（环境工程专业论文）单级自养脱氮系统的影响因素及其eps组成特性.pdf

中文摘要 摘要 与传统硝化反稍化工艺相比，单级自养脱氮工艺具有曝气量和污泥产量低、 无需有机碳源等优憔，因此，单级自养脱氮被认为是一种经济、环境友好型脱氮 工艺。但是由于厌鼠氨氧化菌( a n a o b ) 世代周期长( 1 l d ) ，对生存环境要求苛 刻，因此，单级自弊脱氮系统具有启动时间较长，较难长期稳定运行的缺点。本 论文探讨了载体表嘧特性、溶解氧( d o ) 、自由氨( f a ) 和无机碳源( i c ) 对单 级自养脱氮系统启勘及稳定运行的影响，并对单级自养脱氮系统中微生物e p s 的 组成特性进行了研究。 为考察载体表面亲水性对序批式生物膜反应器( s b b r ) 中单级自养脱氮系统 生物膜形成及单级旧养脱氮效果的影响，采用未改性的活性碳纤维( a c f s ) 和经 热处理亲水性改性的a c f s 作为载体进行研究。在s b b r 中，以普通活性污泥为泥 源启动单级自养脱氦系统。系统的运行温度为3 2 士2 。c ，d o 控制在1 5m gl - 1 ，同 时f a 的浓度维持在3 9 8 1 5 9 3m gl - 1 之间。傅里叶红外光谱( f t - i r ) 和b o e h m 中和滴定法的结果嵌明改性后的a c f s 表面含氧基团的含量高于未改性的a c f s 。 扫描电镜和生物膜i 干重的测定表明较多的生物膜生长在改性载体表面，并且改性 载体表面的生物活性高于未改性填料表面生物的活性。这个研究证实了亲水性改 性的a c f s 与未改性的a c f s 相比具有更好的生物相容性。在单级自养脱氮系统启 动的第8 0 天，系统的最大脱氮速率为0 0 8 8 蝇n i n - 3 d a y - 1 ，并且出水中硝酸盐的产 量与氨的消耗量的摩尔比接近o 1 1 ，此数据表明单级自养脱氮系统成功启动。除 载体的影响，曝气防式、d o 和f a 浓度的控制也是在较短时间内成功启动单级自 养脱氮系统的关键l a o b 和a n a c l , b 是化能自养菌，以i c 为主要碳源。以s b b r 中的单级自养脱 氮系统为研究对象l 考察i c 限制对a o b 和a n a o b 活性的影响，并确定进水中 最适i c 浓度。当进水氮负荷为2 0 0m g n l - 1 d - 1 ，进水i c 浓度为5 0m g c l 叫时 a o b 和a n a o b 的活性受到影响，进水i c 浓度恢复试验表明i c 限制对a o b 和 a n a o b 活性的抑制是可逆的。从经济角度考虑，在单级自养脱氮系统中，当进水 氮负荷为2 0 0m g - l 。i l - 1 d - 1 时，最适进水i c 浓度为2 5 0m g - c l - 1 。 f a 在单级自养脱氮系统的启动和长期稳定运行中起到重要作用，因此，对f a 对单级自养脱氮系统的影响进行研究。当f a 控制在5 0 - 1 0 0m g 。l 一的范围内，硝 化细菌( n o b ) 利活性受到抑制并实现部分亚硝化，即以普通活性污泥为泥源成 功快速启动单级自弊脱氮系统的重要一步。然而，系统成功启动后，n o b 逐渐适 应了这个不利的环境。当f a 浓度从1 0 0m g l 1 增加到1 7m g l 。时，亚硝化细菌 重庆大学硕士学位论文 ( a o b ) 和a n a o b 的活性未受到影响，n o b 的活性仅受到暂时性的抑制。在p h 为8 5 ，f a 浓度在3 0 0 - 3 2 5m g l 。范围时，单级自养脱氮系统受到破坏，然而， n o b 的活性未受到影响。经相关性分析证实f a 浓度高于2 0 m g l 是导致系统崩溃 的原因。 单级自养脱氮系统中生物膜和活性污泥絮体e p s 的成分及结构特性的试验结 果表明：e p s 不同层面含量不同，并且不同层面蛋白质、腐殖酸、多糖和d n a 四 种有机质的含量不同。单级自养脱氮系统中生物絮体e p s 难提取部分( t b e p s ) 所占比例较高，易于提取部分( s e p s 和l b e p s ) 含量较低，而普通活性污泥的 易于提取部分所占比重较高，因此，脱氮系统中生物絮体的稳定性要强于普通活 性污泥。在同一反应器中，两种填料上生物膜的e p s 中各有机质总量不同，并且 e p s 总量也存在较大差异。组合填料上生物膜e p s 的总量为181 7m g g v s s ，是活 性炭纤维上e p s 总量的1 5 l 倍，在组份含量上差距最大的是蛋白质，组合填料上 蛋白质的总量为9 6 5m g g v s s ，是活性碳纤维填料的1 6 倍。 论文研究结果为s b b r 单级自养脱氮系统的快速启动及长期稳定运行提供了 理论依据，并为单级自养脱氮系统的进一步研究奠定了基础。 本研究得到教育部高等学校博士学科点科研基金( 2 0 1 0 0 1 9 1 1 2 0 0 3 5 ) 的资助。 关键词：单级自养脱氮，亲水性，自由氨，无机碳源，胞外聚合物 a b s t r a c t i l l 重庆大学硕士学位论文 w e r ee x a m i n e d t h eo p t i m a li cc o n c e n t r a t i o ni nt h ei n f l u e n tw a s i n v e s t i g a t e d t h ea o b a n da n a o ba c t i v i t i e sw e r el i m i t e db ya ni cc o n c e n t r a t i o no f5 0 m g c l - 1i nt h e i n f l u e n t ，a st h en i t r o g e nl o a d i n gr a t e ( n l r ) w a s2 0 0m g - n l - 1 d - 1 t h ee x p e r i m e n to n r e c o v e r i n gt h ei n f l u e n ti cs h o w e dt h a tt h ea c t i v i t i e so fa o ba n da n a o bw e r e r e c o v e r e db yi n c r e a s i n gt h ei cc o n c e n t r a t i o ni nt h ei n f l u e n t f r o ma l le c o n o m i cp o i n to f v i e w , t h eo p t i m a li cc o n c e n t r a t i o ni nt h ei n f l u e n tw a s2 5 0m g - c l - 1a t2 0 0 m g - n l - 1 d _ 1n l r i nt h i sc a n o n s y s t e m f a p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h es t a b l e ，l o n g t e r mc a n o ns y s t e mo p e r a t i o n t h e i n f l u e n c eo ff ao nt h ec a n o n p r o c e s si nas e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o rw a s e x p l o r e d u n d e rc o n t r o l l e d f ac o n c e n t r a t i o n so f5 0 m g l t o 10 0 m g 。l ， n 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 ) w a si n h i b i t e da n da c h i e v e dp a r t i a ln i t r i f i c a t i o n ，w h i c h w a si m p o r t a n tf o ras u c c e s s f u lq u i c ks t a r t - u po ft h ec a n o np r o c e s sf r o ma c t i v a t e d s l u d g e h o w e v e r , n o bw a sa c c l i m a t e dt ot h ec o n d i t i o na f t e rt h ep r o c e s ss t a r t u p a m m o n i a - o x i d i z i n gb a c t e r i a ( a o b ) a n da n a o ba c t i v i t i e sw e r eu n a f f e c t e dw h e nf a c o n c e n t r a t i o nw a si n c r e a s e df r o m1 0m g l t o17m g l 一，b u tn o bw a sc o m p l e t e l y i n h i b i t e do n l yb r i e f l y t h ea o ba n da n a o ba c t i v i t i e sw e r ei n h i b i t e da n dt h ec a n o n s y s t e mw a sd e t e r i o r a t e dw h e nf ac o n c e n t r a t i o nr e a c h e d3 0m g 。l t o3 2 5m g l 1a tp h 8 5 ，w h e r e a sn o ba c t i v i t yw a su n a f f e c t e d c o r r e l a t i o na n a l y s i sw a sp e r f o r m e dt o d e m o n s t r a t et h a tf ac o n c e n t r a t i o nh i g h e rt h a n2 0m gl 一1r e s u l t e di nt h ed e t e r i o r a t i o no f t h es y s t e m t h ec o m p o s i t i o na n dd i s t r i b u t i o no fe p st h a tw e r ee x t r a c t e df r o mb i o f i l ma n d a c t i v a t e ds l u d g ei nc a n o ns y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e d t h ec o n c l u s i o n sw e r ea s f o l l o w s ：e p sc o n t e n t ，i n c l u d i n gc a r b o h y d r a t e s ，p r o t e i n s ，h u m i ca n dd n a ，埘t 1 1d i f f e r e n t l a y e r sc h a n g e dg r e a t t h ec o m p o s i t i o no fe p si nc a n o np r o c e s sw a sm a i n l y c o m p o s e do ft b e p s ，r a t h e rt h a ns e p sa n dl b e p s ，c o m p a r e dw i t ht h ee p so f c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e s o ，c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e ，t h e s l u d g ei nt h ec a n o np r o c e s so w n e dm o r es t a b i l i t y i nt h es a m er e a c t o r d i f f e r e n t c a r r i e ro w nd i f f e r e n te p sc o n t e n ti n c l u d i n gc a r b o h y d r a t e s ，p r o t e i n s ，h u m i ca n dd n a t h ea m o u n to fe p sb i o f i l mo nc a r r i e rs c pw a s181 7m g g v s s ，w h i c hw a s1 51t i m e s o ft h a to nc a r r i e ra c f s t h ed i f f e r e n c eo fe p so ft h et w ob i o f i l m sw a sa l m o s t l yc a u s e d b yt h es i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo fp r o t e i nc o m p o s i t i o n t h ep r o t e i nc o n t e n to fb i o f i l mo n c a r r i e rs c pw a s9 6 5m g g v s s ，w h i c hw a s1 6t i m e so ft h a to nc a r r i e ra c f s t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rc o u l dp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rs t a r t i n gu pt h e c a n o n p r o c e s sw i t h i nas h o r t e rp e r i o da n dl o n gt e r ms t a b l eo p e r a t i o n ，a sw e l la s l a y d a w nt h ef o u n d a t i o rf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nt h ec a n o n p r o c e s s t h i sr e s e a r c h1v a ss u p p o r t e db yt h er e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a lp r o g r a mo f h i g h e re d u c a t i o no lc h i n a ( 2 0 1 0 0 1 9 1 2 0 0 3 5 ) k e y w o r d s ：c o m p l e te 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 ( c a n o n ) ， h y d r o p hi l i c i t y , f r e ea m m o n i a ，i n o r g a n i cc a r b o n ， e x t r a c e l u l a rp o l y m e r i es u b s t a n e ( e p s ) 重庆大学硕士学位论文 v i !堡笙 氨氮废水的污 迅速发展，在生产 现象。尤其是来源 的厌氧消化液等高 降解的有机碳源浓 硝化反硝化脱氮工 中得到了有效的发 为经济、环保，特 的缺点，为高氨氮 1 1 传统硝化压 在污水生物脱 硝化和反硝化作用 合物在氨化细菌的 在亚硝化细菌( a ( 气 n h 4 + + 三d 2 1绪论 乏与处理一直是环保领域关注的焦点。随着我国工业和农业的 口生活中向水体排放了过量的氮和磷引起严重的水体富营养化 二煤气、味精、焦化、化肥等行业以及垃圾渗滤液和养殖废水 【氮低碳氮比( c n ) 废水，由于其排放量大、氨氮含量高、易 芝低，可生化性较差，已经成为废水处理的难点之一。在传统 三的基础上改良的脱氮工艺在应用于各种行业废水的脱氮过程 毫。近年来，新的脱氮途径和理论的发现，使新型脱氮技术更 j 是解决了高氨氮、低c n 比废水在传统脱氮工艺中碳源不足 低c n 比废水的高效、经济的生物脱氮提供理论基础。 硝化生物脱氮工艺 民处理过程中氮的转化包括：氨化、同化、硝化和反硝化作用。 毛传统硝化反硝化生物脱氮工艺的两个主要过程，即有机氮化 乍用下，进行脱氨基作用，分解转化成的氨态氮( n h 4 + ) 首先 b ) 作用下，将n h 4 + 转化为亚硝酸盐( n 0 2 - ) 。其反应式为： n 0 2 一+ h ：o + 2 h + 继之，在硝化细菌( n o b ) 作用下，进一步将n 0 2 转化为硝酸盐( n 0 3 ) ，反 应式为： 1 n o , 一+ 二d ，_ 一丝马q 一 ( 1 2 ) 一 2 。 硝化阶段的总反应式为： n h 4 + 十2 q 寸【n q 一十鸠d + 2 h + ( 1 3 ) 最后，反硝化细菌以有机底质为电子供体将n 0 3 还原为n 2 ，反应式为： q 一+ 5 日寸2 | 5 n 2 + h ：o + o h 一 ( 1 4 ) 完成污水中氮的去除。 硝化反应是a d b 和n o b 在好氧条件下完成的。a o b 和n o b 是以无机碳为 碳源的化能自养菌l 在有机物存在的条件下，a o b 和n o b 对氧气和营养基质的 竞争弱于好氧异养菌，因此异养菌成为优势菌，使得硝化作用受到抑制。反硝化 作用是反硝化细菌柱缺氧条件下完成的。反硝化细菌是以有机底质作为电子供体， n 0 3 - 为电子受体完投反硝化过程的异养型兼性厌氧细菌。 由于a o b 、n d b 和反硝化细菌对生长环境条件的要求不同，产生了不同的脱 重庆大学硕士学位论文 氮系统。一种系统是多级活性污泥系统，另一种是单级活性污泥系统【l 】。传统硝化 反硝化生物脱氮工艺是多级活性污泥系统，即硝化阶段和反硝化阶段分别在不同 的反应器中，或在同一反应器中不同的功能区内完成。活性污泥法脱氮传统工艺 是由巴茨( b a r t h ) 开创的三级活性污泥法流程，是由氨化、硝化和反硝化三项反 应过程为基础建立的；2 0 世纪8 0 年代初开创的a o ( a n o x i c o x i c ) 法脱氮工艺是 将反硝化反应器前置，故又称为前置反硝化生物脱氮系统；a 2 o ，倒置a 2 o ，s b r ， 氧化沟，u c t 及v i p 等在传统硝化反硝化脱氮工艺的基础上改良的脱氮工艺的相 继提出，促进了污水脱氮技术体系的发展1 2 巧】。这些工艺的理论原理相同，即在好 氧条件下a o b 和n o b 等自养微生物以无机碳为碳源将n h 4 + 转化为n 0 2 - 和n 0 3 。； 然后在缺氧条件下反硝化细菌以有机基质为碳源，以n 0 3 为电子受体将n 0 3 还原 为n 2 以实现污水中氮的去除，因此，均存在以下比较突出的缺点： 1 ) 硝化反应和反硝化反应需在两个反应器中或是同一反应器不同的功能区内 完成，使得运行工艺较为复杂，并且较长的工艺流程，增加了占地面积和基建费 用； 2 ) 反硝化细菌为异养型兼性厌氧细菌，需要足量的有机基质以满足其自身生 长所需，当废水为高氨氮低c n 废水时，反硝化过程需要额外外加有机碳源，大 大增加了处理费用【1 瑚】，这是采用传统硝化反硝化生物脱氮工艺处理高氨氮低c n 废水时遇到的最大的问题。 新的脱氮途径和理论的发现，打破了对传统脱氮理论认识的局限。新型脱氮 中的基础工艺：短程硝化反硝化，同步硝化反硝化( s n d ) ，厌氧氨氧化 ( a n a m m o x ) 等以及新型脱氮工艺中的延伸工艺：s h a r o n + a n a m m o x o l a n d ，单级自养脱氮( c a n o n ) 等为高氨氮、低c n 废水的生物脱氮提供了 高效、环保、经济、可行的途径。 1 2 新型生物脱氮工艺 1 2 1s h a r o n 工艺 基本原理 短程硝化反硝化生物脱氮( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) ，即是将硝化过 程控制在h n 0 2 阶段而终止，随后进行反硝化，也可称为不完全硝化反硝化生物脱 氮。其反应式为： n h 4 + + 妄q 马人哆一+ 上乞d + 2 h + ( 1 5 ) 上 气 n 0 2 一+ 3 h 一三2 + d + o h 一 ( 1 6 ) 上 与传统硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下优点：1 ) 较短的反应流程，反 应时间缩短，相应拘反应器容积减小；2 ) 比较反应式( 1 3 ) 和( 1 5 ) 可知，短 程硝化比传统的硝一七节省供氧量2 5 ，节省了能耗；3 ) 从反应式( 1 4 ) 和( 1 6 ) 可以看出，短程硝一七反硝化比传统硝化反硝化节省碳源4 0 ，在c n 比值较低的 情况下具有较高的烈去除率，减少的污泥产量达5 0 t 9 1 。因此，对于处理高氨氮 低c n 废水，短程哨化反硝化具有比较重要的现实意义。 实现短程硝化反硝化的关键是将硝化过程稳定的控制在h n 0 2 阶段，阻止 h n 0 2 的进一步氧t：，短程硝化的标志是具有稳定并且较高的亚硝酸盐积累率( 即 n 0 2 一一n 大于5 0 ) ，并且具有较高的n h 4 + 去除率1 0 1 。 n 0 2 一一+ n 0 3 一一 v 实现s h a fo n 工艺的途径 目前实现短程j尚化的控制策略主要为以下三个方面： 1 ) p h 和游离j氧( f a ) 的控带0 p h 的高低不佃影响营养基质的可利用性和微生物的活性，而且出水水质很大 程度上也受到p h 白j 影响【l l 】。与p h 相关联的f a 的浓度同样也影响a o b 和n o b 的活性。a n t h o n i s e r等研究表明f a 浓度范围在0 1 1 o m g l 时，n o b 的活性受到 影响；f a 对a o b的影响范围高于对n o b 活性的影响范围，为1 0 1 5 0 m g l ，因 此可以通过控制f 。的浓度富集a o b 同时将系统中的n o b 淘汰u 2 1 。吴莉娜等采 用“两级u a s b 缺氧好氧”系统考察f a 对处理城市生活垃圾渗滤液时短程硝化 的影响，结果表明：f a 浓度控制在4 0 7 0 m g l 时，可以实现稳定的短程硝化【1 3 】。 v i l l a v e r d e 等采用酒没式生物滤池研究f a 对n o b 的影响，反应器启动的初期， n o b 活性受到抑制，亚硝酸盐积累率稳定在6 5 ，反应器启动6 个月以后，在同 一f a 浓度条件下，n o b 的活性逐渐升高，研究结果表明，n o b 具有适应较高浓 度f a 的特性【1 4 】。ei 此，无法仅通过控制f a 维持稳定的亚硝酸盐积累。 2 ) 温度的控带i h e l l i n g a 等研罗：表明由于温度高于2 5o c ，a o b 的生长速率大于n o b 的生长 速率，因此，较高f勺温度( 3 0 - - - 4 0 0 c ) 有利于亚硝酸盐的积累，可以有效的阻止亚 硝酸盐的氧化【15 1 。i3 u o 等研究表明当温度从2 5o c 降到1 5o c 时，a o b 的活性减 少1 5 倍【1 6 1 。3 0o c。3 5o c 是实现短程硝化的最适温度。 3 ) 溶解氧( d) ) 浓度的控制 由于a o b 和全l o b 的溶解氧饱和常数分别为0 3 和1 1 m e l ，低溶解氧浓度 可以有效的抑制n (b 的活性，因此d o 可以作为实现短程硝化的一个控制因素 17 1 。 有关不同曝气方式j寸短程硝化的影响也有报道。p e n g 等在3 2 4 - 1o c 的条件下采用 好氧厌氧交替的间欧曝气方式，维持了稳定的亚硝酸盐积累阶段【1 8 】。l i 等的研究 表明：富集的a o b 、限制性供氧条件和间歇曝气方式是维持持久稳定的部分亚硝化 重庆大学硕士学位论文 的三个主要因素【坶1 。 工艺研究现状 荷兰代尔夫特大学开发的s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rf o rh i g l la c t i v i t ya m m o n i u m r e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 工艺是短程硝化反硝化的代表工艺，其基本原理是在高温 ( 3 0 , - 4 0 0 c ) ，p h 为7 8 ，较短的污泥停留时间的条件下a o b 的生长速率明显高 于n o b 的生长速率这一特性，使系统中的n o b 自然被淘汰，a o b 占优势，从而 使硝化过程稳定在亚硝化阶段【1 5 2 0 1 。 李军等采用短程硝化反硝化工艺处理垃圾渗滤液，在3 0 - t - 2 0 c ，曝气池内平均 溶解氧浓度为2 0 m e d l 的条件下，亚硝化积累率和n h 4 + n 去除率分别稳定的维持 在较高水平8 3 和8 5 。并且试验结果表明，与传统硝化反硝化相比，污泥负荷， 反硝化效率、速率均明显提高，所需耗氧量和外加有机碳源明显减少【2 1 1 。 宋宏宾等采用三级生物膜短程硝化反硝化工艺处理低c n 比的水产养殖废 水的研究表明，在反应器内p h 为7 5 8 5 ，d o 为o 5 1 o m g r l ，温度为2 8 3 2o c ， f a 为5 m 0 m g l 的条件下，c o d 、n i - 1 4 + - n 和t n 相应的去除率分别为9 4 4 、9 1 6 和7 0 1 t 2 2 1 。 1 2 2a n a m m o x 工艺 基本原理 厌氧氨氧化( 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 ) 是一项理论和 技术革新的新型生物脱氮工艺，在缺氧条件下，由自养的厌氧氨氧化菌( a n a o b ) 将n h 4 + 和n 0 2 转化为n 2 和少量的n 0 3 ，其反应式为： n h 4 + + 1 3 2 n 0 2 一+ 0 0 6 6 h c 0 3 一+ 0 13 h + 专1 0 2 2 + 0 2 6 n q 一+ 0 0 6 6 c h 2 0 05 n o5 + 2 0 3 - 2 0 ( 1 7 ) 早在1 9 7 7 年，b r o d a 等通过热力学计算预言自然界存在两种化能自养型微生 物可以将n h 4 + - n 氧化成n 2 0 4 。其理论根据如表1 1 所示，即以n h 4 + 为无机电子 供体，以n 0 2 为电子受体的反硝化反应的自由能和以n h 4 + 为电子供体，以0 2 为 电子受体的好氧硝化的自由能几乎相等【2 3 】。m u l d e r 等在一个多级污水处理系统的 反硝化试验装置中发现这一现象，验证了这一预言1 2 4 1 。g r a f t 等利用1 5 n 同位素示 踪试验证实了a n a m m o x 是以n 0 2 为电子受体，羟氨和肼是重要的中间产物， 最终产物为n 2 的微生物反应，其反应过程如表1 1 ( 冰) 所示【2 5 】。 与传统生物脱氮工艺相比，a n a m m o x 具有以下优点【2 6 】： 1 ) a n a o b 为化能自养菌，因此不需要外加有机碳源，降低了运行费用，也 减少了二次污染； 2 ) a n a o b 以n 0 2 为电子受体，且严格厌氧，因此，大大降低了供氧能耗； 3 ) a n a m m o x 系统的生物量较低，因此较低的剩余污泥产量也减少了运行 4 1 绪论 的费用。 表1 1 脱氮过程反应式 a g o 反应方程式 ( k j t 0 0 1 ) 2 n 0 3 一+ 5 h , + 2 h + 2 + 6 h 2 0 - 5 6 0 8 n 0 3。+ 5 h s 一+ 3 h + 4 n 2 + 4 厶l 0 + 5 s 0 4 2 一 - 4 6 5 3 v o , 一+ 5 n h 4 + - - 9 , 4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 h +- 2 9 7 (+ ) n 0 2 一+ 崛+ 专2 + 2 皿0 3 5 8 2 d 2 + n h 4 + 寸n 0 3 一+ 厶乞d + 2 h + - 3 4 9 1 0 k g n ( m 3 d ) ) 、较高的p h 、 以及与p h 相关联的较高的f a 浓度( 1 0 m g l ) ，建立了稳定的部分亚硝化后，出 水n 0 2 。- n n i - h + - n 和n 0 3 。n 的值分别为1 2 0 0 3 3 和1 2 1 0 m g - n l 时，启动 a n a m m o x 工艺，系统在最大n 去除速率为1 5 0k g t n ( m 3 d ) 的情况下长期稳定 运行长达2 5 0 天f 6 9 1 。 o l a n d 工艺 o l a n d 工艺( o x y g e nl i m i t e da 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 ，氧限制 自养硝化反硝化工艺) 的关键是控制d o ，其反应原理：首先在限氧条件下，部分 n h 4 + - n 被a o b 转化成n 0 2 - n ，然后在氧气耗尽的缺氧条件下，a n a o b 将剩余 的n i l , + - n 和n 0 2 - n 转化成n 2 和n 0 3 。，完成n h 4 + - n 的去除7 0 1 。o l a n d 工艺的 基本原理与c a n o n 工艺基本一致。 1 3 实现单级自养脱氮工艺的途径 在同一个反应器内完成脱氮的单级自养脱氮系统，由于系统中功能菌种类较 多，而且不同的功能菌对环境条件要求差异较大，因此，系统对环境条件的要求 也比较苛刻。单级自养脱氮的脱氮效果取决于对a o b 和n o b 的控制，和对a n a o b 的富集。目前国内外学者对影响单级自养脱氮系统的因素研究主要包括：温度、 p h 、d o 、无机碳源、有机碳源和反应器类型等，其中温度和p h 7 1 】以及反应器的 类型幽j 等方面的研究已比较成熟，并且已得出较为一致的结论。 成功实现单级自养脱氮工艺还需从以下几个方面进行控制： 无机碳源 由于a o b 和a n a o b 均是化能自养菌，它们主要利用无机碳作为碳源，因此， 进水中无机碳源的浓度是影响a o b 和a n a o b 活性的一个重要因素。由于在开放 的系统中，无机碳源是充足的，例如在传统的城市污水处理厂中，由于大量的有 l o 机物被异养微生物的利用，产生充足的c 0 2 ，因此，无机碳源限制往往被忽视。 但是在垃圾渗滤液等高氨氮、低c n 废水中，无机碳源的浓度是尤其重要的。在 s h a r o n 过程中i芡源的限制关联到缓冲系统中亚硝化过程产生的酸性物质所需 的碱度，在s h a r ) n 系统中无机碳源既起到缓冲的作用又是微生物生长的基质。 因此，研究无机碳源对单级自养脱氮系统的影响对系统长期稳定运行具有重要的 意义。 w i c k i n s 和f t nu k a w a 等在富集海洋的亚硝化污泥时，发现由于缺少无机碳源， 亚硝化速率受到影响【7 2 仍】。b y o n g h e e 等在连续流模型下研究无机碳源限制对亚硝 化生物膜影响时，发现无机碳源的增加有利于促进自养亚硝化细菌的生长7 4 1 。 g r e e n 等以白垩作：勺填料在p h 为5 的条件下研究c 0 2 对亚硝化速率的影响，试验 结果表明：当c 0 2 曼度低于0 3 m m 0 1 c l 时亚硝化速率受到限制7 5 1 。t a r r e 和g r e e n 发现在c 0 2 充足的条件下，即使p h 低于4 5 ，亚硝化速率仍维持在较高的水平【7 6 】。 g u i s a s o l a 等的研究结果表明在无机碳浓度低于3 m m 0 1 c l 时，a o b 的活性受到抑 制，但是即使无机羰源浓度低于0 1 m m 0 1 c l ，n o b 的活性仍未受到影响【7 7 1 。 l i a o 等的研究表明：当进水无机碳浓度从1 0 增加到1 5 9 l 时，a n a o b 的活 性随着无机碳源浓童的增加而升高，但是当无机碳浓度增加到2 0 9 l 时，a n a o b 的活性受到抑制【7 8 。y a n g 等在添加充足的无机碳后的3 2 天内，发现a n a m m o x 的脱氮率从5 2 上j十到1 1 8k g - n ( m 3d ) ，证实了无机碳源浓度对a n a o b 的富集的 影响是正面的。因j电，无机碳源对a n a o b 的富集起重要的作用，并且在稳定运行 过程中影响其活性 7 9 8 1 1 o 无机碳源对s li a r o n 工艺和a n a m m o x 工艺的启动及运行影响的研究已比 较成熟，但是其对单级自养脱氮系统的影响的研究还处于初级阶段，仍需进一步 的研究。 基质浓度 基质浓度对单致自养脱氮系统的影响主要体现在f a 和自由亚硝酸( f n a ) 对 a o b 和a n a o b 的影响。 f a 浓度范围柏：0 1 - 1 0 m g l ，f n a 浓度为0 0 1 1 0 0 2 3 m g l 时n o b 的活性受 到影响；f a 和f n l 对a o b 的影响范围高于对n o b 活性的影响范围，f a 的浓度 范围为1 0 - - 1 5 0 m g l。，f n a 浓度范围为0 1 o 4m g l ，因此可以通过控制f a 的浓 度富集a o b 同时j手系统中的n o b 淘汰【1 2 。3 2 弼】。f a 和f n a 的浓度对a n a o b 活 性的影响在1 2 2q，已详细论述。 季丽丽等在s ll r 内采用控制f a 浓度的策略实现单级自养脱氮系统的研究中， 通过控制f a 浓度!e 现亚硝化细菌的富集和单级自养脱氮系统的成功启动，该研究 分为两个阶段：一黾亚硝化细菌富集阶段，在t = 3 l4 - 2 0 c ，p h 控制在7 8 左右的 重庆大学硕士学位论文 范围内，f a 的浓度变化是通过进水n h 4 + - n 的浓度( 5 6 4 4 6 r a g l ) 调节实现的， 通过控制f a 的浓度成功的将n o b 从s b r 中“洗掉”，通过活性检验可知好氧氨 氧化活性较高为2 1 9k g ( k g d ) ，而亚硝酸盐氧化活性极低仅为0 0 3k g ( k g d ) ；二 是a n a o b 混合接种阶段，此阶段通过调整进水n h 4 + - n 浓度和p h 控制f a 的浓 度，反应器成功启动后，系统具有较高的好氧氨氧化活性和a n a m m o x 活性，其 值分别为2 8 3k g ( k g 。d ) 和o 6 5k g ( k g d ) ，因此，可以通过控制f a 实现单级自养脱 氮【8 4 1 。 d o 在单级自养脱氮系统中，d o 是研究的焦点。在系统中，d o 浓度是一个限制 因素，不仅要满足a o b 的需要，而且要低于对a n a o b 产生抑制作用的浓度5 限8 5 1 。 h a o 等通过建立数学模型分析c a n o n 工艺的结果表明：当t = 2 0o c ， d o = 0 3 m g l ，进水n h 4 + n 负荷为0 5 9 ( m 2 d ) 时，总氮去除率为8 8 ，而当温度 升高到3 0o c ，d o 浓度提升到1 3 m l ，进水n h 4 + - n 负荷提升到2 9 ( m 2 d ) 时， 总氮去除率为8 2 ，这说明单级自养脱氮系统中最适的d o 应随进水氨氮负荷的 变化而进行调节1 8 5 j 。 曝气方式也是影响单级自养脱氮系统脱氮效果的因素之一。方芳等分别采用 连续曝气和间歇曝气两种方式构建单级自养脱氮系统。在进水氨氮负荷为 8 0 m g ( l d ) ，温度为3 0o c ，p h = 8 的条件下，采用连续曝气方式的系统，系统内 d o = 0 8 1 0 m g l 时，总氮和氨氮的去除率分别为7 0 幂1 ：i8 0 ；采用停曝比为2 h ：2 h 间歇曝气方式的系统，在曝气阶段d o 浓度为2 0 - 2 5 m l ，停曝阶段d o 浓度为 0 2 - - 0 4 m e j l 时，总氮和氨氮的去除率分别为8 0 和9 0 。在停曝比为2 h ：2 h 间歇 曝气系统中曝气阶段的d o 浓度高于连续曝气的d o 浓度，其脱氮效果优于连续曝 气系统的脱氮效果【8 6 1 。 1 4 脱氮微生物胞外聚合物的研究进展 胞外聚合物( 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 ) 是附着在细菌表面、与 细胞膜没有直接相连的凝胶状大分子物质。e p s 主要来源于：细菌新陈代谢产生 的胞外分泌物、细菌自溶、对外界环境物质的吸附以及细菌表面的物质脱落。e p s 中存在磷酰基、羟基等大量带负电荷的官能团【8 7 】。由于e p s 带有负电荷并高度含 水的特性，有利于细菌凝聚形成稳定的菌落，因此，在生物膜以及颗粒污泥的形 成和稳定中起到重要作用1 8 8 】。通常将e p s 分为两个部分溶解型e p s 和结合型e p s ， 根据e p s 分布的位置，与细胞表面结合的紧密程度，结合型e p s 又分为紧密结合 型( t i g h t l yb o u n de p s ，t b ) 和松散结合型( l o o s e l yb o u n de p s ，l b ) 1 8 9 - 9 0 。e p s 主要是由蛋白质( p n ) 、多糖( p s ) 、腐殖质、核酸等大分子有机物组成，其中含 量最多的是蛋白质阳多糖，二者之和占e p s 总量的7 5 8 9 ，p n p s 比值( 以重 量计) 在0 2 5 的；苞围【9 1 1 。e p s 的空间结构与特性、组成成分与含量见表1 5 。 表1 5e p s 的空间结构与特性、组成成分与含量 t a b l e1 5 s p a c es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fe p s 结构特点 参考文献 包含了溶解性的大分子、胶体、粘性物质， 游离于溶液中，而非吸附在细胞体表面 三竺 结合 ：合型鬣孑磊言募i 纛篡 结构 羔 缘的粘液层 。 合型篆孟萎嚣嚣嚣露二嚣纂 细胞壁外 含量 多糖( p s ) 2 0 6 0 组成蛋白同i ( p n ) 3 0 * , - 8 0 成分腐 殖质10 2 0 9 2 - 9 4 耄；酸乙3蚤【召u 重庆大学硕士学位论文 平 1j s - u o 。这是采用充足的d o 有利于好氧微生物的生长，因此可以在较短的时间 内生物膜达到较厚的水平以形成内部厌氧，外部好氧的微环境这一生物膜形成理 论。这一微观环境的形成为后续的a n a m m o x 过程提供了空间基础。 部分亚硝化是废水短程脱氮的第一步。n o b 在d o 浓度高于1 8 m g l 时，就 有较高的生长速率，并且在供氧充足的条件下容易产生硝酸盐积累 ( n 0 3 - - n n o x - - n ) 的现象【l 矾】。由于较高的d o 浓度容易产生硝酸盐积累，因此 可以通过控制f a 浓度，使其处于适宜的浓度范围限制n o b 的活性。a n t h o n i s e n 等 发现当f a 浓度为o 1 1 0m g 儿时就开始对n o b 的活性产生抑制作用，而当 f a 浓度为1 0 1 5 0m g 儿时才会对a o b 的活性产生抑制【l2 1 。因此，在这个试验 阶段，s b b r 中f a 的浓度控制在3 9 8 一1 5 9 3m g l 的范围内，既可以抑制n o b 的 活性，又不会影响到a o b 。因此，在启动阶段严格控制f a 的浓度进行有效的抑 制n o b 的活性在本研究中是可行的。从第1 1 3 天，反应器的进水氮负荷( n l r ) 为o 0 6k g - n ( m 3 d ) ，水力停留时间为2 4 h ，亚硝氮积累率( n a r ) ( n 0 2 - - n n o ，。- n ) 维持在4 0 左右。第1 4 8 0 d ，进水氨氮浓度控制在0 1 lk g m 3 。n a r 也随之升高， 最高值达到9 0 ，同时n o r 降低( 图2 7 aa n d7 d ) ，这说明a o b