（环境工程专业论文）常温下亚硝化活性污泥的驯化及其特征研究.pdf

硕上学位论文 摘要 随着水体中氮的污染问题日益严重，国家对排入水体中氮的指标要求更加严 格。亚硝化脱氮技术具备能耗低、碳源需求量小、剩余污泥量少以及水力停留时 间短等优点，因而成为目前污水生物脱氮技术研究的热点。 亚硝化工艺是许多新型工艺( 如亚硝化厌氧氨氧化工艺) 实现的基础和关键， 然而维持亚硝化工艺的高效稳定运行存在一定困难。目前，能够实现亚硝化工艺 的控制策略主要是利用氨氧化菌( a o b ) 和亚硝酸盐氧化茵( n o b ) 两类细菌在 生理上的差异而制定的，其中包括低溶解氧( d o ) 、高温、高游离氨抑制等，这 些策略会造成系统中生物量减少、氨氮去除率降低、亚硝化率( n 0 2 - n n o x - n ) 不稳定等问题，以致实际工程中亚硝化脱氮的成功应用并不多见。针对这些问题， 本研究在亚硝化污泥驯化过程中，通过采取适当补泥和定期置换污泥上清液的运 行策略，达到了增加反应器内生物量，降低反应器毒性的效果，并对亚硝化污泥 性能进行分析，成功实现了亚硝化工艺的高效稳定运行。 采用序批式反应器( s b r ) 处理人工模拟废水，以实现对亚硝化污泥的驯化。 驯化实验在常温( 1 5 3 0 ) 下运行1 5 0 天，分为三个阶段：启动阶段( o 3 0 天) 、 负荷提高阶段( 3 0 1 1 0 天) 和稳定运行阶段( 1 1 0 1 5 0 天) 。采取间歇式曝气，周 期为8 h ( 曝气5 h ，缺氧3 h ) ，曝气阶段溶解氧( d o ) 浓度为1 2 1 4 m g l 。在 负荷提高阶段前期，负荷提高阶段前期，为解决污泥浓度不断下降的问题，需加 入经过短期培养的活性污泥，增加反应器内的生物量；在负荷提高阶段后期，亚 消化工艺进水负荷达到o 2 4 k g n i - 1 4 + - n m - a d ，氨氮去除率稳定在8 0 以上，亚硝 化率维持在9 0 以上；在稳定运行阶段，通过每半月置换一次污泥上清液，解决 了反应器内n 0 2 。n 高浓度长期累积运行造成的亚硝化污泥浓度降低、处理效果 不稳定的问题。驯化过程中，对亚硝化污泥的胞外聚合物( e p s ) 分析，结果显 示e p s 中t b 对污泥沉降性能的贡献明显大于l b ；对污泥进行z e t a 电位等方法 分析，发现驯化后污泥z e t a 电位电负值降低，这表明实现亚硝化工艺的污泥沉降 性能更好。本文通过对亚硝化污泥的驯化实现了亚硝化工艺的高效稳定运行，并 对驯化期间的亚硝化污泥进行了性能研究，为亚硝化工艺脱氮的工程应用提供了 理论基础和技术指导。 关键词：序批式反应器( s b r ) ；亚硝化工艺；胞外聚合物( e p s ) h 常温下亚硝化活性污泥的驯化及其特征研究 a b s t r a c t a st h en i t r o g e np o l l u t i o ni nw a t e r sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，a n dt h e n i t r o g e ni n d e xb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys t r i c t ，s h o r t c u tb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a li s r e g a r d e df o ri t sa d v a n t a g e s ，s u c h a ss a v i n ge n e r g ya n dc a r b o nr e s o u r c e ，r e d u c i n gt h e a m o u n to fs l u d g e d i s c h a r g i n ga n ds h o r t e n i n gh y d r a u l i cr e s i d e n c et i m e ，a n de t c t h ee f f i c i e n t l ya n ds t e a d i l ys h o u t - c u tn i t r i f i c a t i o nw a sd i f f i c u l tt oc a r r yo u t ， w h i c hi s s i g n i f i c a n tt ot h ec o m b i n e ds h a r o n ( s i n g l er e a c t o rh i g ha c t i v i t y a m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 一a 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 n o wt h er e s e a r c hu s i n go ft h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ea m m o n i a o x i d i z i n g b a c t e r i a ( a o b ) a n dt h en i t r i t e - o x i d i z i n gb a c t e r i a ( n o b ) i np h y s i o l o g i c a lf u n c t i o n s h a sa l r e a d ys t u d i e do u tt h eb e s tc o n t r o ls t r a t e g y , s u c ha sl o wo x y g e n ( d o ) ，h i g h t e m p e r a t u r ea n dr i c hf r e ea m i n on i t r o g e n b u tt h e s ec o n t r o ls t r a t e g i e sw i l ld e s c r e a s e t h eb i o m a s s t h ea m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t i o i t r u s u l t si nt h ea c t u a le n g i n e r r i n go fs h o u t c u tn i t r i f i c a t i o np r o c e s sr a r e l ys u c c e e d t o s o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h er e s e a r c hu s et h ew a y so fs l u d g ea d d t i o na n de l u t r i a t i o n i n o r d e rt oa c h i e v et h ee f f i c i e n t l ya n ds t e a d i l ys h o u t - c u tn i t r i f i c a t i o nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f s l u d g ea l s oh a sb e e ns t u d i e d t h r o u g hr e a l t i m ea e r a t i o nd u r a t i o nc o n t r o l ，s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o np r o c e s sw a s c a r r i e do u ti nal a b s c a l es b rf o r15 0d a y s ，a tn o r m a lt e m p e r a t u r e s ( 15 3 0 。c ) ，f e d w i t h s y n t h e t i cw a s t e w a t e r t h i se x p e r i m e n t i s c o m p l e t e dv i at h r e es t e p s ，t h e s t a r t i n g u pp a r t i a ln i t r i f i c a t i o ns t a g e ，t h ee n h a n c i n gt h es l u d g ec a p a b i t ys t a g ea n dt h e s t e a d yo p e r a t i o ns t a g e t h e s b ro p e r a t e d8h o u r sac y c l ew i t ha e r a t e d ( 5 h ， d o ：i 2 1 4 r a g l 1 ) a n dn o n - a e r a t e d ( 3 h ) p e r i o d s a n dt h ei nf l u e n tl o a d i n gr a t e ( n h 4 + - n ) c o u l dr e a c h0 2 4k g ( m 3 - d ) t h ea m m o n i a r e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h en i t r i t e a c c u m u l a t i o nr a t i os e p a r a t e l yk e p to v e r8 0 a n d9 0 i ta l s os o l v e st h ep r o b l e mo f l o ws l u d g ec o n c e n t r a t i o na n dn o n - s t e a d y - s t a t ec o n d i t i o n sb ys l u d g ea d d i t i o na n d e l u t r i a t i o n b e s i d e s ，b ya n a l y z i n go ft h ee x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e si n d i c a t e t h a tt h ec o n t r i b u t i o ni ns e t t l e a b i l i t yb yt bc o n t e n ta p p e a r e dt ob em o r es i g n i f i c a n t t h a nt h a tb yl b m e a n w h i l e ，t h es l u d g ew a sa n a l y z e db yz e t ap o t e n t i a la n do t h e r m e a n s t h er e s u l t ss h o wt h a ts l u d g ea f t e rc u l t u r eh a sb e t t e rs e t t l i n gv e l o c i t yt h a ns e e d s l u d g e i ti n d i c a t e st h a t t h es h o r t c u tn i t r i f i c a t i o np r o c e s si s e f f i c i e n ta n dp e r f e c t l y s t a b l eb yt h ed o m e s t i c a t e ds l u d g e t os u m m a r i z e ，b yd o m e s t i c a t i o no fs l u d g ea n dt h e i l l 硕上学位论文 c h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g et h ee f f i c i e n t l ya n ds t e a d i l ys h o u t - c u tn i t r i f i c a t i o nh a sb e e n c a m e do m 一 k e yw o r d s ：s b r ；s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o np r o c e s s ；e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ( e p s ) i v 常温下亚硝化活性污泥的驯化及其特征研究 插图索引 图1 1 氮素循环1 图1 2 氨气吹脱塔4 图1 3典型加氯曲线5 图1 4 厌氧氨氧化反应模型1 2 图1 5 全程硝化反硝化与短程硝化反硝化生物脱氮途径1 2 图1 6 协同硝化反硝化模式1 4 图1 7 独自硝化反硝化模式1 5 图1 8 活性污泥絮体颗粒内d o 浓度梯度示意图1 5 图2 1s b r 工艺处理废水阶段图1 9 图2 2 实验装置示意图2 5 图2 3s b r 运行方式示意图2 5 图2 4s b r 反应器a 换水率随时间变化及出水氮浓度和亚硝化率2 7 图2 5s b r 反应器b 换水率随时间变化及出水氮浓度和亚硝化率2 8 图2 6s b r 反应器c 换水率随时间变化及出水氮浓度和亚硝化率2 8 图2 7s b r 反应器亚硝化启动阶段单周期各形态氮素变化曲线2 9 图3 1污泥m l s s 和s v i 随驯化时间的变化一3 2 图3 2 污泥m l s s 和s v i 随驯化时间的变化。3 3 图3 3 污泥m l s s 和s v i 随驯化时间的变化3 3 图3 4 换水率随时间变化及出水氮浓度和亚硝化率a 3 4 图3 5 换水率随时间变化及出水氮浓度和亚硝化率b 一3 5 图3 6 换水率随时间变化及出水氮浓度和亚硝化率c 一3 5 图4 1测量硝化活性反应装置图3 8 图4 2 用o u r 测量硝化活性的实验原理图3 9 图4 3 结合型胞外聚合物的组成4 0 图4 4 环境扫描电镜a 4 2 图4 5 环境扫描电镜b 4 3 图4 6e p s 的红外光谱图4 4 图4 7 污泥l b e p s 和t b e p s 的蛋白质和多糖含量4 5 v 硕士学位论文 附表索引 表1 1水环境中氮素来源以及进入途径2 表1 2 各属硝化细菌的主要形态特征7 表1 3 硝化过程中氮素转化8 表1 4 包含反硝化细菌的属一1 0 表1 5反硝化作用中氮素的转化一l o 表2 1各种s b r 工艺的基本情况和性能对比2 1 表2 2 活性污泥性能指标2 4 表2 3 模拟废水组成2 4 表2 4 项目指标测定方法及所用仪器一2 6 表2 5s b r 反应器亚硝化启动阶段实验参数2 6 表3 1活性污泥性能指标3 1 表4 1 所用仪器4 2 表4 2污泥的氧吸收率o u r 4 3 硕士学位论文 1 1 选题的背景 第1 章绪论 随着现代化城市化进程的迅速发展，城市生活污水已成为困扰城市的严重问 题。据统计，2 0 1 0 我国城市污水排年放量已经达到1 0 5 0 亿m 3 ，而城市污水处理 厂的处理能力远远低于其产生量，且差距逐年增加，大量未经处理的城市生活直 接排入江河，造成严重的环境问题。然而由于污水处理系统的落后，城市污水处 理厂所处理的污水除了城市生活污水，还包括少量的工业废水和大量垃圾渗滤液。 特别是垃圾渗滤液【1 2 】是一种氨氮和c o d 浓度高的废水，因其低c n 比，水质和 水量变化大，随着填埋时间的增加含氮量逐渐升高，高氮负荷给城市污水处理厂 的正常运行带来了大量问题。对其高氮负荷可以采用物理化学和生物的方法进行 脱氮，最广泛使用的物理化学方法是氨吹脱法和化学沉淀法，而生物脱氮技术则 主要是指传统的硝化反硝化系统。但是，仅用传统的生物处理并不能实现城市污 水处理厂的出水达标。 氮素是所有生物必须的营养元素，任何生物的生存、发展和延续都离不开氮 素的存在。氮素主要以n h 3 ( i i i ) 、n 2 ( o ) 、n 2 0 ( + i ) 、n o ( + i i ) 、n 0 2 ( + ) 、 n 0 2 ( + ) 和n 0 3 。( + v ) 等价态存在，生物作用可使氮素在不同价态之间相互 转变，构成生物圈的氮素循环，如图1 1 所示。 , y 回弋 厂 in 0 2 1 1 一 n 上t 。 广 l n o fl i 一 a 时一氨化作用； 卜同化作用；伊一反硝化作用： 卜生物崮氮；n 一硝化作用；r 一异化性硝酸盐还原作用 图1 1 氮素循环 总体而言，生物圈中各个生态系统般通过生物固氮，以氨的形式输入氮素， 经过同化、氨化、硝化、反硝化、异化性硝酸盐还原等生物转化作用，以氮气的 形式输出。在自然界未受人类干扰的区域内，氮素循环接近稳态，氮素的输入输 田_ 回 r 困 心 常温下亚硝化活性污泥的驯化及其特征研究 出相对保持平衡。而在人类活动的区域内，氮素循环受到了严重的干扰，改变了 相应区域内的氮素组成。而氮素进入水环境中的途径主要有自然过程和人类活动 两个方面。自然过程主要包括生物固氮，闪电固氮以及大气的降水降尘等过程， 人类活动主要包括城市生活污水，工业废水以及垃圾渗滤液等污水直接排入水体， 肥料和农药的流失间接进入水体，地表径流，大气降尘等过程。水环境中氮素来 源以及进入水体途径见表1 1 所示。 表1 1水环境中氮素来源以及进入途径 水体中含有大量的氮，会造成水体的富营养化从而导致水体透明度降低，阳 光难以穿透水层，影响水中植物的光合作用；同时水体富营养化也会使得浮游生 物的大量繁殖，消耗水中大量的氧，使水中溶解氧严重不足。以上现象导致水面 植物的光合作用( 更加使阳光穿透无法穿透水层) 造成水面局部溶解氧的过饱和 以及水体中溶解氧总体不足，对水生动物( 主要是鱼类) 有害，造成鱼类因缺氧 而大量死亡。于此同时水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气 体，以及一些浮游生物产生的生物毒素( 如石房蛤毒素) 也会危害人类和动物( 主 要是鱼类) 的健康。水体富营养化还会导致水生生态系统的紊乱，包括水生生物 种类和数量的减少，造成水生生物系统的多样性受到破坏。水体的重富营养化将 造成用水功能的严重损害，甚至导致用水功能的完全丧失。此外，由于藻类物质 有明显的鱼腥味，从而影响饮用水质并增加制水成本，破坏湖泊生态平衡1 3 一钉。同 样地面水体和地下水中氮污染物的增加会造成生态以及健康方面的有害影响。水 中的氨氮消耗水体中的溶解氧且富营养化水中含有的亚硝酸盐和硝酸盐超标，人 畜长期饮用这类型的超标水，会出现慢性中毒致病等现象，主要是因为硝酸盐在 人体中会转化成亚硝胺，这是一种致变、致畸、致癌物，对人体有严重的潜在威 胁【5 1 。 2 硕士学位论文 由于氮素污染会对人类环境和健康带来多种危害，氮素的污染控制势在必行， 同时受到了社会各界的广泛关注。在废水脱氮技术的开发研究过程中，出现了很 多有效的处理工艺。废水脱氮技术主要分为物理化学处理法和生物处理法两大类。 物理化学处理方法主要包括空气吹托法、折点氯化法、磷酸铵镁沉淀法、选择性 离子交换法等，生物处理法主要为生物脱氮工艺。 生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化分别由硝化菌 和反硝化茵作用完成，由于硝化和反硝化对环境条件的要求不同，导致两个阶段 只能序列式进行【6 1 。传统理论认为：去除氨氮是通过硝化作用和反硝化作用两个 互相独立的过程实现的：硝化过程中需要大量的氧气，而反硝化过程中则需要一 定的碳源。 近年来国内专家发现了污水生物脱氮工程的实践中暴露出来的许多问题和现 象。例如垃圾渗滤液氨氮浓度很高，c n 值较低，而且高浓度的氨氮对生物处理 系统有一定的抑制作用，因此为了提高氮的去除率，人们常对常规的工艺流程进 行改造。最具代表性的就是a o 法等工艺，这些工艺在特定的废水脱氮除磷方面 起到了一定的改进作用，但仍然存在着许多难以解决的问题：例如：硝化细菌 的世代周期很长，以致硝化细菌群增殖速度缓慢，难以维持较高生物量浓度，因 此造成系统总水力停留时间拉长。有机负荷能力较低，增加了设备的基建投资 费用和运行费用。中和硝化反应中所产生的酸度，需要通过投加碱来中和，增 加处理氨氮废水的成本。氨氮完全硝化生成硝酸盐氮，需要消耗大量的溶解氧， 使设备运行的动力费用增加等1 7 j 。 因此，研究废水脱氮处理工艺中的新思路、新技术及合适的控制条件( 运往 费用合理) 能高效率的去除废水中含氮量，进而为控制水污染、保护水环境提供 科学依据的重要研究课题，也是废水深度处理研究中的核心问题之一【8 】。近年来 国内外学者对污水生物脱氮工程实践中存在的问题进行了大量理论和实验研究， 并提出了一些突破传统理论的新认识：硝化反应不是完全由自养菌完成，也存 在异养菌能进行硝化作用。反硝化反应不只在厌氧条件下进行，某些细菌在好 氧或缺氧条件下也可进行反硝化。有部分细菌( 例如t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 菌) ， 能把n h 4 + 氧化成n 0 2 。后直接进行反硝化反应【9 1 。随着这些新的具有突破性的研 究理论的诞生，研发出了同时厌氧氨氧化、好氧反硝化、短程硝化、硝化反硝化 等新技术【1 2 - 14 1 。 这些新型的处理工艺都具有需氧量低、能耗低、负荷高、对碳源碱度需求低 等优点，但同时对控制条件的要求也比较严格。当今，国内外许多学者都在对这 类新型工艺的启动、污泥驯化、污泥运行策略和控制参数进行系统的研究，这就 要求对整个新型的处理系统要建立比较精确的模型，从而使这类型新型工艺能较 准确的应用于实际的处理过程。 常温下亚硝化活性污泥的驯化及其特征研究 1 2 废水脱氮工艺概述 废水脱氮技术主要分为物理化学处理法和生物处理法两大类。物理化学处理 方法主要包括空气吹托法、折点氯化法、化学沉淀法、离子交换法等。生物处理 法即生物脱氮技术是目前应用较广泛的脱氮技术，主要包括硝化、反硝化、厌氧 氨氧化、短程硝化反硝化( s h a r o n ) 、短程硝化厌氧氨氧化( s h a r o n a n a m m o x ) 、 好氧脱氮工艺以及几种生物工艺的联合处理等。 1 2 1 物理化学方法除氮 1 空气吹脱法 废水的氨氮可以气态吹脱。废水中，n h 3 与n h 4 + 以如下的平衡状态共存： n h 3 + h 2 0 凸n h 4 + + o h 一 ( 1 1 ) 此平衡受p h 值影响，吹脱过程使废水p h 值提高到1 0 5 1 1 5 ，然后曝气， 这一过程在吹脱塔中进行，塔的构造如图1 2 所示 空气出口 横漉塔 集水池 对流塔 图1 2 氨气吹脱塔 收水器 配水系统 集水池 该过程受温度影响较大，随温度的降低，为达到同样的处理效果所需的空气 量迅速增加。由于用石灰调p h 值，在吹脱塔中会发生碳酸钙结垢现象，影响运 行。另外，n h 3 气的释放会造成空气污染。因此，对该工艺已有多种改进，例如 使吹脱塔的气体通过h 2 s 0 4 溶液以吸收n h 3 。 氨气吹脱法适合于高氨氮废水的预处理，脱氮率高、操作灵活、占地小。但 该工艺的缺点是n h 3 n 仅从溶解态转化为气态，并没有实现彻底去除而是转移。 脱氮率受温度的影响明显，当温度降低时，脱氮率急剧下降，因此该工艺不适合 在寒冷的冬季使用( 特别是我国的北方地区，不宜采用氨气吹脱法除氮) ；同时容 易受到吹脱装置大小、形状、长径比以及气液之间的接触效率影响；装置及管道 4 硕士学位论文 运行时间长久容易产生c a c 0 3 沉淀。该法需不断鼓气、加碱，出水仍需再加酸 调节p h 值，使其符合对出水p h 的要求。因此，处理费用比较高 1 5 l 。 2 折点氯化法 含氨氮废水加氯时，有下列反应： c l ，+ h ，o j 马h o c i + o h + + c 1 一 n h 。+ + h o c l j 骂n h ，c 1 + h + + h ，o n h 。+ + 2 h o c l j 马n h c i ，+ h + + 2 h ，o 、“7 n h 。+ + 3 h o c i 咝j n ，+ 5 h + + 3 c 1 一+ 3 h ，o 在折点加氯的净水工程中，称次氯酸为余氯，氯胺为化合余氯，均有杀菌作 用。图示1 3 含氨氮水的加氯曲线。图中余氯曲线出现a 、b 两个转折点。其中a 点前余氯基本上是氯胺，而b 点称折点，折点后的余氯基本上是自由氯( 游离氯) 。 加氯脱氮时应采用的加氯量应以折点相应的加氯量为准。 ， ， 毫 v 、 一 誓 曩投影( m g l 叫) 图1 3 典型加氯曲线 此法用于废水的深度处理，脱氮率高、反应迅速完全、设备投资少，并有消 毒作用。但液氯贮存要求和安全使用都很高，对p h 也有严格要求，产生的水需 加碱中和，因此处理成本高。另外副产物氯胺和氯代有机物会导致二次污染【l 6 】 3 化学沉淀法 通过向废水中投加化学药剂( 例如：化学絮凝剂) ，使之与废水中的某些溶解 性污染物质发生化学反应，形成难溶盐而沉淀去除，从而降低水中溶解性污染物 浓度的方法【l 。7 】称为化学沉淀法。整个化学沉淀过程的p h 值的适宜范围为9 1 1 。 化学沉淀法具有有效的去除氨氮、重金属以及某些大分子的有机物的功能， 由于其运行设备简单且容易实现所以常将此法与其它处理技术组合使用，不仅可 常温下亚硝化活性污泥的驯化及其特征研究 用于活性炭吸附、反渗透等深度处理的预处理，也适用于生化处理的预处理或深 度处理。絮凝剂常用a 1 2 ( s 0 4 ) 3 、f e c l 3 和阴阳非离子型聚合物。化学沉淀法对氨 氮有很高的去除率，去除率可达9 0 以上，但药剂投加费用比吹脱法高，设备产 生的污泥对环境可能会造成二次污染。但若使用此法脱氮处理废水时时，采用 p 0 4 3 类物质作为絮凝剂，污泥可作肥料使用，故有很大的灵活性，但药剂费用比 较高。已有研究用该法处理垃圾渗滤液( 氨氮浓度为1 5 0 0 m g l ) ，去除率达到 9 6 18 1 。 4 离子交换法 离子交换法是指在固体颗粒和液体的界面上发生的离子交换过程。离子交换 法采用无机离子交换剂( 例如：沸石) 作为交换树脂，沸石具不仅有对非离子氨 的吸附作用而且还有与离子氨的离子交换作用，它是一种硅质的阳离子交换剂， 不仅成本低，且对n h 4 + 有很强的选择性。沸石离子交换的最佳范围为：p h = 4 8 。 当p h 8 时，n h 4 + 变为n h 3 而失去离子的特性，无法进行离子交换【1 9 1 。 离子交换法的优点有：具有工艺简单、占地小、投资省、操作较为方便、温 度和毒物对脱氮率影响小等，适用于中低浓度的氨氮废水( 5 0 0 m g l ) ，而对于高 浓度的氨氮废水，会因树脂再生频繁而造成运行成本提高。离子交换法去除率高， 但其再生液为高浓度氨氮废水，不能直接排放仍需处理。常用的离子交换系统有 三种类型：固定床、移动床、混合床【l9 1 。 1 2 2 生物脱氮技术 生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为n 2 和n x o 气体的 过程，主要包括硝化和反硝化两个反应过程。 硝化反应( n i t r i f i c a t i o n ) 是在好氧条件下，将n h 4 转化为n 0 2 。和n 0 3 的过 程。此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成的。反硝化作用( d e n i t r i f i c a t i o n ) 是 在厌氧或缺氧情况下，将硝酸盐和亚硝酸盐转化为氮气的反应， 随着生物脱氮技术的发展，目前除了硝化、反硝化的传统生物脱氮技术，还 产生了许多新型生物脱氮技术包括厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n ， a n a m m o x 或a n a m m o x ) 、短程硝化反硝化( s h a r o n ) 、短程硝化厌氧氨氧化 ( s h a r o n a n a m m o x ) 、好氧脱氮工艺( a e r o b i cd e a m m o n i f i c a t i o n ) 以及几种生物工 艺的联合处理等。 1 3 废水生物脱氮工艺概述 1 3 1 硝化作用 硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) ：硝化菌将氨化物和氨转化为硝酸根( n 0 3 ) 或亚硝酸 6 硕士学位论文 根( n 0 2 ) 离子的过程，也称生物硝化作用。其中，由自养型微生物引发的硝化作 用称为自养型硝化作用( a u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) ；由异养型微生物引发的硝化作 用，称为异养型硝化作用( h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) 。经过硝化作用后，氨转化 成亚硝酸盐和硝酸盐，迁移性增大，易被植物吸收，也易随水流失。一般将硝化 作用分为两个阶段：第一阶段为氨氧化菌( a o b ) 把氨氧化成亚硝酸盐，在伯 杰氏系统细菌学手册中氨氧化菌( a o b ) 主要被划分为3 个属，即n i t r o s o m o n a s 、 n i t r o s o c o c c u s 和n i t r o s o s p i r a 2 0 】，第二阶段是亚硝酸盐氧化菌( n o b ) 把亚硝酸 盐进一步氧化成硝酸盐，在伯杰氏系统细菌学手册中亚硝酸盐氧化菌( n o b ) 被划分为4 个属，即n i t r o b a c t e r 、n i t r o c o c c u s 、n i t r o s p i n a 和n i t r o s p i r a l 2 0 1 。氨氧 化菌( a o b ) 和亚硝酸盐氧化菌( n o b ) 统称为硝化细菌，各属硝化细菌的主要 形态特征如表1 2 所示【2 1 】。 表1 2 各属硝化细菌的主要形态特征 细胞内膜的排利用有机 特征细胞形态细胞大小岬鞭毛 列方式质的能力 n i t r o s o s p i r a 紧密螺旋状 ( 3 - - 0 8 ) 周生无内膜无 亚 ( 1 o 8 0 ) 硝球形至椭 ( 1 5 1 8 ) 呈泡囊分布于 酸 n i t r o s o c o c c u s 丛生或单生四周或堆积于无 球形( 1 7 - - 2 5 ) 菌 中央 n i t r o s o m o n a s 杆状或椭 ( o 7 1 5 ) 极生或偏呈扁平泡囊， 无 球状 ( 1 o 2 4 ) 极生分布于四周 ( 3 o 4 ) n i t r o c o c c u s细杆状无无无 ( 1 7 - 6 6 ) 呈微管状， 硝 n i 即o c o c c u s 球状 1 5 极生 无 随机分布 酸 ( 0 3 0 4 ) 菌 n i t r o s p i n a 疏松螺旋状无无可混养生长 ( 0 8 1 o ) 梨状或多 ( 0 5 0 8 ) 呈扁平泡囊， n i t r o b a c t e r 极生或侧生可异养生长 形态杆状( 1 o 2 0 )分布于细胞一侧 但从生化反应上看，它是涉及多种酶催化的代谢途径： n h 3 鱼塑喳堕一n h 2 0 h 兰堕墅马n o h 羔壁塑堕一n o ；墨堕型塑马n 0 ； 并伴随着复杂的物质和能量转化1 2 2 】。 硝化反应的具体反应过程如下： 第一阶段 生物氧化： n h ：+ 1 5 0 2 + 2 h c o ；坞n o ；+ 2 h 2 c 0 3 + ( 2 4 0 3 5 0 k j m 0 1 ) ( 1 3 ) 生化合成： 7 常温下亚硝化活性污泥的驯化及其特征研究 1 3 n h ：+ 2 3 h c o ；j 堕塑1 0 n o ；+ 8 h 2 c 0 3 + 3 c 5 h 7 n 0 2 + 1 9 h 2 0 ( 1 4 ) 则第一阶段总反应式( 包括氧化和合成) 为： 5 5 n h ：+ 7 6 0 2 + 1 0 9 h c o ；c5 h7 n o2 + 5 4 n o ；+ 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h2 c 0 2 ( 1 5 ) 第二阶段 生化氧化： n o i + 0 5 0 ，j 塑马n o ；+ ( 6 5 9 0 k j m 0 1 ) ( 1 6 ) 生化合成： n h ：+ 1 0 n o + 4 h 2 c 0 3 + h c o ；幽b 1 0 n o ；+ 3 h 2 0 + c 5 h 7 n 0 2 ( 1 7 ) 则第二阶段总反应式为： 4 0 0 n o3 。+ n h ：+ 4 h 2 c o3 + 1 9 5 02 c5 h7 n o2 + 3 h2 0 + 4 0 0 n o ( 1 8 ) 硝化反应在第一阶段放出较多的能量，这些能量能够提供亚硝酸菌将n h ：转 化为n o ：所需能量，第二阶段放出较少的能量，将n h ：到n o ；反应历程如表1 3 所示【2 3 】。 表1 3 硝化过程中氦素转化 氮的价态氮的化合态 一i氨离子n h ： 氮 、l 的 i羟胺 n h 2 0 h 氧 化 l + i硝酰基n o h 还 原 j ， + 亚硝酸根n o j 态 i + v 硝酸根 n o ； 硝化过程总反应式为： n h i + 1 8 3 0 2 + 1 9 8 h c o ；o 0 2 1 c 5 h 7 n 0 2 + 1 0 4 1 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 + 0 9 8 n o ； ( 1 9 ) 硝化细菌的生长都需要一定的能源、无机盐以及微量元素等，同时也需要一 定的外部环境条件，根据s h e l f o r d 耐受性定律，每种细菌都有各自有适合其生长 的外部环境条件，任何一个外部环境条件超出该细菌的耐受能力，就会影响这种 细菌的生存和繁殖【2 4 1 。硝化细菌的生长环境条件主要有以下几项： 1 溶解氧 硝化作用必须在好氧的条件下进行，硝化细菌对溶解氧d o 非常敏感，溶解 硕士学位论文 氧d o 的浓度会影响硝化细菌活性，但是硝化细菌所需的溶解氧d o 并不是越大 越好，过高的溶解氧同样也会抑制硝化细菌的生长。 2 p h 值 p h 是影响细菌生长的重要条件之一，在硝化作用过程中，n h 3 和h n 0 2 分别 是氨氧化菌( a o b ) 和亚硝酸盐氧化菌( n o b ) 的真正基质，而n h 3 和h n 0 2 浓 度在很大程度上受到p h 的影响。每种细菌都有适合其生长特定的p h 值，通常， 硝化细菌生长的p h 值范围为5 8 8 5 ， 最适合的p h 值为7 5 8 0 。 3 温度 温度是细菌生长的一项重要条件，每种细菌都有适合其生长和繁殖的特定温 度范围，当温度低于一定的值( 生长下限温度) 时，细胞膜变成凝胶状态，营养 物质的运输途径会受到阻碍，以致细胞得不到其必需的营养物质而停止生长，甚 至死亡。当温度高于一定值( 生长上限温度) 时，细胞内的蛋白质、核酸等敏感 成分会出现变性的现象，导致细胞失去活性。氨氧化菌( a o b ) 和亚硝酸盐氧化 菌( n o b ) 都属于中温细菌，大多数菌株的生长温度范围为5 一- 3 5 c ，最适温度 为2 5 一- , 3 5 c ，很少数的硝化细菌可耐受5 c 以下的温度【2 5 1 ，由于硝酸细菌没有芽 孢，不具抗热和抗寒型，所以至今仍未发现严格嗜热或嗜寒的硝酸细菌的菌种。 4 光照 氨氧化菌( a o b ) 对光的要求，特别是近紫外线的光照比较敏感，紫外光强 有时甚至可以决定表层水体中氨氧化菌( a o b ) 的分布和氨氧化作用的水平【2 6 1 ， 而且部分亚硝酸盐氧化菌( n o b ) 对光照的敏感程度甚至高于氨氧化菌( a o b ) 的敏感程度【2 7 1 。 此外，一些重金属和无机物都对硝化细菌具有一定的抑制作用。 1 3 2 反硝化作用 反硝化作用( d e n i t r i f i c a t i o n ) ：利用反硝化细菌的作用，将废水中的硝酸盐、 亚硝酸盐以及其他氮氧化物还原为氮气的过程。在自然界，反硝化作用是氮素重 新返回大气的主要途径【2 2 1 。反硝化细菌在伯杰氏系统细菌学手册分类学上没 有专门的类群，而是被分散于原核生物的众多属中，然而包含反硝化细菌的属多 数分布于细菌界，少数分布于古生菌界。如表1 4 t 2 8 】所示，为含有反硝化细菌的 属的列表。 反硝化作用包含异化作用和同化作用，其中异化作用是将n o ；和n o ：还原为 n o 、n 2 0 、n 2 等气体物质，而同化作用是反硝化细菌将n o ；和n o ；还原为n h a + - n ， 供新细胞合成使用的过程，如表1 5 所示【2 3 1 ，为反硝化作用氮素转化历程。 反硝化作用反应式为： 6 n o ；+ 5 c h 3 0 h _ 5 c 0 2 + 3 n 2 个+ 7 h 2 0 + 6 0 h 一 ( 1 1 0 ) 9 常温下亚硝化活性污泥的驯化及其特征研究 表1 4 包含反硝化细菌的属 古生菌界 h a l o a r c u l a 、h a l o b a c t e r i u m 、h a l o f e r a x 、f e r r o g i o b u s 、p y r o b a c u l u m 革兰氏阳性细菌：k i n e o s p o r i a 、p i l i m e l i a 、s t r e p t o m y c e s 、 d e r m a t o p h i l u s im i c r o t e t r a s p o r e ，b a c i h u s ，c o r y n e b a c t e r i u m ， p r a n k i a 、d a c t y l o s p o r a n g i u m 、g e m e l l a 、j o n e s i a 、 非p r o t e o b a e t e r m i c r o m o n o s p o r a 、n o c a r d i a 、p r o p i o n i b a c t e r i u m 、 s a c c h a r o m o n o s p o r a 、s a c c h a r t h r 扛、s p i r r i l o s p o r e 、 门细菌 s t r e p t o s p o r e a n g i u m 革兰氏阴性细菌：a q u i f e x 、f l e x i b a c t e r 、e m p e d o b a c t e r 、 f l a v o b a c t e r i u m 、s p h i n g o b a c t e r i u m 、s y m e c h o c y s t i s s p p c c c 6 8 0 3 a - p r o t e o b a c t e r 纲：a q u a s p i r i l l u m 、a g r o b a c t e r i u m 、 a z o s p i r i l l u m 、b r a d y r h i z o b i u m 、b l a s t o b a c t e r 、g l u c o n o b a c t e r 、 h y p h o m i c r o b i u m 、m a g n e t o s p i r i l l u m 、n i t r o b a c t e r 、 p s e u d o m o n a s 、尸a r a c o c c u s 、r h o d o p l a n e s 、r h o d o b a c t e r 、 细菌界 r h i z o b