（环境工程专业论文）亚硝化—厌氧氨氧化生物脱氮技术应用研究.pdf

北京工商大学硕士学位论文 摘要 废水生物脱氮技术是当前水污染防治领域急需的应用技术。以亚硝化、厌氧 氨氧化为基础的新型生物脱氮技术，因其较低的能耗和较少的工程投资等特点， 倍受国内外广泛关注，近十年来，在理论和实践上均取得了较大的发展。 本研究以实际应用为目标，选择性地考察了部分操作运行条件对亚硝化和厌 氧氨氧化单元反应效率的影响，并以北京高碑店厌氧硝化污泥压滤液为研究对 象，采用亚硝化一厌氧氨氧化串联生物脱氮工艺，开展了探索性试验研究。本实 验的主要研究内容及研究结果如下： 1 温度和p h 值对厌氧氨氧化反应效率的影响研究：迸水p h 值为7 0 8 0 条件下，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 瑚 q a m m o x ) 菌在3 0 3 5 c 时 活性最大，此时氨氮和总氮的降解速率也最大；在恒温2 4 条件下，p h 在 7 7 0 7 9 0 时，a n a m m o x 菌活性最大，反应速率也最大；p h 为7 7 0 - - 7 9 0 ，温 度为3 0 3 5 是a n a m m o x 最适的反应条件。 2 进水基质比例和反应器流态对厌氧氨氧化反应效率的影响研究：采用上 流式a n a m m o x 反应器，并设有回流装置，研究不同进水基质比例和流态时的 反应情况。实验结果表明：参与厌氧氨氧化反应的n i t , * - n 与n 0 2 - n 的比例与 进水n i - h + - n n o f n 密切相关，随进水基质比例的增大而增大；当进水 n h 4 + - n n 0 2 - n 为1 0 0 1 4 0 时，a n a m m o x 反应最完全，总氮的去除率最大， 达到8 0 以上；反应器流态对a n a m m o x 反应器也有一定的影响，当进水 n h 4 + - n n 0 2 。一n 小于1 时，不同回流比对实际反应的n h 4 + - n n 0 2 - n 基本无影响； 当进水n h 4 + - n n 0 2 - - n 大于l 时，不同回流比对实际反应比的影响随进水 n h 4 + - n n 0 2 - n 的增大更加显著；接近最佳进水n h 4 + - n n 0 2 曲f 时，完全混合状 态下的总氮去除率最大。 3 亚硝化泥增长与基质转化之问的关系测定：采用一套简易的亚硝化反应 器，测定亚硝化污泥增长速率与基质去除之间的关系影响。在平均温度为2 76 c ， d o 为0 2 0 3 m g l 时，亚硝化泥的细胞产率系数y - - - - 0 2 2 6g v s 儋，细胞衰减常 数b = 0 0 0 7d 一，比生长速率与比基质利用率的关系式为u = 0 2 2 6 u + 0 0 0 7 。 4 厌氧氨氧化反应器的运行考察：在温度恒定为3 0 * ( 2 ，进水p h 值平均为 8 ，1 8 条件下，反应器稳定运行期内，n i - 1 4 + - n 、n 0 2 - n 及t n 的平均去除率为9 4 9 亚硝化一厌氧氨氧化生物脱氮技术应用研究 、9 2 1 和8 1 6 ，n 0 3 - n 生成率为9 5 0 。反应器总氮进水负荷与去除负荷 分别为2 5k g m 3 d 和2 0k g m 3 d ，二者成线性相关。根据反应器稳定运行期平均 进水基质和产物浓度推算出本反应器内发生的a n a m m o x 反应的综合方程为： 1 4 4 n h 4 + + q 一+ 0 5 1 2 r c q + q 2 5 2 矿- - + 1 0 9 1 毗+ 0 1 s n q 一+ o 5 1 r _ g q s b + 2 7 4 h ：o 由此式计算出的参与反应的基质比例、n 0 3 甘i 生成率及碱度消耗量与实际测定 值接近，从而使该方程的准确性得以验证。 5 污泥压滤液生物脱氮探索性研究；采用长污泥龄亚硝化- - a n a m m o x 联 合工艺处理污泥压滤液废水，初步验证了该工艺的可行性与有效性。长污泥 龄亚硝化反应器可通过调节曝气量来控制反应器内的d o ，运行期间d o 可控制 在0 0 5 m g l 以下，反应可稳定在n 0 2 - - n 阶段。试验期间曝气量与n h 4 + n 转化 量之比基本恒定，即转化i m g n h 4 + - n 需曝气量0 6 l ，折合需氧量为1 8 0 1 0 。4 埏： 联合工艺中，二级厌氧氨氧化反应器的n h 4 + - n 、n o f - n 及t n 的平均去除容 积负荷分别能达到0 5 1k g n 1 3 d 、o 5 0k g m 3 - d 和0 9 2k g m 3 d 。反应器去除率最 高时，进水n h 4 + - n n 0 2 - n 为0 7 0 8 ：全流程的运行效果：在平均温度2 7 。c ， 进水p h 值为8 0 7 条件下，n h 4 + - n 、t n 和c o d 的去除率分别为8 6 9 、7 0 5 和4 0 2 3 ，最高n h 4 + - n 和t n 去除率分别为1 0 0 和9 0 2 ；总流程水力停 留时间为o 6 5 d ，总曝气量为o 1 6 n m 3 h 。 关键词：厌氧氨氧化、亚硝化、生物脱氮、污泥压滤液 i i 北京工商大学硕士学位论文 a b s t r a c t b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo fw a s t ew a t e r i sar u s h a d a p t i v e t e c h n o l o g y i nw a t e rp o l l u t i o np r e v e n t i o nr e g i o nc u r r e n t l y t h en o v e lb i o l o g i c a l d e n i t r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do nn i t r i f i c a t i o na n da 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 ) h a dc o m ei nf o re x t e n s i v ea t t e n t i o nh o m ea n da b r o a d f o r t h el a s tt e ny e a r s ，i th a sg o tl a r g e rd e v e l o p m e n ti nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i c e w i t hp r a c t i c a la p p l i c a t i o nf o ro b j e c t , t h i sa r t i c l eh a so p t i o n a l l yr e v i e w e dt h e i n f l u e n c eo nr e a c t i o ne f f i c i e n c yo f n i t r i f i c a t i o na n da n a m m o x b yp a r to f o p e r a t i n g c o n d i t i o n ，a n dt h e nc a r r i e dt h r o u g ht r i a lr e s e a r c ho ns l u d g ed e w a t e r i n ge f f l u e n to f b e i j i n gg a o b e i d i a ns e w a g ep l a n tb y1 1 s e o fn i t r i f i c a t i o n - a n a m m o xc o m b i n e d p r o c e s s t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c eo ne f f i c i e n c yo fa n a m m o x b yt e m p e r a t u r e a n dp h ：i nt h ec o n d i t i o no fp h7 0 8 0 ，w h e nt h et e m p e r a t u r ei s3 0 - 3 5 c ，t h e a c t i v i t yo f a n a m m o xm i c r o o r g a n i s mi sm a x i m a l ，a n ds oi st h er e m o v a lv e l o c i t yo f n h 4 + - na n dt n ；i nt h ec o n d i t i o no f 2 4 ，w h e np hi s7 7 0 7 8 0 ，b o t ht h ea c t i v i t yo f a n a m m o x m i c r o o r g a n i s ma n dt h er e m o v a lv e l o c i t yi sm a x i m a l ；t h a tt h ep h v a l u e a n dt e m p e r a t u r ei s r e s p e c t i v e l y7 7 0 - 7 9 0a n d3 0 - 3 5 i st h eo p t i m u mr e a c t i o n c o n d i t i o no f a n a m m o x 2 t h er e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c eo ne f f i c i e n c yo fa n a m m o x b yi n f l u e n t s u b s t r a t ep r o p o r t i o na n df l o we s t a t eo f r e a t o r ：b yu s eo f u p - f l o wa n a m m o xr e a c t o r 埘t hc i r c u m f l u e n c ee q u i p m e n t s t u d yo nd i f f e r e n ti n f l u e n ts u b s t r a t ep r o p o r t i o na n d f l o we s t a t eo fr e a t o r t h er e s u l t si n d i c a t e ：n h 4 + - n n 0 2 - np a r t i c i p a t e di nr e a c t i o n c l o s e l yr e l a t e st oi n f l u e n tn h 4 + - n n 0 2 - n ，a n da u g m e n t sa l o n gw i t ha g g r a n d i z e m e n t o fi n f l u e n t n h 4 + - n n 0 2 。- n ；w h e n i n f l u e n tn h 4 + - n n 0 2 。- ni s 1 o o 1 4 0 ， a n a m m o xr e a c t i o ni st h em o s t c o m p l e t e n e s s ，a n dt h et n r e m o v e lr a t ei sm a x i m a l ， a r r i v ea t8 0 u p w o r d s ；t h ef l o we s t a t eo fr e a t o ra l s oi n f l u e n c e so nt h ea n a m m o x r e a c t i o n ，w h e ni n f l u e n tn h 4 + - n n 0 2 - ni sl e s st h a n1 ，d i f f e r e n tc i r c u m f l u e n c er a t e d o e s n ta f f e c t n h 4 + - n n 0 2 - np a r t i c i p a t e d i n r e a c t i o n ； w h e ni n f l u e n t n h 4 + - n n 0 2 - ni s m o r et h a n 1 。a l o n g w i t h a g g r a n d i z e m e n t o fi n f l u e n t i 亚硝化一厌氧氨氧化生物脱氮技术应用研究 n h 4 + - n n 0 2 - n ，t h ei n f l u e n c e o nn h 4 + - n n 0 2 。- np a r t i c i p a t e di nr e a c t i o nb y d i f f e r e n tc i r e u m f l u e n c er a t eb e c o m e sm o r ee v i d e n t ；a p p r o a c h i n gt ot h eo p t i m u m i n f l u e n tn h 4 + 寸q n 0 2 。- n ，t nr e m o v e lr a t ei sm a x i m a l 3 d e t e r m i n et h er e l a t i o nb e t w e e nn i t r i f i c a t i o ns l u d g ea c c r e t i o na n ds u b s t r a t e t r a n s l a t i o nw i t has i m p l en i t r i f i c a t i o nr e a c t o r u n d e rt h ec i r c u a x s t a n c eo f2 7 ca n d d oo 2 0 3m g l t h ec o e f f i c i e n to f c e l lg r o w t hr a t ey = 0 2 2 6g v s g ，c e l la t t e n u a t i o n c o n s t a n tb = 0 0 0 7d _ 1 ，t h er e l a t i o no f r a t i og r o w t hr a t ea n ds u b s 仃a t eu t i l i z a t i o nr a t i oi s u = 0 2 2 6 u + 0 0 0 7 4 t h er e v i e wo fa n a m m o xr e a c t o r ：u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo f3 0 a n dt h e a v e r a g ei n f l u e n tp h8 1 8 ，i nt h es t a b l eo p e r a t i o np e d o d ，t h ea v e r a g er e m o v e lr a t eo f n h 4 + - n 、n 0 2 。- na n d t n i sr e s p e c t i v e l y 9 4 9 、9 2 1 、8 1 6 ，n 0 3 。- n p r o d u c t i o n r a t ei s9 5 0 i n f l u e n tt nv o l u m e t r i cl o a d i n ga n dr e m o v e lv o l u m e t r i cl o a d i n gi s r e s p e c t i v e l y2 5k g m 3 da n d2 0k g m 3 d ，a n dt h e r ei sl i n e a rr e l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e a v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n ts u b s t r a t ea n dp r o d u c t i o n ，a n a m m o xr e a c t i o n g e n e r a le q u a t i o ni nt h i sr e a c t o rc a nb er e c k o n e d t h es u b s t r a t ep r o p o r t i o np a r t i c i p a t e d i nr e a c t i o n , n 0 3 。- np r o d u c t i o nr a t ea n da l k a l i n i t yw a s t a g ew o r k e do u tb yt h i s e q u a t i o na p p r o a c h e st ot h ep r a c t i c ev a l u e ，s ot h ee q u a t i o ni sv a l i d a t e d 5 t h ee x p l o r a t o r yr e s e a r c ho ns l u d g ed e w a t e r i n ge f f l u e n t ：b yu s eo fl e n g t h s l u d g ea g en i t r i f i c m i o n - a n a m m o xc o m b i n e dp r o c e s st od i s p o s es l u d g ed e w a t e r i n g e f f l u e n t ，t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t y o ft h i s p r o c e s sh a s b e e nd e m o n s t r a t e d e l e m e n t a r i l y q t h ed i s s o l v eo x y g e ni nt h el e n g t hs l u d g ea g en i t r i f i c a t i o nr e a c t o rc a n b ec o n t r o l e db ya d j u s t i n ga e r a t i o nc a p a c i t y i np e r i o do fo p e r a t i o n ，d ok e e p sb e l o w 0 0 5 m g l ，a n dt h er e a c t i o ns t a b i l i z e da tn 0 2 _ np h a s e t h er a t i oo fa e r a t i o nc a p a c i t y a n dt r a n s i a t i o nc o n c e n t r a t i o ni si n v a r i a b l ei nt h em a i n ，l l a l n e l yt r a n s i a t i o no fl m g n h 4 + - nn e e d sa e r a t i o nc a p a c i t y0 6 l ，1 8 0 x 1 0 4 k g0 2 i na n a m m o xr e a c t o ro f c o m b i n e dp r o c e s s ，t h er e m o v e lv o l u m e t r i cl o a d i n go fn h 4 + - n 、n 0 2 - na n dt ni s r e s p e c t i v e l y 0 5 1 k g m 3 d 、0 5 0k g m 3 d 、0 9 2k g m 3 d w h e nr e m o v e lr a t ei s m a x i m a l i n f l u e n tn h 4 + - n n 0 2 - - ni s0 7 o 8 t h ef u n c t i o ne f f e c to f w h o l ep r o c e s s ： u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo f 2 7 。ca n dt h ea v e r a g ei n f l u e n tp h8 0 7 ，t h er e m o v e lr a t eo f i v 北京工商大学硕士学位论文 n h 4 十- n 、t na n dc o di sr e s p e c t i v e l y8 6 9 、7 0 5 a n d4 0 2 3 t h em a x i m a l r e m o v e lr a t eo f n h 4 + - na n dt ni sr e s p e c t i v e l y1 0 0 a n d9 0 _ 2 ；h r ti s0 6 5 d ，a n d a e r a t i o nc a p a c i t yi s0 1 6 n m 3 h k e y w o r d ：a n a e r o b i c a m m o n i a o x i d a t i o n ；n i t r i f i c a t i o n ；b i o l o g i c a l d e n i t r i f i c a t i o n ；s l u d g ed a w a t e r i n ge f f l u e n t v 北京工商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指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除r 文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。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。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名：磁盘日期：。6 年占月6 日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于囱当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位做作者繇盐篮导师张径n 嗍加年多月占日 北京工商大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 氮素的污染状况 研究表明，地球生物圈的所有氮素之间是在不停地进行着迁移和转化的，这 种迁移和转化往往构成循环，称为氮素循环。所有氮素循环的中间产物，除分子 氮外，均可对人类和环境产生不良影响。其中，以氨、亚硝酸盐和硝酸盐的危害 最大。氨进入水体，不但能作为生物的营养物质而诱发“富营养化”，造成水生 生态系统紊乱，而且还能作为硝化细菌的能源，在氧化过程中消耗溶解氧，造成 水体缺氧，严重时使水体变黑变臭；作为有毒物质，它会影响血液对氧的结合， 使鱼类致死；与氯气作用生成氯胺，影响氯化消毒处理的效果“2 1 。亚硝酸盐是 一种致癌的物质，它会与人体的红血球结合，消耗溶解氧；并且和硝酸盐一样也 都会诱发富营养化“一。 当前，水体富营养化己日益成为影响湖泊发展的主要问题之一，并成为影响 水资源环境、制约经济与社会可持续发展的重要因素。众所周知，氨氮是引起水 体富营养化和环境污染的一种重要污染物质，其来源较多，排放量日益增大，除 大量的生活污水、动物排泄物外，大量的工业废水，如炼油废水、某些制药废水 和食品工业废水，以及污泥压滤液和垃圾填埋场渗透水等，都含有大量的氨氮。 因此，去除氨氮成了当今废水处理系统中的一个重要问题。 去除废水中氮的方法有很多，生物脱氮是目前公认的最经济、有效和最有发 展前途的生物方法。生物脱氮技术的研究已经取得了很大的发展，并且走向成熟， 但在实践中仍表现出许多不足，人们仍在不断致力于更加高效、低耗的新生物脱 氮技术的开发和研究。 1 2 传统生物脱氮工艺 1 2 1 传统生物脱氮法 传统观点认为，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 化反应分别由硝化菌和反硝化菌作用完成。从微生物角度看，硝化和反硝化是两 个对立的生化反应。硝化反应发生在好氧条件下，借助硝化菌的作用，将氨氮氧 化为硝酸氮；反硝化反应则是一个厌氧反应，只有在无氧条件下，反硝化菌才能 把硝酸氮还原为氮气。由于两种菌对环境条件的要求不同，这两个过程不能同 亚硝化一厌氧氨氧化生物脱氨技术应用研究 时发生，只能序列式进行。因此，由此发展而来的生物脱氮工艺是将缺氧区与好 氧区分开的分级硝化反硝化工艺，以便硝化与反硝化能够独立地进行“1 。 1 9 3 2 年，w u h r m a n n 首次发现生物滤床中存在硝化、反硝化作用，提出以微 生物细胞内物质作为脱氮菌还原硝酸的供氢体的微生物脱氮法，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 i c a t i o n ) ，但内源反硝化速率很低，脱氮效率 也低。1 9 6 2 年，l u d z a c k 和e 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a 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 z o ) 、u c t 、j b h 、a a a 工艺等，这些都是典型的分容器 分级传统硝化反硝化工艺。 1 2 2 传统生物脱氮工艺的优点及存在的问题 传统硝化反硝化生物脱氮工艺充分发挥了自身的优势，在废水脱氮方面起了 相当重要的作用。前置反硝化利用废水中部分快速易降解有机物做反硝化所需碳 源，节约了反硝化阶段外加碳源的费用；后置反硝化充分保证了出水中氮的含量； s b r 技术使硝化反硝化发生在一个容器中，大大地节约了基建投资。 但这些工艺明显存在各自的不足。前置反硝化对氮的去除不完全，不能保证 出水中亚硝酸氮和硝酸氮的含量，若想获得较高的氮去除率，必须加大内循环比， 这样相应地能耗也就大大提高；后置反硝化则有赖于外加快速易降解有机碳源的 投加，这又使得出水受到有机物的二次污染，使出水有机物水质不能得到保证； s b r 所需处理时间长，处理量偏低。 除此以外，它们还存在一些共同的问题，主要有以下几方面： ( 1 ) 水力停留时间( h r t ) 长。由于硝化菌群增殖速度慢，为维持系统内 较高的生物浓度，需较长污泥停留时间( s r t ) ，特别是在低温冬季。因此造成 系统h r t 较长，有机负荷较低，反应器面积大，增加了基建投资和运行费用； ( 2 ) 抗冲击能力弱。高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌生长，所以 处理范围受限，不能处理含高浓度氮的废水； ( 3 ) 投药量大。为中和硝化过程产生的酸度，需要投加碱；反硝化过程需 要一定的有机物，废水中的c o d 经过曝气有一大部分被去除，因此反硝化时往 往要另外加入碳源( 例如甲醇) ，这都将增加处理费用： ( 4 ) 能量损失大。硝化过程是在有氧条件下完成的，需要大量的能耗； 2 北京工商大学硕士学位论文 ( 5 ) 回流问题。系统为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时 进行污泥回流和消化液回流，增加了动力消耗及运行费用。脱氮率与内循环回流 比之间存在着相互制约的关系：欲提高脱氮率，须加大内循环回流比，但循环液 来自曝气硝化池，使反应器内d o 增加，难以保持理想的缺氧状态，脱氮率反而 下降。 由于传统生物脱氮工艺存在许多的不足，国内外学者都在致力于研究出更加 高效、低耗的新生物脱氮技术。 1 3 新型生物脱氮技术 最近的一些研究表明：生物脱氮过程出现了一些超出人们传统认识的新发现， 如硝化过程不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以参与硝化作用；r o b e r t o n 6 等 证明许多反硝化细菌在好氧的条件下也能进行反硝化，这些发现使得同时硝化反 硝化成为可能；氨氧化也可以在厌氧条件下发生。这些现象的发现为水处理工作 者设计处理工艺提供了新的理论和思路。1 目前研究较热的主要有s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rf o rl l i g ha c t i v i t ya m m o n i a r e m o v a lo v e rn i t r i t c ) 工艺、长污泥龄亚硝化工艺、a n a m m o x ( a n a e r o b i ea m m o n i a o x i d a t i o n ) 工艺、s h a r o n - a n a m m o x 工艺和c a n n o n ( c o m p l e t e l ya u t o t r o p h i c n i 仃0 9 e nr e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 工艺等”1 。 1 3 1 s h a r o n 工艺 1 3 1 1 理论基础 长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直认为要实 现废水生物脱氮就必须使n h 4 + 经历典型的硝化和反硝化过程：n h 4 + 一n 0 2 一 n 0 3 一n 0 2 - 一n 2 才能安全地被除去，这条途径也可称之为全程( 或完全) 硝化反 硝化生物脱氮。实际上从氮的微生物转化过程来看，氨被氧化成硝酸盐是由两类 独立的细菌催化完成的两个不同反应，应该可以分开。对于反硝化菌，无论是 n 0 2 还是n 0 3 。均可以作为最终受氢体，因而整个生物脱氮过程也可以经n h 4 + 一 h n 0 2 - - n 2 这样的途径完成。这种方法就是将硝化过程控制在h n 0 2 阶段而终止， 随后进行反硝化嘲。传统生物脱氮之所以要将氨完全氧化成硝酸后再进行反硝 化，主要是基于以下几方面原因：( 1 ) 如果硝化不完全，形成的亚硝化产物h n 0 2 是“三致”物质，对受纳水体和人都是不安全的，所以尽量避免出现h n 0 2 ；( 2 ) 亚硝化一厌氧氨氧化生物脱氮技术应用研究 h n 0 2 具有一定耗氧性，影响出水c o d 和受纳水体的d o ；( 3 ) 氨自然生物氧化 过程中，n h 4 + 一n 0 2 。可释放2 4 2 8 3 5 1 7 k j m o l 的能量，亚硝化菌从中获取5 1 4 能量。氧化n 0 2 一n 0 3 释放能量为6 4 5 8 7 5 k j m o l ，硝化菌可利用其中 5 1 0 ，是亚硝化菌有效利用能量的1 4 1 5 ，要达到相同的能量，硝化菌氧 化n 0 2 量必须达到亚硝化菌氧化n h 4 + 量的4 5 倍，因而在稳态下不会有h n 0 2 积累，氨会被氧化成硝酸：( 4 ) 亚硝化菌和硝化菌虽是两类独立细菌，但在开放 体系中这两类菌普遍存在，并生活在一起，彼此有利，因此难以单独存在；( 5 ) 氨氧化为亚硝酸的速率较亚硝酸氧化为硝酸速率快，在n h 3 一h n 0 3 过程中，亚 硝酸的形成是限速步骤，所以通常硝化产物为硝酸，亚硝酸浓度很低“”。 荷兰d e l f t 技术大学利用硝化菌在较高温度下生长速率明显低于亚硝化菌生 长速率的特点，通过控制温度和停留时间，开发了将硝化控制在n 0 2 阶段的短程 反硝化s h a r o n i 艺“。其基本原理可用方程式1 1 、1 2 表示。即碱度充足的 有氧条件下，污水中5 0 的氨氮被亚硝化菌氧化为n 0 2 。n ；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。因仅一半氨氮被氧化且硝 化作用仅进行到亚硝化阶段，s h a r o n 常又称为半硝化。 0 5 n h 4 + + 0 7 5 0 2 一o 5 n 0 2 一+ h + + 0 5 h d ( 1 1 ) n q 一+ 3 【日】_ o 5 2 - i - 2 h d ( i - 2 ) 1 3 1 2s h a r o n 工艺的实现途径 在s h a r o n 工艺中，将氨氧化过程控制在亚硝化阶段是其关键，因此研究如 何尽量提高n 0 2 n 的积累、降低n 0 3 。- n 的生成具有重要意义“。国内外许多学 者都对影响亚硝化积累的因素进行了研究“。“1 ”，其中最主要的因素有：温度和 污泥龄、溶解氧、p h 和游离态氨等。因此要实现s h a r o n i 艺，必须控制好这 些影响因素“。 ( 1 ) 温度和水力停留时间 在较高的温度( 3 0 4 0 c ) 下硝化菌( n i t r o s o m o n a s ) 的生长速率明显低于 亚硝化菌( n i t r o s o m o n a s ) 的生长速率“”，亚硝化菌的倍增时间要小于硝化菌， 如污泥停留时间( s r t ) 介于硝化菌和亚硝化菌之间时，硝化菌在系统中不能增 殖而被自然淘汰。一般在s h a r o n 反应器中，污泥停留时间与水力停流时间 ( h r t ) 是相等的，因此可以通过控制反应器内的温度和水力停留时间，洗出硝 4 北京工商大学硕士学位论文 化菌，使亚硝化菌成为系统中的优势菌种，从而使氨氧化控制在亚硝化阶段“。 ( 2 ) 溶解氧( d o ) 在低d o ( o 5 m g l ) t ，亚硝化菌的增殖速率加快近1 倍，而硝化菌的增殖速率 没有任何提高，从n 0 2 - n 到n 0 3 - n 的氧化过程受到严重的抑制，从而导致了 n 0 2 - n 的大量积累。 ( 3 ) p h 值和游离态氨 对亚硝化菌而言，游离态氨才是其真正的底物，而不是n h 4 + ；n 0 2 对亚硝化 菌虽有抑制作用，但在高p h 值q h ；8 ) 时，这种抑制作用非常有限：游离态氨对硝 酸菌具有明显的抑制作用。因此，将反应器内的p n 值选择为较高( p h = 7 4 8 3 ) 时，有利于n 0 2 - - n 的积累n 1 1 。 1 3 1 3s h a r o n - r 艺的优点及工程实际应用 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： ( 1 ) 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： ( 2 ) 可节省反硝化过程所需要的外加碳源，目0 n 0 2 反硝化比n 0 3 。反硝化可 节省4 0 的碳源； 目前第一个生产规模的s l u 的n 工艺已经于1 9 9 8 年初在荷兰鹿特丹 d o k h a v e n 废水处理厂建成并投入运行“，该s h a r o n 反应器进水氨氮浓度为 l g l ，进水氨氮的总量为1 2 0 0k g d ，氨氮的去除率为8 5 。 1 3 2 长污泥龄亚硝化工艺 长污泥龄亚硝化是一种新型的亚硝化工艺。北京市环科院在实验室条件下， 以人工配制的高氨氮废水为基质，已成功启动了长污泥龄亚硝化反应器，并能长 期稳定运行，在反应器中形成以亚硝化菌为绝对优势菌种的反应体系1 。 长污泥龄亚硝化工艺与s h a r o n 工艺有一定差别，主要有以下两点： 1 s h a r o n 工艺是在高温条件下运行的，主要通过控制温度来进行亚硝化 反应，适合高温废水，而本实验采用的亚硝化是通过对d o 的控制来实现的； 2 s h a r o n 工艺的水力停留时间( 1 4 r t ) 等于污泥停留时间( b r t ) ，因此污泥 停留时间非常短，而本实验的亚硝化工艺采用自然排泥法排泥，即出水悬浮物排 泥，并不主动排泥，是一种长污泥龄工艺。 亚硝化一厌氧氨氧化生物脱氮技术应用研究 1 3 3 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 1 3 3 1 厌氧氨氧化工艺的发现 1 9 9 0 年，荷兰d e l f t 技术大学u y v e r 生物技术实验室的研究人员在反硝化 流化床反应器中研究发现。“：厌氧反应器出现了氨和硝酸盐的消失，并且还成一 定的比例关系，这是无法用传统异氧反硝化来解释的，发生的反应可假定为式 1 3 捌： 5 n h 4 + + 3 n q 一_ 4 2 + 9 h , o + 2 h + g = 一2 9 7k j m o l 肼( 1 - 3 ) g r a a f 。”的进一步研究表明，在a n a m m o x 工艺中，n 0 2 才是关键的电子受体， 而不是式1 3 中的n 0 3 ，即厌氧氨氧化的反应是按式1 4 进行的。 n h 4 + + n q 一_ 2 + 2 1 1 2 0 a g = 3 5 8 l ( j m o l n h 4 + ( 1 4 ) 根据化学热力学理论，上述反应的a g 0 说明反应可自发进行。因此，可以 假定厌氧反应器中存在微生物，它可利用氨作为电子供体还原亚硝酸盐，或者说 它可利用亚硝酸盐作为电子受体来氧化氨“”。 1 3 3 2 厌氧氨氧化的理论基础和研究进展 厌氧氨氧化反应是在厌氧条件下，以n h 4 + 为电子供体，以n 0 2 - 或n 0 3 为 电子受体，将n m + 、n 0 2 。或n 0 3 转变成n 2 的生物氧化过程。参与厌氧氨氧化 的细菌是自养菌，因此不需要添加有机物来维持反硝化。 1 a n a m m o x 的反应途径 1 9 9 7 年，g f f , m d d e r 。等人用1 5 n h 4 + 和1 0 3 进行了示踪试验，初步确定 了a n a m m o x 反应可能的途径，如图1 1 ，厌氧氨氧化可能发生的反应方程式及 反应自由能变化见表1 1 。 n h n t 图1 1a n a m m o x i 艺的可能途径 6 2 a n a m m o x 反应的动力学常数 ( 1 ) g 豫a f 、b r u i j n 等人幢唰在流化床反应器中用无机盐培养基对a n a m m o x 微生物进行培养，测算得出： 比厌氧氨氧化速率为1 0 0 0 1 1 0 0 n m o ln i - h + h 。( m g v s ) ； 最大比厌氧氨氧化速率为1 5 0 0n m o l n h 4 + h ( m g v s ) ； a n a m m o x 微生物比增长速率为0 0 0 1 h e ( 2 ) s t r o u s 、k u e n e n 等人衄1 对a n a m m o x 的生理参数研究结果列于表1 - 2 。 表1 2 好氧氨氧化和厌氧氨氧化的重要生理参数 亚硝化一厌氧氨氧化生物脱氮技术应用研究 ( 3 ) s t r o l l s 、h e i j n e n 等人用序批式反应器( s b r ) 在基质限制条件下运 行两年，测得三个重要的动力参数： 微生物产率：0 0 6 6 + n h 4 + 0 o l e - m o l t o o ln h l 最大比基质消耗速率：4 5 + 5 n m o l m g 蛋白质m l n ： 最大比增长速率：0 0 0 2 7 7 a ( 倍增时问l i d ) 。 3 a n a m m o x 菌的生理学特性 对于在a n a m m o x 反应中起作用的菌，我们还知之甚少，主要是因为此类 菌生长极其缓慢，在反应器内的生物量少，难于富集培养。目前的研究表明此类 菌有以下特性： ( 1 ) 此菌为无机化能自养生长，因此a n a m m o x 反应不同于传统意义上 的反硝化。有机物对此种菌有抑制作用，可能主要是因为有机物存在下，异氧菌 的生长超过此菌，抑制其生长。在富集培养时，可用h c 0 3 。作为唯一碳源。 ( 2 ) 此菌增殖速率极慢。通过实验数据估算出此菌的生长率为o 0 0 1 h ( o 1 0 0 5 d ) 。”，因此它们不大可能出现在常规的异氧反硝化废水处理系统中。在自养 反硝化系统中，这些菌的积累需要几个月的时间。在s b r 中培养，且不受传质 限制时，a n a m m o x 菌的最大生长率为0 0 2 7 w 1 ( 倍增时间i id ) 。，这也仅为好 氧自养菌生长率的1 1 0 ( w i e s m a n ，1 9 9 4 ) 。s t r o u s 、h e i j n e n 等人”1 认为a n a m m o x 菌的低生长率与n h 4 + 低的比消耗率有关。a n a m m o x 的具体活性比所报道的好 氧氨氧化菌的低几倍( o 0 3 ：0 0 4 9 m o ln h 4 + m g 蛋白质m i n ) 。但当好氧硝化受供 氧限制时( 在许多自然条件下