（环境科学专业论文）常温低基质浓度下厌氧氨氧化反应器的脱氮性能研究.pdf

应器影响显著。厌氧氨氧化反应的最适p h 值为6 7 8 5 。当p h 值低于6 7 或高于8 5 时，引起废水中的游离氨( f a ) 和游离亚硝酸( f n a ) 的浓度高于8 9 3 m g l 和 2 6 7 1 0 m g l ，抑制厌氧氨氧化反应。当c o d 浓度长期维持在6 0 m g l 以上时，厌氧 氨氧化反应受抑制明显。停止加入c o d ，经过一段时间的运行，厌氧氨氧化反应器能 恢复到初始状态。进水亚硝氮与氨氮之比为( 1 3 5 - - 1 3 7 ) ：1 时，t n 去除率最高，平均 为8 9 o 。本实验条件下厌氧氨氧化反应器的h r t 不宜小于2h 。当亚硝氮的浓度超过 1 4 0 m g l 时，厌氧氨氧化茵就会受到抑制，但是并没有完全失活，估计长时间在此条件 下运行，厌氧氨氧化菌也会逐渐适应，但是也有一个限度。在本试验条件下，并没有对 厌氧氨氧化菌的极限抑制浓度进行测定。 ( 3 ) 将人工配制的s b r 亚硝化进水和s b r 亚硝化出水按1 ：1 的比例混合作为试验 废水进入厌氧氨氧化反应器，结果发现厌氧氨氧化反应器不受影响，运行良好，只是出 水中氨氮和硝氮浓度较高，总氮去除率仅在7 0 - - - 8 0 左右。 关键词：模拟废水，厌氧氨氧化，启动，影响因素，亚硝化一厌氧氨氧化 a b s t r a c t w i t ht h ep e r f e c t i o na n di m p r o v e m e n to ft h es t a n d a r do fh u m a n l i f e ，n i t r o g e nc o n t e n ti n c r e a s e ds h a r p l y a tt h ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n ds e w a g e ，a n dw a t e re u t h o p h i c a t i o no f t e nh a p p e n e d ，s ot h en e wu r b a n s e w a g et r e a t m e n tp l a n tp o l l u t a n t ss t a n d a r d s ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) s t r i c t l yc o n t r o l l e dt h e n i t r o g e na n d p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n so fe f f l u e n ti nc h i n a a st h en e ws t a n d a r d i m p l e m e n t e d ，n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sn e e dr e m o v a lb o t hi nt h ee s t a b l i s h i n ga n de s t a b l i s h e dw w t p s t r a d i t i o n a lb i o l o g i c a ln i t r o g e n r e m o v a lt e c h n o l o g yh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o n gp r o c e s sa n dl a r g ee n e r g yc o n s u m p t i o n a n da n e wc o n c e p tw a sf o u n df o rd e n i t r i f i c a f i o nw i t ht h ed i s c o v e ro 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 ) a n a m m o xi san e wh i g he f f i c i e n t a u t o t r o p h i cb i o n i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g y , i ti n v o l v e st h e a u t h t r o p h i co x i d a t i o no fa m m o n i u mt od i n i t r o g e ng a su s i n gn i t r i t ea se l e c t r o na c c e p t o ru n d e ra n a e r o b i c c o n d i t i o n s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ln 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 ，a n a m m o xh a ss o m ea d v a n t a g e s ， s u c ha sl e s so x y g e nc o n s u m p t i o n ，w i t h o u tp l u sc a r b o ns o u r c e s ，l o ws l u d g e p r o d u c t i o na n df r e eo f s e c o n d a r yp o l l u t i o n ，t h e r e f o r ei th a st h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dah j 【g hd e v e l o p m e n tv a l u e i ti st h e m o s te c o n o m i cd e n t r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y n o w , i th a sc o n f i r m e dt h a ta n a m m o xp h e n o m e n ae x i s t sg e n e r a l l yi nn a t u r e ，m e a n w h i l e ，i tp l a y sa n i r r e p l a c e a b l er o l ei nt h ep r o c e s so fn i t r o g e nc y c l ei nt h eo c e a n t h i sb i o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o np r o c e s si s w i d e s p r e a di nn a t u r ew h i c hh a sah u g ea d v a n t a g ei nd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s ，s oi ft h ea n a m m o xt e c h n o l o g y w a si n t e n s i f i e da r t i f i c i a l l y , a n du s e di nt h es e w a g et r e a t m e n t ，i tw i l lb r i n gh u g ee c o n o m i cb e n e f i t s u n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r ea n dl o ws u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n ，t h e s t a r t - u p ，o p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n d i n f l u e n c i n gf a c t o r sw a sr e s e a r c h e da tt h eu p f l o wa n a m m o xr e a c t o ra tt h i st o p i c t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t s w e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s t a r t - u pa n do p e r a t i o ne f f i c i e n c y i nt h i ss t u d yt h ei n f l u e n tp hf o r7 5 0 7 8 0 n h 4 + - nf o r3 0 4 0 m g l ，n 0 2 - nf o r3 5 5 0m g la n dt e m p e r a t u r ef o r2 0 2 5 w e r ec o n t r o l l e d al a b s c a l eu p f l o w b i o f i l t e rr c a c t o rf e e d e dw i t ht h eo x i d a t i o nd i t c hb a c k f l o w s l u d g ew a su s e dt os t a r t - u pt h ea n a e r o b i c a m m o n i u mo x i d a t i o n ( a n a m m o x ) p r o c e s s f i r s t ，a e r o b i cn i t r a t i o nb i o f i l mw a sc u l t i v a t e d a n dt h e n a n a m m o xb i o f i l mw a sc u l t i v a t e du n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n ，a n d a f t e r2 2 4d a y so fo p e r a t i o n ，t h e l l i a n a m m o xr e a c t o rw a ss t a r t e du ps u c c e s s f u l l y i nt h es t a b l eo p e r a t i o ns t a g e ，t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no f e f f l u e n tn 0 2 - na n dn h 4 + - nw e r e1 4m g la n d4 6m g l ，t h er e m o v a lr a t eo fn 0 2 - na n dn h 4 + - nw e r e 9 5 3 a n d9 0 1 ，r e m o v a lp r o p o r t i o nw a s ( 1 1 8 ) ：1a n df o c u s e do n ( 1 4 1 5 ) ：1 t h en 0 2 - na n d y i - h + - nr e m o v a lv o l u m e t r i cl o a d i n gr a t ew e r e10 4 2m g ( l d ) a n d14 6 0m g ( l d ) ( 2 ) i n f l u e n c i n gf a c t o r s a f t e ra n a m m o x r e a c t o rw a ss t a r t e du ps u c c e s s f u l l y , t h ef a c t o r so fp hv a l u e ， o r g a n i c ，t h er a t i oo fi n f l u e n tn i t r i t ea n da m m o n i u m ，h r t a n ds u b s t r a t el o a d i n gw e r er e s e a r c h e da t ( 2 0 - 士1 ) t h er e s u l ts h o w e dt h a ta n a m m o xr e a c t o rw a se v i d e n t l yi n f l u e n c e db yt h i sf a c t o r s t h eb e s tp hv a l u e w a s6 7 8 5f o ra n a m m o xr e a c t i o n ，a n dw h e np hv a l u ew a si n f e r i o rt o 6 7o ro v e r t o p p e d8 5 ，t h e c o n c e n t r a t i o no ff aa n df n ae x c e e d e d8 9 3 m g la n d2 6 7x10 1 2 m g l ，a n a m m o xr e a c t i o nw a si n h i b i t e d w h e nc o dc o n c e n t r a t i o nw a sm a i n t a i n e da b o v e6 0 m g l ，a n a m m o xr e a c t o rw a si n h i b i t e de v i d e n t l y a n a m m o xr e a c t o rw o u l db a c kt oi t so r i g i n a ls t a t ea f t e rap e r i o do fo p e r a t i o n ，w h e nc o dw a sw i p e do f f t nr e m o v a lr a t ew a st h eh i g h e s ta n da v e r a g ev a l u ew a s8 9 o w h e nt h er a t i oo fi n f l u e n tn i t r i t ea n d a m m o n i u mw a s ( 1 3 5 1 3 7 ) ：1 t h eh r to fa n a m m o xr e a c t o rw a sn o tl e s st h a n2ha tt h i se x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s a n a m m o xb a c t e r i aw o u l db er e s t r a i n e dw h e nn i t r i t ec o n c e n t r a t i o nw a sm o r et h a n1 4 0m g l ，b u t d i dn o tf u l l yd e a c t i v a t i o n a n di te s t i m a t e dt h a ta n a m m o xb a c t e r i aw o u l dg r a d u a l l ya d a p t e dt o t h i s c o n d i t i o na f t e rl o n gt i m e ，b u ti ta l s oh a dal i m i t t h ee x t r e m ec o n c e n t r a t i o no fa n a m m o x b a c t e r i aw a sn o t t e s t e di nt h i se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ( 3 ) t h es b ri n f l u e n ta n ds b re f f l u e n to fn i t r i t a t i o nw a sm i x e da c c o r d i n gt ot h er a t i oo f1 ：1 a st h e a n a m m o xe x p e r i m e n t a lw a s t e w a t e r r e s u l ts h o w e dt h a ta n a n u n o xr e a c t o rw a sn o ta f f e c t e da n dr u n n i n g w e l l o n l ye f f l u e n ta m m o n i u ma n dn i t r a t ew e r eal i t t l eh i g h ，a n dr e m o v a lr a t eo f t nw a so n l y7 0 一8 0 k e yw o r d s ：s i m u l a t i o nw a s t e w a t e r , a n a m m o x ，s t a r t - u p ，i n f l u e n c ef a c t o r s ，n i t r i t a t i o n - a n a m m o x i v 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水是生命之源，是人类生存发展不可或缺的条件，也是实施可持续发展发展的基础。 然而随着人类社会的进步，经济的发展以及人口的增长，世界范围内的水体污染日益严 重，水资源短缺己成为世界性的问题。因此，防治水污染，保护水资源不仅是我国面临 的问题，更是世界性的问题。 近年来，水体氮素污染和富营氧化现象日益严重，给人类的生活和经济造成了巨大 的损失。世界各国已经认识到氮素对水体的严重危害。为此，制定了更加严格的城市污 水处理厂排放标准，各国学者对脱氮除磷技术和工艺进行了广泛而深入的研究。 1 1 1 水体中氮的来源及危害 据2 0 0 6 年中国环境状况公报数据显示【1 】，氨氮是全国地表水水质的主要污染指标之 一：我国废水中氨氮排放量为1 4 1 3 万吨年，其中工业排放量为4 2 5 万吨年，占氨氮 排放量的3 0 0 。 水体中氮主要来源于城市生活污水，工业废水和农业污水。其中城市生活污水中含 有的有机氮和氨氮主要来源于食物中蛋白质的代谢物如粪便等。工业废水中含有的氮素 来源非常广泛，主要包括炼油废水、焦化废水、食品工业废水以及氮肥厂的废水等。农 业污水主要包括农业灌溉废水和禽畜养殖废水，如施入农田的氮肥，未被植物利用的超 过5 0 2 1 ，剩余的氮化合物进入地下水和地表水中。 水体中氮的存在形式主要有：氨氮、亚硝氮、硝氮和有机氮。各种形式的含氮化合 物排入水体后会引起严重的氮素污染，主要有以下几个方面：氨氮的存在会消耗水体 中的溶解氧。氨氮随污水排入水体后，在硝化菌的作用下被氧化为硝氮，每氧化l m g 的 氨氮为硝氮，要消耗水体中的溶解氧4 5 7 m g 。水体中溶解氧的降低对鱼类等各种水生生 物的生存是十分不利的，容易造成渔业资源的破坏。氨氮的存在会影响自来水中氯的 消毒效果，因为氨氮会与氯作用生成氯胺，增加了氯的消耗量。另外，氯胺气味难闻， 还是一种致癌性物质，会对人体的健康存在潜在的威胁。水体中存在的亚硝氮和硝氮 或由生物转化而成的亚硝氮和硝氮有可能会转化为亚硝胺，而亚硝胺是一种三致物质 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水是生命之源，是人类生存发展不可或缺的条件，也是实施可持续发展发展的基础。 然而随着人类社会的进步，经济的发展以及人口的增长，世界范围内的水体污染日益严 重，水资源短缺己成为世界性的问题。因此，防治水污染，保护水资源不仅是我国面临 的问题，更是世界性的问题。 近年来，水体氮素污染和富营氧化现象日益严重，给人类的生活和经济造成了巨大 的损失。世界各国已经认识到氮素对水体的严重危害。为此，制定了更加严格的城市污 水处理厂排放标准，各国学者对脱氮除磷技术和工艺进行了广泛而深入的研究。 1 1 1 水体中氮的来源及危害 据2 0 0 6 年中国环境状况公报数据显示【1 】，氨氮是全国地表水水质的主要污染指标之 一：我国废水中氨氮排放量为1 4 1 3 万吨年，其中工业排放量为4 2 5 万吨年，占氨氮 排放量的3 0 0 。 水体中氮主要来源于城市生活污水，工业废水和农业污水。其中城市生活污水中含 有的有机氮和氨氮主要来源于食物中蛋白质的代谢物如粪便等。工业废水中含有的氮素 来源非常广泛，主要包括炼油废水、焦化废水、食品工业废水以及氮肥厂的废水等。农 业污水主要包括农业灌溉废水和禽畜养殖废水，如施入农田的氮肥，未被植物利用的超 过5 0 2 1 ，剩余的氮化合物进入地下水和地表水中。 水体中氮的存在形式主要有：氨氮、亚硝氮、硝氮和有机氮。各种形式的含氮化合 物排入水体后会引起严重的氮素污染，主要有以下几个方面：氨氮的存在会消耗水体 中的溶解氧。氨氮随污水排入水体后，在硝化菌的作用下被氧化为硝氮，每氧化l m g 的 氨氮为硝氮，要消耗水体中的溶解氧4 5 7 m g 。水体中溶解氧的降低对鱼类等各种水生生 物的生存是十分不利的，容易造成渔业资源的破坏。氨氮的存在会影响自来水中氯的 消毒效果，因为氨氮会与氯作用生成氯胺，增加了氯的消耗量。另外，氯胺气味难闻， 还是一种致癌性物质，会对人体的健康存在潜在的威胁。水体中存在的亚硝氮和硝氮 或由生物转化而成的亚硝氮和硝氮有可能会转化为亚硝胺，而亚硝胺是一种三致物质 常温低基质浓度下厌氧氨氧化反应器的脱氮性能研究 ( 致癌、致畸和致突变) ，对人体造成潜在威胁。水体中低浓度的氨，会对鱼鳃中的 氧传递产生影响，当氨的浓度达到0 5 m g l 时，会毒害鱼类和水生动物【3 1 。加速水体 的富营养化过程。水体富营养化之后，藻类的过度繁殖将会降低水的质量，使水具有色 和气味，蓝绿藻产生的毒物会危害鱼类和家畜。 1 1 2 氦的控制要求 当前我国政府和公众最为关注的环境问题之一是由于氮、磷的过量排放而引起的水 体富营养化【4 1 。控制向水体中氮、磷的排放是防止水体富营养化的主要途径。如我国新 颁布的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 ) 5 1 对氮磷的排放要求更加严格 ( 一级a 排放标准n h 4 + - n = 5 m g l ，t n = 1 5 m g l ) 。因此，为了达到新标准的排放要求， 大部分的污水处理厂都需要对污水进行深度脱氮除磷【6 】。相对于物理化学法脱氮技术， 生物法脱氮成本低、效果稳定，是目前公认的经济、有效、最有发展前途的方法。 1 2 传统生物脱氮工艺 废水中的含氮化合物一般以有机氮、氨氮、亚硝氮、硝氮四种形态存在。其中有机 氮和氨氮是废水中存在的主要形式，亚硝氮和硝氮含量很低，二者所占比例小于5 。 传统生物脱氮过程通常包括生物同化作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用。其脱氮 机理是：在生物处理过程中，有机物降解转化成的氨氮和污水中原有的氨氮在亚硝化细 菌和硝化细菌的作用下转化为亚硝氮和硝氮，再通过反硝化菌的作用转化为氮气，从水 体中溢出，从而达到去除氮的目的。 生物同化作用：在污水处理过程中，一部分氨氮和有机氮被同化成微生物细胞的组 成部分，使微生物增殖【7 1 。最后以剩余污泥的形式从污水中去除。同化作用一般占总氮 去除率的8 2 0 。 氨化作用：生活污水中有机氮含量较高，主要以氨基酸、尿素和蛋白质的形式存在。 有机氮在氨化菌的作用下，逐步降解，最后转化为氨氮。 硝化作用：指在好氧条件下，氨氮首先被亚硝化菌转化为亚硝氮，然后被硝化菌进 一步氧化为硝氮。亚硝化菌和硝化菌均属于好氧自养菌。硝化过程可用下式表示： 亚硝化作用：2 n h 4 + + 3 0 2 _ 2 n 0 2 + 2 h 2 0 + 4 h +( 1 1 ) 硝化作用：2 n 0 2 。+ 0 2 _ 2 n 0 3 ( 1 2 ) 反硝化作用：在缺氧和有机物存在的条件下，反硝化菌将硝化过程产生的亚硝氮和 2 第一章绪论 硝氮还原为氮气。反硝化菌主要为异养型兼性厌氧菌，也有一部分是自养菌。有机物为 反硝化过程提供电子供体。在传统的生物脱氮工艺中，反硝化作用占总氮去除的7 0 7 5 0 o 。反硝化过程主要经历了以下4 步反应过程：n 0 3 - - ；, n 0 2 - 一n 0 _ n 2 0 _ n 2 t ，每一 步所需的酶依次为硝酸盐还原酶、亚硝酸还原酶、氧化还原酶和氧化亚氮还原酶。 1 3 新型生物脱氮工艺 在传统生物脱氮过程中，无论采用何种形式的工艺，氮的去除都要经过硝化和反硝 化两个过程。传统生物脱氮工艺存在许多先天不足之处，如氨氮完全转化为硝氮需要 在好氧条件下进行，消耗能源；对碳氮比低的废水，需要提供有机物作为电子供体， 如甲醇，运行费用高；反应过程中产生的少量n o 和n 2 0 等副产物会对大气环境造成二 次污染；工艺流程长，占地面积大，基建投资高；系统为了维持较高的生物浓度， 需要进行污泥回流，增加了动力消耗和运行费用。 为了降低传统生物脱氮过程中的动力消耗和运行费用，各国研究学者根据各种微生 物的特性，开发了多种新型生物脱氮工艺，尤其是厌氧氨氧化工艺的发现 8 】，为氮的去 除打开了新的思路。 1 3 1 同步硝化反硝化( s n d ) 工艺 同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn 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s n d ) 工艺是指硝 化和反硝化反应在同一个反应器中完成。近年来，国内外研究学者在氧化沟、s b r 、生 物转盘和m b r 等工艺中均发现了这一现象的存在9 1 2 1 。随着好氧反硝化菌、异养硝化菌、 自养反硝化菌等微生物的发现和研究进展，奠定了s n d 工艺生物脱氮的理论基础。 s n d 工艺相对于传统生物脱氮工艺，明显具有节省反应器体积，缩短反应时间，工 艺流程简单，操作运行方便，降低成本，简化工艺等优点。对s n d 工艺的脱氮机理进 行研究之后，初步形成了下面三种解释： ( 1 ) 在宏观上，由于曝气不均或混合不均匀，在生物反应器的不同部位形成缺氧一 好氧区域，创造了适宜于硝化菌和反硝化菌生长和繁殖的环境，从而顺利进行硝化反硝 化反应。 ( 2 ) 在微观上，由于氧扩散的限制，在菌胶团和生物膜的不同层面上产生d o 浓 度梯度，菌胶团和生物膜的外表面d o 浓度较高，形成好氧区，利于好氧硝化菌进行硝 化反应；随着氧传递的受阻和d o 在外表面被消耗，菌胶团和生物膜的内部就会形成缺 第一章绪论 硝氮还原为氮气。反硝化菌主要为异养型兼性厌氧菌，也有一部分是自养菌。有机物为 反硝化过程提供电子供体。在传统的生物脱氮工艺中，反硝化作用占总氮去除的7 0 7 5 0 o 。反硝化过程主要经历了以下4 步反应过程：n 0 3 - - ；, n 0 2 - 一n 0 _ n 2 0 _ n 2 t ，每一 步所需的酶依次为硝酸盐还原酶、亚硝酸还原酶、氧化还原酶和氧化亚氮还原酶。 1 3 新型生物脱氮工艺 在传统生物脱氮过程中，无论采用何种形式的工艺，氮的去除都要经过硝化和反硝 化两个过程。传统生物脱氮工艺存在许多先天不足之处，如氨氮完全转化为硝氮需要 在好氧条件下进行，消耗能源；对碳氮比低的废水，需要提供有机物作为电子供体， 如甲醇，运行费用高；反应过程中产生的少量n o 和n 2 0 等副产物会对大气环境造成二 次污染；工艺流程长，占地面积大，基建投资高；系统为了维持较高的生物浓度， 需要进行污泥回流，增加了动力消耗和运行费用。 为了降低传统生物脱氮过程中的动力消耗和运行费用，各国研究学者根据各种微生 物的特性，开发了多种新型生物脱氮工艺，尤其是厌氧氨氧化工艺的发现 8 】，为氮的去 除打开了新的思路。 1 3 1 同步硝化反硝化( s n d ) 工艺 同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn 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s n d ) 工艺是指硝 化和反硝化反应在同一个反应器中完成。近年来，国内外研究学者在氧化沟、s b r 、生 物转盘和m b r 等工艺中均发现了这一现象的存在9 1 2 1 。随着好氧反硝化菌、异养硝化菌、 自养反硝化菌等微生物的发现和研究进展，奠定了s n d 工艺生物脱氮的理论基础。 s n d 工艺相对于传统生物脱氮工艺，明显具有节省反应器体积，缩短反应时间，工 艺流程简单，操作运行方便，降低成本，简化工艺等优点。对s n d 工艺的脱氮机理进 行研究之后，初步形成了下面三种解释： ( 1 ) 在宏观上，由于曝气不均或混合不均匀，在生物反应器的不同部位形成缺氧一 好氧区域，创造了适宜于硝化菌和反硝化菌生长和繁殖的环境，从而顺利进行硝化反硝 化反应。 ( 2 ) 在微观上，由于氧扩散的限制，在菌胶团和生物膜的不同层面上产生d o 浓 度梯度，菌胶团和生物膜的外表面d o 浓度较高，形成好氧区，利于好氧硝化菌进行硝 化反应；随着氧传递的受阻和d o 在外表面被消耗，菌胶团和生物膜的内部就会形成缺 常温低基质浓度下厌氧氨氧化反应器的脱氮性能研究 氧或厌氧区，这种微环境利于厌氧反硝化菌进行反硝化作用。 ( 3 ) 在生物学角度上，随着好氧反硝化菌以及好氧反硝化酶系的发现，使得好氧 反硝化有了合理的生物学解释。 1 3 2 短程硝化反硝化工艺 短程硝化反硝化工艺是指在硝化过程中，利用亚硝化菌和硝化菌不同的生长条件， 培养驯化亚硝化菌，抑制硝化菌的生长，将氨的氧化控制在亚硝氮阶段，阻止亚硝氮的 进一步转化，直接以亚硝氮作为电子呼吸链上的受体进行反硝化，从而实现氧气和有机 物的双重节约。 因此，相对于传统生物脱氮工艺，短程硝化反硝化工艺具有以下优点：硝化过程 中减少了亚硝氮转化为硝氮的过程，即减少了2 5 左右的需氧量，降低了能耗；反硝 化过程节约外加碳源，可减少4 0 左右的有机碳源( 以甲醇计) 消耗量，降低了运行费 用；缩短反应时间，反应器容积也减少3 0 - - 4 0 ；降低了污泥产量，硝化过程和 反硝化过程都可减少污泥的产生；反硝化速率较高，因为亚硝氮的反硝化速率比硝氮 的反硝化速率高。 短程硝化反硝化的机理就是利用亚硝化菌和硝化茵的生长条件不同，创造适合于亚 硝化菌生长的条件，使亚硝化菌在污水脱氮过程中占优势。而在实际运行工艺中，亚硝 化菌和硝化菌同时存在于反应器中，因此成功的将氨氮的氧化控制在亚硝化阶段很难实 现。这主要是因为影响亚硝氮积累的因素很多，如温度、p h 值、游离氨f a 、溶解氧 d o 、水力负荷、有害物质等1 3 小】。但是研究表明，通过控制单一因素或多个因素，在 反应器内可以成功实现短程硝化反硝化”锄 ，例如荷兰d e l f t 理工大学开发出的 s h a r o n 脱氮工艺已成功应用于生产实践陋1 9 1 。 1 3 3 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 工艺 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 ) 工艺是指在厌氧条 件下，厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体，亚硝氮为电子受体，直接将氨氮和亚硝氮转化 为氮气的过程【8 1 。该工艺一经发现，就引起了国内外研究学者的极大兴趣 8 ，2 1 2 4 1 ，这是因 为相对于传统的生物脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺具有以下优点： 无需外加有机碳源，节省了外加碳源所需的费用； 污泥产量极少，节省了处理污泥所需的费用； 4 第一章绪论 利用c 0 2 作为碳源，减少了c 0 2 造成的温室效应； 仅需要提供曝气系统将氨氮氧化为亚硝氮阶段，节省了动力消耗； 反应过程中无n o 和n 2 0 的产生，不会造成二次污染。 a n a m m o x 工艺的发现为处理低碳氮比的污水提供了一条最优途径。但是在将此工 艺用于处理含氮废水时，需要为a n a m m o x 菌提供n 0 2 一：n h 4 + = i 3 1 ：1 的反应基质。这 就需要a n a m m o x 工艺与其它反应系统联合运用，如目前已开发出的a n a m m o x 脱氮工 艺有c a n o n 工剖2 5 2 9 1 、s h a r o n a n a m m o x 联合工艺【3 0 - 3 2 1 ( 图1 1 ) 、s n a p 工艺 3 3 3 4 1 等。 n h ， o 7 5 0 ， 图i - is h a r o n a n a m m o x 工艺流程示意图 3 0 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs h a r o n - a n a m m o x p r o c e s s 1 3 4 限氧自养硝化反硝化( 0 l a n d ) 工艺 0 0 5 n o t 限氧自养硝化反硝化( 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 ，简称 o l a n d ) 工艺 3 5 - 3 6 ，是由比利时g e n t 微生物生态实验室k u a i 等人开发出来的一种新 工艺。其实质是一种限氧亚硝化与厌氧氨氧化相耦联的一种新颖的生物脱氮反应工艺， 该工艺分两个过程进行：第一步是在限氧条件下将污水中的一半左右的氨氮氧化为亚硝 氮；第二步是在厌氧条件下亚硝氮和剩余的氨氮发生厌氧氨氧化反应，从而去除含氮污 染物。但是其机理并不清楚，有学者认为该反应是亚硝化菌对亚硝氮催化进行的歧化反 应，也有人认为是厌氧氨氧化的结果 3 7 。3 8 。 在脱氮过程中，理论上0 l a n d 工艺可以节省6 2 5 的耗氧量，不需要加入有机碳 源作为电子供体。同时在限氧条件下，好氧氨氧化菌和厌氧自养菌生长都非常缓慢，所 以产生的污泥量也很少。这些特点都将有效的降低其运行成本。 该工艺的关键是利用亚硝化菌和硝化菌对氧的亲和力不同，在活性污泥中控制溶解 氧，使硝化过程进行到亚硝氮阶段。但是在低溶解氧条件下，活性污泥易解体和发生丝 状菌膨胀。 常温低基质浓度下厌氧氨氧化反应器的脱氮性能研究 1 4 厌氧氨氧化工艺的研究现状及发展 1 4 1 厌氧氨氧化现象的发现 早在1 9 7 7 年，奥地利理论化学家b r o d a 3 9 】通过热力学计算，预言自然界应该存在 反硝化氨氧化菌( d e n i t r i f y i n ga m m o n i ao x i d i z e r s ) ，并提出了a n a m m o x 过程的反应式( 如 式1 3 所示) 。 n 0 2 - + n h 4 十一n 2 t + 2 h 2 0g o = 一3 5 8 k j m o l( 1 - 3 ) 后来在荷兰d e l f t 技术大学的m u l d e r 和v a nd eg r a a f 等研究人员在一个中试反硝化 流化床中发现了氨氮和亚硝氮同时去除的现象，从而证实了厌氧氨氧化反应的存在8 1 。 另外，经过研究学者的深入调查和研究发现，起作用的厌氧氨氧化菌广泛存在于自 然界。从废水处理厂到北极冰盖的许多生态系统中都发现了a n a m m o x 菌 4 0 半 ，这些发 现暗示厌氧氨氧化菌在自然界氮循环中起极其重要的作用。 1 4 2 厌氧氨氧化工艺的脱氮机理 a n a m m o x 菌是厌氧氨氧化工艺的基础，a n a m m o x 菌的代谢途径是整个厌氧氨氧化 工艺的关键。目前对于a n a m m o x 菌的代谢途径还没有完全清楚，但是研究学者先后提 出了可能的化学反应模型和生化反应模型【4 5 4 8 1 。 ( 1 ) 化学反应模型 v a i ld eg r a a f 等通过1 5 n 标记的同位素试验，提出了a n a m m o x 菌的可能代谢途径【4 5 1 。 根据这个模型，在厌氧条件下，a n a m m o x 菌首先将亚硝氮转化为羟氨，再以氨氮为电 子供体将羟氨氧化成联氨，联氨在进一步被氧化为氮气。在实验过程中有少量硝氮产生， 推测是为a n a m m o x 菌固定二氧化碳提供电子。其中联氨和羟氨是反应的中间产物，联 氨在转化为氮气的过程中产生了4 个电子，用于亚硝酸盐的还原。目前关于a n a m m o x 菌的合成代谢并没有完全清楚，但是s s c h o u t e n 等人利用1 3 c 0 2 的示踪标记研究指出 a n a m m o x 菌固定二氧化碳的途径不是乙酰辅酶a 途径就是还原性戊糖磷酸盐途径 4 9 1 。分 解代谢是合成代谢的1 5 倍5 0 1 。由试验得出的厌氧氨氧化代谢反应式见式1 4 t 2 5 1 。 n h 4 + + 1 3 2 n 0 2 。+ 0 0 6 6 h c 0 3 + 0 13 h + _ 1 0 2 n 2 + 0 2 6 n 0 3 。+ o 6 6 c h 2 0 0 5 n o 5 s o 0 5 + 2 0 3 h 2 0 ( 1 4 ) ( 2 ) 生化反应模型 6 常温低基质浓度下厌氧氨氧化反应器的脱氮性能研究 1 4 厌氧氨氧化工艺的研究现状及发展 1 4 1 厌氧氨氧化现象的发现 早在1 9 7 7 年，奥地利理论化学家b r o d a 3 9 】通过热力学计算，预言自然界应该存在 反硝化氨氧化菌( d e n i t r i f y i n ga m m o n i ao x i d i z e r s ) ，并提出了a n a m m o x 过程的反应式( 如 式1 3 所示) 。 n 0 2 - + n h 4 十一n 2 t + 2 h 2 0g o = 一3 5 8 k j m o l( 1 - 3 ) 后来在荷兰d e l f t 技术大学的m u l d e r 和v a nd eg r a a f 等研究人员在一个中试反硝化 流化床中发现了氨氮和亚硝氮同时去除的现象，从而证实了厌氧氨氧化反应的存在8 1 。 另外，经过研究学者的深入调查和研究发现，起作用的厌氧氨氧化菌广泛存在于自 然界。从废水处理厂到北极冰盖的许多生态系统中都发现了a n a m m o x 菌 4 0 半 ，这些发 现暗示厌氧氨氧化菌在自然界氮循环中起极其重要的作用。 1 4 2 厌氧氨氧化工艺的脱氮机理 a n a m m o x 菌是厌氧氨氧化工艺的基础，a n a m m o x 菌的代谢途径是整个厌氧氨氧化 工艺的关键。目前对于a n a m m o x 菌的代谢途径还没有完全清楚，但是研究学者先后提 出了可能的化学反应模型和生化反应模型【4 5 4 8 1 。 ( 1 ) 化学反应模型 v a i ld eg r a a f 等通过1 5 n 标记的同位素试验，提出了a n a m m o x 菌的可能代谢途径【4 5 1 。 根据这个模型，在厌氧条件下，a n a m m o x 菌首先将亚硝氮转化为羟氨，再以氨氮为电 子供体将羟氨氧化成联氨，联氨在进一步被氧化为氮气。在实验过程中有少量硝氮产生， 推测是为a n a m m o x 菌固定二氧化碳提供电子。其中联氨和羟氨是反应的中间产物，联 氨在转化为氮气的过程中产生了4 个电子，用于亚硝酸盐的还原。目前关于a n a m m o x 菌的合成代谢并没有完全清楚，但是s s c h o u t e n 等人利用1 3 c 0 2 的示踪标记研究指出 a n a m m o x 菌固定二氧化碳的途径不是乙酰辅酶a 途径就是还原性戊糖磷酸盐途径 4 9 1 。分 解代谢是合成代谢的1 5 倍5 0 1 。由试验得出的厌氧氨氧化代谢反应式见式1 4 t 2 5 1 。 n h 4 + + 1 3 2 n 0 2 。+ 0 0 6 6 h c 0 3 + 0 13 h + _ 1 0 2 n 2 + 0 2 6 n 0 3 。+ o 6 6 c h 2 0 0 5 n o 5 s o 0 5 + 2 0 3 h 2 0 ( 1 4 ) ( 2 ) 生化反应模型 6 z 一n o ； 图1 - 2a n a m m o x 菌的化学反应模型 f i g 1 2c h e m i c a lr e a c t i o nm o d a lo f a n a m m o xb a c t e r i a n h l 图1 3b r o c a d aa n a m m o x i d a n s 的a n a m m o x 生化反应模型m f i g 1 - 3b i o c h e m i c a lr e a c t i o nm o d a lo fb r o c d aa n a m m o x i d a n s n i o 一亚硝酸盐还原酶；h h 一联氨水解酶；h z o 一联氨氧还酶 通过透射电镜观察，发现厌氧氨氧化体( a n a m m o x s o m e ) 是厌氧氨氧化菌代谢的器 官。联氨氧化为氮气是在羟氨氧化酶的催化下完成的【5 1 1 。基于v a nd eg r a a f 等提出的 a n a m m o x 化学反应模型，结合联氨氧还酶( h y d r a z i n eo x i d o r e d u c t a s e ，h z o ) 的催化特 性，j e t - t e n 等提出了厌氧氨氧化菌的生化反应模型( 图1 3 ) 【4 6 1 。 亚硝酸盐还原酶( n i t r i t er e d u c t a s e ，n r ) 位于细胞质一侧，催化亚硝氮还原为羟氨， 假设存在一个跨膜的联氨水解酶( h y d r a z i