（环境工程专业论文）高氨氮污泥脱滤液的厌氧氨氧化初步试验研究.pdf

ab s t r a c t s l u d g el i q u o r , w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yh i g hc o n c e n t r a t i o no fa m m o n i u m ，l o wc nr a t i oa n dl o w a l k a l i n i t y , c a n n o tb ea c h i e v e dt h ep r o c e s s i n gd e m a n df o rt h i sk i n do fw a s t e w a t e rb yt h ec o n v e n t i o n a l b i o l o g i c a ln i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pn o v e l n i t r o g e nr e m o v a lb i o - t e c h n o l o g i e sw i t hh i 【g he f f i c i e n c ya n dl o wc o n s u m p t i o n ，i nr e c e n ty e a r s ，t h en o v e l b i o t e c h n o l o g i e s ，s u c h 笛p a r t i a ln i t r i f i c a t i o na n da n a m m o x ( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ) p r o c e s s h a v eb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c ha l la r o u n dt h ew o r l d w h e r e a s ，m o s tn o v e ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s e sh a v e b e e nl i m i t e di nal a b o r a t o r ys c a l e ，a n ds o m et e c h n i c a lp r o b l e m sh a v er e m a i n e di n s u s p e n s e t h es l u d g e l i q u o rw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r p a r t i a ln i t r i f i c a t i o na n da n a m m o xp r o c e s s e sw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t e b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y , f i n d i n gt h ef e a s i b i l i t yo fp r o c e s so p e r a t i o na n db i o l o g i c a ln i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yo fw a s t e w a t e rw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o na m m o n i u m ，l o wc nr a t i oa n da l k a l i n i t y t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o nw a sa c h i e v e da n dm a i n t a i n e ds t a b l yi nt h es w i m - b e dr e a c t o ru n d e rt h e n h 4 + - nc o n c e n t r a t i o no f2 5 0 - - 3 5 0 m g l t e m p e r a t u r eo f3 0 士1 ，d i s s o v l e do x y g e n ( d o ) c o n c e n t r a t i o n ( 控制溶解氧，使硝化过程仅进行剑n h + n 氧化为 n 0 2 - n 的阶段，产牛的n o ，- n 用来氧化术反应的 n h + n ，最后形成n ： o l a n d 反应器 图i 2o l a n d 工艺流程图 f i g u r e1 2t h es c h e m a ti cd i a g r a m so fo l a n dp r o c e s s 实现o l a n d 工艺有几个关键因素：( 1 ) 在限氧亚硝化过程中，需控制反应过程中 的溶解氧浓度，使硝化过程进行到产生亚硝酸氮的阶段，在缺乏电子受体的条件下，未 参加氧化的5 0 氨氮与产生的亚硝酸氮发生作用，从而为厌氧氨氧化工艺提供理想的进 水水质条件，提高整个工艺的脱氮效果；( 2 ) 厌氧氨氧化过程中，厌氧氨氧化菌的生物 活性与环境条件关系极为密切，其主要影响因素是基质浓度、p h 值和温度，故应该控 制在适宜的环境条件下，确保厌氧氨氧化工艺的顺利进行【3 1 1 。 与传统的生物脱氮工艺相比，限氧亚硝化脱氮过程中，0 l a n d 工艺在理论上只需 将一半的氨氮氧化，故能节省6 2 5 的耗氧量；同时，由于在厌氧氨氧化过程中氨氮作 为亚硝酸氮还原的电子供体，所以无需投加有机碳源，在限氧条件下，好氧氨氧化菌和 厌氧自养菌在限氧条件下生长缓慢，产生的生物量少，所以污泥量也少。因此，有效地 降低了运行成本，具有很好的应用前景。 桂林理工大学硕士学位论文 l i n p i n gk u r i 等人采用s b r 反应器进行o l a n d 工艺，对氨氮去除效果进行了研究。 研究结果表明，大约2 2 的氨氮转化为亚硝酸氮或硝酸氮剩余3 8 的氨氮，4 0 的氨 氮主要以n 2 的形式脱除，总氮的去除率可达5 0 m g ( m 3 d ) 【3 2 】。 1 2 3 7s n a p 工艺 半硝化与厌氧氨氧化一体化工艺( s i n g l e s t a g en i t r o g e nr e m o v a lu s i n ga n a r n m o x a n dp a r t i a ln i t r i t a t i o n ，简称s n a p 工艺) ，由日本熊本大学k e n j if u r u k a w a 实验室研究发 现，其反应原理与c a n o n 工艺基本相同，该工艺是将氨氧化菌和厌氧氨氧化菌共同生 长附着在一种丙烯树脂纤维组成的载体上的单级自养过程。在这种条件下，氨氧化菌和 厌氧氨氧化菌在同一个反应器内发生作用，实现脱氮过程的技术。 s n a p 工艺采用了一种新型填料b i o f i x ，即丙烯酸树脂。丙烯酸树脂对厌氧氨氧化 菌具有很好的滞留效果。由于采用了这种新型填料，s n a p 工艺可以在较高的容积负荷， ( 约0 9 6k g - n ( m 3 d ) ) 下启动，并且总氮的去除率达到7 8 5 ，实现了较好脱氮效果1 3 3 i 。 s n a p 工艺的几个影响因素是：( 1 ) 控制反应器内溶解氧浓度：( 2 ) 微生物在载体 上的附着程度；( 3 ) 同一反应器中，氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的各自生存环境的主导地 位。 日本熊本大学p h a mk l 等人通过s n a p 工艺，对垃圾渗滤液进行了脱氮性能和污 泥特性方面的研究。研究发现，s n a p 工艺在p h 值为7 5 7 8 ，溶解氧d o 为 1 0 呲7 5 m g l 的条件下，氨氮的转化率能达到8 9 2 6 2 ，同时对氦素的去除率能达 到7 6 3 + 7 2 ，且容积负荷达到0 6k g - n ( m 3 d ) t 3 4 1 。华南理工大学王奎等人利用自行设 计的半硝化厌氧氨氧化一体化反应器，对处理禽畜养殖厂废水的脱氮效果进行了研究。 结果表明，当温度为1 8 - 3 0 ( 2 ，供氧段d o 浓度为1 5 m g l 一2 0 m g l ，水力停留时间约 为2 4 h 条件下，禽畜养殖场废水中，c o d 、和t n 平均去除率分别为7 5 1 0 、8 5 7 7 、 6 9 2 8 ，脱氮效果明显，反应器容积负荷可达到o 1 4k g - n ( m 3 d ) 【3 5 】。 1 3 半硝化工艺及其研究进展 1 3 1 基本原理 半短程硝化( 半硝化工艺) ，即在微氧环境条件下，只需5 0 左右氨氮被氧化成亚 硝酸氮，正因为仅一半氨氮被氧化而且硝化过程仅进行到亚硝化阶段，故称为半短程硝 化，也叫部分亚硝化工艺【3 6 1 。它是荷兰d e l f t 大学开发的一种新型脱氮工艺【3 7 1 ，从氮的 1 2 桂林理工大学硕士学位论文 微生物转化过程来看，氨被氧化成硝酸是分别由两类细菌催化完成的。整个硝化过程是 两个不同反应过程串联完成，亚硝化菌和硝化菌这两类细菌的特征也有明显的差异通 过利用这种差异，控制反应条件，将硝化过程控制在氨氮氧化到亚硝酸氮阶段，反应器 内亚硝酸氮能稳定地积累在某一个范围，使得出水中n 0 2 ：n i - 1 4 1 ：1 - - - 1 3 2 ：1 。其反应式 如下( e q 1 1 2 ) ： m ；+ 0 7 5 0 2 一o 。5 n h i + 0 5 n o ；+ 0 5 h 2 0 + h + ( 1 1 2 ) 半硝化反应作为a n a m m o x 工艺的前置工艺，最主要的是其出水能满足 a n a m m o x 工艺对氨氮与亚硝酸氮的物质的量比要求( 1 ：1 1 ：1 3 2 ) 。基于厌氧氨氧化 ( a n a m m o x ) 工艺的兴起，如何实现约5 0 的氨氮转化率，为其提供适宜的进水，具 有十分重要的研究意义和应用前景。 1 3 2 半硝化工艺影响因素及其研究现状 半硝化工艺的标志是稳定且较高的积累亚硝酸盐，即亚硝酸盐生成率至少大于5 0 以上，该工艺的关键在于将氨氮氧化控制在亚硝酸氮阶段，阻止亚硝酸氮进一步氧化， 进而发生反硝化作用。因此，研究的重点在于工艺的影响因素和维持较高浓度亚硝酸氮 浓度。影响半硝化工艺的主要因素有温度、p h 值、游离氨、氨氮负荷、溶解氧、泥龄 左盘 号宁o ( 1 ) 温度对半硝化工艺的影响 在2 0 下，亚硝化菌和硝化菌的最大比生长速率分别为0 8 0 1 l d 和o 7 8 8 u d 。由于 两个菌群的反应活化能不同( 分别为6 8 k j t o o l 和4 4 k j m 0 1 ) ，它们对温度变化的敏感性 也呈现出明显的差异。温度低于2 0 c 时，亚硝化菌的最大比生长速率小于硝化菌；而温 度高于2 0 时，亚硝化菌的最大比生长速率大于硝化菌。因此，升高温度，亚硝化菌竞 争优势变强。有利于筛选亚硝化菌，淘汰硝化菌【3 8 】。 ( 2 ) p h 值对半硝化工艺的影响 p h 值对半硝化工艺的影响有两个方面，一方面是亚硝化菌生长需要有合适的p h 值 环境；另一方面是p h 值对游离氨浓度有重要影响，从而影响亚硝化菌的活性。最佳的 p h 值是在该条件下硝化菌的活性受到严重抑制而亚硝化菌的活性不受影响，此时亚硝 酸盐才能大量积累。一般认为，适合于亚硝化菌生长的最佳p h 值范围大约在7 肛8 5 ， 硝化菌为6 0 - 7 5 。当p h 下降到6 5 时，游离氨浓度和n h 4 + 浓度平衡，不发生氨氧化； p h 大于8 0 ，较高浓度的游离氨对硝酸盐有毒害作用，硝化速率也会随之下刚3 9 1 。 桂林理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 游离氨及氨氮负荷对半硝化工艺的影响 游离氨( f r e ea m m o n i u m ，f a ) 对硝化细菌、亚硝化细菌都有抑制作用，但硝化菌对 游离氨更为敏感，0 6 m g l 的游离氨几乎可以抑制硝化菌的活性，出现n 0 2 积累。而当 游离氨达到5 m g l 以上时才会对亚硝化菌的活性产生影响，当达到4 0 m g l 会严重抑制 亚硝酸氮的形成。因此，只要控制系统中游离氨浓度介于硝化菌抑制浓度和亚硝化菌抑 ， 制浓度之间，就可保证氨氧化过程正常进行而n 0 2 氧化受到阻碍，形成n 0 2 积累。进 水负荷过大所造成的n 0 2 积累也与水中游离氨浓度增加有关，冲击负荷也会造成n 0 2 积累【4 0 】。 游离氨的浓度可按下式求得： 式中，c 为游离氨的浓度；为氨的离解常数，= 1 0 9 m ( 2 0 c ) ；k w 为水的离 解常数，足，= 0 6 9 x1 0 州( 2 0 c ) ；k b k 。= p i 3 戌加+ 州。 ( 4 ) 溶解氧对半硝化工艺的影响 溶解氧( d i s s o v l e do x y g e n ，d o ) 是控制亚硝酸盐积累的关键参数之一，溶解氧浓度 不能太高，太高会使亚硝酸盐氧化，不利于亚硝酸盐的积累：但也不能太低，太低会造 成供氧不足，不利于亚硝酸盐的生成。为了兼顾亚硝酸盐生成速率和积累量，溶解氧浓 度宜控制在0 5 - - i 5 m g l ，最大溶解氧浓度不应超过2 5 3 0 m g l 。此外，溶解氧与游离 氨的比值不应该超过5 ，否则对亚硝酸盐积累十分不利【4 l 】。 ( 5 ) 泥龄对半硝化工艺的影响 缩短泥龄可以有效地“淘洗”硝化菌。由于硝化菌的生长世代较氨氧化菌长，通过 控制泥龄或排放剩余污泥将世代长的硝化菌淘汰。在温度大于2 0 c 时，污泥停留时间可 以通过水力停留时间进行有效控制，较短的水力停留时间时，硝化菌可以被有效地“淘 洗 出去。 1 4 厌氧氨氧化工艺及其研究进展 1 4 1 厌氧氨氧化工艺的原理 厌氧氨氧化是指在厌氧条件下微生物直接以n i - 1 4 + 为电子供体，以n 0 3 。或n 0 2 为电 子受体，将n h 4 + 、n 0 2 或n 0 3 转变成n 2 的过程。厌氧氨氧化的总化学反应方程式如下 1 4 桂林理工大学硕士学位论文 所示( e q 1 1 4 ) 4 2 】： 仔嚣+ 1 3 2 n 0 f + o 0 6 6 h c t 巧- + o 1 3 h + - 4 1 0 2 n 2 + o 2 6 n 0 ；+ o 6 6 c h o o 5 n o 5 + 2 0 3 琏o ( 1 1 4 ) 1 4 2 厌氧氨氧化菌的生物特性 厌氧氨氧化的优势菌种是革兰氏阴性光损性球状化能自养菌，专性厌氧的细菌，直 径不到l p m ，具有蛋白质的s 层，细胞壁上存在漏斗形状的结构，无肽聚糖，膜上有不 同寻常的脂质等特性，厌氧氨氧化菌有一个单一双分子层，即厌氧氨氧化体 ( a n a m m o x o s o m e ) 1 4 3 j 。g r a f t 等人通过1 硝同位素示踪研究表明，氨被微生物氧化的过 程中，n 0 2 和n i - l i 要从菌体细胞外部进入细胞内部，n h 4 + 再进入厌氧氨氧化体并在这 一过程中变成n h 3 ，进而与细胞质中的羟胺在细胞膜上肼水解酶的作用下生成肼，肼在 细胞膜上肼氧化酶的作用下肼脱去四个电子生成氮气【4 4 1 。由于厌氧氨氧化细菌是一种自 养菌，故在厌氧氨氧化过程中无需添加有机物。 厌氧氨氧化菌生长速度极慢，仅为0 0 3 h 1 ，即其倍增时间长达l l d ，产率系数较低， 污泥中l g n i - h + - n 可产生o 1 l g 可挥发性污泥成分，活性易受氧抑制，较难培养，启动 较缓慢，易于失稳、难以恢复等特点。 1 4 3 厌氧氨氧化工艺影响因素及其研究现状。 ( 1 ) 基质浓度对厌氧氨氧化工艺影响 在厌氧氨氧化反应过程中，其主要基质是n 0 2 和n h 4 + ，如果这2 种基质的浓度过 高，会对厌氧氨氧化菌产生抑制作用，使得反应停止。n h 4 + 的抑制常数是 3 8 0 - - 9 8 5 m m o l l ，n 0 2 的抑制常数是5 4 - - , 1 2 0 m m o l l ，其中厌氧氨氧化菌对亚硝酸盐较 为敏感。浙江大学唐崇俭等人考察了不同操作条件下厌氧氨氧化工艺性能的影响，当采 用高基质浓度运行厌氧氨氧化反应器时，最大基质氮去除速率为3 7 8k g ( m 3 d ) ；当采用 低基质浓度运行厌氧氨氧化反应器时，其最大基质氮去除速率可达2 5 0 4k g ( m 3 d ) ，两 者的最大基质氮去除速率相差6 6 2 倍，说明低基质浓度操作条件下，对氮去除速率明显 优于高基质浓度条件【4 5 l 。李祥等人研究表明了高基质浓度不利于厌氧氨氧化反应器脱氮 能力的增强，采用低基质浓度的方式提高反应器氮容积去除负荷时，脱氮能力还得到了 恢复嗣。 ( 2 ) 溶解氧对厌氧氨氧化工艺的影响 桂林理工大学硕士学位论文 由于厌氧氨氧化菌属于典型的厌氧细菌，故溶解氧对厌氧氨氧化菌活性具有抑制作 用。s t r o u s 等人通过研究序批式s b r 反应器采用间歇曝气的方式。缺氧与好氧交替运 行厌氧氨氧化反应器，结果表明，在好氧条件下，厌氧氨氧化菌活性受到抑制，反应器 中的氨氮没有进行氧化作用，只有当反应器完全处于厌氧状态时( 反应器运行过程中不 停充入氩气以除去氧气) ，氨氮和亚硝酸氮才被去除，但溶解氧对厌氧氨氧化菌活性的 抑制作用是可逆的。说明了厌氧氨氧化菌对溶解氧十分敏感，即使是在微氧条件下( o 5 空气饱和度) 仍能完全抑制厌氧氨氧化活性【4 7 1 。 ( 3 ) p h 值对厌氧氨氧化工艺的影响 在厌氧氨氧化过程中，p h 值是一个十分重要的环境条件，p h 值对厌氧氨氧化过程 的影响主要来自它对细菌和基质的影响。在液相中，n h 3 与n h 4 + 存在着电离平衡( e q 1 15 ) ： n 峨n h 3 + h ( 1 1 5 ) 当p h 值低于6 5 时，游离氨浓度较低，而影响厌氧氨氧化菌的生长，厌氧氨氧化 速率极低；当p h 值由6 5 升至8 0 时，厌氧氨氧化速率提高；当p h 值继续由8 o 升至 9 5 时，由于p h 值过高，高浓度的游离氨对厌氧氨氧化菌产生毒性，降低了厌氧氨氧化 菌的活性，不利于厌氧氨氧化菌的生长，使得厌氧氨氧化速率下降，故在一定p h 值范 围内，有利于n h 4 + 和n 0 2 进行厌氧氨氧化反应进程。j e t t e n 等人的研究表明，当在p h 值为6 7 8 3 的条件下，厌氧氨氧化进程能较好的进行，最佳p h 值为8 0 1 4 引。杨洋等人 研究了p h 值对厌氧氨氧化污泥活性的影响，结果表明，p h 值对厌氧氨氧化过程有明显 影响作用，当p h 值为8 3 时，污泥的厌氧氨氧化活性最大，为o 18 4 m g ( m g d ) ：当p h 值低于8 3 时，污泥的厌氧氨氧化活性下降幅度较大：当p h 值为7 0 和9 0 时，其厌氧 氨氧化速率分别为p h 值8 3 时的7 7 和6 6 ，故最适宜的p h 值为8 3 1 4 们。 ( 4 ) 温度对厌氧氨氧化工艺的影响 温度是影响细菌生长和代谢的重要环境条件。只有在适宜的温度范围内，细菌才能 表现出良好的反应活性，从而增进反应器的运行效果。能够进行厌氧氨氧化的温度范围 为6 - - 4 3 ，适宜进行厌氧氨氧化的温度范围为3 0 - - 4 0 ，最佳温度为4 0 。当低于1 5 ，厌氧氨氧化速率较低；当温度超过4 0 c 时，厌氧氨氧化菌的活性剧降，导致反应无 法进行【5 0 l 。 ( 5 ) 水力停留时间对厌氧氨氧化工艺影响 1 6 桂林理工大学硕士学位论文 在厌氧氨氧化过程中，水力停留时间过低( o 4 d ) ，即反应器容积负荷率过大时， 厌氧氨氧化反应器的去除能力( 微生物的数量与活性) 未能同步得到提高以亚硝酸作 为控制参数，氨去除率明显受到影响；但在水力停留时间较大的情况下，氨氮去除率并 未有明显提高，相反水力停留时间的延长，会增大反应器容积。 1 7 桂林理工大学硕士学位论文 第2 章研究意义、内容、技术路线与试验方案 2 1 研究意义及课题来源 工农业的迅猛发展和人们生活水平的不断提高，水环境日益恶化，氮素化合物过量 地排入水体中，导致水体的富营养化，严重地污染了水体环境，危害水体生物。近几十 年的发展使得农村、城市的地面水、地下水都存在三氮( 即氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐 氮) 的污染。污泥脱滤液是一种典型高氨氮，低c n 、低碱度的废水，所含n h 4 + - n 约 占城市污水厂总氮( t o t a ln i t r o g e n ，t n ) 负荷的2 5 。利用传统的生物脱氮工艺处理需进 行外加有机碳源提高c n ，能耗大，且成本过高。目前常用的传统生物硝化反硝化工艺， 如果m ( c ) m ( n ) 4 ，反硝化容器体积要提高1 5 1 7 倍；而当m ( c ) m ( n ) 2 5 时，没有外 加有机碳源反硝化就无法有效地进行【5 1 】。传统的生物脱氮工艺在处理高浓度n h 4 + - n 、 低( 超低) c n 的废水( 如垃圾渗滤液、消化污泥脱水液、动物养殖场排出液等) 时具 有极大的局限性。因此，探索高n h 4 十n 浓度、低c n 的废水处理新技术及其工艺技术 条件对于保护水环境具有重要研究意义。 本课题属于国际合作项目课题，部分数据整理、分析在日本熊本大学古川教研室完 成，其余部分在桂林理工大学完成。 2 2 研究内容 本课题研究的主要内容包括两个方面：高浓度氨氮污泥脱滤液的半硝化工艺试验研 究和高氮废水的厌氧氨氧化工艺的初步试验研究。 ( 1 ) 高浓度氨氮污泥脱滤液的半硝化工艺试验研究 半硝化反应装置的启动及运行研究 半硝化工艺的影响因素研究( 主要有：溶解氧浓度、温度、p h 值、游离氨 浓度、水力停留时间、进水无机碳含量与氨氮关系、碱度与氨氮关系) 半硝化工艺效果研究 半硝化污泥性状和系统内微生物菌群变化 半硝化反应机理的初步探讨 桂林理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 高氮废水的厌氧氨氧化脱氮初步试验研究 厌氧氨氧化反应的启动及运行研究 厌氧氨氧化工艺影响因素研究 高氮浓度的厌氧氨氧化试验研究 厌氧氨氧化污泥特性变化 厌氧氨氧化脱氮性能研究 厌氧氨氧化工艺生物脱氮机理的初步探讨 2 3 技术路线 2 4 试验方案 工 i 高氮废水的厌氧氨氧化l l脱氮初步试验研究i 上工 图2 1 课题研究的技术路线图 f i g u r e2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a m so ft h i ss t u d y 2 4 1 高浓度氨氮污泥脱滤液的半硝化工艺试验研究 试验废水水质及来源 本试验用水取自日本熊本市东部污水处理厂消化污泥脱滤液，试验原水中各污染指 1 9 桂林理工大学硕士学位论文 标为b o d s ：1 5 0 - 2 0 0 m g l ，c o d c ，：1 8 0 - 2 8 0 m g l ，n h 4 + - n ：8 0 0 - 9 6 0 m g l ，n 0 2 。- n ： 3 0 - 7 0 m g l ，s s ：5 0 1 0 0 m g l ，p h 值：8 1 6 - 9 3 7 。 2 4 1 2 试验方法 试验运行1 3 7 d 。根据工艺运行情况，将实验分为启动阶段、低负荷运行阶段、高负 荷运行阶段。试验期间，每天对进出水、p h 值、碱度、无机碳、溶解氧和温度进行测 定，每2 d 对氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮分析1 次。为了提高半硝化反应器的处理能力， p n 反应器启动成功后，采用缩短水力停留时间和增加进水浓度的方法逐步提高反应器 的氨氮负荷。 2 4 1 3 试验方案 反应器启动的接种污泥取自熊本大学k e n j if u r u k a w a 实验室，接种的污泥起始浓度 m l s s 为8 0 0 m g l 。由于该活性污泥经实际废水长达1 年以上的运行和驯化1 5 2 1 ，活性较 好，因此本实验直接采用实际废水进行试验研究。 试验装置为亚硝酸型硝化反应器( 如图2 2 a 所示) ，由有机玻璃制成，有效容积为 5 3 l ，反应器的进、出水管均穿过反应器上部橡皮塞分别通到反应器的底部和上部，均 通过蠕动泵控制。曝气头装置采用砂头曝气头，空气流量通过转子流量计加以控制，按 其需求进行调节。反应器中采用b i o f r i n g e 悬挂填料( 如图2 2 b 所示) ，为微生物的附着 生长和繁殖提供一定的条件。半硝化反应装置的出水通过重力作用进入到竖流式二沉 池，污泥回流比1 0 0 。 竺毡 图2 2 半硝化反应装置图( a ) 及填料示意图( b ) f i g u r e2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fp a r t i a ln i t r i f i c a t i o np r o c e s s ( a ) a n db i o f r i n g ec a r r i e r ( b ) 2 0 一 一 一 一 桂林理工大学硕士学位论文 半硝化反应过程中，溶解氧和进水氨氮的浓度对其影响较大，半硝化工艺是一个产 酸耗碱的过程，碱度不足会影响反应器中的p h 值，从而影响出水n 0 2 n h 4 + 比例的稳 定。此外，温度对生物反应影响较大。综上所述，在半硝化反应装置的启动与运行过程 中，主要研究溶解氧、进水氨氮负荷、p h 值、碱度、游离氨浓度、温度等因素对半硝 化反应的影响，以及不同的工艺操控条件对污泥特性的影响，以实现与厌氧氨氧化进水 要求( n h 4 + ：n 0 2 l ：1 一l ：1 3 2 ) 匹配的半硝化工艺为目标，对半硝化工艺处理高浓度氨 氮的污泥脱滤液进行系统深入的试验研究，为其实际推广应用研究奠定基础。 2 4 1 4 测试项目及方法 n h 4 + - n 采用靛蓝氨氮分析法测定【5 3 】；n 0 2 n 采用比色法测定i 蚓；n 0 3 。- n 采用紫外 分光光度法测定【5 4 l ：m l s s 采用重量法测定【5 4 1 ；碱度采用酸碱指示剂滴定法【5 4 1 。 实验设备及型号如下td o 采用便携式溶解氧测定仪( h o 刚b a ，d om e t e ro m 5 5 ) ； p h 值采用p h 计在线测定仪( b - 2 ll ，h o r i b a ，j a p a n ) ：t o c 采用t o c 测定仪( s h i m a d z u t o c 5 0 5 0 a ) t 粒径采用激光散射粒度分布仪( l a 9 2 0 ，h o r i b ac o ，l t d ，j a p a n ) ：反应器 内的温度由温度装置控制；d n a 基因组的提取采用i s o i l 试剂盒( w a k o ，o s a k a , j a p a n ) ， 1 6 sr r n a 基因的扩增采用p h u s i o n 高保真d n a 聚合酶( f i n n z y m e s ，f i n l a n d ) 。 2 4 2 高氮废水的厌氧氨氧化初步试验研究 2 4 2 1 试验废水水质及来源 本试验过程中采用人工配制高氮废水，人工废水的组成见表2 1 和2 2 。试验中，采 用硫酸铵与亚硝酸钠等摩尔混合以作为实验用水中氨氮与亚硝氮源。 表2 1 厌氧氨氧化反应器人工模拟废水主要成份 t a b l e2 1c o m p o s i t i 0 1 1o f s y n t h o t i cm o d i t i mi nt h ea n a m m o xr o a c t o r 成份 浓度( r a g l ) 硫酸铵0 、i r h ) 2 s o 亚硝酸钠n a n 0 2 碳酸氢钾k h c 0 3 磷酸二氢钾k h 2 p o + 七水和硫酸亚铁f c s 0 4 7 h 2 0 e d 1 a 2 i 彤 螂 为 ” 5 晰 粥 ” 5 桂林理工大学硕士学位论文 表2 2 厌氧氨氧化反应器人工模拟废水中其他成份 t a b l e2 2c o m p o s i t i o no fm i n es a l ts o l u t i o na n dt r a c ee l e m e n ts o l u t i o ni nt h ea n a m o xr e a c t o r 成份 投加量( m v l ) n a c i ( 5 0 0m g l ) k c i ( 7 0 0 m 咖 c a c l 2 h 2 0 ( 7 0 0m g r l ) m g s 0 4 7 h 2 0 ( 5 0 0r a g l ) c u s 0 4 5 h 2 0 ( 2 5 0 m g l ) z n s 0 4 7 h 2 0 ( 4 3 0 m g l ) c o c i = 6 h 2 0 ( 2 4 0 r a g l ) m n c l 2 。4 h z o( 9 9 0 m g l ) n a m 0 0 4 2 h 2 0 ( 2 2 0 m g l ) n i c l z 6 h = o( 1 9 0 r a g l ) n a s c 0 4( 11 0 m g l ) h 3 8 0 3( 1 4 r a g l ) 2 4 2 2 试验方法 试验运行1 0 6 d ，厌氧氨氧化反应器在黑暗无光环境中、p h 值为7 肛8 0 、反应器内 严格厌氧、温度3 2 3 6 c 。实验期间，每天对反应器的温度和进、出水p h 值进行测定， 每2 d 对氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮分析1 次。人工配水时，通入氮气利用吹脱作用以去 除水中的溶解氧，保证进水的溶解氧浓度控制在1 0 m g l 以下。实验过程中，采用l m o 儿 的h c l 调节进水的p h 值，保证进水p h 值与厌氧氨氧化反应器进水要求匹配。 2 4 2 3 试验方案 厌氧氨氧化反应器的接种污泥取自熊本大学k e n j if u m k a w a 实验室，接种的污泥起 始浓度m l s s 为1 3 l 。该厌氧氨氧化颗粒污泥在以海绵作为填料的上流式固定床反应 器中培养和驯化，其污泥活性经实际废水运行了1 年以上，颗粒污泥活性较强，在总氮 负荷为8 4k g - n ( m 3 - d ) 条件下，总氮去除率达到了9 0 以上【5 5 1 ，故本试验采用此高活性 污泥进行高氮浓度试验研究。 试验装置为上流式圆柱型厌氧氨氧化反应器( 如图2 3 所示) ，采用有机透明玻璃制 成，以便观察反应区内厌氧氨氧化颗粒污泥的颜色变化和反应过程中产气等反应情况。 桂林理工大学硕士学位论文 图2 3 上流式厌氧氨氧化反应器示意图 f i g u r e2 3 $ c h e m a ti cd i a g r a mo fu p f l o wa n a n u n o xc o l u m nr e a c t o ri nt h es t u d y 反应器高为3 7 c m ，高与内径之比( h r ) 为4 7 ，外径1 0 5 c m ，其有效容积2 6 l ， 取样口分别距底部2 1 c m ，8 4 c m ，1 6 8c m ，2 5 2c m ，3 3 6c m 。反应器运行过程中采用人 工配制的模拟废水，模拟废水由进水蠕动泵进入上流式厌氧氨氧化反应器的底部，进水 流量可通过蠕动泵控制，反应器内无任何填料，经厌氧氨氧化处理后从上部出水口溢流 至气、固、液三相分离器，然后排出。产生的气体经水封后排放，可防止反应器内外气 体交换，有利于维持反应器处于厌氧状态。由于光照对厌氧氨氧化菌具有抑制作用，导 致氨氮的去除效果下降( 约削减3 0 - 5 0 ) ，故反应器外部采用黑色乙烯基薄塑料层包 裹覆盖，保证在运行期间一直处于无光的条件，反应器内严格厌氧的状态，且温度、p h 值等通过在线自动监测装置控制。系统的温度控制由温控装置实现，加热系统由加热器 和温度控制棒构成，将水浴加热装置的温度设置为3 5 - - 4 0 。此外，反应器外包裹绝缘 加热带以同时起到调温和避光作用。 厌氧氨氧化工艺中，进水基质浓度、溶解氧、p h 值、温度等因素会对反应器的运 行性能产生影响。在实际工程应用中，对于大型的污水处理厂，进水的基质浓度和流速 的波动现象常有发生，故研究基质浓度及流速突变对反应器运行的稳定性是很有必要 的。为提高厌氧氨氧化反应器的处理能力，反应器启动成功后，通过提高进水总氮负荷 桂林理工大学硕士学位论文 来促进厌氧氨氧化菌的增长，因此，实验中采用增加进水氮素浓度方法进行高氮浓度试 验，并以总氮、氨氮和亚硝氮的去除率作为衡量反应器性能的指标。 2 4 2 4 测试项目及方法 实验设备及型号如下：蠕动泵( r o l l e rp u m p ，r p 2 0 0 0 ) ；d o 采用便携式溶解 氧测定仪( h o r i b a ，d om e t e ro m 一5 5 ) ；p h 值采用p h 计在线测定仪( b - 2 l l ，h o r i b a ， j a p a n ) | 自动温控仪( t o h oe l e c t r o n i cc o l t d ，t p 6 7 3 ) ；s e m 电镜扫描实验采用 s e m 扫描仪( j e o l ，j e m 6 3 9 0 l v , j a p a n ) 氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮的分析方法与2 4 1 4 的相同。 实验后期采用扫描电子显微镜( s e m ) 观察厌氧氨氧化反应器内颗粒污泥与悬浮污 泥的内部结构形态，观察前需对厌氧氨氧化污泥进行样品前期处理，具体步骤如下： ( 1 ) 样品的切割与洗净 首先，用刀将厌氧氨氧化污泥切割成约5 m m 大小，然后用0 1 m o l l 的磷酸缓冲溶 液( p h 值为7 4 ) 每隔5 分钟洗净1 次，共2 次； ( 2 ) 预固定 将上述洗净的样品用2 5 的戊二醛溶液和o 1 m o l l 的磷酸缓冲溶液浸泡，并轻轻 摇晃使样品充分浸泡在溶液中，然后放在4 低温条件下保存9 0 m i n ，以进行细胞固定 化过程。 ( 3 ) 样品洗净 取出样品后，用预先准备的1 0 缓冲液每隔1 0 分钟洗净1 次，共3 次； ( 4 ) 后固定 将洗净的样品用1 0 的o s 0 4 溶液和0 1 m o l l 的磷酸缓冲溶液浸泡，然后放在4 低温条件下保存9 0 m i n 。 ( 5 ) 样品洗净 取出样品后，再用预先准备的1 0 缓冲液每隔1 0 分钟洗净1 次，共3 次： ( 6 ) 脱水 将样品依次用浓度为1 0 、3 0 、5 0 、7 0 、9 0 、9 5 和9 9 5 的乙醇溶液浸泡， 其中，采用浓度为1 0 、3 0 、5 0 、7 0 、9 0 、9 5 的乙醇溶液浸泡时，每次时间为 1 0 r a i n ，采用浓度为9 9 5 的乙醇溶液浸泡时，每次时间为3 0 m i n ，共2 次。 最后，将处理好的样品用镀膜包裹好，保存在2 6 - - 3 0 c 下，用于s e m 实验的观察。 桂林理工大学硕士学位论文 第3 章高浓度氨氮污泥脱滤液半硝化工艺的启动及运行 近年来，由于高氨氮、低c n 类的废水在处理中存在一系列问题，经传统脱氮工艺 处理后，无法达到废水排放标准，而迫使很多企业对现有的脱氮工艺进行改进，增加基 建建设和投资费用。厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 脱氮新技术的兴起，使其在处理高氨氮、 低c n 的废水具有很好的效果和发展前景，作为厌氧氨氧化前置工艺的短程硝化，需将 硝化反应控制在氨氧化阶段，即将原水中5 0 - - 6 0 的氨氮氧化，使反应中实现亚硝酸 盐的积累，以满足厌氧氨氧化工艺的进水水质条件( n 0 2 n h 4 + = 1 1 一1 3 2 ：1 ) ，这种短程 硝化工艺也叫部分亚硝化( p a r t i a ln i t r i f i c a t i o n ) ，或半硝化工艺。因此，如何为a n a n u n o x 工艺提供合适的进水是该工艺的重要前提条件，使其在运行过程中稳定实现5 0 左右的 氨氮转化率，具有十分重要的研究意义和应用前景。 消化污泥脱滤液为典型的高氨氮( n i h + - h i ) 、低c n 、低碱度废水，所含n h 4 + - n 约占城市污水厂总氮负荷的2 5 ，利用该类废水的水质特性，在3 0 士l 1 2 、d o i o m 叽、 进水p h 为9 0 士0 1 的条件下启动半硝化工艺，其运行控制条件如表3 1 所示。 表3 1 实验过程中的操作条件及反应器性能 t a b l e3 1t h eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n si nt h i ss t u d yd u r i n gt h ee n t ir op e r i o d 桂林理工大学硕士学位论文 3 1 实验的启动与运行 3 1 1 装置启动 反应装置启动时，进水氨氮浓度为2 5 0 3 5 0 m g l ，水力停留时间1 8 h ，温度3 0 i l 。 运行前1 2 d ，反应器内的n 0 2 。- n 积累量为$ 1 m g l ，出水的n 0 3 。- n 维持在4 0 m g l 左右， 究其原因可能是运行初期系统的氨氧化菌活性较差，并存在一定的亚硝化茵。亚硝化菌 将n 0 2 - n 氧化为n 0 3 - n ，使得出水的n 0 3 - n 偏高，n 0 2 - n 积累偏低，转化率仅2 6 5 9 。 a n t h o n i s e n 研究表明，在低溶解氧环境中，氨氧化菌相对于亚硝化菌具有更强的竞争力 和生长优势，使亚硝化菌逐渐受抑制而被淘汰，氨氧化菌成为优势菌群【5 6 1 。实验通过流 量计控制供气量，当驯化至第1 9 d 时，出水n 0 2 。- n n i - 1 4 + - n 的比例逐渐趋于稳定，n 0 2 。- n 积累率大于6 0 ，出水的n 0 3 。- i 4 降至5 m g l ：当驯化至2 3 d 时，出水n 0 2 - n n h 4 + - n 的比例稳定在1 3 2 ：l ，n 0 3 。制浓度为零，n 0 2 n 积累率增长至6 0 以上。装置启动维 持至第3 5 d ，完成半硝化工艺的驯化。 3 1 2 低负荷运行 反应器内的半硝化污泥经历前期驯化，第3 6 d 后，实验先期进行二个月的低负荷运 行。反应器进水氨氮浓度3 8 0 7 0 0 m g l ，水力停留时间缩小，负荷由0 4 5 k g n ( m 3 d ) 逐 渐提高至2 7 9k g - n ( m 3 d ) ，亚硝酸氮的生成率由o 2 8k g - n ( m 3 d ) 增加至1 4 5 k g - n ( m 3 d ) ，反应器出水的亚硝酸盐氮和氨氮的比例基本稳定在1 2 士0 2 ：1 ，n 0 3 - n 的浓 度维持不变。低负荷 高负荷 。 + 水力停留时问 厶 出水氨氮 硝酸氰 一l 。 l p h 删 m 避始 厶l 一一 鎏叁a ：嫠：a 叁叁金譬 一一- 3 64 65 66 67 68 69 61 0 61 1 61 2 6 1 3 6 时间( 由 图3 1 半硝化反应器内进出水氮素化合物浓度的变化 f i g u r e3 1c h a n g e si ni n f l u e n ta n de f f l u e n tn i t r o g e nc o m p o u n dc o n c e n t r a ti o nd u r i n gt h e e x p e ri m e n tp e rl o d 2 6 5 2 8 e 莒砸进r * l l 9 6 3 0 o o o o o o o o 0 o o 吣鲫孙如砌柏m ，1墨m)魁嫒零如单馓取 桂林理工大学硕士学位论文 说明反应器中的氨氧化菌菌群经过前期的驯化，亚硝化菌菌群被逐步淘汰，反应器 内菌群基本为氨氧化菌菌群，半硝化工艺得到稳定运行实现了工艺的氨氧化过程。 反应运行了3 5 d 以后，装置加热棒故障，反应器内停止加热，温度降至1 8 4 - 3 ， 装置低温运行近一个月。期间运行结果表明( 图3 1 和图3 2 ) ，随着进水氨氮浓度的不 断提高，出水n 0 2 。n n h 4 + - n 比例逐渐降低，并维持在0 6 4 - 0 0 5 ：1 ，氨氮转化率降至4 0 左右。此时，反应器负荷达到3 1k g - n ( m 3 d ) ，而对应的亚硝酸盐生成率仅i 1 士o 3 k g n ( m 3 d