（环境工程专业论文）厌氧氨氧化细菌的富集培养及其影响因素的试验研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文摘要 摘要 厌氧氨氧化技术是目前已知的最经济的生物脱氮方法，与传统的硝化反硝化 技术相比具有需氧量低、运行费用低和不需外加碳源等优点。但厌氧氨氧化细菌 的难培养性制约了其工程应用的发展。本文通过对从普通污泥中筛选培养出的厌 氧氨氧化污泥的富集培养以及对休眠的厌氧氨氧化污泥活性恢复的研究，探讨如 何更好地解决处理工艺中a i l a m l n o x 活性污泥泥源难获得的局面。同时考察了基 质浓度、温度、p h 值等因素对厌氧氨氧化反应的影响，还研究了反应过程的动 力学。这些研究将有助于更好地指导工艺的运行。本试验采用的废水为人工配水。 本研究成功地对好氧接种污泥经过自养菌筛选后得到的污泥进行了厌氧氨 氧化细菌的富集培养。富集试验中，在进水高浓度条件下，采用分批进水的方式 较好。经过6 0 多天的培养，系统达到的最高总氮负荷为0 3 5 7 k g n ( m 3 - d ) ，且总 氮去除率稳定在9 2 以上。 对休眠的厌氧氨氧化污泥进行了活性恢复的研究。试验表明，保存得当的厌 氧氨氧化污泥是可以恢复高效厌氧氨氧化反应能力的，在2 3 天内就恢复了厌氧 氨氧化活性。污泥活性恢复试验中，集中进水的方式是适宜的，而不同的负荷对 厌氧氨氧化污泥的活性恢复是有影响的，控制反应器容积负荷为o 0 3 9 k g n ( m 3 d ) 时，对应起始污泥负荷2 0 4 1 0 5 k 窖n ( g m l s s d ) ，起始进水基质浓度为 1 5 0 m g n h 4 n l 和1 8 0 m g n 0 2 - n l 是比较合适的。同时，向反应器中短暂添加 适量的反应中间产物羟胺是有利于反应进行的，能更好地促进厌氧氮氧化污泥活 性的恢复和提高 通过试验发现，不同的基质浓度对厌氧氨氧化的反应速率是有影响的。厌氧 氨氧化反应适宜的温度在3 0 c 4 0 c 之间，且试验得到厌氧氨氧化反应活化能 五a 为6 8 7 k j m o l ，属于对温度变化比较敏感的反应类型。在本试验条件下，厌 氧氨氧化反应的适宜p h 范围在8 o 堪5 之间，最适宜的p h 值为8 0 。 研究发现，本系统内的厌氧氨氧化反应，用m o n o d 模式可以较好地描述其 底物降解过程，且在该模式条件下，得到氨氮降解动力学参数为k a = - 1 8 2 3m g 几， k = - 1 6 8 1 m g c l h ) ；亚硝酸盐降解动力学参数是k s = 2 9 9 5 m g l ，k = 2 2 1 7 m g ( l h ) 。 不同温度下，厌氧氨氧化反应的动力学常数及其反应速率是不同的，本试验分别 得到了系统在2 5 、3 0 、3 5 、4 0 下的动力学反应常数。 本文对厌氧氨氧化细菌进行了初步的f i s h 检测试验，为下一步的试验提出 了建议。 关键词；厌氧氨氧化，生物脱氮，富集培养，动力学 丝丝望竺竺墅! ! ! 些竺竺坐堕堡! ! ! ! 堡唑型：! 生唑鲤垒丝型 a b s t r a e t 叮圮t e e l m o l o g yo fa n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ( a n a m m o x ) i st h ec l l n e mm o s t e c o n o m i c a lm i c r o b i a ln i t r o g e nr e m o v a lm e t h o d i th a st h ea d v a n t a g eo fl o wo x y g e n d e m a n da n dl o wo p e r a t i o nc o s ta n dw i t h o u te x t r ac a r b o ns o i i i c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o m ln i t r i f i c a t i o na n dd e n i t l i f i e a t i o nt e c h n o l o g y h o w e v c l t , t h ed i 伍e u l t i e so f c u l t i v a t i o no f a n a m m o xb a c t e r i al i m i t e dt h ed e v e l o p m e n to f a p p l i c a t i o nt of u l l - s c a l ep l a n t i nt h i sp a p l e r ，t h ec u l t i v a t i o no f a n a m m o xs l u d g es c r e e n e df r o mt h en o r m a ls l u d g ea n dt h e r e s t o r a t i o no fr e s t i n ga n 翻n m o xs l u d g ew 唧l 僦e l a e dt os o l v et h i sp r o b l e m t h e i n t t u e n e e so fs u b s u a l ec o n c e n t r a t i o n , t e m p e r a t u r ea n dp hv a l u ee t c 0 1 1t h ea n a m m o x r e a c - t i o n sw 骶a l s or e s e a r c h e di nt h i sp a p e r 1 1 璩k i n e t i cm o d e lo ft h er e a e t i o mw 毯 i n v e s t i g a t e dt oi n s t r u c tt h eo p e r a t i o no f a n a m m o xp 】c e 鹞s y n t l 蜘cw a s t e w l l l 盯w a su s e d i nt h i sl 曲d y o 1 1 地a l l a n l m o xb l l c t c l t i aw 锄s u c c e s s f u l l yc u l t i v a t e df r o mt h ea n a m m o x s l u d g e ， w l f i e hw 雠s c r e e n e df r o mt h ea e r o b i cs l u d g e d u r i n gt h ee m i e l a m e n to f b a c t e r i a , i ts h o w e d t h a tt h ei n t l u e n tw a t e rs h o u l db ea d d e di nb a t c h 1 1 坞w h a l ee n r i e l m a e n tp e r i o dt o o k s6 0 d a y s i nt h er e a e t i o ns y s t e m , t l a eh i e , h e s tn i t r o g e nl o a d i 丑gw 笛0 3 5 7 k e , n ( m 3 d la n d h a da s t a b l e9 2 n i t r o g e nr e d u c t i o n t h er e s e a r c ho f r e s t o r a t i o no f t h er e s t i n ga u a l l l m o xs l u d g es h o w e dt h a tt h ea b i l i t yo f a l l f l l n l n o xl l 翘c t i o nc o u l db er e s t o r e df r o mt h ew e l l - r e s e r v e da l l f l l n m o xs l u d g ei n2 3d a y s d u r i n gt h er e s e a r c ho fr e s t o r a t i o no ft h er e s t i n ga n a m m o xs l u d g e , l b eh 秀c t d rv o l u r a e l r i e l o a d i a g ，s l u d g el o a d i n ga n d c o n c e n t r a t i o no fi n f f l e n tb a s e si n f l u e n c e dt h er e s t o r a t i o n , a n d 也e yw e 卵i n i t i a l l y c o n t r o l l e da t 0 0 3 9 k e , n ( m 3 d ) 2 0 4x1 0 。k g n ( g m l s s d ) a n d 1 5 0 m g n i - 1 4 + - n ll g o m g n 0 2 - n l ，r e s p e c t i v e l y a tt h en l e a n t i m e , t h ep r o p e ra m o t m lo f m e d i ap r o d u c t , h y ( i x y l 衄i 酏，w 罄a d d e di m o 悲a 咖：t h i sw 笛g o o dt ot h el p a c l i o na n d a c c e l e r a t e dt h er e s t o r a t i o no f a u a l n m o xs l u d g e i tw a sd e m o n s t r a t e dt h 越t l m ew e r es o m ei n t l u e n e e so fs u b s l l l l t ee o n c c n l r a t i o no l lt h e a n l t n l m o xr e a c t i o nr a t e i nt h i s 弘i p e r ，t h ep r o p e rl e a 以o nt e m p e r a t u r ew c l eb e t w e e n3 0 0 a n d 加t h er e l l c l j o l la c t i v a t i o ne n e l g y ( 面) w 鹤6 8 7 k j m o ! t h ep r o p e rp hv a l f o r t h ea n a m m o x 职卸：t i o nw a sb c t w e 日l8 0a n d8 5 柚dt h eb e s tw 嬲8 0 i tw a si n d i c a t e dt l l a tt h em o n o dr a o d ed e - s e r i b e dt h ed e g r a d a t i o no ft h ea m m o n i a n i t r o g e n t h et e m o e r a t u 陀o t 2 5 1 2 ，3 0 1 2 ，3 5 ( 2 a n d4 0 1 2w e r eu s e dt oo b t a i nt h ek i l l e t i c p t l l a m e t a s f o rt h ea m m o n i an i t r o g e nd e 掣删o n t h ec a l c u l a t e dp a r a m e t o r sw e l 呛k s 墼望些型竺堕! ! 塑旦! 堡苎型! ! 坠! 竺! ! 型：! 丝唑! 堡! 一丝! 坚生 - - 1 8 2 3m g la n dk = 1 6 8 1m g ( l h ) f o rt h en i t r i t ed e g r a d a t i o n , t h ec a l c u l a t e dp a 础毗威懿 w e k s - - - 2 9 9 5 m g l a n d k = 2 2 1 7 m g ( l h ) 。 t h i sp a p e rm a d eap r i m a r yf i s hd e t e r m i n a t i o nf o rt b ea n , 越n m o xb a c t e = r i a a n d p r o v i d e st h ei m p o r t a n ta d v i c ef o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r d x k e yw o r d s ：a n a m m o x ，b i o d c m i t r i l i c a t i o n ，e n r i c h m e n t a n dc u l t i v a t i o n ，k i n e t i c s h i 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担 论文作者签名：纽日期：丝宰鼻金月二1 日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文 的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于 收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意 学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全 部内容 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 锾弛 日期：2 三2 年乞月堕日 指导教师繇雄魄孕咀月4 日 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，含氮化合物的排放量急剧增加， 已成为环境的主要污染源而引起各界的关注。氨态氮是水相环境中氮的主要形态【“， 是水体富营养化和环境污染的种重要污染物质，进入水体可引起水体缺氧，滋生有 害水生物，导致鱼类中毒。此外，氨氦的存在给水处理带来了困难，在用氯消毒时， 氨氮会与氯气作用生成氯胺，明显降低氯的消毒效率，大大增加了氯的需求量【羽。氨 转化为硝酸，又由饮用水而诱发婴儿的高铁血红蛋白症，硝酸盐进一步转化为亚硝胺 则具有严重的“三致”作用，直接威胁着人类的健康。因此，经济有效地控制含氨氮 废水污染已经成为当今环境工作所面临的重大课题。 国外从上世纪6 0 年代末开始研究开发废水的生物脱氮工艺技术，8 0 年代开始广 泛应用于城市污水和部分工业废水中营养物的去除【3 l 。我国从8 0 年代以来也开始了 脱氮方面的研究工作，并取得了一定的进展。但由于脱氮过程要消耗碳源和碱度，传 统脱氮技术的应用受到了一些限制，它们不能用来处理高浓度的含氮废水和低碳氮比“ 的废水。 上个世纪末发现一类自养型细菌能在厌氧的环境下利用n h 4 + - n 和n o z - n 来生 长，生产出氮气。这种细菌利用c 0 2 作为自身生长所需的碳源，整个过程无需另外 投加有机物。这为生物脱氮技术提供了无限生机，如果能把这一原理应用于工程和工 业化，处理目前难处理的高浓度含氨废水，必将大量节省脱氮过程中的能源和碳源i 而这越来越成为脱氮研究热点，国内外许多学者都开展了这方面的研究。本课题的研 究就是在这种背景下提出的，通过对菌种的培养过程研究，以期能把自养型的厌氧菌 脱氮技术应用于实际。 1 i 脱氮的必要性 1 1 1 水环境中氮素的来源和形态 水体中的氮素主要有以下来源【4 】：大气干湿氮沉降、农田土壤流失、降雨径流、 点源及其他面源污染以及水体内部沉积物释出等，另外大气中的氮也可以通过蓝绿藻 和某些细菌的生物固氮作用而进入地面水体。氮素直接进入水环境的方式可参见表 1 1 。 茎型堑垫兰堕堡主兰垡丝苎 茎二童! 鱼 裹卜1 氯的来源及进入水环境方式 氮的来源 进入水环境方式 污水厂出水 直接排放和灌溉 工业生产 污水捧放、进入地下水或通过降水 未经处理污水 直接排放 火山活动 降水、风和重力沉降 农业施肥 地表径流和地下水运动 动物废弃物 挥发、降水、地表径流和地下水运动 动植物残体腐败 地表径流和地下水运动 污水处理厂污泥 直接废弃或农用 船舶等交通工具 直接捧放 非市区径流 直接排放 化石燃料 降水、风及重力沉降 天然固氮作用 就地 土壤和地壳的变动 风和重力沉降 填埋沥出液 地下水运动 些茎垫墨鎏壅 丝! 堑垫 废水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种形式存在污水中有机氮和 氨氮的总量称为总凯氏氮( t o t a lk j e l d a h in i t r o g e n , t k n ) 。在生活污水中，主要含有 有机氮，它们均来源于人们食物中的蛋白质。新鲜生活污水含氮中有机氮约占总氮的 6 0 ，氨氮约占4 0 。, 6 。当污水中的有机物被生物降解氧化时，其中的有机氮被转化为 氨氮。经活性污泥法处理的污水有相当数量的氨氮捧入水体，可导致水体富营养化 水体若为水源，将增加给水处理的难度和成本。因此二级处理的出水有时需进行脱氮 处理。 1 1 2 氮的危害 过多的氮化合物进入天然水体会恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康。 氮污染主要有以下一些危害： 1 氨氮消耗水体中的溶解氧。氨氮随污水排入水体后，可在硝化细菌的作用下 继续被氧化为硝酸盐【5 1 。要是水体中氨氮浓度过高，会大量消耗水体中的溶解氧，引 起鱼类和其它水生生物的死亡。 2 氨氮能与氯作用，生成氯氨，并被氧化为氮。当含有高浓度氨氮的水体作为 2 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 给水水源，或对含氮量较高的污水厂出流进行氯化消毒时，会增加水厂对( 给) 捧水 的氯消耗量。 3 氮化合物对生物有毒害作用。氨氮会影响鱼鳃的氧传递，对多数鱼类而言， 水中游离氨的致死量为l m g n 。口】。硝酸盐和亚硝酸盐有可能转化为亚硝胺，而亚硝胺 是致癌、致变和致畸的“三致”物质，对人体有潜在的危害。 4 刺激地表水中植物和藻类的过度生长。植物和藻类的生长离不开营养物质。 在自然水体中，它们的生长通常受氮、磷的限制。由于水生植物所需的n p 为4 - - 1 0 ( 质量比) ，而寡营养型湖泊的n p 大于1 0 ，因此磷的限制作用更大1 4 。而氮素随污 水持续进入水体，可引起水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) ，造成水生植物和藻类过度 生长，并由此衍生出一系列不良的后果1 2 j 。 1 1 3 氮的控制要求 由于水质富营养化的问题日益严重，世界各国对污水中氮磷捧放量的控制也越来 越严，尤其近二三十年间，氮允许排放的数量和浓度越来越低，氮的考核指标也由单 一的氨氮指标发展到总氮( 氨态氮、硝态氮和有机氮的总和) 。 如德国除要求到1 9 9 5 年有8 5 的污水处理厂达到三级处理标准外，还要求到 1 9 9 9 年污水厂出水每2 小时取样的混合水样中至少有8 0 0 0 ( 5 个水样中至少有4 个) 满足总无机氮小于等于5 r a g t , 的要求，否则就需交纳排污费 3 1 ；奥地利于1 9 9 0 年颁 布了“污水排放法”，其中要求人口当量大于5 0 0 0 0 的污水处理厂出水2 4 小时混合水 样的8 0 达到：氨氮小于等于5 m g l ，总氮去除率大于等于6 0 0 。此外，欧共体于 1 9 9 1 年5 月颁布了有关污水处理的法令，其中不仅对污水处理厂出水中的c o d 、 b o d 5 和s s 作了严格的定量规定，还对排入“敏感”水体( 如已经或将要发生富营 养化的水体、用作水源的水体) 的处理厂出水中的氮和磷作了严格的规定，如对于人 口当量在1 0 0 0 0 - 一1 0 0 0 0 0 的污水处理厂，其出水中的总氮不得超过1 5 r a g l ：对人1 ：3 当 量越过1 0 0 0 0 0 的污水处理厂，其出水中的总氮不得超过l o m g l 。 我国的控制标准也越来越严了。在我国1 9 9 6 年发布的污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 【6 】( 代替了g b 8 9 7 8 8 8 ) 中，明确规定了适用于大多数行业和城 市污水处理厂的氨氮一级出水标准为1 5 m g n l ，近期还可能严格对氮的控制要求， 达到5 m g n 1 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 氨氮新扩1 5 改现2 5 有新2 扩5 改现4 0 有 氨氨 1 5 1 5 5 0 2 5 g b 8 9 7 8 - 8 8 g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 注；表中使用范围是指。医药原科药、染科、石油化工工业” 表中 使用范围是指。其他捧污单位 从上表中可以看出我国对污水中氨氮的捧放控制是越来越严格。g b 8 9 7 8 9 6 以标 准发布时所规定的实施日期为界，划分为两个时间段。即1 9 9 7 年1 2 月3 1 日前建设 的单位，执行第一时间段规定的标准值；1 9 9 9 年1 月1 日起建设的单位，执行第二时 间段规定的标准值。其中，第时间段的标准值，基本上均严于g b 8 9 7 8 8 8 的现有 企业标准，与g b 9 9 7 9 8 8 中新扩改企业的标准水平相当，实现了标准的滚动性。第 二时间段的标准值，也基本维持g b 8 9 7 8 8 8 中新扩改的企业标准的水平。这些都反 映了我国对氮危害的重视性以及对其的控制严格性。但是g b 8 9 7 8 8 8 、g b 8 9 7 8 1 9 9 6 都只是规定了氨氮的出水指标，这样实际上城镇污水厂只要做到硝化就可以了，仅仅 为了达标很可能会忽视反硝化作用，而不能实现真正的脱氮。由此国家相关部门在 2 0 0 2 年1 2 月颁布了城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) ，更加严格 的控制了企业单位排出的氨氮浓度，并新增规定了排放的总氮浓度。 ，nj 襄1 - 3 城镇污查处理厂污染物捧放标准 中氯素的捧放标准川单位：m g l 注，表中最下一行中的括号外数值为水温大于1 2 0 c 时的控镧指标，括号内敲值为水温不高于1 2 c 时的控翻指标 1 2 废水脱氮技术 1 2 1 概述 废水中氨氮的去除方法主要有物化法、生物法等。物理方法有反渗透法、电渗析 法、蒸馏法等：化学方法有空气吹脱法、离子交换法、折点氯化法、电化学处理法嗍 等；生物方法有硝化一反硝化法等。对于给定的废水，氨氮处理技术的选择主要取决 4 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 于：水的性质：要求达到的处理效果；经济性。除此之外，处理后出水的最后 处置，也是必须考虑的因素之一。虽然许多方法都能有效地去除氮氮，但目前只有少 数几种能真正的应用于工业废水的处理。因为它们必须同时具有应用方便、处理性能 稳定可靠、适合于废水水质波动及较为经济等优点 氨氮处理技术的选择还与氨氮的浓度密切相关。根据氨氮含量的不同，可将含氮 废水分为三类1 9 ：高浓度氨氮废水，其浓度大于5 0 0 r a g l 中等浓度氨氮废水， 浓度范围5 0 - 5 0 0m g l ；低浓度氨氮废水，浓度范围小于5 0m p j l 。另外，用生物 法处理废水时l l o l ，有机碳的相对浓度是应该考虑的重要因素。维持最佳碳氮比例 ( c ：n ) 是生物法处理成功与否的关键之一。若该比例过低，碳含量相对较少，会导 致氨的挥发：若该比例过高，碳含量相对较高，则废水中有机碳的生物处理将不稳定， 还需补充适量的氮。若废水不宜直接进行生物处理，则采用物化法或物化生物联 合法达到捧放要求较为经济。 1 2 2 传统生物脱氮技术 废水中有机物和氨的脱除传统上认为是两个相反的过程：自养菌的硝化和异养菌 的反硝化。自养菌在好氧的条件下把氨氧化为n 0 3 。然后异养菌在缺氧条件下利用碳 源把n 0 3 - 还原为氦气。在这过程中，氦的转化走过了n l i 一n h 2 0 h 寸n 0 2 。_ n 0 3 - ) n 0 2 n 0 一n 2 0 - - - n 2 的全过程【1 0 。1 1 1 2 1 3 1 。其中n o 、n 2 0 和n 2 是产物，而n 2 是主要 产物。传统生物脱氮的基本原理在于通过硝化反应先将废水中的氨氮氧化为硝酸盐 氮，再通过反硝化反应将硝酸盐氮还原成气态氮从水中逸出。 1 、自养菌硝化： 自养菌的硝化是好氧生物过程，氨首先被氨氧化菌( a o b ) 氧化为n 0 2 ，然后 由硝化细菌( n o b ) 氧化为n 0 3 ，至今还没有发现能把氨直接氧化为n 0 3 的自养细 菌【1 4 l 。对氨氧化菌来说，氨是它生长的唯一能源悯。氨氧化为n 0 2 是两步反应。第 一步由氨单氧酶( a m o ) 催化，需要分子氧； a m o n h 3 + 0 2 + 2 h + + 2 e + n h 2 0 h + h 2 0 ， ( 1 1 ) 第二步反应由n i - 1 2 0 h 单氧酶( h m o ) 催化，不需要分子氧： f 啪 n h 2 0 h + h 2 0 n 0 2 - + 5 i - 1 + + 4 e ， ( 1 - 2 ) 投加的分子氧是作为最终电子受体的。因此，先前由氨氧化菌作中介的硝化过程的核 心步骤是： n h 3 + 1 5 0 2 卜n c h + l r + h 2 0 ， ( 1 - 3 ) 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 然后，生成的n 0 2 由亚硝酸根氧化剂( n o ) 依等式( 1 - 4 ) 氧化为n 0 3 。： n o n 0 2 + h 2 0 + n 0 3 。+ 2 h + + 2 e ，( 1 - 4 ) 传统上认为硝化过程是由专性好氧菌进行的，是在好氧条件下发生的，d o 浓度 高于1 0 m g l f l 6 m 。 2 、异养菌的反硝化： 反硝化是由那些能利用氧化态氮做电子受体的许多种类的细菌把氮氧物的离子 还原为氦气的过程。大多数的这些细菌是兼性的，但更愿意利用氧气作为电子受体。 完整的n 0 3 呼吸链是由以下氮产物构成的：n 0 3 一n 0 2 乙n o - - ) n 2 m n 2 。利用有 机组分作为电子受体的异养菌反硝化是反硝化的最普通形式 硝酸还原曹 6 n 0 3 、2 c h 3 0 h _ 6 n o , + 2 c o z + 4 h ：, o ( 1 - 5 ) 亚硝酸还原曹 6 n o z - + 3 c h 3 0 h 一3 n 2 + 3 c 0 2 + 3 h 2 0 + 6 0 旷 ( 1 - 6 ) 总反应式为； 反硝化蕾 o n 0 3 + 5 c h 3 0 h 。3 n 2 + 5 c 0 2 + 7 h 2 0 佰o i r 一 ( 1 - 7 , ) 这种传统的硝化与反硝化过程反应链很长，硝化过程需要供以大量的氧，能耗较 大。反硝化过程则需要大量碳源，其反应所需要的动力较大，还要补充碱度。由于硝 化菌的世代期很长，所需要的反应器容积也比较大，占地面积较多，用这种方法处理 高氨废水是不经济的。 传统的生物脱氮技术虽然得到了较大的发展，对废水脱氮起到重要的作用，但仍 存在以下主要问题雌1 6 1 7 , 1 8 l ； 硝化反应需要氧的有效供给，使能量消耗大幅增加。 反硝化过程需要足够的有机碳源作为电子供体才能保证脱氮率。废水中有机 物较少、碳氮比较低时，就必须外加有机碳源，这又是种能源的消耗。 自养型硝化菌增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，对氧和营养物质的竞争 能力劣于异养型微生物。因此造成处理系统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增 加了基建投资和运行费用。 活性污泥系统为维持高生物浓度及获得良好的脱氮效果，须同时进行污泥回 流和硝化液回流，增加了动力消耗和运行费用。 为中和硝化过程产生的酸度，需要加碱中和，增加了运行费用。 6 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 新型生物脱氯技术 1 、短程硝化与反硝化 由前述n h 4 州h 2 0 h n 0 2 叶n 0 3 _ n 0 2 蹦o n 2 0 寸n 2 的氮转化过程可以 看出，生物的脱氮过程是不一定要走完全过程的，1 9 7 5 年v o e t i l 9 j 就发现在硝化过程 中l - i n 0 2 积累的现象并首次提出了短程硝化一反硝化生物脱氮( s h o r t c i l t n i 砌c a 6 d 即疏f i c a f i o n ，也可称为不完全或称简捷硝化一反硝化生物脱氮) 。由 氨氧化为n 0 2 的过程可见上节所述，n 0 2 - 氧化为n 0 3 - 的过程较慢，负责此过程的硝 化菌的世代期长，导致硝化区的容积增大。而负责亚硝化的亚硝化细菌生长速率快， 氨转化为n 0 2 的速率高。如果把氨的氧化控制在n 0 2 。阶段，则可减少6 0 以上的因 硝化而产生的酸，并且可大大减少反应周期，节省反应器容积。同时因为曝气时间短， 废水中的b o d 不会消耗过多而影响下一阶段的反硝化过程。在缺氧阶段，反硝化细 菌利用n 0 2 作为最终电子受体，把n 0 2 。还原为氮气。这种由氨氧化为n 0 2 。后直接反 硝化的过程称为短程硝化与反硝化过程，它大大节省了能源，可减少或避免废水中碳 ，氮比不足的问题。 这种短程硝化与反硝化的过程的工艺关键是控制p h ( 7 2 ) 、泥龄( 1 5 ) 【1 9 】。采用短泥龄可以把硝化菌洗出系统，把世代期短的亚硝化细菌保 留在系统中。温度高则有利于亚硝化细菌的快速增长，保持反应器内的高生物容量 短程硝化与反硝化的理论基础还是自养菌的好氧硝化和异养菌的缺氧反硝化，在 处理高浓度含氨废水时，其能耗还是很大，尤其当废水中的c n 比很低时，情况尤 为突出，尾水仍不能达标排放。 2 、同步硝化与反硝化( s n d ) 科研者在不同的系统中发现了在好氧区有反硝化的现象，比如在全规模的连续流 工艺中例，在旋转生物接触池中f 2 儿，上流式固定床的淹没滤池中翰，和s b r 的小试 中瞄 。出现这种情况的原因有几种解释。一是认为这些膜式系统中曝气不足，在膜内 形成了缺氧区，而在膜表面则为好氧区，这样在同一系统中的不同部位同时存在了缺 氧，好氧区，使得自养硝化菌和异养反硝化菌存于同一系统，因而在曝气浊中发现了 有n 2 产生的现象。 近年来，氮生物转化过程中也发现了包括自养硝化菌的反硝化作用( d e n i t r i f i c a t i o n b ya u t o t r o p h i cn i 灯i f i e r ，异养硝化和好氧反硝化在内的过程( h e t e r o t r o p h i c n i t r i f i c a f i o n - a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) 。这些发现就可以解释曝气系统中产生氮气的现象。 若用同步硝化与反硝化原理处理一般含氮废水会比传统硝化，反硝化系统节省反 应器容积、能源( 无需污泥回流) 。但是若用来处理无有机碳源的高氨废水仍是不经 济的，难以实现高的氨氮脱除率。 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 3 、氨的厌氧氧化( a n a m m o x ) 氦的生物转化的新发现对废水处理工艺开发的极其重要方面，尤其是氨的厌氧氧 化作用，具有极大的发展前景和优点。a l l a m m o x 反应器中的优势菌在无分子氧的条 件下，能利用n 0 2 作为电子受体，n i - h + 作为电子供体，把n i - 1 3 氧化为n 2 ( n 0 2 同时也还原为n 2 ) ，这一过程称为氨的厌氧氧化( a n a m m o x ) 。n 0 2 的形成可以在有 限氧( 扩散) 的硝化生态系统中，也可以发生在有限电子供体( 硫化物或有机底物) 的n 0 3 反硝化中，因此创造适宜a n a m m o x 条件的环境是能达到的。研究表明 a i 埘n m o x 的优势细菌是革兰氏阴性化能自养菌属，属于p l a n c t o m y c e t a l e s 自养菌门， 只需以c 0 2 ( c 0 3 2 。) 作为碳源，其污泥泥龄长，污泥处置费用低【矧。因而，若利用 这类微生物处理高氨、低b o d 的废水。将具有很大的技术和经济潜力。而据理论分 析瞵】，利用这一原理将比传统工艺节省6 2 5 的0 2 ，同时不需任何外加碱度和有机物 ( 反硝化菌的碳源和电子供体) ，节省可观的中和试剂，又可以防止二次污染。 苏州科技学院硕士学位论文第二章a n r i b i b o x 工艺基本原理及其研究现状 第二章a n a m m o x 工艺基本原理及其研究现状 厌氧氨氧化( a n a m m o x - a n a e r o b i ca m _ r n o n i u mo x i d a t i o n ) 是指在厌氧的条件 下，微生物直接以m 矿作为电子供体，以n 0 2 作为电子受体，将n h 4 * 和n 0 2 转变 成n 2 的生物氧化过程。在此过程中，氨氮的氧化无需分子态氧的参与，而亚硝酸盐 的还原也无需有机物的参与。厌氧氨氧化技术是目前已知的最经济的生物脱氮途径， 与传统的硝化反硝化技术相比具有需氧量低、运行费用低和不需外加碳源等优点。 生物氮循环是由许多种能催化不同反应的微生物相互作用而形成的。长期以来一 直认为由自养光化学硝化菌进行的氨和n 0 2 的氧化过程是严格好氧的，并且自养硝 化菌的代谢复杂性也是有限的。其过程有几种可能，主要是对中间产物不很明确。也 有报道f i o 2 6 2 7 1 说氨氧化的中间产物有n h 2 0 h 和n 2 h 4 、h n 0 2 、n o 、n 2 0 等。 试验中发现 2 s l ，n h 2 0 h 作为底物时比n 2 h 更具有活性，因为n h 2 0 h 能比n 2 m 还原更多不同的细胞色素，其吸收峰值为p 4 6 8 n m 。c a a a f 等 4 1 采用n 的示踪实验研究 表明，a b r u i i n o x 是通过生物氧化的途径实现的，过程中最可能的电子受体是羟胺 ( n h 2 0 h ) ，而羟胺本身是由亚硝酸盐产生的。他们提出可能的反应途径见图2 1 所示。， 当反应系统中有过量的羟胺和氨时，将发生暂时的联氨( n 2 h 4 ) 的积累( 见图2 1 ) ，联氮 转化为氮气的过程是为了给n 0 2 一还原为羟胺的反应提供等量的电子 n l - h * n h 2 0 h 亚一n q 。盈一n o ； 田2 - 1 厌氲氨氯化反应模基【1 e l 氨被羟胺氧化形成联氨：联氨产生氮气和还原当量，后者被用于亚硝酸盐产生更多的羟胺i 亚硝酸盐被氧化成硝酸盐产生还原当量用于细胞生长 9 苏州科技学院硕士学位论文第二章a 咖m “工艺基本原理及其研究现状 厌氧氨氧化过程涉及的化学反应为： n h 3 + n h 2 0 h _ n 2 i - h + h 2 0 ： n 2 h 4 荆2 + 4 【h 】； h n o z “嗍呻u h 2 0 h + h 2 0 ： n h 3 + h n 0 2 - * n z + 2 h 2 0 ； h n 0 2 + h 2 0 + n a d + 一h n 0 3 + n a d h 2 ； ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 根据上述的模型1 2 9 】，厌氧氨氧化菌以羟胺为氧化剂，把氨氧化成联氨：联氨再氧 化成氮气。在这个模型中，亚硝酸盐具有三种功能：一是作为羟胺的前体；二是作为 电子汇，处置反应产生的电子；三是作为能源，在其氧化为硝酸盐的过程中产生还原 当量。 s c h a l k 等f 蚓研究了联氨的厌氧氧化，他们结合1 ，n 的示踪研究的结果，认为氨和 n h 2 0 h 在细胞质内被一种膜包裹的复杂酶催化为n z h 4 。n 2 h 4 在细胞质内转化为氮气， 它产生的电子通过电子传递链传递给细胞质内的亚硝酸还原酶，n 0 2 则被还原为 n i - 2 0 h ，发j 霓n t i - 2 0 h 是被加i 觚瑚0 x 最快代谢掉的产物。提出了a n m m o x t 艺的反应， 机理( 见图2 - 2 ) 。可见与g 越a f 等提出的理论是相类似的。 n 0 2 重2 - 2s e h m l k 等提出的a 蚰m m 工艺的反应机理i 州 2 2 2a i 衄o x 的生化反应机理 h o o p e r 等【3 i l 对亚硝化单胞菌属细菌p 咿q m 阳的生物化学进行了相当充分的 研究，主要集中在氨单加氧酶和羟胺氧化还原酶h a o 。v a nd eg r a a f 等1 3 2 1 用i s n 标 记n 化合物研究厌氧条件下的氨氧化，在h o o p e r 等研究的基础上，提出了厌氧条件 下以亚硝酸盐为电子受体的氨氧化代谢途径，如图2 - 3 所示 1 0 苏州科技学院硕士学位论文 第二章 n 锄哪x 工艺基本原理及其研究现状 圈1 - 3b r o e a t o aa n a m m o 蜘生化反应梗量 按照这个模型机理冽，亚硝酸盐还原酶( n i r ) 定位于细胞膜的细胞质一侧，催 化亚硝酸盐还原成羟胺；假设存在一个跨膜的联氨水解酶( 唧) ，催化羟胺和氨缩合 成联氨i 联氨氧化酶( h z 0 ，可能是h a o ) 定位于细胞膜的厌氧氮氧化体一侧，催一 化联氨转化为氮气；释放的电子通过传递链交给亚硝酸盐还原酶。 2 2a n a l m n o x 细菌及其特征 2 2 1 厌氧氨氧化菌系统发育特征 富集的厌氧氨氧化污泥一般呈红色，细胞色素c 含量高，在4 7 0 r i m 处具有较强 的吸收峰。富集物中厌氧氨氧化菌为革兰氏阴性球菌，细胞形态不规则，多呈弯月状。 在电子显微镜下表现出的微生物特性【3 习说明a i 姗m o x 菌属于最古老的古生物菌 ( a r c h a e a ) 或分支很深的细菌栖热孢菌属( t h e r m o t o g a ) 和产液菌属( a q u i f e x ) 。 1 6 s r r n a 的分析确认了a n a m m o x 菌在微生物分类系统中属于p l a n c e t o m y c e t a l e s 目。 由于厌氧氨氧化菌生长缓慢且高细胞浓度时才具有活性，采用常规的微生物学方 法难以进行分离鉴定，截止目前仍未分离到纯种的厌氧氨氧化菌，但采用分子生物学 方法( 详见2 3 节) 无需纯培养，己鉴定出五个属的厌氧氨氧化菌。 s l r o u s 等l 蚓首先鉴定出厌氧氨氧化菌是浮霉状菌目( p l a n c e t o m y c e t a l e s ) 的一个分 枝。以芽殖方式繁殖，细胞壁上具有漏斗状结构。从s b r 中鉴定的c a n d i d a t u s b r o c a d i a a n a m m o x i d a n s ( 以下简称为置a n a m m o x i d a n s ) ，只有在细胞浓度超过1 0 1 0 1 0 “个m l 1 时，才具有厌氧氨氧化活性。为鉴定环境中其他厌氧氨氧化菌，它的1 6 s r d n a 基因 序列被用来设计寡核苷酸探针以用于荧光原位杂交 3 s l ( f l u o r e s c e n ti n s i t u h y b r i d i z a t i o n ，f i s h ) 。采用这种技术，s c h m i d 等【3 6 】在德国几个污水处理厂发现了一 种新的厌氧氨氧化菌，其1 6 s r d n a 序列与b a n a m m o x i d a n s 少于9 0 0 的相似度( 只有 苏州科技学院硕士学位论文第二章a l l a m m o x 工艺基本原理及其研究现状 8 5 ) ，形成了一个明显的独立种群，因此，这种新的厌氧氨氧化细菌被命名为 c a n d i d a t u sk u e n e i as t u t t g a r t i e n s i s ( o t 简称为k s t u t t g a r t i e n s i s ) 。e g l i 等 3 7 1 在瑞士 k o l l i k e n 附近的处理有毒废物垃圾填埋场生物转盘中富集到一种厌氧氨氧化菌，其 1 6 s r d n a 序列与k s t u t t g a r t i e n m s9 8 5 9 8 9 相同。且在较低的细胞浓度( 2 l 舻 个m l ) 下即具有活性。t - o h 掣弼】在澳大利亚悉尼的生活污水处理厂污泥中分离和 富集到一种自养厌氧氨氧化菌群，主要细菌与丑a n a m m o x i d a n s 有着相似的形态和 1 6 sr d n a 序列，因此可认为是该种细菌，但其产物中n 2 含量不明显，可能与b r o c a d i a a n a m m o x i d a n s 的代谢途径不同。最近研究发现