（化学工艺专业论文）短程硝化生物脱氮与反亚硝化除磷研究.pdf

摘要本文研究了固定化厌氧氨氧化菌在折流板反应器中生物脱氮的污水处理工艺；研究了短程硝化与厌氧氨氧化联合脱氮工艺；考察了反亚硝化工艺并探讨了反亚硝化除磷效果。从大量的实验数据中得到以下结果：1 海藻酸钠包埋法厌氧折流板反应器厌氧氨氧化工艺运行口h 值为7 1 7 5 时脱氮效果较好。海藻酸钠包埋直径为3 5 t u r n ，p h 为7 1 ，水力停留时间为4 5 d 厌氧折流板反应器室温运行6 0 d 后，亚硝酸氮浓度可由7 0 m g n l 1 降到l m g n l 1 ，除去率为9 8 6 ，亚硝酸氮脱除速率为1 5 3 m g n l 1 d - 1 ；氨氮降到5 m g n l 1 ，脱除效率为9 2 9 ，氨氮脱除速率为1 4 4 m g n l - 1 d ；总氮的脱除率最后达到9 5 ，总氮脱除速率为2 9 6 m g n l - 1 d ，脱氮的效果较为理想。2 在初始p h 值为8 ，d o 为0 5 m g l 1 ，温度( 2 0 2 5 ) 下连续加有效氯4 m g l l ，可以在转盘反应器中实现短程硝化反应，实现亚硝盐的累积；转盘反应器短程硝化工艺与包埋固定化组合单元式反应器厌氧氨氧化工艺联合运行，模拟污水氨氮浓度为1 0 0 m g n l 1 ，在温度为( 2 0 2 5 ) 时，实现系统出1 2 1 污水氨氮脱除率达到9 9 ，总氮脱除率达到9 0 5 。3 反亚硝化研究实验表明，反亚硝化速率最快的p h 值为7 5 ，此时若初始亚硝酸氮为4 9 m g - l 1 时反亚硝化速率为1 5 3 m g n g - 1 ( m e s s ) h 1 。反亚硝化速率在亚硝酸氮浓度为4 0 m ：l - 1 时最快。污泥浓度在本范围内对反硝化速率的影响是m i s s 越低，亚硝酸氮的浓度下降越快，而单位质量反亚硝化菌效率越低。初始n o ；- n 浓度为3 6 6 m g n l - l ，污泥浓度为1 3 5 m g l - 1 ，反亚硝化速率为1 4 8 m g n 9 1 ( m t s s ) h 一。反亚硝化除磷的效果，在初始亚硝酸氮的浓度为4 0 m g n l - 1 的条件下，短期驯化培养可以实现除磷率为5 0 。关键词：厌氧氨氧化，脱氮，折流板反应器，固定化，反硝化，亚硝酸盐，除磷a b s t r a c ti nt h i sp a p e r , t h es y n t h e t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw a ss t u d i e dt or e m o v en i t r o g e nb yi m m o b i l i z e da n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ( a n a m m o x ) b a c t e r i u mi nb a m e dr e a c t o r , a n dt h eu n i t e dn i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g yo fs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o na n da n a m m o xw a sa l s os t u d i e d ，a sw e l la st h ep h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g yi nd e n i t r i f i c a t i o n 1 n h er e s u l t sf r o ma b u n d a n te x p e r i m e n td a t aw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：a f t e rt h ea n m o xp r o c e s si na n a e r o b i cb a f f l r e a c t o r ( a u g ) w i t ha n a l n m o xb a c t e r i u me n t r a p p e di ns o d i u ma l q i n a t e t h eh a sr u nf o r6 0d a y s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r i t ed r o p p e dn o t a b l yf r o m7 0 m e 3 q l - 1t ol m g n l 1a n da m m o n i u mf r o m7 0 m g n l - 1t o5 m g n l 1 t h en i t r o g e nr e m o v a lr a t eo fn i t r i t ea n da m m o n i u mr e a c h e d9 8 6 a n d9 2 9 c o m p a r e dw i t h9 5 o ft o t a ln i t r o g e na n dt h er e m o v a lv e l o c i t i e sw e r e1 5 3 m g n l - 1 d 1a n d1 4 4 m g n l - 1 d 1r e s p e c t i v e l y n ci n v e s t i g a t i o no ft h ep r o c e s si na b ri n d i c a t e dt h a ti tr u nm o r ee f f e c t i v e l yw i t ht h ep hv a l u eb e t w e e n7 1a n d7 5t h a n7 8 n i t r i t ea c c u m u l a t e di nt h ec o n d i t i o n so fp hv a l u e8 ，d i s s o l v eo x y g e np 0 ) c o n c e n t r a t i o n0 5 m g l - 1 ，e f f e c t i v ec h l o r i n e4 m g l 1a n dt e m p e r a t u r e2 0 2 5 i nt h eu n i t e dt e c h o n o l g yo fs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o ni nr o t a t i n gd i s kr e a c t o ra n da n a m m o xi nc o m p o s e db a f f l e dr e a c t o r ,m o n i a mw a sr e m o v e d9 9 c o m p a r e dw i t h9 0 5 o ft o t a ln i t r o g e nw i t ht h et e m p e r a t u r eb e t w e e n2 0 a n d2 5 w h e nt h eo r i g i n a la m m o n i u mc o n c e n t r a t i o no fs y n t h e t i cw a s t e w a t e rw a sl o o m g n - l 1 a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o no fd e n i t r i f i c a t i o ni ns b r , w h e np hv a l u ew a s7 5a n dt h en i t r i t ec o n c e n t r a t i o nw a s4 0 m g n l 1 t h ed e n i t r i f i c a t i o nv e l o c i t yc o u l dr e a c h1 4 8 m g n g - 1 ( r o s s ) 1 a n dt h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a t5 0 o ft o t a lp h o s p h o r u sw a sa c c u m u l a t e df r o mw a s t ew a t e rw h e nt h eo r i g i n a ln i t r i t ec o n c e n t r a t i o nw a s4 0 m g n l 1 k e yw o r d s ：a n a m m o x ，n i t r o g e nr e m o v a l ，a j a r , i n u n o b i l i z e d , d c n i t r i f i c u t i o n , n i t r i t c ，p h o s p h o r u sr e m o v a l ，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗垄墨盘垒或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期：妒7 年月妒日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨盗墨兰盘垒有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁洼墨三盘至可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：丘季7 当旁导师签名：彬签字目期：仉，b 7 年，月矿目签字日期：岬年月目第一章文献综述1 1 我国的水污染现状第一章文献综述水环境污染是我国当前发展过程中面临的重要问题。2 0 0 5 年，全国废水排放总量为5 2 4 5 亿吨( 其中，工业废水排放量为2 4 3 1 亿吨，生活污水排放量为2 8 1 4 亿吨) ；化学需氧量排放量为14 1 4 2 万吨( 其中，工业排放量为5 5 4 8 万吨，生活排放量为8 5 9 4 万吨) ；氨氮排放量为1 4 9 8 万吨( 其中，工业排放量为5 2 5 万吨，生活排放量为9 7 3 万吨) 。统计数据表明i l j ，2 0 0 5 年我国主要的河流、湖泊等水体普遍受到污染，面污染发展趋势未得到显著缓解。国家环境监测网七大水系的4 1 1 个地表水监测断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 1 、3 2 和2 7 。其中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河污染严重。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的占7 ；类水质的占2 1 ；水质的占1 1 ；v 类水质的占1 8 ；劣v 类水质湖( 库) 占4 3 。其中，太湖、滇池和巢湖水质均为劣v 类。主要污染指标为总氮和总磷。监测统计城市内湖中，昆明湖和玄武湖为v 类水质，西湖、东湖和大明湖为劣v 类水质，主要污染指标是总氮和总磷。从湖泊数量上来看，有近3 4 的湖泊已达富营养程度，所占的面积也接近总面积的2 3 ，表明当前我国湖泊富营养化问题十分突出，而监测统计的1 0 座大型水库中，7 座大型水库均为中营养状态。2 0 0 6 第三季度统计表明，巢湖潮体水质为五类，太湖、滇池湖体水质仍为劣五类，主要污染指标是总氮和总磷。与2 0 0 5 年同期相比，“三湖”营养程度无明显变化，巢湖为轻度富营养，太湖、滇池为中度富营养。2 0 0 5 年，全海域共发现赤潮8 2 次，累计发生面积约2 7 0 7 0 z 方公里，有毒藻类引发的赤潮次数和面积大幅增加。大面积赤潮集中在浙江中部海域、长江口外海域、渤海湾和海州湾等。2 0 0 6 上半年统计显示，全国近岸海域水质总体属于轻度污染。一、二类海水比例占6 7 1 ，劣四类海水占1 7 5 ，与2 0 0 5 年同期基本持平，主要污染物为无机氮和活性磷酸盐。南海、黄海水质为良，渤海水质为轻度污染，东海水质为重度污染十一五期间，各大水系的污水排放量和c o d 排放量将增加三成以上，由此带来的环境问题将成为我国经济发展和构建和谐社会的巨大障碍。主要由氮、磷和有机物污染物引起的水体富营养化在水污染中的地位越来越突出，也越来越多的引起人们的重视。1 2 水体中氮磷的危害排入水体的氮、磷营养物的来源是多方面的，人类活动导致的水体中氮、磷元素的迅速增加是水体富营养化的主要原因 2 1 。含氮矿物和燃料的开采、加工和利用，工业和农业固氮( 工业上大规模生产氮肥，农业上大面积栽培豆科植物) ，人类居住渐趋集中，氮素也随日用品和食品向居住地迁移等，这些因素打破了氮素循环的平衡，造成局部区域的氮素输入量大大高于输出量。研究证明，除了分子态氮以外，所有氮素循环中间产物积累均会对人类和环境产生不良影响。其中，以氨氮、硝态氮( 盐) 和亚硝态氮( 盐) 的危害最为严重。水体氮素第一章文献综述污染的危害 3 1 主要有：1 造成水体的富营养化现象；2 增加了给水处理成本，使加氯量大大增加，并且腐蚀设备；3 造成视觉和味觉污染。还原态氮排入水体会因硝化作用而耗去水体中大量氧，造成水体发臭，透明度仅有0 2 m ：4 对人及生物的毒害作用。根据世界卫生组织规定，硝态氮含量不能超过l o m g l 1出生4 6 个月的婴儿，对硝酸盐的耐受力比较低，当饮用水内硝酸盐含量为( 9 0 1 4 0 )m g l 1 时，人体会失去血红蛋白在体内输送氧的能力而窒息死亡。水中亚硝态氮超过3 r a g l 1 时，金鱼在( 9 2 4 ) h 内死亡。此外，亚硝酸与胺作用生成亚硝胺，有致癌和致畸作用。由于氮素污染的种种危害，世界各国都制订了严格的氮素排放标准。控制氮素的排放，可采用物理、化学、生物等多种脱氮技术，而生物脱氮又被认为是目前废水脱氮处理中最为经济、有效的方法之一。1 3 传统生物脱氮原理及工艺目前含氨氮污水的处理技术可分为物理法、化学法、物理化学法和生物脱氮法。其中物理法主要指空气吹脱法【4 】，由于该法应用受限制，一般只用作高浓度氨氮废水的预处理。而化学法与物理化学法( 如选择性离子交换法1 5 j 、折点氯化法、吸附法、合成消化法等) 由于操作繁杂、运行成本高，对环境易造成二次污染，故实际运用中也受到一定的限制。污水生物脱氮技术是7 0 年代在美国和南非等国的水处理专家在化学、催化和生物方法研究的基础上提出的一种经济有效的处理技术，该技术由于处理过程可靠，不存在二次污染，操作管理方便等优点，在近二十年取得了飞速发展。1 3 1 传统生物脱氮原理【叫生物脱氮方法是指通过微生物的硝化( n i t r i f i c a t i o n ) 和反硝化( f l e n i t r i f i c a t i o n ) 作用来脱除水体中的氮素。硝化作用是指在微生物作用下，m - i ；发生氧化反应经过一系列中间产物转变为n o ；的生物化学过程。在好氧条件下，由亚硝酸细菌( 包括n i t r o s o m o n a s ，n i t r o s o s p i r a ，n i t r o s o c o c c u s ，n i t r o s o l o b u s ，n i t r o s o v i b r i o ) 将n i l ：经过羟胺等中间产物l 协1 2 氧化为n 0 2 ，再由硝酸细菌( 包括t n i t r o b a c t e r ，n i t r o s p i n a ，n i t r o s p i r a ，n i t r o c o c c u s ) 将n o ；氧化i l 冽为n o ；，亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。反硝化作用是指硝态氮( 盐) 、亚硝态氮( 盐) 及其它氦氧化物被用作电子受体而还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应。这个过程由反硝化细菌( d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ) 完成。该反应历程为i “1 5 j ：n o ；- n o ：_ + n o _ n 2 0 _ + n 2 。反硝化菌多数是兼性细菌，有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体。在无分子态氧情况下，反硝化菌利用n o ；和n o ；作为能量代谢中的电子受体( 被还原) ，o z 作为受氢体生成h 2 0 和o h 碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。2第一章文献综述1 3 2 传统生物脱氮工艺我国各城镇污水处理厂普遍采用的工艺有传统活性污泥法、氧化沟工艺、a b 、a 2 o或0 工艺、生物滤池工艺、等类型。传统的活性污泥法是经典的生物处理工艺，技术成熟，但占地面积大，运行不稳定，主体工艺“生物曝气池”易发生污泥膨胀。o 或a 2 o 工艺也叫缺氧一好氧或厌氧一缺氧一好氧工艺。这一工艺的开发主要是为了满足脱氮除磷的需要，同时又有效的利用和降解了污水中的有机物，实现1 1 9 j 单相脱氮，是一种经济有效的脱氮除磷技术。s b r 工艺也叫序批式活性污泥法工艺，反应池既作曝气池又作二沉池，管理简单，适合中低负荷的小城镇污水处理。分五个阶段：进水、曝气、静沉、滗水与闲置。一体化的结构节省用地，且不易引起污泥膨胀，操作方便。氧化沟工艺是一种延时曝气的活性污泥法，由于负荷很低，耐冲击负荷强，出水水质好，污泥产量少而稳定，构筑物少，运行管理简单，但由于其低负荷，耗能高，投入大，不适合我国国情。以上方法都是成熟而有效的处理工艺，并且部分工艺已被广泛地研究和应用，但它们普遍存在着基建投资及运行费用高、管理维护复杂等缺点。投资及运行费用对于经济上不发达的我国是不堪重负的。随着经济的发展和人口的增加，需要新建、改建和扩建的污水处理厂为数众多，以实现我国全面健康持续发展的目标。1 4 生物脱氮新技术原理及工艺近些年，国内外学者在对污水生物脱氮技术存在的问题和现象进行了深入的探索研究，在此过程中，发现了一些突破传统脱氮理论的现象，并由此提出了一系列新理论和污水处理工艺。1 4 1 亚硝化理论人们在处理高浓度氨氮污水过程中发现亚硝酸盐的积累现象，据此，1 9 7 5 年v o c t s提出亚硝化反亚硝化生物脱氮的设想。从氮的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连而完成的，应该可以分开。亚硝酸菌和硝酸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盐氮为止，这就是 2 0 2 1 】生物亚硝化反应，又称短程硝化反应：n i - i 3 - + n h 2 0 h i - - i n 0 1 - + n o ；。由于废水生物处理反应器均为开放的混合培养系统，两类菌群在系统中共同存在，如何控制硝化过程停止在n 0 ；阶段，实现n o ；的积累是实现亚硝化的关键。到目前为止，经n o ：途径稳定实现生物脱氮成功应用的报道还不多见。这主要是因为：一方面完全硝化过程是由亚硝酸菌和硝酸菌协同完成的，由于这两类细菌在开放的生态系统中形成较为紧密的互生关系，共同将氨氧化为硝酸，因此硝化过程完全控制在亚硝化阶段是不可能的。而在硝化全过程中亚硝化的反应速率要比第二步反应速率慢，亚硝化反应是全反应过程的限制步骤，所以通常的反应产物是硝酸盐，亚硝酸盐的浓度- f l , j , 。人们在污水处理工艺中发现的亚硝酸盐积累的现象是短时间的，所以如何调整影响亚硝酸盐积累3第一章文献综述的因素，实现亚硝酸盐的稳定的累积近期研究的一个热点。实现亚硝化需要考虑的因素主要有温度、p h 、自由氨( f a ) 、溶解氧( d 0 ) 、抑制剂及污泥龄等。1 , 4 2 自养反亚硝化理论反硝化过程是由硝酸氮到气态氮的过程，无论是n o 丕是n o ：均可以作为电子受体，而电子供体可以是有机物( c 0 d ) 或是还原无机化合物( 如硫化物或氢) ，因而生物脱氮过程也可以经过亚硝态氮还原这样的途径自养完成瞄, 2 3 1 。早在1 9 7 7 年，b r o d a 便通过热力学计算【1 6 1 ，预言自然界存在着化能自养型的厌氧氨氧化细菌。但直到1 9 9 5 年，这个预言才得到实验证据的支持。1 9 9 5 年荷兰d e l f t 大学的m u l d e r 和v a nd eg r a l 等人在生物脱氮流化床反应器【乃删中发现，除了反硝化作用所引起的硝酸根正常消失外，同时氨也可以在此条件下出现浓度下降现象，而且其浓度下降的速率与硝酸根浓度下降的速率正相关，并伴随气体产生。不久又用实验进一步证实 2 3 , 2 s l ，这是另一种微生物反应，其反应式如下：n h ：+ n o ；一n 2 + 2 o( 1 1 )根据化学热力学理论，反应式( 1 1 ) 的a g = - 3 5 8 k j t o o l 1 ，反应可自发进行。生物学上该反应能为微生物生长提供所需能量，n o ；为电子受体，n h ：为电子供体，需要一定量的c 0 2 作碳源，不需外源有机质的参与，这说明该过程是在自养微生物的作用下完成的。这一反应是在低氧环境下实现的，通常称为厌氧氨氧化反应。厌氧氨氧化过程反应比较复杂【2 9 l 。其中一种途径包括羟氨和亚硝酸盐m8 5 1 生成n 2 0的反应，而n 2 0 可以进一步转化为氮气，氨被氧化为羟氨。另一种是氨和羟氨反应生成联氨，联氮被转化成氮气并生成4 个还原性f h 】，还原性f h 】被传递到亚硝酸还原系统形成羟氨。第三种是：一方面亚硝酸被还原为n o ，n o 被还原为n 2 0 ，n 2 0 再被还原为n 2 ：另一方面，n h ：被氧化1 3 1 皿】为n - 1 2 0 h ，n f l 2 0 f l 经n 2 t u 、n 2 1 - 1 2 被转化为n 2 。三种可能的途径见图1 1 n 2fn 2 0n o70 2 一一n 0 3 一n 2图1 1 厌氧氨氧化的可能代谢途径f i g 1 1t h ep o t e n t i a lm e t a b o l i z ea p p r o a c ho fa n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n4第一章文献综述1 4 3 同步硝化反硝化理论当硝化和反硝化在同一反应器中同时进行时则称为同时硝g 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 nd e n i t r i f i c a t i o n 简称s n d p s i ) ，人们在工程实践和科研中发现了这一现象。对同时硝化反硝化现象的解释可以分为两大类，一类是从微生物的生理学角度来解释，可称之为生物论；一类是从微生物所处环境的角度来解释，可称之为生境论，其中生境论还可分为宏观生境论和微观生境论。生物论的解释源于近年来微生物学家发现好氧反硝化茵和异养硝化菌的存在。好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现促进了人们对好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化过程的研究1 4 0 , 4 ”。好氧反硝化菌和异养硝化菌的研究随着检测技术的发展和对微生物生理过程研究的不断深入 3 4 - 3 9 。b o c k 等发现【埘，在低溶解氧的环境中，部分微生物可以同时利用氨氮和分子氧作底物进行硝化和反硝化反应，随着溶解氧浓度的进一步降低，被利用的亚硝态氮将会增多。宏观生境论的解释源于反应器中溶解氧浓度分布的不均匀性，缺氧区和好氧区同存在，反硝化和硝化反应分别两种环境下进行。在微观生境论认为在好氧状态下，活性污泥的外部为好氧区，分布好氧微生物，可进行生物硝化；而在部分污泥内部，聚集厌氧菌类，可形成缺氧区进行反硝化，从而在宏观表现为硝化时具有一定的反硝化能力。1 4 4 脱氮技术新工艺氮素在在污水中主要以铵的形态存在，反硝化反应和硝化反应相匹配才能将氮素从污水中去除。新工艺主要在于氮经过亚硝酸盐反硝化去除，略去亚硝酸与硝酸盐相互转化的中间过程。1 s h a r o n 工艺( s i n g l er e a c t o rf o rh i g ha c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e )s h a r o n 是荷兰d e l f t 技术大学开发的一种新型的生物脱氮工艺。其基本原理是在同一个c s t r ( c o n t i n u o u s s t i f f e d t a n k r e a c t o r ) 反应器内，间歇曝气，先在有氧条件下，利用氨氧化细菌将n h ：氧化生成n o i ，然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，将亚硝酸盐反硝化，生成氮气，其反应式如下式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 所示。该工艺实际上是一种亚硝化，( 异养) 反亚硝化生物脱氮工艺，也可称为短程硝化反硝化工艺，其反应过程如下：n h ：+ 1 5 0 1 2 n o ；+ 2 1 - i + + i - h on o i + 3 【明+ i i + 一n 2 + 2 托o( 1 2 )( 1 3 )s h a r o n 工艺的理论基础是在高温条件下( 3 0 4 0 ) ，亚硝酸细菌的增长速率高于硝酸细菌。完全混合反应器不进行污泥回流，因而污泥停留时间( s i 汀) 等同于水力停留时间( h r t ) ，控制h i 汀大于亚硝酸细菌的世代时间，小于硝酸细菌的世代时间，实现硝酸菌的自然“洗出”，使反应器内亚硝酸细菌为优势菌，从而维持稳定的n o 积累。研究人员对s h a r o n - e 艺中的微生物，特别是其中的亚硝酸菌1 3 6 , 4 4 1 进行了深入研究，认为其中起主要作用1 4 5 】的细菌是n i t r o s o m o n a se u r o p a e a ( 6 9 ) 。这是一种典型的好氧氨氧化菌，能在高n h ：、高n o 鄹境条件下快速生长i 拍】。5第一章文献综述( 1 ) s h a r o n 工艺的影响因素温度对s h a r o n 反应的影响亚硝酸菌与硝酸菌生长的最适宜温度各不相同，通过调节温度抑制硝酸菌而保证亚硝酸菌的活性来实现n o 陕累。h e l l i n g a 等认为亚硝酸菌的最适宜温度为( 3 0 3 5 ) 。为了保证系统运行的稳定，s h a r o n 工艺选择了3 5 作为反应器的反应温度，在该温度下亚硝酸菌1 4 7 j 的世代约为2 1 d 。游离氨对s h a r o n 反应的影响分子态游离氨( f a ) 对硝化作用有明显的抑制作用，硝酸菌比亚硝酸菌对f a 更敏感，0 6 m g l 1 的f a 几乎可以抑制硝酸菌的活性，出现n o 积累。而当哒到5 m g l 1 以上时才会对亚硝酸菌活性产生影响1 4 s ，当达n 4 0 m g l 1 会严重抑制亚硝酸的形成。进水负荷过大所造成的n 0 积累也与水中总氨氮中f 删e 度增加有关，冲击负荷也会造成n o ：积累。因此，只要控制系统中f a 浓度介于硝酸菌抑制浓度和亚硝酸菌抑制浓度之间就可保证氨氧化正常进行而n o 氧化受到阻碍，形成n o ；积累。研究发现，高浓度f a 抑制所造成的n o 积累并不稳定，时间一长系统中亚硝酸浓度和亚硝化率均下降，n o , - 浓度增大。这说明硝酸菌对f a 所产生的抑制作用会逐渐适应，而且硝酸菌对f a 适应是不可逆转的，即便再进一步提高f a 浓度，亚硝酸盐在亚硝酸与硝酸盐中的比率也不会增加。 p a 对s h a r o n 反应的影响p h 值对亚硝化反应的影响有两方面，一方面是亚硝酸菌生长要求有合适的p h 环境，另一方面是p h 对游离氨浓度有重大影响，从而影响亚硝酸菌的活性。一般认为，适合于亚硝酸茵生长的最佳p h 大约为7 o 8 5 。硝酸菌为6 7 5 。反应器中p h 值低于6 5 ，则整个硝化反应会受到抑制，p h 值升高到8 以上，则出水出现n o 积累调整适合的p h 可以将硝化反应最大限度的控制在亚硝化阶段。( 2 ) s m 堰o n 工艺的评价s h a r o n 工艺是第一个成功地取得稳定运行的运用亚硝酸盐作为中间产物的短程硝化反硝化工艺1 5 4 j ，它适用于高氨氮浓度( 主要是5 0 0m g - l l 15 0 0 r a g i _ , 1 n i - i ：) 废水的处理。第一个生产规模的s h a r o nt 艺已于1 9 9 8 年初在鹿特丹的d o k h a v e n 污水处理厂建成并投入运行，在荷兰还有两家应用s h a r o n 工艺的污水处理厂【4 5 矧。与传统的生物脱氮工艺相比，s h a r o n 工艺至少具有下述优点：a 集硝化与反硝化于一池，可以简化流程。运行、管理、维护简单易学。如d o k h a v c n污水厂的处理规模为15 0 0 m 3 d 一，系统启动成功之后，每周只需5 h 的维护。b 可节省反硝化过程所需要的外碳源，即n o ；反硝化比n o ；反硝化可节省4 0 的碳源；亚硝化产生的酸度可部分由反硝化产生的碱度中和，减少化学试剂用量。c 因为只需要将氨氮氧化到亚硝酸盐，可减少2 5 左右的供气量，降低能耗；在传统的硝化，反硝化途径中，反硝化碳源优先为硝酸还原酶利用【5 1 ，从而抑制了亚硝酸还原酶接受电子的能力。而在亚硝化反亚硝化途径中，因省去了n o ；- - - , n c l 趑一过程，不存在硝酸还原酶对亚硝酸还原酶的竞争性抑制，从而加快了脱氮速率。d 可减少剩余污泥排放量。亚硝化过程比完全硝化过程可减少产泥( 2 4 3 3 ) ；6第一章文献综述而n o ；反亚硝化菌和n o ；反硝化菌的表观产率系数【4 9 】分别为o 3 4 5 9 v s s g 1 n 和o 7 6 5 9 v s s g - l n ，因此s h a r o n 工艺这类亚硝化( 异养) 反亚硝化生物脱氮工艺在反硝化过程中又可减少产泥5 0 。s h a r o n 工艺也有下述缺点：a 反亚硝化过程仍需投加碳源，还需投加一定量的碱。b 出水n i l ：浓度过高l ( 出水n h ：浓度5 0m e n l 1 1 0 0 m g n l 1 ) 。c 反应运行温度过高，对于水量较大的城市污水和绝大多数工业废水无法达到并维持。d 低溶解氧对氮以外的其他污染物去除效果有一定的影响，活性污泥易解体和发生丝状菌膨胀1 6 0 , 6 ”。2 厌氧氨氧化工艺( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x )荷兰d e l f t 大学根据前面提出厌氧氨氧化反应提出的一种新型生物脱氮工艺，称为a n a m m o x i 艺。该工艺的特征是在严格的厌氧条件绝氧下，以n o ：为电子受体，将n h ：氧化生成氮气，从而达到完全脱氮的效果。厌氧氨氧化菌适宜的温度为3 0 ；p h 值大致在7 8 5 之闻( 各种报道 6 4 - 6 6 1 的差异较大) ；反应要求完全隔绝氧气；a n a m m o x 微生物对光敏感，反应器要遮光。如果说s h a r o n 工艺还只将传统的硝化反硝化工艺通过运行控制缩短了生物脱氮的途径，a n a m m 0 x 工艺则是一种全新的生物脱氮工艺，完全突破了传统生物脱氮工艺中的基本概念( 1 ) 厌氧氨氧化微生物1 9 9 6 年g m f 等在发现在厌氧富集培养微生物的过程中发现有特殊形态的不规则形状的细胞。在培养基质上富集时，观察到醚类脂化合物在增加，微生物聚集体的颜色从褐色变为红色，同时检测到细胞色素的增加。g i a 舒页见到这与形态学上明显增加的微生物有直接关系，或许为一种或同种微生物，对厌氧氨氧化起主导作用。j e t t e n 等人还指出【3 2 】富集的厌氧氨氧化菌从棕色逐渐变成深红色，这是因为轻氨氧化还原酶含有亚铁红素。研究人员发现1 6 s ，厌氧氨氧化污泥一般呈红色，细胞色素c 含量高，在4 7 0 n t o 处具有较强的吸收峰。厌氧氨氧化菌细胞具有分层结构，蛋白质细胞壁上存在漏斗状结构，细胞壁中缺失某种肽链【。7 5 1 ，膜上有特殊的脂质，如图1 2 。图1 2 一种厌氧氨氧化菌的电镜f i g 1 2 e l e c t r o n p h o t o g n u n o f 柚a n a m m o x b a c t e r i a7第一章文献综述厌氧氨氧化菌属化能自养的专性厌氧菌，生长缓慢，当存在有机物时，异养微生物增殖较快，竞争性抑制厌氧氨氧化菌i l o l 。但对于有机物含量较低而含氨较高的废水，采用厌氧氨氧化工艺仍具有很好的处理效果。厌氧氨氧化菌只有在严格缺氧的条件下具有厌氧氨氧化活性，但微氧( 8 0 时，会出现n o ；的积累，且p h 值越高，n o 的积累越多。5 亚硝酸盐研究结果表明i 。瑚，d p a o s 缺氧吸磷在低浓度n o ；时并不受抑制，并可作浓度低于9 m g l 1 时为其电子受体，但n o 达到一定浓度后会受到严重抑制甚至完全停止。文献报道的抑制浓度差异较大，有报道认为n o 张度为4 0 m g l 1 不会抑制吸磷【5 9 1 ，这可能与污泥条件和其他试验条件有关，同时也可能表明n o ；的抑制作用可以被驯化。1 7 固定化技术固定化微生物技术( i m m o b i l i z e dm i c r o b i a lc e l l ，简称i m c ) 是生物工程领域中的一项新兴技术固定化微生物技术是指通过采用化学或物理的方法将游离微生物定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可反复利用的一种新型生物技术。包括固定化酶、固定化细胞和固定藻，其中以固定化细胞研究较多。与传统的悬浮生物处理法相比，固定化技术具有如下优点：能在生物处理装置内维持高浓度的生物量，处理时间缩短，设备体积减少；被浓缩固定在不溶性载体上的微生物可迅速沉淀分离，不需要大型沉淀池；不能形成絮体的微生物也可加以利用，对水质及p h 的变化有较好的稳定性；可将筛选培养出的能降解难分解物质的微生物以及高效脱氮菌、硝化菌、甲烷菌等浓缩固定，有针对性地使用；受毒物侵害少；剩余污泥量小。细胞经固定后既增大了机械强度，又能纯化和保持高效菌种，与游离细胞相比，明显地显示出优越性，在实际应用中成果显著。1 7 1 国内外研究应用概况固定化细胞技术在废水处理领域得到了广泛的应用，主要用于有机废水处理、金属离子污染废水的处理、工业废水的脱色等方面。在脱氮方面，日本的研究人员用聚丙烯酰胺包埋法固定硝化菌和反硝化斟5 5 1 ，与悬浮生物法相比，脱氮速率提高3 倍。市村等人用以聚乙烯醇为主链的光架桥性树脂预聚物( p v a - s b q ) 与海藻酸钠结合包埋固定化硝化菌，可将氨氮从8 0 r a g - l 1 降至2 0 r a g l 1 。王磊【叫等用聚乙烯醇作为包埋载体，在保证c 0 d 8 0 去除率的同时，氨氮的去除率高达9 5 5 1 4第一章文献综述1 7 2 固定化细胞的分类固定化细胞按其细胞类型分类有固定化微生物、植物和动物细胞三大类；按其生理状态又可分为固定化死细胞和活细胞两大类。固定化细胞由于其用途和制备方法的不同，可以是颗粒状、块状、条状、薄膜状或不规则状( 与吸附物形状相同) 等，目前大多数制备成颗粒状珠体，这是因为不规则形状的固定化细胞易磨损，在反应器内尤其是柱反应器内易受压变形，流速不好，而采用珠体就可以克服上述缺点，另外，圆形珠体由于其表面积最大，与底物接触面较大，所以生产效率相对较高。固定化死细胞一般在固定化之前或之后细胞经过物理或化学方法的处理，如加热、匀浆、干燥、冷冻及表明活性剂等处理，目的在于增加细胞膜的渗透性或抑制副反应，所以比较适于单酶催化的反应。固定化静止细胞和饥饿细胞在固定化之后细胞是活的，但是由于采用了控制措施，细胞并不生长繁殖，而是处于休眠状态和饥饿状态。固定化生长细胞又称固定化增殖细胞，是将活细胞固定在载体上并使其在连续反应过程中保持旺盛的生长、繁殖能力的一种固定化方法。与固定化酶和固定化死细胞比较，由于细胞能够不断繁殖、更新，反应所需的酶也就可以不断更新，而且反应酶处于天然的环境中，更加稳定，因此，固定化增殖细胞更适宜于连续使用。从理论上讲，只要载体不解体，不污染，就可以长期使用。1 7 3 固定化细胞的制备方法按照固定载体与作用方式的不同，目前常用的固定微生物细胞的方法大致可分为吸附法( 载体结合法) 、包埋法、交联法( 架桥法) 和共价键结合法，其中尤以包埋法应用最为普遍，后两种方法是酶与聚合物载体以共价键结合方式将其固定，由于反应条件剧烈，使得酶活性有所降低，故不常使用。1 吸附固定法吸附法是通过静电、表面张力和粘附力的作用而使微生物细胞附着在载体表面的方法。其可分为物理吸附和化学吸附，前者是使用具有高度吸附能力的硅胶、活性炭、多孔玻璃、石英砂等吸附剂将细胞吸附到表面上使之固定化，这是一种最古老的方法，操作简单，反应条件温和，载体可以反复利用，但是结合不牢固，细胞易脱落；后者是根据细胞在解离状态下因静电引力( 即离子键合作用) 而固着于带有相异电荷的离子交换剂上，如d e a e - 纤维素、c m 纤维素等。2 包埋固定法包埋法是将微生物包埋在各种不同的凝胶和薄膜中，即将细胞固定在多聚物的网格中的固定方法。该法操作简单，对细胞活性影响较小，制作的固定化细胞球的强度较高，是目前细胞固定化中最常用的方法，其载体常用琼脂、海藻酸钙、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、骨胶、明胶、二醋酸纤维等。3 交联固定法交联法是一种化学固定化方法，即利用双功能或多功能试剂，与微生物细胞表面的反应基因如羧基、氨基和巯基等发生反应，使细胞之间交联成网格结构，从而制成固定化细胞，其结合力是共价键。该方法的缺点是化学反应激烈，微生物可能受到交联剂的第一章文献综述毒害，很难保持细胞中酶的高酶活。4 共价结合法共价结合法是微生物细胞表面上功能团( 如a ，e - 氨基、a 一，b - 或卜羧基，巯基或羟基、咪唑基、酚基等) 和固相支持物表面的反应基团之间形成化学共价键连接，从而成为固定化细胞。该法微生物细胞与载体之间的连接键很牢固，使用过程中不会发生脱落，稳定性良好，但反应条件激烈，操作复杂，控制条件苛刻。1 7 4 固定化细胞载体理想的固定化细胞载体应该是：具有高的载体活性：对微生物无毒性；材料易得，沉淀分离性能好；传质性能良好；性质稳定，不易被生物分解；价格低廉：操作制备方便，易于成形，能适用于大规模生产；有较高的机械强度，抗生物分解性能好，能较长时间使用和重复使用。固定化细胞载体归纳起来主要分为两类：一类是天然高分子凝胶载体，如琼脂、角叉莱胶、海藻酸钙等；另一类是有机合成高分子凝胶载体，如聚丙烯酰胺( 简称a c a m )凝胶、聚乙烯醇( 简称p v a ) 凝胶，光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等。天然高分子凝胶一般对生物无毒，传质性能较好，但强度较低，在厌氧条件下易被生物分解。其中尤以琼脂强度最差。天然的角叉莱胶在分离出影响其强度的l 角叉莱胶成分后，强度和稳定性都会得到提高，但价格较高。海藻酸钙凝胶价格低廉，是其中应用较为广泛的固定化细胞载体。但在高浓度的磷酸盐溶液，或含有m 9 2 + 、k + 等微生物生长所必需的阳离子溶液中，海藻酸钙凝胶不稳定、易破碎和溶解。有人报道用聚乙烯亚铵溶液处理海藻酸钙凝胶，可防止磷酸盐的破坏作用，又能提高其强度。有机合成高分子凝胶一般强度较好，但传质性能稍差，在进行细胞包埋时有时对细胞活性有影响。a c a m 凝胶在包埋细胞时，由于凝胶交联过程中的放热以及交联试剂本身的毒性，细胞在固定化过程中常常失活。f v a 凝胶的制备方法有两种，一种是p v a 冷冻法，另一种是p v a - 硼酸法。一般常用p v a 硼酸法。在p v a - 硼酸法固定化细胞制备过程中，用n a 2 c 0 3 事先将硼酸的p h 值调整到6 7 左右，或将制成的凝胶放入水中浸泡几天，可提高其在高温时强度的稳定性。1 7 5 固定化技术的发展趋势固定化微生物技术处理废水，由于处理效率高、稳定性强、生物浓度高、能纯化并保持高效菌种、固液分离效果好，因而具有广阔的应用前景。目前，固定化技术的研究很多还处于实验室阶段，要全面应用到生产中或实现工业化，还有许多问题需要进一步研究和解决，主要的研究方向如下：( 1 ) 混合固定化技术。实际废水是一个十分复杂的混合体系，用单一菌种处理，很难达到实际应用的要求，因此，采用混合菌固定化技术，或利用某一高效菌种进行分级处理，是很有前景的。( 2 ) 载体是固定化技术重要的组成部分，进一步开发性能稳定、传质好、强度高、寿命长、价格低的固定化载体。( 3 ) 发展多种生物共生的固定化体系。第一章文献综述( 4 ) 开发高效的固定化反应器，使之能克服包埋载体对基质( 尤其是氧气) 与代谢产物扩散的阻碍作用，使固定化细胞处于良好的微环境中，进行生长与代谢作用。通过不断的研究和改进，细胞固定化技术必将成为一项高效而实用的废水处理技术，在废水处理与环境工程领域中发挥越来越重要的作用。1 8 本文研究内容1 利用生物菌群法培养厌氧氨氧化茵，实现厌氧氨氧化菌的增殖。2 通过控制工艺条件，实现在( 2 0 2 5 ) 温度条件短程硝化反应与亚硝酸盐的累积。3 通过固定化方法，将厌氧氨氧化菌固定，进行厌氧氨氧化反应；探索工艺条件，实现高效处理模拟污水。4 短程硝化与厌氧氨氧化联合生物脱氮工艺高效处理模拟污水。5 研究反亚硝化过程影响因素，探索反亚硝化同时除磷。1 7第二章短程硝化工艺2 1 引言第二章短程硝化工艺亚硝酸菌、硝酸菌分别氧化n h ：、n o i 获得能量，同化还原c 0 2 获得能量。参与亚硝化作用的主要有亚硝化单孢菌属( n i t r o s o m o n a s ) ，亚硝化叶菌属( n i t r o s o l o b u s ) ；参与硝化作用的主要有硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) ，硝化刺菌属( n i t r o s p s p i ) 和硝化球菌属( n i t r o c o c c u $ ) 中的一些种类。亚硝化单孢菌属：细胞呈椭圆形或短杆状。细胞富有细胞色素，它使细胞悬浮液呈一种淡黄到淡红的颜色，无其它色素。不同的生化特性，其中硝化菌比亚硝化菌在某些特定条件下更敏感，可以利用这一特点，使其受抑制，从而达到产生亚硝化型硝化反硝化反应的目