（环境科学与工程专业论文）受控亚硝化厌氧氨氧化工艺启动运行研究.pdf

河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i i lt ：i l e 廿a d i t i o l l a ji l i t r i f i c a t i o n 觚dd e l l i t r i 丘c a t i o np r o c e s se 虹s tp r o b l e m so ft ：h em o r e n e r | g ) ，c o n s u n p t i o l i ，c o m p i i c a t e dt 0o p e r a t e 锄dh i 曲0 p e r a t i l l gc o s t s ，e s p e c i a l l yo nt l l e p r o c e s s i n g l o wc nw a s t e w a t e l 1 1 1 i sr e s e a r c h u s en e wk i n d o fc o n t r o l l e d n i t r o s a t i o n a n a e r o b i c 猢o n i u mo x i d a t i o nt e c l l n o l o g yt oa c h i e v em ep r o g r e s sd u r i n gt l l e p r o g r e s s o fb i o l o g i c a l n i t r o g e nr e m o v a l i i l w a s t e w a t e r ，b yo p t i m i z i n gm ec o n 臼r c i l p 猢e t e r s ，t 0s u p p o r ta r e s e a u r c ht ot h es t a n 锄ds t a b l eo p e r a t i o no ft 1 1 i sp r o c e s s t h es t a no fn i t r o s a t i o ni i lt h es b r r e a c t o rs t a r t 疔o mal o w e ra m m o n i al o a 也 c o n t a j i l so n l yi n o r g a n i cc a r b o ni nw a s t e w a t e r t h r o u 曲t h ec o n t r o l l i n gp h ，d 0a n dm n l o a d ，a n dg r a d u a l l yi n c r e a s et h e 锄m o n i ai n n u e n tl o a d i n g ，撕e rs b rr u na r e r1 18 d t 0 a c h i e v et h es t a i t 锄ds t a b l eo p e r a t i o no fp a r t i a lm t r i f i c a t i o np r o c e s s w 1 1 e nm ei n f l u e n t t o t a ln i t r o g e ni o a di s0 0 5 5 k g m j d ，t h ea v e r a g et o t a ln i t r o g e nr e m o v a lv o l u m e t r i cl o a d i n g a n ds l u d g el o a d i n gc a nr e a c ho 0 4 3 k g m 3 da n d0 16 k ( k g d ) ，t h ea v e r a g et h ea v e r a g e n i t r i t ea c c u m u i a t i o nr a t ec a nr e a c h8 3 4 i n t e 咖i t t e n to p e r a t i o n 锄a e r o b i c 锄m l o n i ao x i d a t i o ne x p e r i m e n ti n t l u e n ta u l 硼o n i a a n dn i t r i t er a t i oo fl ：1 ，s d i u mb i c a r b o n a t et op r o v i d ec a r b o na n da l k a l i n i t y 1 h r o u g ht h e r e a c t o rm ne a e c tg 豫d u a l l yi n c r e a l s et h e1 1 j 疵n gl o a d a n e rt h er e a c t o rr u nl5ld ，a n da t t h es 锄et i m et h ei n n u e n tt o t a ln i t r o g e nl o a d i n gi so 0 6 k m j d ，t h ea v e r a g et o t a ln i t r o g e n r e m o v a lv o l u m e t r i cl o a d i n ga n ds l u d g el o a d i n gc a nr e a c ho 0 4 8 8k m da n do 0 4 ( k g d ) ，t 1 1 ea v e 陷g et o t a ln i t r o g e nr e m o v a je 伍c i e n c yr e a c h7 8 a s b r 嬲t l l ec o n t i n u o u so p e r a t i o no ft h er e a c t o r ，i n n u e n t 舢o n i ac o n c e n 潮t i o na n d n i t r i t ec o n c e n t r a t i o nr a t i oo f1 ：l ，m ec a r _ b o ns o u r c ef o rt h ei n o 唱a n i cc a r b o ns o l c e a r e r t h er e a c t o r1 1 j r ll0 3 d ，a n dw h e nt h ei n f l u e n tt o t a ln i t r o g e nl o a d i n gi s0 0 3 2k g m d ，t h e a v e m g e t o t a ln i 仃o g e nr e m o v a le 伍c i e n c yr e a c h2 2 6 d u r i i l gt i l ep r o c e s so fs b rs t a r t u pa n ds t a b l eo p e r a t i o n ，t l l en o bp o p u l a t i o nd e n s i t y r e d u c e 丘o m2 0 x 1 0 5 m l 1t 01 5 x 1 0 4 m l t 王l er e l a t i v ea b u i l d 锄c er e d u c el 沁m5 5 l t 0 2 1 4 ；恤a o bp o p u l a t i o nd e 船时妣r e 黜舶m4 5 x 1 0 4 m l 1t 01 5 x 1 0 7 札一，t l l e r e l a t i v ea b 皿d 锄c ei n c r e 觞e 五r o m0 18 t o7 2 5 d u r i n gn 他p r o c e 豁o fa n a m m o x s t a r t 叩卸d s t a b l eo p e m t i o l l t l l ea b 吼d 锄c eo f 地锄a e r o b i c 籼o i l i 啪o x i d i z i n g b a c t 甜ai nt h e 锄勰m b i c 咒a c t o ri n c 陀硒o d 丘。o m0 0 6 t 09 6 ：! t h ei n c 他嬲i i l go ft l l e a b 衄d a n o f 锄嬲劬i ca 衄n 0 1 1 i u m 似i d 硫gb a c t e f i a 呻m v e d 也eo 即虹蛆劬c 6 仰o f 渤c t o r 觚da l i m p m v e dt h e 如球砸o no f t l i g hw a t c rl o a d a b s t r a c t k e yw o r d sn i t r o s a t e d ；a n a m m o x ；b i o l o 西c a l1 1 i t r o g e nr e m o v a l ；s b r ；a s b r i i i 第l 章绪论 第1 章绪论 氮是维持生态系统营养物质循环的一种重要元素，然而由于人类活动对自然生 态系统中氮素循环的干扰和破坏，使之成为引起水质恶化、生物多样性降低和生态 系统失衡的主要因素之一，已经严重影响了人类正常的生产生活。新世纪全球可持 续发展面临着“人口、资源、环境”三大问题，这些问题无不与水息息相关。氨氮已 经成为现阶段影响我国水质的主要污染因子，“十二五 已经明确提出将氨氮作为减 排目标。我国的氨氮排放量远远超出受纳水体的环境容量，2 0 0 7 年氨氮的排放量已 经相当于环境容量的4 倍左右，所以氨氮已经成为现阶段影响我国水质的主要污染 因子。我国城市污水处理厂也面临水质水量变化较大，污水的碳氮比普遍偏低，对 氮的去除能力不足。工业废水是氮污染的重要来源，具有点多、量大、面广，成分 较复杂，难处理等特点，特别是啤酒、焦化、炼钢、造纸等行业排放的大量高氨氮 废水：农业污染主要来自农药，化肥，牲畜粪便等。由于现阶段对废水中的氨氮去 除能力有限，所以对水体造成了不同程度的污染。大量的氮素可以消耗水体中的溶 解氧，影响水生生物的生存；藻类的过度繁殖造成了水体的富营养化，增加了废水 处理的成本；而且在加氯消毒过程中会产生有毒物质。 1 1 传统脱氮技术 废水中氨氮的处理方法主要有物化法和生化法两类。物化法处理投资和运行费 用都比较高，且容易造成二次污染，主要用于工业废水的处理。生化法处理成本较 低，条件比较温和，较易实现，且二次污染较少等优势。目前国内外对处理含氮废 水的研究主要集中在生物脱氮方面。 1 1 1 物化脱氮技术 物化法主要包括：空气吹脱法、折点加氯法、选择性离子交换法、化学沉淀法 及乳化液膜分离法等。 ( 1 ) 空气吹脱法 将废水p h 调至碱性，气体通入废水中，利用氨氮在水相中的实际浓度与平衡浓 度之间的差异，使废水中的氨氮转移到气相当中。该方法适用于高浓度含氮废水的 处理，脱氮效率较高，但是氨氮只是从液相转移到气相当中，并没有得到去除，所 以容易造成二次污染。另外该方法的影响因素较多，运行费用也较高【1 1 。汽提法与空 气吹脱法的原理类似，是用蒸汽代替空气使废水中的氨氮转移到气相当中。与空气 吹脱法相比，该工艺处理效率较高，可达9 7 以上。吹脱和汽提法处理废水后所逸 河北科技大学硕士学位论文 出的氨气可进行回收，用硫酸吸收作为肥料使用。 但) 折点氯化法 将氯气或次氯酸钠通入废水中将废水中的n h ，- n 氧化成n 2 的化学脱氮工艺，其 反应式如式( 1 1 ) ： n h 4 十+ 1 5 h o c l _ o 5 n 2 + 1 5 h 2 0 + 2 5 h + + 1 5 c 1 ( 1 1 ) 当废水中通入一定量的氯气时，废水中氯的含量为零，氨氮的含量也降为零。 当通入氯气的量超过该点时，废水中就会有氯离子的残留，该点称为折点。折点加 氯法受废水中的p h ，温度和氨氮的浓度等因素影响，处理率在9 0 1 0 0 。但是高 浓度的废水需要投加大量的药剂，运行费用较高。所以该方法适宜处理低氨氮浓度 的废水，通常与生化处理连用，将氨氮去除的同时进行了消毒处理。该方法投资较 少，但运行费用较高，而且在水体中的残留容易造成二次污染。 ( 3 ) 选择性离子交换法 通过对n h 4 + 有很强选择性交换树脂，使液相当中的n h 4 + 转移到树脂上，从而达 到去除氨氮的目的。影响选择性离子交换法的主要因素为p h ，p h 在4 8 的范围是 沸石离子交换的最佳区域；当p h 8 时，n h 4 + 变为n h 3 而失去离子交换性能【引。该方法去除效率较高，成本较低， 适用于较低氨氮浓度废水的处理，对于高浓度的含氮废水会使树脂的再生频繁造成 操作上的困难。 ( 4 ) 化学沉淀法 根据废水中污染物质的性质，投加某种药品，与废水中的氨氮生成溶解度很小 的沉淀物或聚合物【2 j ，或者生成不溶于水的气体，从而对含氮废水的处理。原理为在 碱性条件下n h 4 + 、m 9 2 + 、p 0 4 3 反应生成m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 ( 鸟粪石) 沉淀。主要影 响因素为温度，p h ，催化剂，反应时间，配料比等。该方法的去除率可达9 0 以上， 产生的污泥可作为肥料使用，但药剂费较贵，运行费用较高。 ( 5 ) 乳化液膜分离法 由于氨氮易溶于膜相( 油相) ，通过膜内外氨氮浓度的差异，不断迁移到膜内侧并 富集，从而达到脱氮的目的。富集的氨氮在膜内侧酸性条件下变为n h 4 + ，乳化液膜 可以在破乳器中加酸回收。影响该方法的主要因素有p h 、表面活性剂、膜增强剂、 乳状液的油相和膜内相的体积比、膜内相酸的浓度及乳水比等1 3 1 。 1 1 2 生物脱氮技术 传统的生物脱氮技术的理论基础是微生物的硝化作用与反硝化作用，随着对硝 化与反硝化微生物研究的不断深入，传统生物脱氮工艺的类型不断增加，在工艺流 程上发展为单级硝化反硝化工艺和分级硝化反硝化工艺；在微生物生长方面发展为 2 第1 章绪论 悬浮活性污泥脱氮工艺和附着膜脱氮工艺等。由于高氨氮浓度对微生物的生长有比 较明显的抑制作用，需要对废水进行一定的预处理。而在处理低浓度的含氮废水中， 由于生物脱氮技术工艺简单，投资少，成本低廉，容易推广等特点，已逐渐广泛应 用于对含氮废水的实际应用之中。 传统的生物脱氮过程主要包括两个阶段，即硝化阶段和反硝化阶段： 第一阶段( 硝化反应) ：硝化反应是亚硝化菌( a o b ) 和硝化菌( n o b ) 完成的，这两种 菌为好氧自养型，包括两个步骤：第一步为亚硝化过程，由a o b 将n h 4 + 转化为n 0 2 ； 第二步为硝化过程，由n o b 将n 0 2 迸一步转化为n 0 3 。 第二阶段( 反硝化反应) ：反硝化菌为厌氧异养型微生物，它是在缺氧环境下，利 用n 0 3 作为电子受体，有机物作为电子供体，最终将n 0 3 或n 0 2 还原成n 2 或n 2 0 ， 从而实现废水中氮的去除。 传统生物脱氮工艺存在的不足1 4 l ： 1 ) 由于硝化菌群生长较慢，反应器内难以维持较高的生物浓度，造成系统水力停 留时间长，容积负荷率低，基建投资增大； 2 1 在运行过程中硝化过程产酸，反硝化过程产碱，均需酸碱中和，较易造成二次 污染，在处理高氨氮废水时表现得更为明显； 3 1 反硝化过程消耗有机物，特别是对于低c n 比废水，则常需加额外碳源物质， 增加运行费用： 4 ) 传统的生物脱氮工艺在处理高浓度的含氮废水时由于较高的游离氨浓度抑制 了硝化细菌的活性，导致出水难以达标排放。 1 2 废水新型生物脱氮技术 传统的生物脱氮包括硝化和反硝化两个过程，这两个过程中起主要作用的微生 物所需的环境条件和营养条件都不相同，尤其是对p h 和有机物等因素。当反应器在 运行过程中如果c n 2 5 ，不投加有机碳源，反硝化就无法有效地进行【5 6 l 。因此在 处理处理低( 超低) c n 比高浓度含氮废水时，需要投加一定的有机物，增加了运行费 用，所以传统的生物脱氮工艺有很大的局限性1 7 l 。 随着人们对生物脱氮过程研究的不断深入，发现硝化过程不仅有自养菌，异养 菌也可以完成硝化过程；反硝化不仅在厌氧条件下可以进行，在好养条件下，某些 微生物也可以进行反硝化：而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，能够完 成生物脱氮的整个过程。主要的研究成果有：短程硝化反硝化( s 乩状o n ，s i n g l e l k a c t o rh i g ha c t i v i t ya m m o i l i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 、同步硝化反硝化( s n d ， s i m u l t a 舱o u sn m f i e a t i o r 姗dd e r l i 仃i f i c a t i o n ) 、好氧反硝化( a e r o b i cd e i l i t r i f i c 撕o n ) 、异 养硝化( h e t e d p l l i cn i 仃i f i c a t i o n ) 及厌氧氨氧( a n a m m o x ，a m a e r o b i e 舢i 珊o i l i 啪 3 河北科技大学硕士学位论文 o x i d a 舶n ) 等。对于不同的生物脱氮原理，又有各种新的生物脱氮工艺，为废水的高 效生物脱氮提供了新思路。 1 2 1 短程硝化反硝化脱氮技术( s h a r o 传统的生物脱氮理论中n h 4 + 经过硝化细菌转化为n 0 3 。，然后通过反硝化细菌将 n 0 3 。还原转化为n 2 排放到大气中。在硝化过程中，n h 4 + 转化为n 0 3 是经过亚硝化 菌和硝化菌两种不同的微生物实现的，发现这两种微生物对适宜的环境条件有较大 的差异；而且反硝化过程中n 0 3 和n 0 2 都可以作为电子受体，因而生物脱氮过程 也可以简化为n h 4 + n 0 2 - n 2 途径完成【引。早在1 9 7 5 年，v o e t s l i v 【9 】就发现在硝化过程 中有n 0 2 。的积累现象，并首次出了短程硝化反硝化脱氮的概念。但是如何实现运行 过程中n 0 2 的稳定积累，是短程硝化一反硝化脱氮技术的关键所在。 1 3 1 1 短程硝化反硝化的影响因素 亚硝化菌与硝化菌对适宜的环境条件及影响因素不同，要实现反应器中n o ，- n 的稳定积累关键是要控制好反应器中温度、p h 、氮氮负荷、d o 、有害物质及污泥龄 等因素【l o 14 1 。 1 ) 温度生物的硝化反应在4 4 5 内均可进行，适宜温度为2 0 3 5 ，一般不低 于1 5 。低温会使硝化速率降低，但是低温对硝化菌的影响较大。在低于1 5 范围 内，反应器中有明显的n 0 2 - - n 的积累。当温度超过3 0 后又会出现n 0 2 n 积累。 如果温度继续升高将会使微生物蛋白酶变性，一般认为温度不宜超过4 0 。众多研 究表明，实现n 0 2 n 积累的适宜温度为3 0 3 5 。 2 ) p h在实际运行中硝化过程会有h + 的产生，因而在硝化过程中p h 不断下降。 而亚硝酸菌要求的最适p h 在7 8 5 之间，硝酸菌为6 7 5 。所以运行过程中，反应器 中的p h 在7 8 5 之间时，出水会有较高的n 0 2 - n 积累；如果反应器中p h 低于7 硝 化菌的活性升高，使n 0 2 n 积累率降低。 3 ) 氮氮负荷氨氮在废水中以n h 3 和n h 4 + 形式存在，并且随着p h 的变化，两 种组分所占的比例也不近相同。而f a 对硝化茵的抑制作用较为突出，尤其是硝化菌 对游离氨更为敏感。0 6 m g l 的f a 几乎就可以完全抑制硝化菌的活性，从而出现 n 0 2 - n 积累。随着p h 的升高，f a 的浓度也逐渐增大；运行负荷的提高，废水中的 f a 浓度也会增大。随着f a 的增大，使反应器内出现n 0 2 。- n 的积累。而有关研究表 明分子态游离氨对亚硝化菌群的抑制浓度为l o 1 5 0 m g l 【1 5 】。 4 ) d o 亚硝化菌和硝化菌均为自养好氧菌，d o 对活性污泥系统短程硝化性能 以及其种群结构有着显著影响。a o b 菌群对氧的亲和力是n o b 菌群的5 倍，当d o 在0 7 1 4m g l 时，氨氮的转化和亚硝态氮的积累都能达到9 0 | 以上【1 6 。一般认为 d o 至少在0 5 m g l 以上时才能进行硝化作用，否则硝化作用就会受到抑制。较低的 4 第1 章绪论 d o 对亚硝化细菌影响不大，但对硝化菌有明显抑制，产生n 0 2 。制的积累。 5 ) 有害物质有害物质对硝化菌的影响比较明显。废水中酚、氰及重金属离子 等有害物质对硝化过程都有明显抑制作用。相对于硝化菌，亚硝化菌对环境适应性 较强，在废水中有害物质浓度较低是，易出现n 0 2 。_ n 的积累。 6 ) 污泥龄亚硝化菌的世代较短，若使反应器中的污泥龄介于硝化菌和亚硝化 菌的泥龄之间，反应器中的硝化菌数量会逐渐较少，使亚硝化菌成反应器中的优势 菌群，实现n 0 2 - n 的稳定积累。 在实际运行过程中对n 0 2 n 的积累的影响因素较多，各影响因素之间的关系是 复杂的，目前对n 0 2 。n 积累的理论解释还不是很充分，如何长久稳定高效地维持 n 0 2 。- n 的积累也有待进一步探索。 1 2 2 同步硝化反硝化技术( s n d ) 传统的生物脱氮认为在好养条件下完成n h 4 + 向n 0 3 的转化，然后在厌氧条件下 由异养菌完成反硝化过程，两个过程对氧和有机物的要求都不同，不能够同时进行。 然后随着人们对生物脱氮过程研究的不断深入，发现硝化过程产酸不仅有自养菌， 异养菌也可以完成硝化过程；反硝化不仅在厌氧条件下可以进行，在好养条件下， 某些微生物也可以进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，能 够完成生物脱氮的整个过程。新理论【4 7 】的发现使得同时硝化反硝化成为可能，奠定 了同步硝化反硝化技术( s n d ) 的理论基础。 同步硝化反硝化技术( s n d ) 是在同一反应器中实现硝化和反硝过程同时进行，从 而实现高效的生物脱氮技术。与传统的生物脱氮工艺相比，在同一反应器内硝化反 应的产物可直接做为反硝化反应的底物，加速了硝化反硝化反应的速度；而且，减 少了由于反应过程中产物的积累导致的对微生物得抑制。反硝化过程中产生一定的 碱度可以为硝化反应所消耗，减少运行过程中碱度的投加。 大量研究结果证明【2 0 之2 1 ，同步硝化反硝化现象广泛存在于各种生物类型的生物 脱氮处理系统中。但是目前对于s n d 生物脱氮的机理还不确定，基本形成了三种理 论：即宏观环境解释、微环境理论和生物学解释。 宏观环境解释认为【2 3 】：生物反应器内完全的混合状态几乎不存在，所以在不同 的部位可能存在好氧区，缺氧区及厌氧区。例如在膜反应器中，膜外为好氧区，膜 内可能为缺氧区。所以在膜外发生硝化反应，膜内发生反硝化反应，在膜生物反应 器内实现同时硝化反硝化过程。 微环境理论则认为：由于氧在微生物絮体内存在扩散梯度，导致微生物所处 的d o 环境不同，发生不同的微生物反应，实现同时硝化反硝化过程。生物絮体内 部的微环境状态，不仅受系统中的d o 影响，还于有机负荷( f m 比) 、搅拌程度等有 5 河北科技大学硕士学位论文 关网。 近年来，随着好氧反硝化和异养硝化菌等微生物的发现，改变了传统理论认为 的只有在好养条件下完成硝化反应和厌氧条件下完成反硝化反应的理论。许多好氧 反硝化菌同时也是异养硝化菌，能够完成整个生物脱氮过程。这给生物学解释提供 了一定的理论基础。 目前，对同时硝化反硝化技术的研究主要集中在生物膜反应器( 如流化床、生 物滤池、生物转盘等) 和活性污泥反应器( 如氧化沟、s b r 等反应器) 。m n n l a u i l 【2 6 】 等在工业规模的氧化沟中通过控制d o 浓度实现了在同一反应器中的同时硝化反硝 化，并证实了反硝化反应可在絮体内部缺氧区内进行，有力地支持了微环境理论。 国内对s n d 的研究也较为充分：高廷耀1 2 4 j 等对几种不同的生物脱氮工艺中的同时硝 化反硝化现象进行了试验分析表明：影响同时硝化反硝化的主要因素有d 0 、污泥絮 体结构及污泥有机负荷等。周少奇【l9 l 等以垃圾填埋渗滤液为研究对象，提出了对低 c n 比废水处理时，可通过控制d o 及运行负荷等方法实现同时硝化反硝化。 由于实现同时硝化反硝化需要控制一定的d o 浓度，影响好氧阶段的硝化过程， 使脱氮过程的处理效率受到一定的影响。所以对于同时硝化反硝化工艺的认识与应 用还有待进一步的研究与探索。 1 2 3 厌氧氨氧化技术( a n a m m o x ) 厌氧氨氧化过程是指在厌氧条件下，微生物以n 地+ n 为电子供体，以n 0 2 - n 为电子受体，将废水中的n h 4 + n 和n 0 2 - n 转变成n 2 的生物氧化过程【2 7 1 。由于该过 程中无需有机碳源就能完成废水中氮转化为n 2 的过程，所以厌氧氨氧化对于废水中 脱氮具有很好的应用前景，尤其对低c n 比的废水，节省了有机物的投加，大大降 低了运行费用。 1 2 3 1 厌氧氨氧化的反应机理 早在1 9 7 7 年b r o d a 从热力学的角度推测出自然界可能存在以n h 4 + _ n 为电子供 体，以n 0 2 。- 1 n 为电子受体的生物反应。然后一直到1 9 9 4 年k u e n e n 等才发现有一种 微生物在厌氧条件下能利用n 0 2 - n 或n 0 3 。- n 作电子受体将n h 4 + - n 氧化成n 2 和气 态氮化合物【2 8 j ；在1 9 9 5 年，m i l l d e ：和v ；md eg 隗l f 等例用流化床研究反硝化时，发 现了缺氧条件下氨氮被氧化的现象，并随后证实了该过程是一个微生物反应，产物 为n 2 刚。 最初认为厌氧氨氧化过程的电子受体为n 0 3 - n 。通过进一步的研究表明【3 ， n 0 2 讣i 才是厌氧氨氧化过程的最终电子受体，n 2 0 也可以作为厌氧氨氧化过程的电 子受体，并且在厌氧氨氧化过程中还会生成一定的n 0 3 - n 。c 0 2 是厌氧氨氧化菌生 长的唯一碳源，有机物的存在会出现反硝化的过程，对厌氧氨氧化有一定的抑制作 6 第l 章绪论 用f 3 2 】。 有关研究表明【3 3 l ，在厌氧氨氧化过程中存在以下平衡关系：叫n 消耗量、 n 0 2 。n 消耗量和n 0 3 n 产量之间的比例为l ：1 3 2 ：0 2 6 ，其中包括细胞合成在内的生 物反应过程可表示为式( 1 2 ) 。 n h 4 + + 1 3 2 n 0 2 加0 6 6 h c 0 3 + 0 13 矿 = 1 0 2 n 2 + o 2 6 n 0 3 - f 0 0 6 6 c h 2 0 0 5 n o o 1 5 + 2 0 3 h 2 0 ( 1 - 2 ) 1 2 3 2 影响厌氧氨氧化的因素 影响厌氧氨氧化菌的主要因素有： 1 】有机物厌氧氨氧化菌属于化能自养的严格厌氧菌，世代周期较长：当废水 中存在有机物时，反硝化菌的时代周期较短，较易利用n 0 2 n 和n 0 3 n ，从而抑制 了厌氧氨氧化菌的活性。但对于低碳氮比的废水，具有很好处理效果，甚至在含苯 酚3 3 0 m l 的条件下仍具有较高的活性和氨的去除率1 3 4 l 。 2 】氧氧对厌氧氨氧化菌的活性有明显的抑制作用。有关研究结果表明，在好 氧条件下厌氧氨氧化菌是没有活性的，在厌氧条件下厌氧氨氧化菌的活性恢复，说 明氧对厌氧氨氧化菌的抑制作用是可逆的例。随后的进一步研究了厌氧氨氧化菌对 氧的敏感程度，即使是微氧条件下( o 5 空气饱和度) 仍能完全抑制厌氧氨氧化活性 【2 8 lo 3 ) 磷酸盐和亚硝酸盐当磷酸盐( p 0 4 孓) 和亚硝酸盐州0 2 。) 的浓度过高会对厌氧 氨氧化菌活性有抑制作用。因此在厌氧氨氧化的启动运行过程中，一般采用碳酸盐 作为p h 缓冲液。n 0 2 。是“三致”物质，在进行废水生物脱氮处理过程中，n 0 2 。作为 出水水质的主要控制指标，应尽量降低其在出水的浓度。 4 ) 光厌氧氨氧化菌属于光敏性微生物，光对其有明显的抑制作用，所以在进 行试验研究中在黑暗中进行。在实际应用中，可将反应器设置在黑暗的环境中或者 用黑色塑料包裹，以减少光对厌氧氨氧化菌的影响。 1 2 3 3 厌氧氨氧化技术的优点【3 6 3 7 】 1 ) a n a m m o x 过程中n h 4 + - n 为电子供体，以n 0 2 - n 为电子受体，因此不需 要另加碳源，既节省了运行费用，也不会造成二次污染。 2 ) 对氧的需求降低，降低运行费用。这是由于在硝化反应中每氧化l m o ln h 4 + n 需消耗2 m o l 0 2 ，而在a n a m m o x 过程中每氧化1 m o ln h 4 + - n 只需消耗0 7 5 m o l0 2 ， 耗氧量下降6 2 5 。 3 ) 由于a n a m m o x 过程中硝化过程缩短和只有一半氨氮进行硝化，消化过程 的产酸量大大下降，产碱量则基本为零，从而节省了传统生物脱氮过程中酸碱试剂 的投加量，减少了运行费用。 4 】厌氧氨氧化菌的世代周期长，增殖速率较慢，所以通常产生的污泥量较少， 7 河北科技大学硕士学位论文 使厌氧氨氧化过程比传统生物脱氮工艺的运行费用明显降低。 但是对于厌氧氨氧化过程中的反应机理，运行参数和微生物类型需要进一步的 探索研究。 1 2 4 短程硝化一厌氧氨氧化的组合工艺 由于厌氧氨氧化菌是利用n h 4 + - n 和n 0 2 - n 进行微生物反应的，实际废水中一 般只含有n h 4 + - n ，因此在处理实际废水时必须对废水进行一定的预处理。首先应将 一部分n h 4 + n 转化为n 0 2 。n 。目前新型脱氮工艺的组合方式主要有c a n o n 、 o l a n d 、s n a p 和s h a r o n a n a n m m o x 四种。 1 2 4 1c a n o n 工艺【3 8 j c a n o n 工艺( c o m p l e t e l ya n t o 呐p h i en i t r o nr e m o v 甜o v e ln i t r i t e ) 是在生物膜内通 过完全自养菌实现对废水中氮的去除。它与同步硝化反硝化的工艺原理类似，是通 过控制较低的d o ，使硝化菌与厌氧氨氧化菌同时存在一个反应器中，实现完整的生 物脱氮工艺。首先亚硝化菌将n h 4 + - n 氧化为n 0 2 。n 消耗掉反应器中的d o ，使反 应器内出现厌氧环境，此时厌氧氨氧化菌恢复活性，然后进行厌氧氨氧化过程。并 且该过程在实验中已经得到证实。其中主要进行了好氧氨氧化作用( 式1 3 ) 和厌氧氨 化作用( 式l - 4 ) ，总的反应可表示为( 式1 5 ) n h 4 + + 1 5 0 2 _ n 0 2 + 1 1 2 0 + 2 旷 ( 1 3 ) n h 4 + + 1 3 2n 0 2 。+ h + = 1 0 2 n 2 + o 2 6 n 0 3 + 2 h 2 0 ( 1 4 ) n h 4 + + o 8 5 0 2 = o 1 l n 0 3 - + 0 4 4 n 2 + 1 4 3 h 2 0 + o 1 4 h 1 ( 1 5 ) 由于硝化菌为好氧菌，厌氧氨氧化菌是严格厌氧菌，所以c a n o n 工艺的关键 是要控制好反应器中的d o 。低d o 条件下，对硝化过程的影响也较大。根据建立的 数学模型【3 9 加】推测该工艺其在最佳条件下n h 4 + n 去率可达9 4 ，但总氮去除率只有 8 2 。因此在实际运行过程反应器中的d o 的控制是一个函待解决的工程难题。 1 2 4 2o l a n d 工艺 比利时g e n t 微生物生态实验室开发的o l a n d ( o x y g e nl i m i t e da m t o 们p h i c n i t r i f i e a t i o nd e n i t r i f i e a t i o n ，限氧自养硝化反硝化) 工艺是在无有机碳源和限氧的条件 下，利用自养氨氧化菌去除废水中氮的过程。该工艺是在限氧的条件下，将硝化过 程控制在亚硝化阶段，然后利用n 0 2 n 作为电子受体将剩余的n h 4 + - n 氧化为n 2 。 其反应式如下： o 5 n h 4 + + o 5 0 2 = o 5 n 0 2 咖5 h 2 0 卜 r 0 洲4 5 n o 捌5 n 2 + h 2 0 对应的总反应方程式为： n l 咖5 0 2 = 0 5 n 2 + 1 5 h 2 讲1 r 8 ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 - 8 ) 第1 章绪论 o l a n d 工艺具有了s h a r o n 和a n a m m o x 等新型生物脱氮工艺的优点，实 现了在较低温度下( 2 2 3 0 ) 生物脱氮的稳定运行。目前o i ，a n d 工艺主要采用一体 化生物膜( i m c ) 和悬浮式膜生物反应系统( m b r ) 两种类型的反应器来研究。：与传统的 硝化- 反硝化过程相比，o l a n d 工艺的大大减少了曝气量和外加有机碳源，如果解 决目前存在的问题，是一种应用前景较为广泛的新型生物脱氮新工艺。 1 2 4 3s n a p 工艺 s n a p 工艺是通过控制d o 在同一反应器内实现短程硝化和厌氧氨氧化完整的 生物脱氮工艺。该工艺是由日本学者f u r u k a w a 等1 4 2 1 ，在生物载体上控制d o 在 2 3 m g l 以内，实现生物脱氮的过程，并通过f i s h 确定反应器中菌群丰度分别为 a o b ( 亚硝化菌) 和a n a m m o x 菌1 5 和7 8 。 1 2 4 4s h a r o n a n a m m o x 工艺 该工艺是首先在好氧条件下，通过亚硝化菌的作用下将n h 4 + - n 部分转化为 n 0 2 n ，使得出水n h 4 + n 与n 0 2 。n 比例约为1 ：l ，以满足厌氧氨氧化反应器的进水 要求。然后在厌氧反应器中通过厌氧氨氧化过程实现生物脱氮的过程。其反应如( 1 9 ， l l o ) ： n h 4 + + 0 7 5 0 2 = 0 5 n h 4 + + 0 5 n 0 2 + o 5 h 2 0 + h + ( 1 9 ) 0 5 n h 4 + + o 5 n 0 2 。= 0 5 n 2 + h 2 0 ( 1 10 ) s h a r o n a n a m m o x 工艺由s t r o u l 3 4 l 等人开发应用于处理高浓度的含氮废水， 该工艺首先在s h a r o n 反应器中将部分n h 4 + n 转化为n 0 2 - n ，s h a r 0 l n 反应器 的出水进入a n a m m o x 反应器进行厌氧氨氧化过程，成功地解决了实际废水中缺 乏n 0 2 n 的问题。而且新工艺同时具备了两种新型生物脱氮的优点。 s h a r o n a n a m m o x 的组合工艺成功处理了荷兰鹿特丹d o k h a v e n 污水处理厂 消化污泥上清液。d o l ( 1 l a v e n 污水处理厂的试验结果表明，在s h a r o n 反应器中氨 氮5 7 的硝化率是实现a n a m m o x 的最佳转换率。同时表明，通过控制p h 可以达 到理想的亚硝化转化率。 s h a r o n a n a m m o x 工艺优势较为突出【3 4 ，4 3 】： ( 1 ) 硝化过程控制在亚硝化阶段，可节省供气量2 5 左右，降低运行费用； ( 2 ) 缩短了水力停留时间( h r t ) ，从而减少了反应器的占地面积和体积； ( 3 ) 传统脱氮工艺需要投加有机碳源，新工艺减少了运行费用； ( 4 ) 具有良好的沉降性能和较高的生物相浓度，避免了污泥膨胀。 一般废水c n 较高，碳源充足，在通过传统的生物脱氮过程中无需投加有机碳 源，因此传统生物脱氮工艺也可以实现对废水中氮的去除。但焦化废水、垃圾填埋 场渗滤液、污泥压滤液、制药废水等，n h 4 + - n 浓度较高，c n 比较低的废水，传统 的生物脱氮工艺往往不能满足处理要求。如炼油废水，有些垃圾填埋场渗漏液c n 9 河北科技大学硕士学位论文 比都普遍偏低，这类废水用传统脱氮工艺处理比较麻烦，运行投资较高。 s h a r o n - a n a m m o x 工艺完全是由化能自养型微生物作用实现废水的生物脱氮， 与传统工艺相比具有较大优势。 1 3 本课题的研究目的、意义 1 3 1 本课题的研究目的和意义 新世纪全球可持续发展面临着“人口、资源、环境”三大问题，这些环境问题 无不与水息息相关。加大水污染治理、确保水环境质量成为各级政府和全社会的热 门话题。氨氮已经成为现阶段影响我国水质的主要污染因子，“十二五”已经明确提 出将氨氮作为减排目标。鉴于传统的生物脱氮工艺存在缺陷，影响着其在废水处理 领域的推广作用。因此，高效的生物脱氮工艺已成为研究重点，受到人们越来越多 的重视。厌氧氨氧化技术的发展应用有重要意义。 通过实验探索快速培养厌氧氨氧化菌的方法，分析溶解氧，基质浓度，进水亚 硝酸盐与氨氮的比例等主要因素对厌氧氨氧化菌的影响。稳定的亚硝酸盐的积累是 是实现厌氧氨氧化的重要步骤。通过一定的过程控制，实现废水中氨氮稳定转化为 亚硝酸盐，首先节省硝化过程中大部分的能耗，其次积累的亚硝酸盐为厌氧氨氧化 提供反应基质，从而实现废水中氮素的高效处理。通过s b r 实现亚硝酸盐的稳定积 累，然后通过不同形式的反应器考察对厌氧氨氧化菌的影响，为厌氧氨氧化工艺的 深入研究打下一定的基础。 1 3 2 研究内容 厌氧氨氧化工艺是在厌氧条件下直接利用n h 4 + 作电子供体，无需供氧、外加有 机碳源维持反硝化、无需额外投加酸碱中和试剂，故降低了能耗，节约了运行费用， 同时避免了可能造成二次污染的问题。但从目前应用研究的情况来看，a n a m m o x 菌的培养技术还不能直接应用于实际废水处理工艺中。针对目前对受控亚硝化厌氧 氨氧化工艺的研究不是很充分，因此如何控制亚硝化和实现厌氧氨氧化反应器的启 动和运行，实验将对其从工程、生物等方面进行多角度的分析和研究。主要考察的 内容包括：特定菌群的为生物学特性，厌氧氨氧化茵的快速培养方法，在s b r 中实 现受控亚硝化的启动运行，不同反应其中厌氧氨氧化的启动运行。 受控亚硝化过程采用s b r 反应器来实现，通过控制反应器的水力停留时间、负 荷、d o 、p h ，碱度等实现稳定的亚硝酸盐的积累，考察不同影响因素对受控亚硝化 反应器启动的影响，为实现厌氧氨氧化奠定基础。 a n a m m o x 菌是一种古细菌，倍增时间较长，所需要的环境条件较为苛刻，不 确定因素和需要解决的问题较多，首先是如何使触w m 似o x 反应器成功的启动。 1 0 第l 章绪论 我们采用先驯化好氧硝化然后实现厌氧氨氧化和直接厌氧氨氧化以及不同的反应器 类型，试图探索出快速启动a n a m m o x 反应器的方法，a n a l 、心厦o x 反应器成功启 动后研究a n a m m o x 菌的生理习性及d o 、温度、光照、p h 值、n 0 2 。- n 浓度、f a 等的影响，确定适宜的温度、p h 值、n 0 2 。斟浓度、f a 等，为a n a m m o x 反应器 的设计和运行提供依据。 河北科技大学硕士学位论文 第2 章亚硝化反应器的启动及运行 由于厌氧氨氧化过程需要n 0 2 - n 为电子受体，而n 0 2 - - n 有较高的生物毒性， 一般在废水中的含量都很少，必须通过特定微生物的转化和合理的工艺设计来实现 自给。所以在厌氧氨氧化之前设置一个受控亚硝化的装置，提供足够的n 0 2 - n 以满 足厌氧氨氧化菌的需要，来实完整的厌氧氨氧化过程，以达到高效生物脱氮的目的。 因此，实现短程硝化过程的启动和稳定运行是短程硝化厌氧氨氧化生物脱氮工艺的 重要环节。不仅能提供稳定的n 0 2 。n 来源，而且出水d o 较低，满足厌氧氨氧化工 艺的进水要求。 短程硝化是通过抑制n o b 菌群、富集a o b 菌群来实现的，通过控制一定的运 行条件，保持a o b 菌群的快速富集和较高的活性，可以实现短程硝化过程的启动和 稳定运行【3 ，4 4 ，4 5 1 。本研究在s b r 中通过控制d 0 浓度和氨氮进水负荷，抑制n o b 菌 群增殖并促进a o b 菌群规模扩大，实现短程硝化的启动和稳定运行。 2 1 材料与方法 2 1 1 装置及运行条件 ( 1 ) 反应器 本研究采用的s b r 反应器高0 6 m 、直径0 2 m ，有效容积为1 2 l ， l - i 盯为l d ，运行温度为室温( 如图2 1 ) 。 图2 1s b r 反应器 1 2 第2 章亚硝化反应器的启动及运行 ( 2 ) 接种污泥接种污泥是取自石家庄市某污水处理厂的二沉池污泥，初始接 种污泥浓度为4 4 4 9 l ，污泥v s s ，s s 为o 6 7 。 ( 3 ) 实验水质实验用水为人工模拟废水m 】，由硫酸铵提供氮源，碳酸氢钠提供 碳源和碱度。 2 1 2 分析项目及检测方法 污染指标检测氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、m l s s 等指标的测定采用国家的标准 方法【4 7 】。根据出水亚硝酸盐和硝酸盐浓度，按照