（环境工程专业论文）亚硝化—厌氧氨氧化处理高氨氮化肥废水研究.pdf

摘要摘要化肥废水是较难生物处理的高氨氮工业废水之一，目前以传统生物脱氮工艺( 硝化一反硝化工艺) 处理为主，成本较高。亚硝化一厌氧氨氧化( s h a r o n a n a m m o x )工艺是近年来开发的一种新型的生物脱氮工艺，与传统生物脱氮工艺相比，具有不需外加有机物作电子供体、供氧能耗低、外加中和药剂少等优势。本课题研究了亚硝化厌氧氨氧化工艺处理化肥废水的可行性及运行性能，从分子生物学角度对不同时期厌氧氨氧化反应器污泥样品进行种群结构分析，结果总结如下：( 1 ) 亚硝化反应器经过8 5 天运行，经历了启动培养期( 1d 2 2d ) 、提高负荷阶段( 2 3d 6 0 d ) 、稳定运行阶段( 6 1d 8 5 d ) - - 个阶段。反应器控制条件：h r t ：2d 、温度为3 0 j ：l 、d o ：0 5 1m g l 1 、p h ：7 3 7 8 。成功实现亚硝化反应器稳定运行。( 2 ) 亚硝化反应器参数优化实验，考察t p h 、溶解氧、碱度、水温对亚硝化反应器运行效果的影响。最终确定反应器运行条件为：p h ：8 0 左右，溶解氧控制在0 5m g l 11 5m g l ，碱度28 0 0m g - l 1 ( 以c a c 0 3 计) ，水温为2 5 。在此最优参数条件下运行，确定h r t 在1 2h 时，出水n h4 n 0 2 浓度比例达到1 ：1 ，能够匹配后续的厌氧氨氧化反应器所需水质条件。( 3 ) 利用硝化污泥及其利用好氧活性污泥和厌氧污泥接种均能成功启动厌氧氨氧化反应器。好氧污泥和厌氧污泥混合接种的方法去除率相对较高，更易于富集厌氧氨氧化细菌。相比普通厌氧反应器，采用厌氧生物膜反应器，能够有效减少微生物量的流失，使之有较高的处理效果。( 4 ) 利用好氧污泥和厌氧颗粒污泥混合接种方式启动厌氧氨氧化反应器，使亚硝化反应器与之匹配，反应器最终运行效果：氨氮，亚硝态氮进水浓度分别为1 8 0m g l l ，2 1 0m g l 一，平均去除率均达到了7 0 ，n h 4 + - n ，n o z - n ，t n 的最高容积负荷分别达到了：1 2 9 m g l - 1 d 1 、1 4 0m g l d 1 、2 6 6 7m g l i d ，最高容积去除负荷分别达n 8 7 6m g l 1 d 、1 0 5m g l l - d 、1 8 6 6m g l i d 一，且容积负荷与去除负荷之间呈良好地线性相关性。( 5 ) 厌氧氨氧化反应器生物膜性状与反应器最初启动时有了明显的变化，生物膜的颜色由最初的淡黄色逐渐演变成淡红色，这是典型的厌氧氨氧化生物膜特征。( 6 ) 对厌氧氨氧化反应器内不同时期的污泥微生物进行生物多样性分析，使用厌氧氨氧化特异性引物p l a 4 6 对反应器内的泥样进行p c r 扩增，具有厌氧氨氧化现象的污泥样品2 ，样品3 有明显的亮条带，其片段大小均在5 0 0b p 左右，普通污泥样品1没有条带。说明使用厌氧氨氧化特异性引物对反应器内的泥样进行p c r 扩增，其结果是否有亮条带可以作为判断反应器内是否具有厌氧氨氧化现象的一个依据。河北科技大学硕士学位论文( 7 ) 不同时期污泥样品的p c r 产物进行d g g e 电泳图谱分析，通过d g g e 图谱对比，发现随着厌氧氨氧化反应器负荷提高，反应器内污泥微生物生物多样性下降。关键词化肥废水；高氨氮；亚硝化；厌氧氨氧化；p c r ；d g g ei ia b s t r a c t- j _ j _ _ = 目_ _ _ 目- _ = _ 自l _ e i 目目t i 目l ；= # ，自目l i _ _ 目e = j # l 自# 目日目i t = = = = ；= 2a b s t r a c tf e r t i l i z e rw a s t e w a t e ri so n eo fh i g ha m m o n i a - c o n t a i n i n gi n d u s t r i a lw a s t e w a t e r sw h i c ha r ed i f f i c u l tt ob et r e a t e db yb i o l o g i cp r o c e s s e s t h ew a s t e w a t e rh a sb e e nm o s t l yt r e a t e db yt r a d i t i o n a lb i o l o g i c a lp r o c e s s e s ，a n dt h et r e a t m e n tc o s ti sv e r yh i g h s h a r o n a n a m m o x ( s i n g l er e a c t o rf o rh i 曲a 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 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 si san o v e lb i o l o g i c a lp r o c e s sf o rn i t r o g e nr e m o v a lt h a th a sb e e nd e v e l o p p e di nr e c e n ty e a r s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lb i o l o g i c a lp r o c e s s e sf o rn i t r o g e nr e m o v a l ，s h a r o n - a n a m m o xp r o c e s sd o e sn o tr e q u i r ea d d i t i o n a lo r g a n i ce l e c t r o nd o n o r ，n e e d sl e s se n e r g ys u p p l yf o ra e r a t i o n ，c o n s u m e sl e s sn e u t r a l i z e dc h e m i c a l s t h ef e a s i b i l i t ya n dp e r f o r m a n c et ot r e a tf e r t i l i z e rw a s t e w a t e rw i t hs h a r o n a n a m m o xp r o c e s si si n v e s t i g a t e da n du s em o l e c u l a rb i o t e c h n o l o g yt os t u d yo nt h ed i v e r s i t yo fm i c r o b i a lc o m m u n i t yi nd i f f e r e n tp e r i o ds l u d g e t h er e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) n i t r o s a t i o nr e a c t o rh a v er u n8 5d a y s ，e x p e r i e n c e dap e r i o do fs t a r t u pc u l t i v a t e ( 1d 2 2d ) ，i m p r o v el o a ds t a g e ( 2 3d 6 0 d ) ，t h es t a b i l i t yo ft h eo p e r a t i o n a lp h a s e ( 61d 8 5 d 、i nt h r e es t a g e s r e a c t o rc o n t r o lc o n d i t i o n s ：h r t ：2 d ，t ：3 0 - a ：l ，d o ：0 5 1m g l 一、p h ：7 3 7 8 n i t r o s a t i o nr e a c t o rs u c c e s s f u l l ya c h i e v e ds t a b l eo p e r a t i o n f 2 ) n i t r o s a t i o no p t i m i z ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to fp h ，d o ，a l k a l i n i t y ，w a t e rt e m p e r a t u r ei nr e a c t o rr u n n i n g f i n a l l yd e t e r m i n et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa sf o l l o w ：p h ：8 0 ，d o ：0 5 - 1 5 ，t ：2 5 c ，a l k a l i n i t y ：2 8 0 0 m g l ( a c c o u n tf o rc a c 0 3 ) u n d e rt h i so p t i m a lc o n d i t i o n so p e r a t i n g ，a c q u i r e dt h ef a c tt h a tf r o mt h eh r t ：12 hc o n d i t i o n , r e a c t o re f f l u e n tr a t i oo f1 ：1c o n c e n t r a t i o nn h 4 n 0 2 ，b ea b l et om a t c ht h ef o l l o w u po fa n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o nr e a c t o r ( 3 ) u s eo fn i t r i f i c a t i o ns l u d g eo rm i c t u r eo fa e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g ea n da n a e r o b i cs l u d g ew e r ea l s os u c c e s s f u ls t a r t - u pa n a m m o xr e a c t o r m i x i n ga e r o b i ca n da n a e r o b i cs l u d g er e l a t i v e l yg o th i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c ya n dm o r ee a s i l ye n r i c h e da n a m m o xb a c t e r i a c o m p a r e dt oo r d i n a r ya n a e r o b i cr e a c t o r ，u s i n ga n a e r o b i cb i o f i l mr e a c t o rc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h el o s so fm i c r o b i a lb i o m a s si no r d e rt oh a v eah i g h e rt r e a t m e n te f f e c t ( 4 ) u s eo fm i x i n ga e r o b i ca n da n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g es t a r ta n a m l t l o xr e a c t o r n i t r o s a t i o nr e a c t o rm a t c h e dt h ea n a m m o xr e a t o r t h ef i n a l l ye f f e c to fr e a c t o ro p e r a t i o nw a sa sf o l l o w ：a m m o n i aa n dn i t r a t es u b w a t e rc o n c e n t r a t i o n sw e r el8 0 m g la n d210m g l e a c ho ft h e i ra v e r a g er e m o v a lr a t ew a sr e a c h e d7 0 t h em a x i m a la m m o n i a ,i i i河北科技大学硕士学位论文正_ 罩曩昌昌= = = = 昌昌昌昌_ 昌| 置- - i i i ；i 目昌皇= 胄| 皇= _ - 一n i t r i t ea n dt o t a ln i t r o g e nv o l u m e t r i cl o a d i n gw e r e12 9m g u i d - l 14 0m g l 1 d - j 2 6 6 7m g l 1 d ，。r e s p e c t i v e l y ，t h em a x i m a lr e m o v a lv o l u m e t r i cl o a d i n go 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 e8 7 6m g l q d q , 1 0 5m g l 1 d - i 1 8 6 6m g l - 1 f i t a n dt h e r ew a sag o o dl i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ev o l u m e t r i cl o a d i n ga n dt h er e m o v a lv o l u m e t r i cl o a d i n g ( 5 ) c o m p a r e d 谢t ht h ep e r i o do fs t a r t - u p ，t h eb i o f i l mh a dag r e a tc h a n g i n gi nt h ea n a m m o xr e a c t o r t h eb i o f i l m sc o l o rf r o mt h eo r i g i n a ll i g h ty e l l o wg r a d u a l l ye v o l v e di n t op i n k t h i si sat y p i c a lc h a r a c t e r i s t i co fa n a m m o xb i o f i l m ( 6 ) s t u d yo nt h ed i v e r s i t yo fm i c r o b i a lc o m m u n i t yi nd i f f e r e n tp e r i o ds l u d g e p a r t i a l16 s r d n as e q u e n c eo fa n a m m o xb a c t e r i u mw a sa m p l i f i e db yp o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ( p c r ) w i t hap a i ro fs p e c i f i cpr i m e r sa sp l a 4 6 r e l a t i v es a m p l e s1 , t h es l u d g eo fs a m p l e2a n ds a m p l e3w h i c hh a da n a m m o xp h e n o m e n o nh a sac l e a rb r i g h tb a n d ，a n dt h ef r a g m e n ts i z ew a sa ta b o u t5 0 0b p t h i si n d i c a t e dt h a tw h e t h e rh a dl i g h ts t r i pw h e nu s eo fa n a m m o x - s p e c i f i cp r i m e ra m p l i f i e ds l u d g e16 s r d n ab yp c rc a l lb eu s e dt od e t e r m i n ew h e t h e rt h er e a c t o ro w n e da n a m m o xp h e n o m e n o n ( 7 ) t h r o u g ha n a l y s i s e ds l u d g es a m p l e sa td i f f e r e n ts t a g e so fp c rp r o d u c t s sd g g ee l e c t r o p h o r e s i sp a t t e r n s ，f o u n dt h a tw i t ht h ea n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o nr e a c t o rl o a di m p r o v e d ，s l u d g em i c r o b i a lb i o d i v e r s i t yi nr e a c t o rh a dd e c l i n e dk e yw o r d sf e r t i l i z e rw a s t e w a t e r ；h i 醢a m m o n i a ；n i t r o s a t i o n ；a n a m m o x ；p c r ；d g ( 狂!i v河北科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：为南电年月日指导教师签名：沙d 弓?矽玩年，月二2 一日河北科技大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。口保密，在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于d 不保密。( 请在以上方框内打“ )学位论文作者签名：葫恙f 力也年月日指导教师签名：加( ，年r 月阳第1 章绪论第1 章绪论1 1 课题研究背景我国迅速发展规模化化肥工业所带来的环境污染问题日渐严重。化肥废水典型水质特点为高氨氮低碳源，且产量很大。大量未经处理或未经适当处理的含有高氨氮的废水排放到环境中，在一定条件下可使水中溶解氧耗尽，影响鱼类和其它水生动植物的生存，同时也促进藻类繁殖，造成了越来越严重的水体富营养化等问题【l 】。目前国内对化肥废水的处理几种较为常用工艺均不同程度的存在问题。随着可持续发展理念的提出，对高能耗、动力消耗大的传统生物脱氮技术提出了挑战。开发应用新型高效，低能耗的生物脱氮工艺显得尤为重要。1 2 高氨氮废水处理技术现状根据脱氮过程基本原理不同，废水脱氮可分为物理法、化学法、和生物法。废水脱氮的物化法主要包括：折点加氯法、离子交换法、吹脱法、液膜法等；生物法是利用微生物的生化作用，将废水中的含氯物质逐步转化为一氧化二氮，氮气等，从而达到水体脱氮的目的。其中物理法和化学法因为处理效果不佳，能耗大，目前大水量的含氨氮的废水大多采用生物法处理。1 2 1 物化处理方法1 2 1 1 折点加氯法折点氯化法除氨的机理为氯气与氨反应生成无害的氮气。处理时所需的实际氯气量取决于温度、p h 及氨氮浓度。氧化每毫克氨氮有时需要9m g - - - 1 0m g 氯气。折点氯化法处理后的出水在排放前一般需用活性炭或s 0 2 进行反氯化，以除去水中残余的氯。氯加入含氨氮的水中后会产生如下反应：n h 3 + h o c l n h 2 c l + h 2 0n h 2 c l + h o c l n h c l 2 + h 2 0n h c l 2 + h o c l 一n c l 3 + h 2 01 1 2 1 2 离子交换法( 1 一1 )( 1 2 )( i 3 )离子交换是指在固体颗粒和液体之间的界面上发生的离子交换过程，一般指水溶液通过树脂时所发生的固液界面离子相互交换的过程。离子交换是可逆的，其推动力靠离子间的浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲合能力。在水处理中最常见的离子交换反应是水的软化，除盐及去除或回收废水中的重金属离子等，如水中的c a 2 + 、m 9 2 + 、f e “、m n 2 + 等离子，与交换剂上的n a 进行交换反应，反应式如下：l河北科技大学硕士学位论文2rna+mr2m+2na(1-4)离子交换法处理氨氮废水，具有离子选择性好、交换效率较高和易操作的优点，但关键在解吸( 树脂再生) 的技术上还有一定的难度并且交换处理阳离子后，阴离子用离子交换法处理也有一定的技术难度。选用几种不同型号的树脂用于试验，未发现一种效果特别显著的树脂，因此找到一种对氨氮废水交换选择性效果特佳的树脂是关键所在。l a h a v 和觚e n i l 】使用沸石作为离子交换材料，既作为把氨氮从废水中分离出来的分离器，又作为硝化细菌的载体。研究结果表明，该工艺具有较高的氨氮去除率和稳定性，能成功的去除原水和二级出水中的氨氮。1 2 1 3 吹脱法氨吹脱、汽提是一个传质过程，即在p h 高值时，使废水与空气密切接触从而降低废水中氨浓度的过程，推动力来自空气中氨的分压与废水中氨浓度相当的平衡分压之间的差。水中的氨氮多以n h 4 + 和n h 3 形式存在，两者存在以下平衡关系：n h 4 + + o h 一n h 3 + h 2 0( 1 5 )在2 5 。c 和p h 为7 的条件下，n h 3 所占的比例为0 6 ；温度不变，p h 升高到11 时，n h 3 所占的比例增大到9 8 2 。提升温度，n h 3 所占的比例也随之增高。吹脱除氮具有以下优点：工艺流程简单，处理效果比较稳定，基建费少。同时存在着一些缺点：容易生成水垢，影响吹脱效果：调节需要加入大量的碱，因此运行费用比较高；冬季低温氨吹脱效率不高；逸出的氨氮会污染大气。p h l i a o ( 1 9 9 5 ) 等人用吹脱法除猪场废水中的氮，研究表明，影响吹脱效果的因素主要是p h 值、温度和气液比，p h 值影响更为主要。在温度为2 2 、p h 值11 5 、气流速率9 0l m i n 以时，氮去除率达到9 0 3 。我国学者胡允良等使用吹脱法处理高浓度制药氨氮废水，试验研究表明，在最佳的工艺条件下，吹脱效率可达9 6 。姜淑霞等使用超重力法处理氨氮废水，探索了处理吹脱过程的最佳工艺条件，论证了超重力处理氨氮废水技术上的可行性。1 2 1 4 液膜法乳状液膜法【2 】去除氨氮的机理是：氨态氮( n h 3 - n ) 易溶于膜相( 油相) ，它从膜相外高浓度的外侧，通过膜相的扩散迁移，到达膜相内侧与内相界面，与膜内相中的酸发生解脱反应，生成的n h 4 + 不溶于油相而稳定在膜内相中，在膜内外两侧氨浓度差的推动下，氨分子不断通过膜表面吸附，渗透扩散迁移至膜相内侧解吸，从而达到分离去除氨氮的目的 3 1 。李可彬等研究了用乳液膜法去除废水中的氨氮，考察了各种因素对氨氮去除率的影响，选用的液膜体系可使氨氮质量分数为1 0 0 以上的废水，一级去除率达到9 7 以上，处理后的废水符合排放标准。1 2 - 2 传统生物脱氮技术1 2 2 1 基本原理2第1 章绪论废水中的有机氮首先被异养型微生物转化为氨氮，在好氧条件下进行硝化反应，通过化能自养型亚硝酸菌和硝酸菌的作用，将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，然后在缺氧的条件下进行反硝化反应，利用异养型兼性反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐转化为氮气从废水中排出1 4 】。1 2 2 2 传统生物脱氮工艺生物脱氮的工艺流程有三种基本类型：三相法、两相法和单相澍5 1 。1 ) 三相生物脱氮系统所谓三相生物脱氮系统是将b o d 的降解( 又称碳氧化) 、硝化和反硝化三类不同的生物反应在三个各自独立的反应器内依次完成的工艺。由于三相法存在流程长、运行费用高，原水中的b o d 和反硝化过程产生的碱度均未被利用，以及外加碳源的投加难以控制等缺点，所以三相生物脱氮系统很少有新建，主要用于现有二级处理系统的改造。2 1 两相生物脱氮系统两相生物脱氮系统是将b o d 的降解、硝化和反硝化三种生物反应器的前两种反应合在一个反应器中进行。根据脱氮反应器在整个工艺中的位置，两相生物脱氮分为前置脱氮和后置脱氮两种工艺。1 9 3 2 年，w u h r m a n n 利用内源反硝化建立了后置反硝化工艺( p o s t d e n i t r i f 删i o n ) ，1 9 6 2 年，l u d z a c k 和w t t i n g e r 提出了前置反硝化工艺( p r e d e n i t r i f y i n g ) ，1 9 7 3 年，b a m a r d 结合前两种工艺提出了o 工艺，后来又出现了各种改进工艺如b a r d e n p h o 、p h o r d e o x ( a 2 o ) 、u c t 、a a a - i - 艺等，这些都是典型的分容器分级硝化反硝化工艺。3 ) 单相生物脱氮系统所谓单相生物脱氮系统是b o d 的降解、硝化和反硝化在同一系统中完成的工艺。目前开发的有单级活性污泥法、交替式活性污泥法、序批式活性污泥法和氧化沟法等多种工艺，但实际中应用最为普遍的是单级活性污泥法。单级活性污泥法工艺的完善经历了十几年，自到1 9 7 3 年，南非国家水研究所b a m a r d 等人开发出被称之为b a r d e n p h o - v 艺后，才使单级活性污泥生物脱氮系统进入实用性阶段。1 2 3 生物脱氮新技术现今生物脱氮技术得研究有了很多新的突破。研究结果表明，不仅是自养菌，某些异样菌也可以进行硝化作用，能把氨氮转化成亚硝酸盐后直接进行反硝化反应。代表性得有短程硝化反硝化，好氧反氨化，厌氧氨氧化，限氧自养硝化反硝化，全程自养脱氮等【6 】。1 2 3 1 短程硝化反硝化生物脱氮短程硝化一反硝化生物脱氮作为一种新型的生物脱氮理论，具有较高的应用价值。它完全突破了长期以来一直都认为要实现废水生物脱氮就必须使氨氮经历典型3河北科技大学硕士学位论文的硝化一反硝化过程才能被去除的观念。短程硝化反硝化就是要控制氨氧化停留在亚硝化反应阶段，不经过硝化阶段，再直接进行反硝化的过程。所以短程硝化反硝化缩短了反应时间，提高了效率。能够减少硝化过程的需氧量、反硝化过程的有机碳投入量、降低运行过程能耗及费用的突出优点【7 】。北京工业大学的李军，彭锋等采用短程硝化反硝化工艺处理垃圾渗滤液，通过控制曝气池内溶解氧浓度平均在2 0m g l ，温度( 3 0 2 ) ，实现了稳定的亚硝氮积累和较高的氨氮去除率，亚硝化率和氨氮去除率分别维持在8 3 和8 5 左右【8 1 。王鹏等研究表明影响n 0 2 - n 积累的因素是温度、p h 值、溶解氧( d o ) 、自由羟基心h 2 0 h )以及水力负荷、污泥龄等【9 】。但目前对n 0 2 - n 积累的理论解释并不充分，有待于进一步研究。1 2 3 2 好氧反氨化由德国汉诺威大学h i p p e n 等人提出，主要适用于处理高浓度含氮废水。其特点是氨转化为氮气得过程不需要消耗化学计量式那么多得电子供体，其技术的关键是控制供氧。m u l l e 等报道过自养硝化污泥在非常低得氧压力下( 1k p a 或气相中约2 0 0 2 ) 可以产生氮气。当溶解压力在0 3k p a 时，氨的最大氧化率达5 8 。在整个反应过程中，不需要添加任何可生物降解的有机碳化合物【l o 】。b i n s w a n g e r 等人曾报道利用生物转盘反应器通过硝化反硝化工艺可去除高浓度n h 4 + 废水中的氨。结果表明：当表面负荷为2 5g m 3 d 。时，去除速率达9 0g m - 3 d 1 - - 2 5 0g m - 3 d 。在整个过程中，不需要添加任何可生物降解的有机碳化合物。反应机理可假定为：反应过程中生成的n 0 2 被n a d + 还原【1 1 1 。1 2 3 3 厌氧氨氧化厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ) 简称a n a m m o x 。早在19 7 7 年，b r o d a 根据反应自由能计算，预言自然界可能存在一种化能自养菌( c h e m o l i t h o t r o p h i c b a c t e r i a ) f l 邑够以硝酸盐二氧化碳和氧气为氧化剂将氨氮转化为氮茸【1 2 】oa n a m m o x 反应现象是于1 9 9 5 年，荷兰d e l f 大学的m u l d e r 和v a nd eg r a f t 等在一个中试规模的反硝化流化床中发现的。其原理就是在厌氧条件下( 确切的说是在缺氧的条件下，即无分子氧的条件下) 通过微生物的作用，以亚硝酸氮为电子受体，氨氮为电子供体，将亚硝酸氮和氨氮氮同时转化为n 2 的过程，其反应机理如图1 1所示。然而，厌氧氨氧化菌增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，倍增时间长达1 1d ，致使厌氧氨氧化反应器难以启动 1 3 】。从目前研究情况看，厌氧氨氧化细菌的培养主要有两类。1 ) 一类是利用富含a r a m m o x 细菌的种泥直接进行富集培养，s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hre a e t o r ) 等反应器都可实现培养目标。2 ) 另一类是利用普通好氧污泥与厌氧污泥进行混合培养，实现厌氧氨氧化细菌的富集。由于a n a m m o x 细菌4第1 章绪论是一类无机自养的厌氧细菌，因此最可能存在于厌氧的无机营养环境中。研究表明，人们可以利用各种不同的泥源和反应器来进行厌氧氨氧化的启动培养【1 4 】。s i - h +n h 2 0 hn i l 2 0 h图1 1a n a m m o x 的反应机理f i g 1 - 1 a n a m m o xp r o c e s sp r o p o s e dr e a c t i o nm e c h a n i s m胡宝兰等以上流厌氧污泥床( u a s b ) 作为厌氧氨氧化反应器，并与硝化反应器组合在一起构成新型生物脱氮系统，整个系统得总氮容积去除率可达1 5 7 7m g l q d - 1 1 1 5 j 。阮文权等采用好氧活性污泥和厌氧颗粒污泥混合接种得方法，成功启动了实验室规模得厌氧氨氧化反应器，氨氮、亚硝态氮和总氮得去除率保持在9 0 、9 9 、9 5 p a 上【l6 1 。张少辉，郑平采用先培养自养型反硝化生物膜，再启动厌氧氨氧化反应器的方法，在1 1 0 d 内成功启动厌氧氨氧化反应器。反应器的容积总氮负荷为o 1 4 5k g m 3 d - 1 ，n h 4 + n 和n 0 2 n 去除率分别为9 8 5 9 和9 9 0 8 1 1 7 j 。清华大学的沈平、左剑锷等则用某处理啤酒废水u a s b 反应器中颗粒污泥与某处理生活污水的c a s s 池中的活性污泥混泥，采用小试的u a s b 系统，经过3 2 0 d 的运行实现了厌氧氨氧化过程。进水氨氮负荷达到1 2 5k g m - 3 d ，污泥性状发生了较明显变化，扫描电镜观察发现污泥中的细菌主要是椭球菌、丝状菌和一些短杆菌【1 8 】。1 2 4 生物脱氮新工艺1 2 4 1 亚硝化一厌氧氨氧化工艺随着对亚硝化技术与厌氧氨氧化工艺的不断深入研究，亚硝化控制技术与厌氧氨氧化生物脱氮工艺理论已逐步成熟【l9 1 。国内外许多学者提出把亚硝化过程与厌氧氨氧化过程结合起来，通过控制底物浓度、溶解氧( d o ) ，p h 值、温度、水力停留时间( h r t ) 及污泥停留时间( s r t ) 等参数，可以经亚硝化一厌氧氨氧化工艺实现高效生物脱氮【2 u j 。此联合工艺是迄今为止最简捷得生物脱氮工艺，将硝化过程控制在亚硝化阶段实现短程硝化厌氧氨氧化与传统的硝化反硝化技术相比，厌氧氨氧化工艺具有许多优点【2 l 】，如：不需要外加有机物作为电子供体；由于氧得到有效利用，供氧能耗下河北科技大学硕士学位论文降；产碱量为零，减少中和所需的化学试剂，降低运行费用，同时还能减轻二次污染圈。对中等或较低浓度得氨氮废水脱氮处理具有极大实际应用价值。荷兰d o k h a v e n 污水厂采用的s h a r o n a n a m m o x 生物脱氮工艺就是一个成功的、具有代表性的亚硝化一厌氧氨氧化生物脱氮工艺典范。目前，荷兰的d o k h a v e n污水处理厂用其处理废水，规模为6 0 0 m 3 d - 1 ，还有2 个用此工艺实现高效脱氮的污水厂也正在筹建当中。实际运行结果初步证实，s h a r o n a n a m m o x 无论从脱氮效果上、还是从经济效益上考虑都具有较高的应用价值和开发潜力，这为我们日后废水实现高效、低耗生物脱氮指明了研究方向【2 3 1 。2 4 2o l a n d 工艺限氧自养硝化反硝化工艺( o x y g e nl m i t e da t o t r o p 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 )简称o l a n d 工艺是由比利时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，使废水中一部分n h 4 + - n 氧化为n 0 2 。- n ，再使残留的n h 4 + - n - 与n 0 2 - n 反应形成n 2 【川。l a a n b m e 的研究进一步表明，低溶解氧下，亚硝酸氮大量积累是由于亚硝化细菌对d o 的亲和力较硝化细菌强。亚硝化细菌氧饱和常数一般为o 2m g l 以 o 4m g l ，硝化细菌的为1 2m g l - i1 5m g l 。o l a n d 工艺就是利用这两类菌动力学特性的差异，实现了淘汰硝化细菌，使亚硝酸大量积累。袁林江等在生物膜反应器中也发现低浓度d o 抑制了硝化现象，在溶解氧浓度为0 5m g l - il 0m g l - 1 下，当进水n h 4 + - n为2 5 0m g l 0 时，出水n h 4 + - n 低于5m g l 1 且硝化产物以亚硝酸为主，亚硝化率高达9 0 以上。1 2 4 3c a n o n 工艺全程自养脱氮工艺( 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 nr e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 简称c a n o n i 艺，由荷兰n i j i m e g e n 大学开发。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得相互作用，进行硝化反应与a n a m m o x 反应。首先e h y e u t r o p h a及相关细菌消耗反应器中得d o 进行硝化，使反应器中得d o 浓度低于对厌氧氨氧化细菌得抑制浓度( 小于1p m ) ，然后由厌氧氨氧化细菌以氨氮为电子供体，对产生得亚硝酸盐氮进行还原，生成氮气。c a n o n 工艺目前还处于研究阶段，没有真正应用到工程实践中c a n o n i 艺经亚硝酸型生物脱氮工艺处理，出水中可能含有较高的亚硝酸盐，运行时应严格控制【2 5 】。1 3 研究意义及内容1 3 1 研究的意义对于我国这样一个污染严重，资源短缺的国家，先进水处理工艺的衡量标准应该是适合我国国情，高效、低耗和低成本。各类效率高，投入低，可达到一定治理6第1 章绪论深度的城市污水处理新技术，对经济尚不够发达而污染函待治理的我国各地区，在一段时期内都具有重要意义。因此，当前我国迫切需要建立与我国现阶段国情相适应的经济实用的先进工艺技术的污水处理示范工程。基于我国经济的迅速发展并结合我国的国情出发，我们已经有能力也有必要开发新型的生物脱氮工艺，解决我国因经济高速发展，化肥大量使用，传统生物脱氮效率低而给环境造成严重危害的难题。经分析比较，厌氧氨氧化生物脱氮无论从经济上、运行上、还是从脱氮效果上考虑都表明具有较高的应用价值和可开发潜力，国外荷兰鹿特丹( d o k h a v e n ) 污水处理厂已经成功的应用s h a r o n a n a m m o x 工艺实现了高效生物脱氮。这为我们实现废水高效生物脱氮可行性研究奠定了坚实的理论基础，但这种新的脱氮方式在国内的研究比较少，虽然我国郑平等学者对a n a m m o x 有一定研究，并取得了重大成果。但总体来说，该项技术在我国的研究和应用尚属起步阶段。再者，如何使这项技术走出实验室成功地应用于实际污水处理领域，其中实现稳定亚硝化积累是关键所在。所以，本课题旨在研究一套工艺流程( 亚硝化一厌氧氨氧化) 来实现高氨氮化肥废水生物脱氮。1 3 2 研究内容试验采甩“亚硝化一厌氧氨氧化 工艺对化肥厂废水进行处理，主要研究内容如下：( 1 ) 亚硝化，厌氧氨氧化反应器的启动。( 2 ) 亚硝化反应器效能研究及参数优化。( 3 ) 厌氧氨氧化污泥培养驯化研究。( 4 ) 厌氧氨氧化污泥微生物种群分析初探。7河北科技大学硕士学位论文第2 章化肥生产废水亚硝化试验研究2 1概述化肥废水特点为水量大、氨氮浓度高、碳氮比低，适合采用厌氧氨氧化工艺生物脱氮。但是，由于厌氧氨氧化是一个以氨为电子供体，以亚硝酸氮为电子受体的生物反应，该反应除氨以外，还需亚硝酸氮为底物口6 1 。若单独加入亚硝酸盐，处理成本将成倍提高，所以单独的厌氧氨氧化途径并没有实际应用价值。目前如何获得大量成本低廉的亚硝酸氮成为阻碍实际应用厌氧氨氧化实现生物脱氮的最大难题【2 7 】o2 2 材料与方法2 2 1试验用水试验用水来自石家庄市某化肥厂废水，属于高氨氮低碳源的废水。其厂内出水中氨氮含量高，且水量较大，属于典型的难处理的工业废水。废水水质各项指标如表2 1 所示，调节后作为试验用水。表2 1 试验水质t a b 2 - 1t h et a b l eo fe x p e r i m e n t a lw a t e rq u a l i t y垩堡堕壁垒q 里里曼! ! ：墅堡墨：兰：! 垒型型巴堡：生：整q 2 型里曼：兰：型q 型里墨：! 12 坚原水2 0 0 - 2 5 01 5 0 1 6 03 0 0 4 0 01 3 1 58 7 9 48 7 9 22 2 2 接种污泥采用石家庄市桥西污水处理厂二沉池活性污泥，其部分理化性状为m l s s ：6 8 5 6 9 l ，s v ：3 4 ，混合后反应器内的m l s s 为3 9 l 。2 2 1 3实验装置实验装置如图2 1 所示。8第2 章化肥废水亚硝化实验研究化肥厂废水1s b r 反应器2 曝气头3 流量计4 曝气泵5 溶解氧测定仪6 储水槽7 恒温套图2 1亚硝化工艺流程图f i g 2 1t h eg r a p h i c so f n i t r i f i c a t i o np r o c e s s i n gc i r c u i t s亚硝化反应器用有机玻璃制成，采用s b r 运行模式。总有效容积5 l ，采用微孔曝气头鼓风曝气，由转子气体流量计计量控制曝气量。2 2 4 分析项目与测定方法分析项目及测定方法如表2 2 所示。表2 - 2 分析项目及测定方法t a b 2 2a n a l y s i so fp r o i e c t sa n dd e t e r m i n a t i o nm e t h o d分析项目测定方法n h 4 + o nn o f - nn 0 3 - nd op h污泥浓度碱度纳氏试剂光度法n - o 萘基) 乙二胺光度法紫外分光光度法溶氧仪酸度计标准重量法电位滴定法2 2 5 主要仪器及设备实验用仪器和设备如表2 3 所示。9河北科技大学硕士学位论文表2 - 3 实验用仪器和设备一览表t a b 2 - 3t y p ea n ds o u r c co fm a i na p p a r a t u s2 3 反应器启动运行实验共进行了8 5d ，经历了启动培养期( 1 2 2 运行日) 、提高负荷阶段( 2 3 “0 运行日) 、稳定运行阶段( 6 1 8 5 运行b ) - - - - - 个阶段。2 3 1 启动培养期2 3 1 1 启动方法反应器启动采用间歇进水运行方式，进水氨氮浓度为8 0m g l 。( n h 4 + n ) ，反应器容积负荷0 0 4k g r f f s d 1 ，对污泥进行驯化、培养，为了加快培养速度和尽快建立亚硝化反应，启动初期( 1 1 2 运行日) 溶解氧d o 控制在较高水平( 1 0m g l - 1 2 om g l 以) ，此后实时监测d o 值，通过调节曝气量使d o 在0 5m g l - i1m g l ，p h 控制在7 3 7 8 之间，水力停留时n ( h r t ) 为3 5d ，温度为3 0 士1 。2 3 1 2 运行结果与分析在亚硝化反应器启动培养期期间，n h 4 + - n 平均去除率为7 0 - 9 0 、n 0 2 - n 平均生成率为5 0 8 0 左右，而n 0 3 n 生成率小于1 0 ，实验结果如图2 2 图2 3 图2 4所示。l o第2 章化肥废水亚硝化实验研究01 01 52 02 5运行日d图2 2 启动阶段中氨氮处理效果f i g 2 2t h ee f f e c to f a m m o n i