（环境工程专业论文）厌氧氨氧化生物膜反应器快速启动及影响因素研究.pdf

l i i i i i | 1 1 i i l l i i i i l l l i i l l l ) y 191010 0 m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o u u n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y r a p i ds t a r t i n g u po fa na n a m m o x b i o n l m r e a c t o ra n di t si n n u e n c i n g m a s t e rc a n d i d a t e ： l i x i a n g s u p e n ，i s o r ：p r o h u a n gy - o n g m a j o r ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u z h o uu n i v e r s 时o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y s c h o o lo fe n v i r o n l n e n t a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g a p r i l ，2 0 l o 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，均己在文中以 明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者魏雄隗趁年上月卫日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆、中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数 据库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： 指导教师签名： 日期：理年上月卫日 日期：2 坦年月- 2 型日 硕 j 学位论文 摘要 摘要 厌氧氨氧化微生物脱氮工艺节能、高效的特点使得其在废水生物脱氮领域中显示 出广阔的应用前景。但是厌氧氨氧化菌是中温菌、世代时间长( 1 1 d ) 、细胞产率低、 体积小、易流失，对环境条件敏感等特点，导致厌氧氨氧化微生物很难快速富集、反 应器很难快速启动。从而限制了该工艺的实践应用。 为此，本文在传统厌氧s b r 反应器中添加纤维膜作为载体来防止微生物流失， 接种低活性厌氧氨氧化保藏污泥，研究该类型厌氧氨氧化反应器在快速启动过程中的 规律和特点，并对启动过程中的部分影响因数进行研究，进而达到简便、快速地启动 厌氧氨氧化。主要研究结果如下： 1 ) 本研究采用序批式厌氧生物膜反应器可以在1 1 0 d 内将反应器脱氮效能由0 0 5 蝇n m 刁d 1 提高到2 0 6k gn m 一d 一，n h 4 + - n 、n 0 2 _ n 的去除率均保持在9 8 以上。 在不同基质浓度，不同充水比条件下的实验结果表明，反应器内脱氮能力稳定较好， n h 4 + n 去除量、n 0 2 n 去除量、n 0 3 。- n 生成量比一直围绕1 o o ：1 3 0 ：0 2 6 上下小 幅波动。说明纤维膜是厌氧氨氧化菌生长所需的良好载体，有利于厌氧生物膜反应器 脱氮能力的提高。 2 ) 通过提高进水基质浓度和缩短h i 玎的方式对氮去除速率达到2 1 1k gn m 一d d 的连续流厌氧氨氧化生物膜反应器进行氮去除速率提高研究，以前者经过6 0 d 运行， 最终反应器氮负荷提高到6 4 4 k gn m d d ，氮去除速率升高到4 5 0k gn m 弓d 一；以后 者经过5 5 d 运行，反应器负荷提高到1 0 7 5k gn m 弓d 一，氮去除速率升高到7 5 0 k g n m 一d 。同时在达到相同氮去除速率时缩短h r t 方式的n h 4 + - n 、n 0 2 n 出水浓度 要明显低于提高进水基质浓度时反应器的出水浓度。说明在反应器氮去除速率时缩短 h r t 要由于提高基质浓度的方式。 3 ) 在厌氧氨氧化反应器启动过程中随着进水基质浓度的增加和氮去除速率的升 高，反应器内p h 也会明显的增大。由于序批式反应器充水比较大，周期内p h 基质 浓度变化较大，所以p h 对其影响很小；而连续流反应器基质更新速度慢，当其p h 增大时，水中的f i a 和f n a 也随之增加，从而导致反应器内厌氧氨氧化细菌活性受 到抑制，不利于厌氧氨氧化细菌的生长，容易导致反应器脱氮效能的稳定。 4 ) 针对生物膜所具有的一些特性对厌氧氨氧化生物膜反应器分别进行了高基质 硕i ? 学位论文摘要 浓度和进水携带d o 的启动研究：由于生物膜具有浓度梯度作用，所以当反应器内 n 0 2 。- n 浓度达到1 3 0m g l 以时并没有抑制厌氧氨氧化反应。但随着氮去除速率提高 容易导致p h 升高，从而很难实现氮去除速率的提高。不脱氧处理的原水启动厌氧生 物膜反应器时经过1 0 0d 的启动，氮去除速率最高达到1 0 9 0k gn m 一d i 。说明生物 膜形成后能够形成d 0 浓度梯度，为厌氧氨氧化创造良好的环境，即使原水不进行脱 氧处理仍可以启动厌氧氨氧化生物膜反应器。与将原水脱氧后进入反应器的方式相 比，该方法氮去除速率提高的速度相对慢些。经过进一步研究反应器内基质降解过程 表明，进水不进行除氧会使反应器内厌氧氨氧化反应发生迟缓现象。 关键词：厌氧氨氧化；生物膜反应器；快速启动；稳定性；高基质浓度启动；d o 影 响；脱氮性能提高 i v 硕 。学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a n a m m o x1 1 a ss h o w nu sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t st l l r o u g l li t sf e a t u r e so f e n e r g y - s a v i n ga n dh i g l l - e 伍c i e n t b u tm ea n a m m o x b a c t e r i aw e r em e s o p h i l i cb a c t e r i a ， i t sf - e a t u r e so fl o n gg e n e r a t i o nt i n l e ，l o wc e uy i e l d ，s m a l lv o l u m e ，e 弱yl o s t ，觚ds e n s i t i v et 0 t h ee n v i r 0 啪e n tm a d ei th 川t oe n r i c ht l l em i c r o o 唱趾i s ma 1 1 dm i lt h er e a c t o ri nv e 巧s h o r t t i m ew h i c hh i n d e rt h ea p p l i c a t i o no ft l l i st e c l l n o l o g y t h e r e f b r e ，t h en o n 、v o v e n sw e r eu s e d 舔c a 盯i e r si nm ep a p e rt 0n mt h ea n a m m o x i nt r a d i t i o n a la 1 1 r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，v a c c i n a t i n gt l l ep r e s e r v e da n a m m o x s l u d g e 、地i c hw 嬲f i l t e r e db e f o r c ，i no r d e rt 0s t u d ym er e g u l 甜p a t t e m 觚df e a t u r eo ft h e s t a n i n go fa n 刖m o xi na r 眦r o b i cm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，a n dt 1 1 ee 位c tf a c t o r sc l u r i n g t 1 1 ep r o c e s st oo p t i m i z e 也ew o f l ( i n gc o n d i t i o na n dp a r a m e t e r s t h em 萄o rc o n t e n t s 、粑r e 弱 f o l 】o w s ： 1 ) t h ea s b b rs t u d i e di i lm i sp a p e rc a nr a i s et h enr o m o v a lr a t e6 0 m0 0 5k g n m 一d 以t o2 0 6k gn m 一d ，k e e pm er e m o v a lr a t eo fn h 4 + 二n 趾dn 0 2 no v e r9 8 t h e r e s u l to fd i 疏r e n ts u b s t r a t i o nc o n c e n 仃a t i o n 卸d 卸i n gm t i os h o w e dt h a tm enr e n l o v a l a b i l i t ) ，w 鹪s t a b l e ，t l l ep r o p o r t i o no fn h 4 十na n dn 0 2 一nr e m o v a lt 0t l l en 0 3 j np r o d u c t i o n 、v 嬲1 0 0 ：1 3 0 ：0 2 5i ts h o w e dt l l a t 1 ef a b r i c sw e r e9 0 0 dc a 而e r so fa n a m m o x ，棚c h w e r eb e n i f i c i a lt 0t h ei m p r o v e m e n to ft i l enr e m o v a la b i l i t ) ，o f a n a m m o x 2 ) t 1 1 er e s u l to fi 1 1 c r e 商n gm e 砌u e n ts u b s t r a t i o nc o n c e n t r a t i o n 锄ds h o r t e n i n gh r t o ft 1 1 ea s b b rw h o s enr e m o v a lr a t eh a da l r e a d yr e a c h e d2 1 1 虹n m 一d - js h o w e dt h 如 a r e rn m n i n g6 0 d a y s ，n l enl o a do ft l l ef 0 姗e rm c r e a s e dt 06 4 4 l ( gn m - 3 d 1 ，锄dt h en r e m o v a lr a t ei n c r e 懿e dt o4 5 0k gn m 一d t h enl o a do ft h el a t t e ri n c r e a s e d1o 7 5k g n m 一d 1a r e r5 5 d a y sn m n i n g ，觚dt l l enr e m o v a lr a t ei n c r e 嬲e dt o7 5 0 k gn m d j w h e n t l l e yr e a c h e dt h es 锄en r e m o v a jr a t e ，t 1 1 en h 4 + - n 趴dn 0 2 j ne f n u e n tc o n c e n 饶a t i o nw 鹪 m u c hl o w e rt h a nt 1 1 a to fm ew a yi n c 佗弱i nt h ei 1 u e n ts u b s 仃a t i o nc o n c e n t r a t i o n ，、v h i c h s h o w e di n c r e a s i n gs u b s t r a t i o nc o n c e n t r a t i o nw a sab e t t e rw a yt h a ns h o r t e n i n gh i 盯： 3 ) i nt h ep r o c e s so fs t a r t i n g u pt h ea n a m m o xr e a c t o r ，p hw o u l di n c r e 嬲e ds h a 叩l y 晰t ht h ei n c r e a s i n go fi n 凡l e n ts u b s t r a t i o nc o n c e n t r a t i o na n dnr e m o v a lr a t e p hd i d l l t h a v eg r e a ti m p a c td u et 0t h eh i g h e rf i l l i n gr a t i oi ns b ra n dt l l e l a 唱er 锄g eo fp h v 坝f j 学位论文a b s t r a c l c o n c e n t r a t i o ni nap e r i o d t h es u b s t r a t i o nr e 行e s hr a t ei nc o n t i n o u sf l o wr e a c t o rw 弱l o w ， f aa n df n a 、v o u l di n c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s i n go fp h i t 、v o u l d1 e a dt h er e s t r i c t i o no ft h e a c t i v 时o fa n a m m o xb a c t e r i u m 、v h i c hw e n ta g a i n s tt h ea n a m m o xb a c t e r i u m g e n e r a t i o n 锄dt h es t a b i l i t yo fn r e m o v a la b i l i t y 4 ) t h es t u d yo fs t a r t i n g - u pt h er e a c t o rb yk g hs u b s t r a t i o nc o n c e m r a t i o na n di n 如l e n t w i t hd oh a da l s ob e e nd o n e ，a c c o r d i n gt 0t h ef e a t u r e so ft 1 1 eb i o f i l mo fa n a m m o x r e a c t o lt h er e s u l t ss h o 、v e d t h a t13 0m g l 以o fn 0 2 nd i d i l tr e s 仃i c tt h er e a c t i o no f a n a m m o xd u et ot 1 1 ec o n c e n t r a t i o n 留a d i e n to fb i o f i l m t h ei n c r e 弱i n go fnl o a dw o u l d l e a dt h ei n c r e a s i n go fp h ，、v h i c h 、v 嬲d i m c u l tt ot 1 1 ei n c r e 嬲i n go fnr e m o v a lr a t e w h e n u s i n gm em ww a t e rw h o s ed oh a d n tb e e ne l i m i n a t e d ，a r e r l0 0 d a y s s t a r t i n g - u p ，t l l e h i g h e s tnr e m o v 甜r a t er e a c h e d1 0 9 0k gn m ) d 一，w t l i c hs h o w e dt h a tt l l e r e 、) r o u l dt u mo u t t 0b ed oc o n c e n t r a t i o n 龋a d i e n ta r e rn l ef 0 衄o fb i o f i l mw h i c hw o u l do a 研ag r e a t e n v i r o l l i n e n tf o ra n a m m o xr e a c t i o n e v e n 廿l ed oi nm em ww a t e rh a d n tb e e n e l i m i n a t e d ，i t 、v 弱s t i l la b l et os t a nu pt h er e a c t o r c o m p 锄i dt ot l l e 、v a yo fe l i m i n a t i nd o ， t 1 1 ei n c r e 船i n gr a t eo fnr e m o v a l 豫t ew 嬲l o 、e r t h ef h n l 坞rs t u d yo ft l l ed e 伊a d a t i o no f r e a c t o rs u b s t r a t i o n t l l ea n a m m o xr e a c t i o nw o u l ds l o wd o w ni fd oi nt h er a ww a t e r h a d n tb e e ne l i m i n a t e d k e yw o i m s ：a n 气m m o x ；m e m b m e b i o r e a c t o r ；f 瓠ts t a n i n g ；s t j a b i l i t ) ，；s t a r t i n gw i t l l 1 1 i g hs u b s 仃a t ec o n c e n t r a t i o n ；d oi m p a c t ；i m p r 0 v eo fn r e m o v a l v i 硕f j 学位论文目录 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 高n h 4 + 一n 低碳废水来源及其特性1 1 1 2 高n 叱+ 一n 低碳废水处理现状及研究方向l 1 2 课题的提出3 1 3 研究目的和意义3 1 4 研究内容与创新之处3 1 4 1 研究的基本内容3 1 4 2 创新点4 第二章厌氧氨氧化研究进展5 2 1 厌氧氨氧化的发现及其机理研究5 2 2 厌氧氨氧化作用菌及其影响因素5 2 2 1 厌氧氨氧化作用菌5 2 2 2 厌氧氨氧化作用菌主要影响因素6 2 3 厌氧氨氧化接种泥源及启动装置选取的研究进展1 0 2 3 1 厌氧氨氧化接种污泥源的选取1 0 2 3 2 厌氧氨氧化启动装置的选取1 3 2 3 3 载体对于厌氧氨氧化反应的影响1 4 2 4 厌氧氨氧化在处理含高n h 4 + n 实际废水中研究进展1 6 2 5 厌氧氨氧化中试和工程化研究进展1 7 2 6 小结1 9 第三章实验装置、材料及研究方案2 0 3 1 实验装置2 0 v i i i 谚! i 学位论文目录 3 1 1 厌氧氨氧化反应器装置a 2 0 3 1 2 厌氧氨氧化反应器装置b 2 0 3 2 实验材料2 l 3 2 1 模拟废水组成2 l 3 2 2 接种污泥2 2 3 3 分析项目2 2 3 4 实验方法2 2 3 4 1 厌氧氨氧化生物膜反应器的快速启动及其脱氮效能研究2 2 3 4 2 厌氧氨氧化生物膜反应器脱氮稳定性研究2 3 3 4 3 高基质浓度下厌氧氨氧化反应器启动过程研究2 3 3 4 4d o 对厌氧氨氧化反应器启动过程的影响2 3 3 4 5 基质浓度和m 玎对厌氧氨氧化反应器脱氮效能提高的影响2 4 第四章厌氧氨氧化生物膜反应器快速启动及其脱氮效能研究2 5 4 1 厌氧氨氧化污泥的活性恢复2 5 4 2 厌氧氨氧化生物膜反应器的快速启动2 5 4 2 1n 吖- n 和n 0 2 。- n 浓度及相应去除速率随运行时间的变化2 5 4 2 2 生物膜反应器内厌氧氨氧化特性随时间的变化2 7 4 3 纤维膜对厌氧氨氧化反应器快速启动的影响2 8 4 4 小结2 9 第五章厌氧氨氧化生物膜反应器脱氮稳定性研究3 l 5 1 不同运行条件下反应器的氮素变化3 l 5 2 不同进水n 0 2 n 、n h 4 + n 比值对于其消耗比的影响3 3 5 3 充水比对厌氧生物膜反应器稳定性的影响3 3 5 4n 0 2 - n 对生物膜反应器氮去除率的影响3 5 5 5 小结3 6 第六章高基质浓度对厌氧氨氧化反应器快速启动过程的影响3 7 6 1 高基质浓度下厌氧氨氧化反应器快速启动的运行状况3 7 v i l i 硕j j 学位论文目录 6 1 1 反应器b l 启动后的运行状况3 7 6 1 2 反应器b 2 启动后的运行状况。3 8 6 1 3 反应器b 3 启动后的运行状况3 9 6 2 高基质浓度对反应器快速启动的影响分析4 0 6 2 高基质浓度下反应器失稳后的恢复性研究4 2 6 4p h 值对反应器快速启动的影响4 3 6 5 缩短h i 玎、降低浓度对失稳后的反应器脱氮效能恢复的影响4 4 6 6 小结4 4 第七章d o 对厌氧氨氧化反应器启动过程的影响4 6 7 1 厌氧氨氧化反应器a 2 在含氧废水下的启动特性4 6 7 2 含氧原水对于厌氧氨氧化反应启动过程比较4 7 7 3d o 在厌氧氨氧化生物膜反应器内对基质降解过程的影响4 9 7 4 小结5l 第八章基质浓度及h r t 对反应器脱氮效能快速提高的影响5 2 8 。l 基质浓度对反应器脱氮效能提高的影响5 2 8 2 缩短h i 玎对反应器脱氮效能提高的影响5 3 8 3 基质浓度的提高对反应器脱氮效能的影响分析5 4 8 4 缩短h i 汀对反应器提高脱氮效能的影响5 6 8 5 两种提高氮去除速率方法的比较5 7 8 6 小结5 7 第九章结论和建议5 8 9 1 结论5 8 9 2 建议5 9 参考文献6 0 致谢7 0 作者简介7 l i x 硕卜学位论文第一帝绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着科学技术不断创新和人民生活水平的不断提高，很多工业废水中n h 4 + - n 的 含量也在不断的增加，而有机碳源含量则相对较低。如果运用传统二级生化处理技术 ( 如：氧化沟、s b r 、u a s b 等等) 处理这类废水则会出现氮去除效果不佳和处理成 本较高的问题。因此，如何高效、低廉地处理这些高浓度n h 4 + n 废水一直是水处理 研究者的重要科研课题。 1 1 1 高n h 4 + - n 低碳废水来源及其特性 高n h 4 + - n 低碳废水主要来自以下几个行业：( 1 ) 焦化废水：焦化废水中含有高浓 度的n h 4 + - n 和难降解的有机物，进入到生化装置的污水中c o d 含量一般在1 2 0 0 1 3 0 0m g l ，b o d c o d 为o 3 0 4 ，n h 4 + - n 质量浓度一般为2 0 0 7 0 0m g l d 【。经过 生化处理后的外排水中c o d 均在2 5 0 4 0 0m g l ，难以达到国家规定的排放标准， n h 4 + - n 除了作为营养盐消耗外，几乎不被去除。( 2 ) 味精废水：味精废水具有s s 高、 c o d 高、b o d 高、n h 4 + n 高、s 0 4 2 。高、p h 值低等“五高一低 的特点，是难以治理 的工业污染源之一。由于味精废水c n 比偏低，给以生物处理工艺为核心的常规处理 方法带来了很大的困难【2 】。采用厌氧生物技术处理高浓度味精废水可有效地削减有机 污染物负荷并可大幅降低运行费用，但出水c o d 不能达标，对n h 4 + n 的去除也十分 有限。( 3 ) 垃圾渗滤液：垃圾渗滤液是一种非常复杂的高浓度废水，特别高浓度的 n h 4 + - n 是其最主要的污染物之一。其浓度一般小于3 0 0 0m g l 一，特别成熟的垃圾填 埋场在5 0 0 2 0 0 0m g l “之间居多，c n 非常低，在采用生物方法处理过程中，由于反 硝化过程所需的碳源不足，导致反应器脱氮效能不高。采用二级生化法处理后的 n 0 3 。一n 出水浓度很高【3 4 】。( 4 ) 化肥废水：化肥废水中n h 4 + n 的质量浓度为5 0 0 7 0 0 m g l ，部分高达l 2g l ，c o d 为4 0 0 5 0 0m g l - l ，c 与n 质量比很低，很难使用传 统生物脱氮工艺对其进行高效处理。( 5 ) 养殖废水：具有规模化的养猪场的废水，排放 量大，c o d 浓度高达几千甚至上万m g l 一，含氮量高达1 0 0 0m g l 。1 左右，目前多采用厌 氧法进行处理。厌氧处理对c o d 去除效果很好，但无法脱除n h 4 + - n ，并且其运行成本较 高1 5 】o 1 1 2 高n h 4 + - n 低碳废水处理现状及研究方向 针对这些高n h 4 + - n 低碳废水，目前的处理方法有物化处理和生化处理。物化处 l 硕士学位论文第一章绪论 理包括折点加氯法，吹脱法、选择性性离子交换法和化学沉淀法、电化学法、催化湿 式氧化法、反渗透法等。这些物化脱氮技术存在以下问题：1 ) 这些技术的处理成本 较高，例如折点加氯法大约1 6 2 0 元m 3 ：2 ) 这些物理处理方法会产生二次污染；3 ) 部分方法操作要求较高。 而生物脱氮技术一直被认为是低廉、高效地处理方法。但是采用传统的生物脱氮 工艺处理高n h 4 + n 、低碳废水存在以下问题【6 】：( 1 ) 硝化菌群增殖速度慢且难以维持 较高生物浓度，造成系统总水力停留时间( 之t ) 长，有机负荷较低，增加了基建投资 和运行费用；( 2 ) 硝化过程是在有氧条件下完成的，需要大量的能耗；( 3 ) 反硝化过程 需要一定的有机物，废水中的c o d 经过曝气大部分被去除，因此需要外加碳源；( 4 ) 要保持系统较高的生物浓度并获得良好的脱氮效果，必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；( 5 ) 抗冲击能力弱，高浓度n h 4 + - n 和n 0 2 。n 会抑 制硝化菌的生长；( 6 ) 为中和硝化过程产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用。 近年来，随着人们对生物脱氮过程认识的深入，出现了一些新的生物脱氮理论 【7 捌，例如好氧反硝化、自养反硝化、异养硝化、同时硝化反硝化、短程硝化反硝化 以及厌氧氨氧化等。其中厌氧氨氧化技术则十分有利于高n h 4 + - 低碳废水处理。 早在1 9 7 7 年b r o d a 就推测自然界可能存在以亚硝酸盐为电子受体的厌氧氨氧化反 应，即：n 0 2 - + n h 4 + 一n 2 + 2 h 2 0 ，g = 3 5 8l 【j ( m o in h 4 1 【1 0 j 。但直到2 0 世纪9 0 年代， v 觚d c 才进一步证实了厌氧氨氧化是一个微生物反应l l 。此后人们发现当水环境中不 存在分子氧的情况下，如果同时存在瞰+ 求和n 0 2 - n 就有可能发生厌氧氨氧化反应。 如图1 1 所示，在此生化反应中，作用细菌将n h 4 “作为电子供体，n 0 2 n 作为电子受 体，产生n 2 。目前完成这一过程的所有细菌统称为厌氧氨氧化细菌。与传统脱氮工艺 相比，厌氧氨氧化具有以下独特的优势：( 1 ) 该反应过程不需要外加有机碳源作为电 子供体，节省大约4 0 运行费用，同时防止了c 0 2 的二次污染【1 2 1 ；( 2 ) 由于前置反应只 需将一半瞰+ - n 氧化为n 0 2 - - n ，节省供氧量；( 3 ) 厌氧氨氧化菌生长缓慢，同时减少 了9 0 污泥产量，节省污泥处理费用【i 引。这对于高n h d + - n 低碳废水脱氮问题具有现 实意义。 一。 图卜1 氮素转化途径 2 硕i ! 学位论文第一章绪论 1 2 课题的提出 目前人们对厌氧氨氧化工艺作用机理、参与菌种和工艺特性进行了一系列的研 究，并且取得了显著的成果。研究表明：厌氧氨氧化细菌对氮的去除具有较大的潜能， 但是因生长缓慢，倍增时间长达1l d ，细胞产率低【1 4 1 5 】，并且对其环境条件敏感等问 题，使得厌氧氨氧化反应器启动需要较长时间，导致其工艺很难推广。目前虽然在荷 兰、丹麦、日本等国已将这种技术用于实际废水的工业化处理，但是对厌氧氨氧化所 涉及到的一些关键性问题的研究还不够深入。最新研究结果表明实际工程中厌氧氨氧 化工艺调试时间长达3 年，最高氮去除速率只有9 5 k gn m 3 d 1 【】，与目前实验室试 验阶段所得最大去除速率( 2 6k gn m 一d 。1 ) 【1 7 】相差甚远。这进一步说明厌氧氨氧化 技术在如何快速启动，使其简易地走向工程化和如何实现其最大脱氮效能还需深入研 究。 因此在总结前人研究的基础之上，本实验将在传统反应器中添加惰性的纤维载 体，以此来解决厌氧氨氧化细菌流失，研究这种类型反应器在加快厌氧氨氧化反应器 的启动的影响。同时利用已经启动成功厌氧氨氧化反应器研究如何实现其氮去除速率 的快速提高。 1 3 研究目的和意义 通过对反应器截留能力的改变，使得反应器能够在较短的时间内富集更多的厌氧 氨氧化细菌，达到较高的脱氮效能。并掌握这种类型反应器在快速启动厌氧氨氧化过 程中的表现。同时针对该反应器的一些特性，对目前所报道的一些厌氧氨氧化反应影 响因素在该反应器上的表现进行研究。这对厌氧氨氧化实现工程化具有一定的参考价 值。 1 4 研究内容与创新之处 1 4 1 研究的基本内容 1 ) 厌氧氨氧化生物膜反应器的快速启动及其脱氮效能研究。 2 ) 在成功启动厌氧氨氧化反应器的基础之上，对厌氧氨氧化生物膜反应器进行 不同基质浓度，不同充水比试验，研究其脱氮效能的影响。 3 ) 研究高基质浓度对厌氧氨氧化生物膜反应器启动过程的影响。 4 ) 对原水不进行除氧处理，研究含有溶解氧的进水对厌氧氨氧化生物膜反应器 启动过程的影响，并对两种进水方式所表现出的结果进行对照分析。 硕f j 学位论文第一章绪论 5 ) 在成功启动厌氧氨氧化反应器的基础之上，研究基质浓度和h r t 对厌氧氨氧 化反应器脱氮效能提高的影响。 1 4 2 创新点 无论是实验室规模的厌氧氨氧化反应器启动，还是工程化的反应器启动，其核心 内容还是如何在较短时间内将反应器内的厌氧氨氧化细菌富集到一定的量。然而这一 问题与如何设计高截留内力的反应器和深入了解厌氧氨氧化细菌的活性影响因子，创 造其适宜的生长环境有关。本实验采用惰性纤维膜为载体，让厌氧氨氧化细菌吸附在 上面生长，形成一个生物膜反应器，从而解决微生物生长缓慢而流失严重的问题。当 生物膜成熟后会使得进入反应器内的分子氧形成一定的浓度梯度，能够解决进水需要 曝气除氧的问题，从而进一步减少了能耗。 4 硕f j 学位论文 第一二市厌钒氦钒化研究进展 第二章厌氧氨氧化研究进展 2 1 厌氧氨氧化的发现及其机理研究 厌氧氨氧化工艺是由荷兰d e l r 理工大学i ( 1 u y v e r 生物技术实验室m u l d e r 和、，觚 d eg r a a f 等人于1 9 9 5 年开发的一种生物脱氮新工艺。随后经过十多年的研究，目前 已经提出了多种厌氧氨氧化反应途径，其中研觚f 等人【1 9 】通过同位素1 5 n 示踪研究所 提出的厌氧氨氧化代谢途径( 图2 1 ) 被广大学者认同。他们认为在n h 4 + 的厌氧氨氧化 过程中，n h 2 0 h ( 羟氨) 是最有可能的电子受体，而n h 2 0 h 本身又可能是从n 0 2 。分解 而来，n h 4 + 和n h 2 0 h 反应生成n 2 h 4 ( 联氨) ，n 2 h 4 被转化为n 2 ，并产生4 个还原性 【h 】，还原性 h 】被传递到n 0 2 还原系统，形成n h 2 0 h 。 基于此反应途径，j e t e n 等人【2 0 】提出两种可能厌氧氨氧化的反应机理。其一：在 细胞质内，一个被膜包围的复杂的酶将n h 4 + 和n h 2 0 h 转化为n 2 h 4 ，n 2 h 4 则在细胞 质内被氧化为n 2 。在细胞质内负责n 2 h 4 氧化的同一种酶上的不同部位，利用内部 n 2 h 4 氧化为n 2 时产生的电子将n 0 2 还原为n h 2 0 h ；其二：氨和n h 2 0 h 在细胞质 内被一种膜包围的复杂酶催化为n 2 h 4 。n 2 h 4 在细胞质内转化为n 2 ，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 则还原为n h 2 0 h 。 嬲_ n 0 ； 图2 1 厌氧氨氧化代谢途径 2 2 厌氧氨氧化作用菌及其影响因素 2 2 1 厌氧氨氧化作用菌 厌氧氨氧化菌是一类专性厌氧的无机自养细菌，属于革兰氏阴性、光损性的球状 细菌，细胞单生或成对出芽繁殖。在电子显微镜下，一般为不规则的圆形和椭圆形， 5 硕 1 学位论文第二章厌讯氩钒化研究进展 其直径不到1 岫【2 1 2 2 1 。它属于最古老的古生物菌似口c 办口p 口) 或分支很深的细菌栖热孢 菌属( 砌p 删d f d g 口) 和产液菌属似g 材慨) ，在微生物的分类系统中属于浮霉状菌目 ( p l q n c t o m y c e t e s l 。 表2 1目前已发现的厌氧氨氧化菌种及分类 氧需求盐度营养类型厌氧氨氧化菌种类参考文献 自养 淡水 厌氧 异养 c ，口刀旃d a f 淞所。d c 硼铂册口脚历似腻册j 【2 3 ，2 4 ，2 5 】 c o n d i d 仅t l sj e t t e n i od s i a t i c o b 6 、 c 口玎d z c 掐，l s 彳拧口，珂m d 茗d g 儡9 6 l 岱j c 厅盯 【2 7 】 c o n d i d q t t l sk u e n e n i os t t l t t g 口r t i e n s i s 珏6 1 c o n d i d o t 馏a n 口m m o x g l o b 凇p r o p i o n i c 凇 口吼 c 口刀幽妇r 淞肌d z 口丘堙丸妇 【2 3 ，2 4 ，2 5 】 口行口p ，d 6 记口m 厅l d 以f l l d x 池f ，喀【2 9 】 p l 朋c t 饼礼y c e t ec q t l e m ，i r o n - j c a n d i d q t t l s s c n l i ，l d u ns o r o i 【 n i i d o 、 自养 c 口刀击出，淞口砌咖口w 昭玎p 一 【3l 】 海水c n 砸i d o t 凇s c n l i n d 船b r o a 口e 异养 好氧 m f r d s d 肌d ，l 甜口w 印口p 口 【3 2 】 型! 塑望兰2 翌旦丝箜里丝芝! 翌垒垒 注： 。”表示在存在氧的情况下，这些菌将能将n h 4 + - n 和n 0 2 - n 转为n 2 ，而非存在好 氧氨氧化细菌。 到目前为止，科学家已经在淡水，海水中观察到了四种属( c 白疗幽妇，淞历d c 口硪口、 c n n d i d n t u sa n 口m m o x g l o b l l s 、c 口n d i d n t sk u e n e n a 、c n n d i d n t t l ss c 口l i n d t l a ) 的b 每餐i 氧化菌，从而也证明了厌氧氨氧化细菌广泛存在于自然环境中。将其按盐度可分为淡 水氨氧化菌和海水氨氧化菌，将其按生长特性可分为自养氨氧化菌和异养氨氧化菌， 现将目前发现的厌氧氨氧化菌归纳为表2 1 。 2 2 2 厌氧氨氧化作用菌主要影响因素 2 2 2 1p h 值 p h 对厌氧氨氧化细菌的影响有两方面：一方面是保证厌氧氨氧化细菌生长所需 的适宜p h 环境，另一方面对游离氨浓度有重大影响，从而影响厌氧氨氧化细菌的活 性。因此p h 的调节对厌氧氨氧化反应器启动十分重要。 最早j e t t e n 等【1 5 1 认为p h 为6 7 8 3 ( 最佳p h 为8 ) 时脱氮效果最好。e g l i 等【3 3 】 6 硕f j 学化论文第_ 二章厌钒氩钒化研究进展 在3 7 的厌氧氨氧化批式试验中，发现在p h 为6 和6 5 时没有厌氧氨氧化活性， n h 4 + - n 、n 0 2 - n 浓度在反应前后无变化，也不产生n 2 和n 0 3 n 。p h 为7 5 和8 时 的厌氧氨氧化活性最大，分别为2 4 和2 6 5i l r n o l n 2 ( m i n m g 蛋白质) 。p h 7 时的n 2 产生速率为最大值的5 6 。p h 为8 5 和9 时也有厌氧氨氧化活性。说明厌氧氨氧化 反应的适宜p h 为7 9 ，最佳为p h 为7 5 8 。s o e t a e r t 等【”】研究了厌氧氨氧化细菌 的适宜p h 值范围为5 2 7 1 。 杨洋等【3 5 】在温度