2 ) 反硝化 反硝化是由反硝化菌在厌氧条件下，以n 0 。一或n o 。一为电子受体，有机物为电子供体，最终 转化成n z 或有机氮化物的过程。其反应计量式为u9 1 ： n 0 3 + 1 0 8 c h 3 伽+ o 2 4 h 2 c 0 3 0 4 7 n 2 + 1 6 8 h 2 0 + c o ：+ o h 一+ 0 0 5 6 c s h ，0 t n( 1 - 3 ) n 0 2 一+ o 6 7 c h 。o h + o 5 3 h 2 c o 。0 4 8 n 2 + 1 2 3 h 2 0 + c 0 2 + o h 一+ 0 0 4 c 。h ，0 2 n( 1 4 ) 通过物料平衡计算，还原l g 的n 0 s 一可提供2 8 6 9 的氧，产生约3 5 7 9 的碱度( 以c a c 0 3 ) 。 理论上，还原1 9 的n o 。需要1 9 9 的甲醇，但以有机物为基质时，反硝化细菌不仅将它用作电 子供体进行反硝化反应，还将它用作碳源合成细胞物质，因此，实际中所需的甲醇数量要比理 论值多【1 引。一般还原l g 的n 0 。一需消耗2 4 9 甲醇担。 反硝化菌种类较多，分有机营养型、无机营养型和光能营养型。一般反硝化菌都是利用氧 气作为电子受体，而氧含量很低时，可以利用亚硝酸盐和硝酸盐中的氧进行呼吸，最终释放出 氮气。反硝化菌最适宜的温度是1 5 - - 一3 0 c ，p h 值是7 , - - - 8 5 。在自然界中普遍存在的反硝化细 菌是假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 和产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) ，其它属出现的频率较低他0 j 。 4 s b r 系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究 表1 - 3 生物硝化反硝化的特征嘲 t a b l e1 - 3c h a r a c t e r i s t i c so fn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ( 3 ) 传统硝化反硝化脱氮工艺 根据上述硝化反硝化的基本原理，研究人员开发出多种不同的脱氮工艺，主要有后置反硝 化( - - 级活性污泥法) 和前置反硝化( a o 工艺、a o 工艺) 工艺等，典型的工艺流程如图卜2 所示。这些工艺均是将好氧区与缺氧区单独设立，使硝化、反硝化反应独立进行。虽然硝化反 硝化可有效去除废水中的氮，但仍存在许多不足之处啪1 ： 由于硝化菌群增殖速度较慢且硝化菌世代长，难以维持系统中较高的生物浓度，因此造 成系统有机负荷低，水力停留时间长，基建投资和运行费用高； 硝化化过程消耗碱度，而反硝化过程产生碱度，由于两个过程的分开，使硝化过程需另 外加碱中和，增加成本； 由于反硝化过程需要消耗有机物，而废水中的c o d 经硝化过程后，大部分被去除，因此 反硝化往往需外加碳源，增加成本； 为使系统获得良好的脱氮效果，需进行污泥回流和硝化液回流，增加运行费用； 氨氮完全氧化需消耗大量的氧气，增加动力费用。 混合液回流 图卜2a v o 工艺流程图 f i g 1 - 2a v op r o c e s sf l o wd i a g r a m 5 污泥 河南农业大学博士学位论文 1 2 1 3 异养硝化反硝化脱氮 通常所说的硝化作用是指好氧化能自养硝化细菌所进行的硝化反应，即自养硝化。异养硝 化是指一些细菌可以利用有机碳源生长并进行硝化作用口3 1 。 过去，人们虽然发现了异养硝化现象，但由于监测手段落后，认为自然界中以自养硝化作 用为主，而异养硝化作用甚微他黯1 。近几年通过优化监测手段，才证明异养硝化微生物在自然 界中同样起着不可忽视的作用，特别在酸性森林土壤里，异养硝化作用占主导地位啪1 。目前， 国内外研究人员已从环境中分离出多株具有异养硝化功能的微生物，见表1 - 1 1 ，这些微生物 不仅可以高效去除c o d 和氨氮，多数还具有好氧反硝化功能，因此，可以实现c o d 的氮化合物 的同步去除。 表1 4 一些异养硝化菌的脱氮特性【2 3 】 t a b l e1 - - 4t h ed e n i t r i f i e a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s o m eh e t e r o t h o p h i cn i t r i f i c a t i o nb a c t e r i a 注；+ ：检测到产物生成；- ：来检测到产物生成；，；文l 瞄k 握及；撑：具有厌氧反硝化功能；具有好氧反硝化功能 6 s b r 系统中好氧颗粒污泥的培养及脱氮除硫研究 与自养型硝化细菌相比，异养硝化菌具有生长速率快，细胞产量高他7 j ，能耐受酸性环境， 需要的溶解氧浓度低，并且能够代谢各种形态的氮化合物乜7 1 ，还可在高浓度有机废水中生长， 实现同步脱氮除碳。这些特点无疑凸现了异养硝化作用在废水生物脱氮中的巨大应用价值，日 益受到研究人员的广泛关注。 1 2 1 4 同步硝化反硝化脱氮 根据传统的生物脱氮理论，硝化反应必须在好氧条件下进行，反硝化反应必须在厌氧或缺 氧条件下进行，因此这两个过程不能同时发生。但是，研究人员在一些没有明显缺氧及厌氧段 的活性污泥工艺中，曾多次发现氮损耗的现象，这意味着对于脱氮机理的认识存在不足之处。 在广大研究人员的努力下，终于证实了同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 胸存在把。由于这些处理系统中，反硝化反应发生在有氧条件下，因 此，也有研究人员将这种反硝化过程称为好氧反硝化( a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) 2 3 3 】。 到目前为止，对于同步硝化反硝化的反应要理尚存在不同的观点，主要有宏观环境理论、 缺氧微环境理论及好氧反硝化微生物理论。 宏观环境理论认为由于反应器内混合形态不均，从而形成好氧区和缺氧区，满足了硝化茵 和反硝化的生境，从而实现同步硝化反硝化；缺氧微环境理论是目前被普遍接受的一种机理， 该理论从物理学角度认为由于各种物质( 如d o 、有机物、n o ：和n 0 。一等) 在微生物絮体内传递 的限制，从而导致污泥絮体微环境中物理、化学和生物条件的改变，实现s n d ，