（环境工程专业论文）新型生物脱氮工艺的研究.pdf

摘要 根据厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 反应开发的厌氧氨氧化工艺是一种新型生物脱氮工 艺。本课题研究了该工艺的硝酸盐供给、接种污泥来源及反应器启动等问题，得到如下 结果： ( 1 ) 颗粒污泥床硝化反应器具有很好的生物硝化性能，能承受高进水n h 4 + 一n 浓度 ( 7 8 4 9 m m o l l ) ，具有高容积转化效率( 1 6 3 1 8 m m o l l d ) ，运行性能稳定( n h a + - n 去 除率保持在9 4 4 2 以上) ，可用作高效生物硝化反应器，与a n a m m o x 反应器组成新型 生物脱氮系统。 ， ( 2 ) 在颗粒污泥床硝化反应器的运行过程中，可发生硝化污泥的颗粒化作用。颗粒 l 污泥开始出现的时间约为4 5 d ，粒径平均值为o 8 3l n l i l ，沉降速度大于5 5 5 3 m h ，氨氧 化活性为0 9 5 m m o l ( n h 4 + - n ) g ( v s ) d 。颗粒污泥良好的沉降性能和较强的氨氧化活性， 为颗粒污泥床硝化反应器的高效运行提供了保证 ( 3 ) 将硝化污泥接种于生物膜a n a m m o x 反应器，在h r t 为1 d 的条件下，厌氧 运行4 0 d ，进水n 地+ n 浓度从5 0 7 r n m o l l 升高至1 9 4 5 m m o l l ，去除率稳定在8 9 以 上；进水n 0 2 - n 浓度从5 7 0 m m o l l 提高到2 0 8 2 n u n o l l ，去除率稳定在9 5 以上。 ， 一 f 将硝化颗粒污泥接种于颗粒污泥床a n a m m o x 反应器，在h r t 为l d 的条件下， 厌氧运行一个多月。进水n h 4 + _ n 浓度从4 9 5 m m o l l 升至3 3 0 9 m m o l l ，相应去除率为 9 8 3 7 和7 2 0 2 ：进水n 0 2 - n 浓度从5 3 5 m m o l l 升至3 6 1 l m m o l l ，相应的去除率为 10 0 和8 2 4 4 。 7 试验证明，利用高活性硝化污泥启动a n a m m o x 遐应器是可行的。， 、 ， ( 4 ) a n a m m o x 反应器具有很高的运行效能及稳定性，生物膜a n a m m o x 反应器 最高容积氨去除率为6 4 1 3 m m o l l d ，容积亚硝氮去除率为8 3 2 7 m m o l l d ，容积总氮 去除率为1 4 9 5 5 m m o l l d 。稳定运行期，平均容积氨负荷率、容积亚硝氮负荷率、容积 总氮负荷率分别为4 5 9 6 、4 3 0 l 、8 5 7 2 m m o l l d ，平均容积氨去除率、容积亚硝氮去除 率、容积总氮去除率分别4 3 0 8 、4 1 1 5 、8 4 3 7 m m o l l d ，n h + n 平均去除率为9 6 8 9 ， n 0 2 - n 平均去除率为9 9 6 7 。 颗粒污泥床a n a m m o x 反应器最大容积氨去除率为6 8 8 6 m m o l l d ，容积亚硝氮 去除率可达8 2 3 6 m m o l l d ，容积总氮去除率为1 5 1 2 2 m m o l l d 。高负荷稳定运行期， 平均容积氨负荷率、容积亚硝氮负荷率、容积总氮负荷率分别为4 9 2 5 、5 1 1 3 、 1 0 0 3 8 m m o l l d ，平均容积氨去除率、容积亚硝氮去除率、容积总氮去除率分别为4 7 8 2 、 5 1 1 3 、9 8 9 5 m m 。l l d ，n i - h + n 平均去除率为9 7 1 7 ，n 0 2 n 去除率均达1 0 0 _ 厂一 ( 5 ) 利用填料持留污泥或通过培育厌氧氨氧化颗粒污泥，都能有效地减少污泥流 失，但后者的效果不如前者的好。 ， 关键词：厌氧氨氧化，攫塑垂参应器，基质多样性，代谢多样性，芯勃 颗粒污泥 a b s t r a c t i no r d e rt o d e v e l o pt h e 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 ) p r o c e s s ，w h i c hi san o v e l b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s ，t h er e s e a r c hw a s c a r r i e do u tt os t u d yt h en i t r a t e ( o rn i t r i t e ) - s u p p l i e ro f t h i sb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a ls y s t e m ；t oe v a l u a t et h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gn i t r i f y i n ga c t i v a t e ds l u d g ea s t h ea n a m m o xb i o r e a c t o r si n o c u l u m ；t oi n v e s t i g a t eh o wt os t a r t u pt h ea n a m m o x b i o r e a c t o rt h e r e s u l t ss h o w e da sf o b o w s ： ( 1 ) t h ep e r f o r m a n c eo fg r a n u l a rs l u d g eb e dn i t r i f y i n gb i o r e a c t o r ( g s b n b ) w a sg o o dw i t hs t r o n g t o l e r a n c et oi n f l u e n ta m m o n i a c o n c e n t r a t i o n ( 7 84 9 m m o l i l ) ，h i g h v o l u m e c o n v e r t i n g r a t e ( 16 3 18 m m o l l d ) a n do b v i o u sw o r k i n gs t a b i l i t y ( a m m o n i ar e m o v a l 9 4 4 2 ) t h eg s b n bc o u l db eu s e d a st h en i t r a t e ( o rn i t r i t e ) - s u p p l i e ro f t h en e w b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a ls y s t e m ( 2 ) d u r i n go p e r a t i o no fg s b n b ，t h en i t r i f y i n ga c t i v a t e ds l u d g ew a sg r a n u l a t e d t h en i t r i f y i n g g r a n u l a ra c t i v a t e ds l u d g eb e g a nt oa p p e a ro nd a y4 5 i t s a v e r a g ed i a m e t e rw a s0 8 3m m s e t t l i n gv e l o c i t y w a s5 5 5 3 m ha n ds p e c i f i ca m m o n i ar e m o v a lr a t ew a s0 9 5m m o l f n h 4 - n ) g ( v s ) d g r a n u l e sw i t hw e l l s e t t l i n ga n dh i g ha m m o n i a o x i d a t i o na c t i v i t ya s s u r e dt h eg o o dp e r f o r m a n c eo f g s b n b ( 3 ) ab i o f i l ma n a m m o x r e a c t o rw a si n o c u l a t e da sn i t r i f y i n ga c t i v a t e ds l u d g e t h er e a c t o rw a s p e r f o r m e da th y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ( h r t ) 1d a yf o r4 0d a y s ，m e a n w h i l e ，t h ei n f l u e n ta m m o n i a c o n c e n t r a t i o nw a sf r o m5 0 7 m m o l lt o1 9 4 5 m m o l l ，a m m o n i ar e m o v a lr a t ew a sk e p ta t8 9 ：n i t r i t e c o n c e n t r a t i o nw a sf r o m5 7 0 m m o l lt o2 0 8 2m m o l l n i t r i t er e m o v a lr a t ew a sh e l da t9 5 a g r a n u l a rs l u d g eb e da n a m m o x r e a c t o rw a si n o c u l a t e dw i t hn i t r i f y i n gg r a n u l a ra c t i v a t e ds l u d g e t h er e a c t o rw a sp e r f o r m e da th r t1 d a yf o rm o r et h a no n em o n t h ，m e a n w h i l e ，t h ei n f i u e n ta m m o n i a c o n c e n t r a t i o nw a sf r o m4 9 5 m m o l ，lt o3 3 0 9 r e t o o l ，l a m m o n i ar e m o v a lr a t ew a s9 8 3 7 a n d7 2 0 2 r e s p e c t i v e l y ；n i t r i t ec o n c e n t r a t i o nw a sf r o m5 3 5 m m o l lt o3 6 1 1 m m o l l ，n i t r i t er e m o v a lr a t ew a s1 0 0 a n d8 2 4 4 ，r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h a ti ti sf e a s i b l et os l a r ta n a m m o xr e a c t o rw i t hn i t r i f y i n ga c t i v a t e d s l u d g e ( 4 ) t h ea n a m m o xr e a c t o rh a dg o o dp e r f o r m a n c ea n dh i g h s t a b i l i t y t h eh i g h e s la m m o n i a v o l u m e t r i cr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h eb i o f i l ma n a m m o x r e a c t o rw a s6 3 2 3 m m o l l d ，v o l u m e t r i cn i t r i t e r e m o v a l e f f i c i e n c y w a s 8 6 3 2 m m o l l d ，a n dt o t a lv o l u m e t r i c n i t r o g e n r e m o v a l e f f i c i e n c y w a s 1 4 9 5 5 m m o l l d d u r i n gs t e a d y s t a t ep h a s eo fh i g hv o l u m e t r i cl o a d ，a v e r a g ev o l u m e t r i cl o a d i n gr a t eo f a m m o n i a 、n i t r i t ea n dt o t a ln i t r o g e nw e t e4 5 9 6 、4 30 1 、8 5 7 2 m m o l l d r e s p e c t i v e l y a v e r a g ev o l u m e t r i c r e m o v a lr a t eo fa m m o n i a 、n i t r i t ea n dt o t a ln i t r o g e nw e r e4 30 8 、4 1 1 5 、8 43 7 m m o l f l d r e s p e c t i v e l y a v e r a g er e m o v a lr a t eo f a m m o n i a a n dn i t r i t ew e n9 6 ，8 9 a n d9 96 7 t h eh i g h e s tv o l u m e t r i ca m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c yo ft h eg r a n u l a rs l u d g eb e da n a m m o xr e a c t o r w a s 6 8 8 6 m m o l l d ，n i t r i t e v o l u m e t r i cr e m o v a l e f f i c i e n c y w a s8 2 3 6 m m o l l d ，a n dt o t a l n i t r o g e n v o l u m e t r i cr e m o v a le f f i c i e n c yw a s1 5 1 2 2 m m o l l d d u r i n gs t e a d y - s t a t ep h a s eo fh i g hv o l u m e t r i cl o a d a v e r a g ev o l u m e t r i cl o a d i n g r a t eo f a m m o n i a 、n i t r i t ea n dt o t a ln i t r o g e nw e n 4 9 ，2 5 ，5 1 1 5 ，9 8 9 5 m m o l l d ， r e s p e c t i v e l y a v e r a g ev o l u m e t r i cr e m o v a lr a t eo f a m m o n i a 、n i t r i t ea n dt o t a ln i t r o g e nw e r e4 7 8 2 51 i3 9 8 9 5 m m o l l d ，r e s p e c t i v e l ya v e r a g e r e m o v a lr a t eo f a m m o n i aa n dn i t r i t ew e f e9 7 17 a n d10 0 ( 5 ) t h ee f f e c to fr e t a i n i n gs l u d g ei nt h er e a c t o rw a sg o o db yu s i n gp a d d i n go rc u l t u r i n ga n a m m o x g r a n u l e s b u tt h ef o r m e rw a s m o r ee f f e c t i v e k e y w o r d s ：a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n ；g r a n u l a rs l u d g eb e dn i t r i f y i n gb i o r e a c t o r ；s u b s t r a t ev e r s a t i l i t y m e t a b o l i cv e r s a t i l i t y ；s t a r tu p ；g r a n u l a ra c t i v a t e ds l u d g e 第一章引言 随着工农业生产的快速发展和人民生活水平的大幅度提高，特别是随着各种“菜篮 子工程”的实施，我国有机污染物的排放量急剧增加。城门失火，殃及池鱼，大小水体 成了各种污染物的收容所。在“一控双达标”活动中，全国各地陆续上马了一大批废水 生物处理工程，有效地遏制了有机污染不断恶化的势头。但是，经过生物处理后，排放 水的氮磷含量较高，依然是一个不容忽视的环境污染源。在我国，氮磷污染所致的水体 富营养化十分严重，湖泊“水华”及近海“赤潮”时有发生，越演越烈。据国家海洋局 公报，9 7 年至9 9 年记录在案的大规模“赤潮”就有4 5 起，造成直接经济损失折合人 民币2 0 多亿元，间接损失更是无法估计。水体富营养化已危害农业、渔业、旅游业等 诸多行业，也对饮水卫生和食品安全构成了巨大的威胁。氮素污染已成为当前急待解决 的重大环保课题之一。 对于氮素污染的工程治理，文献报道的治理方法有折点氯化法、选择性离子交换法、 空气吹脱法、生物脱氮法等。折点氯化法是把氯气或次氯酸钠投入污水，将污水中氨氮 ( n h 4 + 一n ) 氧化成氮气( n 2 ) 的脱氮方法。选择性离子交换法是利用离子交换树脂( 如沸石) 对氨离子的选择性吸附而将其去除的方法。空气吹脱法是利用水中氨离子与游离氨之间 的平衡关系，通过调控p h 和通气量，使n h 3 挥发而去除的方法。目前，应用最广的氮 素污染治理方法是生物脱氮法。 1 1 硝化一反硝化工艺 硝化- 反硝化工艺包括n h 4 + - n 的硝化以及n 0 2 o n 和n 0 3 - n 的反硝化两个阶段。首 先，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 c o c c u s 、n i t r o s o s p i r a 、 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 h 4 + - n 氧化为n 0 2 - n ，再由硝酸细菌( 包括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 c o c c u s 、n i t r o s p i r a ) 将n 0 2 - n 氧化为n 0 3 讣f ：然后由反硝化细菌将 n 0 3 n 及n 0 2 - n 还原为n 2 。其中，亚硝酸细菌与硝酸细菌是化能自养菌，硝化反应 需在好氧条件下进行；反硝化细菌是化能异养菌，反硝化反应需在无氧条件下进行。由 于硝化细菌与反硝化细菌对营养与环境条件的要求存在巨大差异，通常将硝化与反硝化 分别放在两个反应器内进行，或放在一个反应器内，通过间歇曝气来完成。 硝化反硝化工艺存在以下缺陷： ( 1 ) 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，基建投资大； ( 2 ) 硝化过程产酸，反硝化过程产碱，均需酸碱中和，易造成二次污染： ( 3 ) 反硝化反应需要电子供体，外加有机碳源会增加运行费用。 1 2o l a n d 工艺 o l a n d 工艺( o x y g e n l i m i t e d a u t o t r o p h i cn 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 ) 是由比利时 g e n t 大学提出的新型生物脱氮工艺( k u a i ，1 9 9 8 ) 。该工艺通过调控溶解氧( d o ) 浓度，使 废水中部分n h 4 + n 氧化为n 0 2 - n ，再使残留的n i - h + n 与n 0 2 - n 反应形成n 2 。其 化学反应式如下： o 5 n h 4 + + 0 7 5 0 2 o 5 n 0 2 + o 5 h 2 0 + h + 0 5 n l - h + + 0 5n 0 2 一0 5 n 2 + h 2 0 n l - h + + 0 7 5 0 2 0 5 n 2 + 1 5 h 2 0 + h + 与硝化- 反硝化工艺相比，o l a n d 工艺无需电子供体，可节约充氧能耗6 5 。 1 3s h a r o n 工艺 s h a r o n 工艺( s i n g l e r e a c t o r f o r h i 曲a c t i v 姆a m m o n i u m o v e r n i t r i t e ) 是荷兰d e l f t 技术大学提出的新型生物脱氮工艺( j e u e n ，1 9 9 7 ；l o o s d r e c h t ，1 9 9 8 ) 。其基本原理是在较高 温度( 4 0 c ) 下，亚硝酸细菌的生长速率高于硝酸细菌，通过控制温度和停留时间，可 将硝酸细菌洗出，使亚硝酸细菌在反应器中占绝对优势，从而使大部分n h 4 + 一n 氧化成 n 0 2 - n 。然后进行反硝化脱氮。 与硝化反硝化工艺相比，s h a r o n 工艺具有以下优点： ( 1 ) 硝化与反硝化放在同一个反应器中进行，可以简化流程； ( 2 ) 硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和，减少化学试剂用量； ( 3 ) 可以缩短水力停留时间( h y d r a u l i er e t e m i o nt i m e ，h r t ) ，减少反应器体积和占地 面积，节约基建投资： ( 4 ) 可以节省反硝化所需碳源，以甲醇为例，n 0 2 n 反硝化比n 0 3 - n 反硝化可节 省碳源4 0 ： ( 5 ) 需氧量下降2 5 ，可减少动力消耗。 1 4 a n a m m o x 工艺 1 4 1a n a m m o x 的发现 早在1 9 7 7 年，b r o d a 便通过热力学计算，预言自然界存在着化能自养型的厌氧氨氧 化细菌( 表卜i ) ，但直到1 9 9 5 年，这个预言才得到实验证据的支持o e r e n ，1 9 9 9 ) 。m u l d e r ( 1 9 9 5 ) 在生物脱氮流化床反应器中发现，除了反硝化作用所致的各反应物的正常消失 以外，n h 4 + 一n 也出人意料的消失了，并伴有n 2 产生。进一步试验证实n h 4 + n 与n 0 3 - - n 同时消失，两者之比为1 ：0 6 ( m o l m 0 1 ) ，并产生o 8 m o l 的n 2 。这以n i - h + n 为电子 供体，以n 0 3 。- n 为电予受体的生物反应被称为厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i a o x i d a t i o n a n a m m o x ) 。 表卜1自养反硝化反应的自由能 反应方程式自由能( k j t o o ln h 4 * 或n 0 2 ) 2 n o ，。+ 5 h 2 + 2 h 一n 2 + 6 h 2 0 8 n 0 3 。+ 5 h s + 3 h + 一4 n 2 + 4 h z o + 5 s 0 4 厶 3 n 0 3 。+ 5 n h 4 - 4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 h + n 0 2 + n h 4 一n 2 + 2 h 2 0 2 0 2 + n h 4 一n 0 3 + h 2 0 + 2 h + 6 0 2 + 8 n h , + 一4 n 2 + 1 2 h 2 0 + 8 h + 5 6 0 - 4 6 5 2 9 7 3 5 8 - 3 4 9 3 1 5 1 4 2a n a m m 0 x 的研究状况 自从m u l d e r 等人发现厌氧氨氧化后，g r a f t 等人( 1 9 9 5 ) 便通过抑制性试验证明， a n a m m o x 反应是一个微生物学过程。除已证实的n 0 3 - n 外，常规生物反硝化反应 的中间产物n 0 2 。- n 、一氧化二氮f n 2 0 ) 、联氨( n 2 h 4 ) 也能用作厌氧氨氧化的电子受体 ( s e h a l k ，1 9 9 8 ；郑平，1 9 9 8 ) ；就n i - l i + - n 氧化速率而言，以n 0 2 。- n 作为电子受体较n 0 3 - n 、 n 2 0 、n 2 h 4 更适宜。 g r a f t 等人以反硝化流化床反应器中的污泥为接种污泥，以添加硫酸铵和亚硝酸盐 的无基盐培养基在另一流化床反应器中富集厌氧氨氧化细菌。通过约4 个月的连续培 养，n i l 4 + - n 容积负荷从最初的o 4 k g m 3 d 增至3 k g m 3 d ，厌氧氨氧化菌混培物的最大 比活性为2 5 n m o f m i n m g ( v s s ) ，微生物的比生长速率为o 0 0 1 h ( 即倍增时间为2 9 d ) 。 由于厌氧氨氧化细菌生长速率十分缓慢，s 订o u s 等人( 1 9 9 8 ) 选择s b r ( s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r , 序批式反应器) 取代流化床反应器富集厌氧氨氧化细菌，并对厌氧氨氧 化菌混培物的动力学特性了进行研究。测得细胞产率系数为0 0 6 6 m 0 1 ( 细胞) m o l ( n h 4 + ) ， 最大的氨氧化速率为4 5 n r n o l m i nr a g ( 蛋白质) ，最大比生长速率为0 0 0 2 7 h ( 即倍增时 间为1 1 d ) ，a n a m m o x 反应的最适宜温度为4 0 。c ，最适p h 为8 。试验发现，当n 0 2 ，n 浓度超过2 0 m m o l l 时，厌氧氨氧化菌混培物的活性受到抑制，如果高浓度n 0 2 - n ( 2 0 m m o l l ) 持续1 2 h 以上，厌氧氨氧化活性会完全丧失。 a n a m m o x 反应的途径可能有多种( 图1 1 ) 。其一是n h 4 + n 被氧化为羟氨 ( n h 2 0 h ) ，n h 2 0 h 和n 0 2 - n 生成n 2 0 的反应，n 2 0 进一步转化为n 2 。其二是n 地+ n 和n h 2 0 h 反应生成n 2 h 4 ，n 2 h 4 被转化成n 2 并生成4 个还原性【h ，还原性【h 被传递 到亚硝酸还原系统形成n h 2 0 h 。其三是n o z - n 被还原为一氧化氮( n o ) ，n o 被还原为 n 2 0 ，n 2 0 再被还原成n 2 或n h 4 + 氧化为n h 2 0 h ，n h 2 0 h 经n 2 h 4 转化为 n 2 ( s c h a l k ，1 9 9 8 ；s t r o u s ，1 9 9 9 ) 。 一一n 0 3 图1 - ia n a m m o x 反应可能的代谢途径 1 4 3a n a m m o x 工艺的研究现状 a n a m m o x 工艺与其它工艺结合，可设计出许多新型生物脱氮工艺。 1 4 3 1s i t a r o n - a n 川垤m o x 工艺 s t r o u s 等人( 1 9 9 9 ) 对利用a n a m m o x 工艺去除污泥消化出水中n l - h + - n 的可行性进 行研究。结果表明，厌氧氨氧化菌混培物能有效地去除消化液中的n i - h + n 与外加的 一 牮l 啪 n 0 2 - n 。a n a m m o x 流化床反应器的总氮容积负荷从初始的o 4 6 k g n 。m 3 d 升至 2 6 k g n t o t m 3 d ；氨的转化速率从原先的o 0 5k g g ( s s ) d 增至0 2 6k g g ( s s ) d ；n i d + - n 与n 0 2 - n 的去除率分别保持在8 8 和9 9 以上。在此基础上，j e t t e n 等人( 1 9 9 7 ) 将 s h a r o n 工艺( 详见前述) 与a n a m m o x 工艺串联，以s h a r o n 反应器出水作为 a n a m m o x 反应器的进水，对其去除n h 4 + n 与n 0 2 - n 的效能进行了深入研究。试验 中，s h a r o n 反应器总氮负荷为0 8 k gn 。t m 3 d ，总氮的转化率为5 3 ，其中n 0 2 - n 占3 9 ，n 0 3 一n 占1 4 ；a n a m m o x 反应器中n 0 2 - n 全部去除( 表1 2 ) ，容积总氮负 荷达0 7 5 k g n t o t m 3 d ，厌氧氨氧化比活性可达o 8k g n k g ( v s s ) d 。 表l - 2a n a m m o x 反应器的工作效能 ( 以s h a r o n 反应器的出水为进水1 参数 稳态操作 运行时间 进水n h 4 * - n 浓度 进水n 0 2 n 浓度 n h 4 + - n 容积转化率 n 0 2 - n 容积转化率 出水n 0 2 - n 浓度 总氮容积转化率 1 1 0 d 0 5 5 0 1 k g m 3 0 6 0 0 1 0 1 k g m 0 3 5 0 1k g m d o 3 6 + _ 0 0 1k g m d 0k g m 0 7 5 - - 0 2k g n t o l m 3 d s h a r o n a n a m m o x 工艺与硝化反硝化工艺的比较见表1 3 。 表卜3s h a r o n - a n a m m o x 工艺与硝化反硝化工艺的比较 1 4 3 2c a n o n 工艺 c a n o n ( c o m p l e t e l ya u t o t r o p h i cn i t r o g e n r e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 工艺是由荷兰 n i j i m e g e n 大学开发的又一种新型生物脱氮工艺( j e t t e n 2 0 0 1 ) 。其基本原理是利用同一反 应器中硝化细菌与厌氧氨氧化细菌的相互作用，进行硝化反应与a n a m m o x 反应。首 先由a ，e u t r o p h a 及相关细菌消耗反应器中的d o 进行硝化，使反应器中的d o 浓度( 小 于1 l a m ) 低于对厌氧氨氧化细菌的抑制浓度，然后由厌氧氨氧化细菌以n h 4 * - n 为电子 供体，对产生的n 0 2 。- n 进行还原，生成n 2 。其反应式如下： 2 5 n h 4 + + 2 1 0 2 一o 2 n 0 3 + 1 1 5 n 2 + 3 6 h 2 0 + 2 8 h + j e t t e n 等人( 2 0 0 1 ) 对c a n o n 工艺处理污泥消化出水的可行性进行了研究。这种 污水的p h ( 7 0 8 5 ) 、温度正好适于a n a m m o x 反应，组成成份也未对厌氧氨氧化细菌 的活性产生抑制。在2 l 的流化床反应器中，厌氧氨氧化活性很高，通过1 年的连续运 行，反应器的容积总氮负荷从0 2 k g n l o t m 3 d 增至2 6 k g n 。, m 3 d 。 与传统硝化反硝化工艺相比，该工艺可节省5 0 供氧量，使生物脱氮的运行费用 降低9 0 。 尽管a n a m m o x 工艺具有许多优点，应用前景广阔，进行工业化开发，还需解决 硝酸盐的供给问题、接种污泥的来源问题以及反应器的启动问题。 为此，在浙江省自然科学基金与教育部优秀青年教师基金的资助下，本课题开展了 如下几个方面的研究： ( 1 ) 颗粒污泥床硝化反应器的运行性能及其用作硝酸盐供给装置的可行性。 ( 2 ) 硝化污泥启动a n a m l v l o x 反应器的可行性。 ( 3 ) 颗粒污泥床a n a m v l o x 反应器的运行性能。 6 第二章颗粒污泥床硝化反应器的运行性能及其用作硝酸盐供给 装置的可行性 如前所述，a n a m m o x 工艺具有许多优点，值得工业化开发和应用。但是，由于 厌氧氨氧化是一个以氨为电子供体，以硝酸盐为电子受体的生物反应，用于处理含氨废 水，尚需解决硝酸盐的供给问题。气提式内循环生物反应器是9 0 年代初期开发的新型 生物反应器，已成功应用于有机污染物的控制( k u a i ，1 9 9 4 ) 。本研究拟借鉴开发上流式厌 氧污泥床反应器的经验，将气提式内循环生物反应器转变成颗粒污泥床硝化反应器，以 解决硝酸盐的供给问题。 2 1 材料与方法 2 1 1 模拟废水 以基本无机盐培养基加( n i - 1 4 ) 2 s 0 4 配制模拟含氨废水。 表2 - 1 无机盐培养基的组成 ( 1 ) 微量元素溶液i ( g ，l ) ：e d t a5 0 0 0 ，f e s 0 45 0 0 0 ； ( 2 ) 微量元素溶液i i ( g l ) ：e d t a1 5 0 0 0 ，h 3 8 0 4o 0 1 4 ，z n s o _ 7 h 2 0o 4 3 0 ，m n c l 2 4 h 2 00 9 9 0 ， c u s 0 4 5 h 2 00 2 5 0 ，n a m 0 0 4 2 h 2 00 2 2 0 ，n i c l 2 0 1 9 9 ，n a s e 0 4 1 0 h 2 0o 2 1 0 2 1 2 原始接种污泥 接种污泥是取自杭州四堡污水处理厂曝气池的好氧活性污泥。部份物理性状为：t s s ( t o t a ls u s p e n d e ds o l i d ) 3 9 s 7 p l ，v s s ( v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d ) 1 5 6 9 l tv s s t s s 3 9 1 2 ，p h6 9 4 。 2 1 3 试验装置 l r i - 1i - i 。 l i i i l f 一1 十- m 17 i d 6 f 心 1 进水贮池2 进水泵3 气泵4 曝气头5 出水贮池 6 反应器升流段7 反应器降流段8 反应器沉淀区9 溢流堰 图2 - 1 气提式颗粒污泥床硝化反应器系统及工艺流程 颗粒污泥床硝化反应器由有机玻璃制成，有效容积为9 2 l 。污泥接种量7 5 0 0 m l 。 氧气由气泵提供，通气量1 3 7 l m i n ，升流段的溶解氧浓度7 5 m g l 左右，降流段的溶 解氧浓度6 0 m g l 左右。模拟含氨废水由蠕动泵泵入反应器升流段底部，随液体和气体 逐渐上升，后经降流段循环至升流段，形成液体内循环。出水先经沉淀区分离污泥，尔 后排放，污泥靠重力回流至反应器。p h 以碳酸氢钠调控在7 7 5 。反应器置于3 0 的 恒温室中运行。 2 1 4 分析方法 1 ) 污泥沉降速度随机取5 0 1 0 0 粒颗粒污泥于o 5 m 高装满清水的沉降筒中，根 据距离和时间比测定沉降速度。 2 】污泥湿密度取一定量污泥于刻度离心管中，以5 0 0 r m i n 的离心速度离心 1 0 m i n 。弃上清液，根据污泥重量和体积计算污泥湿密度。 3 ) 颗粒污泥粒径随机抽取1 0 0 颗颗粒污泥，在n i k o n 显微镜下用测微尺测定颗 粒的长度与宽度，然后用s a u t e r 公式计算平均粒径。 d = ) 1 式中，d 为平均粒径( m m ) ，a 为颗粒长度，b 为颗粒宽度，n 为随机抽取颗粒粒数。 4 ) 污泥硝化活性试验在三角瓶中进行，设三个重复。每个三角瓶加入6 0 r a l 模 拟废水，2 0 m l 磷酸缓冲液和2 0 m l 污泥，在p h 7 5 和3 0 c 的条件下，作摇床振荡培养 ( 转速1 0 0 r r a i n ) 。设置氨的初始浓度1 2 m m o l l ，定期测定氨浓度，根据氨消失速率计 算氨氧化活性。 5 ) 颗粒污泥图片采用与计算机相联的德国l e i c a 研究显微镜( d m l b + q c o l i t e ， 德国) 拍摄。 6 ) 颗粒污泥微生物学性状( 电镜照片) 随机从反应器中取样，污泥用清水冲洗后， 立即用2 5 戊二醛( p h 7 o ) 磷酸缓冲液冲洗之后，再用5 0 1 0 0 系列酒精脱水，然后将 样品转入酒精醋酸异戊酯( 1 ：1 ) 溶液中过渡，最后放入1 0 0 醋酸异戊酯中，将样品装 入网篮，用h c p 一2 临界点干燥仪进行临界点干燥。干燥好的样品用i b 5 离子溅射仪进 行金属镀膜，样品制备完毕后，用扫描电镜仪( x l 3 0 一e s e m ，荷兰) 作扫描电镜观察。 7 ) n h 4 + n水杨酸次氯酸盐光度法 8 ) n 0 2 - nn ( 1 - 萘基) 乙二胺光度法 9 ) n 0 3 n紫外分光光度法测定 1 0 ) t s s 、v s s 重量法 1 1 ) p h 值p h s 9 v 型酸度计 1 2 ) d o y s im o d e l 5 8 溶解氧仪 2 2 结果与分析 2 2 1 硝化颗粒污泥的形成与基本性状 2 。2 1 1 硝化颗粒污泥的形成 颗粒污泥的形成大约历时6 个月，可区分为污泥驯化、絮体形成和颗粒污泥形成三 个阶段。接种污泥呈松散状态( 图2 - 2 a ) 。经过1 5 d 驯化培养，松散污泥逐渐凝聚，形 成絮体( 图2 - 2 b ) 。连续培养4 5 d 后，出现污泥颗粒( 图2 - 2 c ) 。此后，保持进水n l - h + - n 浓度不变，通过提高水力负荷( 缩短h r t ) ，筛选沉降性能好的活性污泥。反应器运行 1 8 0 d 后，形成活性高和沉降性好的颗粒污泥。 9 图2 2 硝化颗粒污泥的形成过程 2 2 1 2 颗粒污泥的理化性状 硝化颗粒污泥为咖啡色，呈圆形或椭圆形( 图2 2 c ) ，颗粒表面粗糙，内部可见较 多的丝状菌( 图2 - 2 d ) 。硝化颗粒污泥耐低温贮藏，将其放入无氧血清瓶，置于4 。c 冰 箱内保存6 个月，无颗粒裂解现象。 反应器运行3 0 、4 5 、6 0 、7 5 d ，取样测定颗粒污泥的粒径、沉降速度和湿密度，测 定值见表2 2 。颗粒污泥大小不一，粒径范围为o 3 5 2 4 1 m m 。随着运行时间的延长， 颗粒污泥逐渐增大，粒径大于1 o m m 的颗粒所占的比例逐步提高( 3 0 d ，占2 9 ；7 5 d ， 占8 1 ) 。颗粒污泥的粒径分布见表2 3 。 表2 2 颗粒污泥的部分物理性状 1 0 表2 - 3 不同时间污泥颗粒粒径分布表 颗粒污泥具有良好的沉降性能。反应器正常运行时，沉淀区的泥水界面清晰。沉降 速度的测定值高于文献报道的其它好氧颗粒污泥( d a n g c o n g ，1 9 9 7 ；m o r g e n r o t h ，1 9 9 7 ； b e u n ，2 0 0 2 ) 。 颗粒污泥具有很高的氨氧化活性。测定结果( 图2 3 ) 表明，在同样的试验条件下， 颗粒污泥完全氧化培养液中的n h 4 + - n ( 1 2 m m o l l ) 只需3 2 h ，接种污泥则需2 0 0 h ；颗 粒污泥的氨氧化速率为o 9 5 n a m o l f n h 4 * - n ) g ( v s ) d ，接种污泥仅为 o 1 4 r e t o o l ( n h 4 + - n ) g f v s ) d 。 乏 一 型 皇圭 o 一颗粒污泥 - - o - - 普通污泥 uz 44 87 z9 bl z u1 4 41 6 81 9 z2 1 6 时间( h ) 田2 3 颗粒污泥话性铡定曲线 2 2 1 3 颗粒污泥的微生物学性状 扫描电镜观察发现，颗粒污泥表面有许多火山口状的孔洞，它们是营养物进入污泥 颗粒内部和废物排出污泥颗粒的通道( 图2 4 、图2 5 ) 。从不同放大倍数的颗粒污泥局部 详图可观察到，许多圆形、短杆形的细菌以杂质为核心相互凝聚，形成大小