13-新型生物脱氮工艺

生物脱氮新工艺与机理研究报告人：周集体单位：大连理工大学传统生物脱氮过程的生化反应及微生物R-NH2NH4+NO2-NO3-NO2-N2氨化氨氧化亚硝酸氧化主要细菌种类Pseudomonas(P.fluorescens)Bacillus(B.subtilis)Bacillus(B.septicus)Nitrosomonas(N.europha,N.europaea)Nitrosococcus(N.mobilis)NitrosospiraNitrobacterNitrococcusNitrospiraParacoccus(P.denitrificans)AlcaligenesPseudomonas(P.aureofaciens)Listeria大多数异养菌（对比）氧类型好氧/厌氧O/A好氧O好氧O缺氧/兼氧A好氧O营养类型异养（需有机碳）自养（需CO2）自养（需CO2）异养（需有机碳）异养（需有机碳）最适生长pH5.0-9.07.5-8.07.0-8.07.0-8.56.5-8.5世代时间----8-36h8-59h--------2.3-8.7h最大增长速率----0.02-0.09h-10.01-0.06h-1---------0.08-0.3h-1pH变化产碱产酸不变产碱不变氨化菌氨氧化菌亚硝酸氧化菌反硝化菌反硝化研究背景传统生物脱氮工艺（1）三级活性污泥脱氮工艺去除有机物有机氮氨化NH4+NO2-NO3-NO3-

N2优点：有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌在各自的反应器内生长繁殖，

反应速度快且彻底缺点：流程长、设备多、管理不方便

外加碱，消耗大量碱

外加碳源，消耗大量碳源传统生物脱氮工艺（2）前置反硝化工艺（A/O）反硝化反应器（反硝化反应）缺氧（A）硝化反应器（去除有机物、硝化反应）好氧（O）沉淀池处理水原废水氮气碱剩余污泥内循环（硝化液回流）污泥回流优点：流程简单、装置少、建设费用低

无需外加碳源，利用原水有机物进行异养反硝化

减少碱消耗，利用反硝化产碱中和硝化产的酸缺点：需双循环系统，动力消耗大

回流比大小影响反硝化速率A段O段反硝化有机物降解、硝化时间污水污泥回流内循环CODBOD5CODNO3--NNO3--NNH4+-NNH4+-NBOD5A/O脱氮工艺特性曲线新型生物脱氮技术1.短程硝化反硝化2.好氧反硝化3.同步硝化反硝化（SND）4.厌氧氨氧化短程硝化反硝化工艺及理论研究进展1975年Votes等首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念1986年Sutherson等证实了经NO2-途径进行生物脱氮的可行性1997年荷兰Delft工业大学成功开发Sharon工艺近十年生物膜和活性污泥体系中亚氮积累的原因及机理研究研究背景NH4+-N短程硝化反硝化N2NO2--NNO3--NNO2--N氨氧化菌亚硝酸盐氧化菌亚硝酸型反硝化菌反硝化菌硝化阶段反硝化阶段全程硝化反硝化反硝化菌节省25%供氧量40%~60%有机碳需求量30%~40%反应器容积反硝化速率提高1.5~2倍控制因素控制条件控制机理游离氨大于6mg/LFA对AOB和NOB的抑制浓度不同，NOB对FA更敏感温度25～35℃不同温度下AOB和NOB的动力学常数不同溶解氧0.5～1.5mg/LAOB和NOB对DO亲和力不同，低DO抑制NOB的生长pH7.8～8.5pH不但是生物生长限制条件，而且影响FA抑制剂重金属、氯化物等NOB比AOB对环境更敏感，可添加抑制剂，促进亚氮积累污泥龄介于AOB和NOB最小停留时间之间控制污泥龄，使系统中的NOB被逐渐淘洗掉（Sharon）NH4+NO2-NO3-AOBNOB选择抑制理论短程硝化反硝化工艺及理论研究进展很难实现持久稳定的高浓度亚硝氮积累！短程硝化反硝化的关键问题从微生物角度出发分别驯化和富集培养两类功能菌短程硝化功能菌亚硝酸型反硝化功能菌膜生物反应器(MBR)填料床生物膜反应器(PBBR)MBR-PBBR短程生物脱氮工艺工艺的短程脱氮性能及稳定性改变工艺参数微生物群落结构及动态变化生物强化实现短程硝化反硝化的可行性工艺的宏观运行性能与微生物微观结构之间的内在联系生物强化的MBR-PBBR短程脱氮工艺可行性分析NH4+NO2-N2MBR-PBBR短程生物脱氮工艺装置图短程硝化功能菌亚硝酸型反硝化功能菌全部NO2--N无NO3--N大量NO2--N少量NO3--N短程硝化功能菌的驯化筛选过程PhaseIIIIII无NO2--N全部NO3--N

普通活性污泥短程硝化功能菌短程硝化功能菌的最佳氨氧化条件CNH4+-N=400mg/LT=35℃pH=8.5Alk/N=8.3短程硝化功能菌的形态DAPI染色Nsm156探针杂交Nitrosomonas-likeFISH分析亚硝酸型反硝化功能菌的驯化流程及过程亚硝酸型反硝化菌的最佳反硝化条件TOC/N=4T=30℃pH=9对数生长期稳定期对数生长期(b)

缺氧(a)

好氧亚硝酸型反硝化菌属于兼氧菌：在有氧气的条件下，利用氧气作为电子受体进行好氧呼吸；在缺氧条件下，利用亚硝氮作为电子受体，发生反硝化作用。稳定期亚硝酸型反硝化功能菌在好氧和缺氧条件下的生长和亚硝氮降解曲线菌株JY4的生理生化特性亚硝酸型反硝化功能菌

菌株JY4

采用平板涂布法从菌群中分离纯化出优势菌株JY4生理生化特征形态特征16SrDNA序列分析PseudomonasmendocinaMBR-PBBR捷径生物脱氮工艺装置图短程硝化功能菌亚硝酸型反硝化功能菌实验进水成分2.2MBR-PBBR启动启动期MBR出水启动期MBR短程硝化性能达到稳定启动期MBR-PBBR工艺出水PBBR反硝化性能稳定MBR-PBBR捷径生物脱氮工艺启动成功不同HRT下的反应器操作参数2.3MBR-PBBR系统不同HRT下的运行性能HRT28h24h20h28h亚氮积累率95%以上HRT28h24h20h28h不同HRT下MBR-PBBR工艺短程脱氮性能不同HRT下短程硝化性能HRT对PBBR的反硝化性能无影响一级MBR短程硝化效率及稳定性是影响MBR-PBBR系统捷径生物脱氮效率的决定性因素不同HRT下MBR-PBBR实现了稳定的捷径生物脱氮MBR中95%以上稳定亚氮积累的原因？选择抑制理论游离氨抑制溶解氧抑制pH抑制实验中0～6.5mg/L的FA对NOB无抑制实验中2～3mg/L的DO对NOB无抑制pH不能单独作为抑制条件推测本研究中较高且稳定的亚氮积累主要是由于接种短程硝化功能菌使MBR中不存在或存在少量的NOB。为进一步确定该假设，对MBR的生物相进行硝化活性测定和FISH分析。不同HRT下MBR中氨氧化活性和亚硝酸盐氧化活性的变化NOB:NDNOB:4.5×103MPN/mLNso190杂交Nit3杂交总菌数亚硝酸氧化菌氨氧化菌DAPI染色1d42d105dFISHMBR中的生物相组成82%的β-Proteobacteria亚纲的氨氧化菌极少量的Nitrobacter5.溶解氧、温度、进水有机碳源浓度对MBR-PBBR工艺短程脱氮的影响各个实验阶段运行参数

不同溶解氧运行下MBR短程硝化性能溶解氧的影响不同溶解氧运行下MBR-PBBR工艺出水情况不同溶解氧下MBR中硝化污泥活性的比较

AOB:2.5×108MPN/mLNOB:4.5×103MPN/mLAOB:4×108MPN/mLNOB:2×105MPN/mL35.5%升高温度显著提高了MBR氨氧化效率，有利于亚氮的积累温度的影响不同温度运行下MBR短程硝化性能不同温度运行下MBR-PBBR工艺出水情况不同温度下MBR中硝化污泥活性的比较

I-223-42300.460.00151.26倍1.12倍运行参数完全一样有机物浓度较低时促进硝化反应TOC/N≥0.2时抑制硝化反应有机碳源浓度的影响不同有机碳浓度MBR短程硝化性能不同有机碳浓度时MBR-PBBR工艺出水情况不同进水TOC/N下MBR中硝化活性的比较

在进水添加有机物后，MBR中存在AOB、NOB和异养菌的竞争，根据三者的比生长速率和利用底物的先后顺序可以判断三者的竞争力由强至弱为：异养菌＞AOB＞NOB。

菌种控制可作为实现短程生物脱氮的一个有效手段，在本研究通过菌种控制运行的MBR-PBBR工艺有以下优势：大大缩短启动时间在启动期和不同HRT运行时，系统的生物脱氮完全以短程硝化反硝化方式进行本系统对溶解氧和温度要求较低，低溶解氧（<3mg/L）或高温（>30℃）有利于MBR短程硝化的长久稳定，MBR的亚氮积累率在96%以上；高溶解氧（>5mg/L）或常温（20℃）条件下，MBR的亚氮积累率仍能维持55%以上，这在其他反应器中是很难实现的。因此，在实际操作过程中，可适当地提高反应温度和降低曝气量来提高生物强化短程硝化的稳定性。有机碳源浓度过高

TOC/N≥0.2时，进水有机物对硝化反应产生明显的抑制作用，但是在除去有机碳后，反应器立即复原。通过菌种控制可以使MBR中的微生物在很长一段时间内以氨氧化菌为优势菌，受工艺参数的波动较小。新型生物脱氮技术1.短程硝化反硝化2.好氧反硝化3.同步硝化反硝化（SND）4.厌氧氨氧化好氧反硝化现象的发现Robertson和Kuenen，在实验室观察到有氧存在的条件下发生了反硝化现象，甚至有的可以在氧浓度达到7mg/L的环境下进行。近些年来，好氧情况下总氮(TN)的损失也不断见于研究报道。Pochana在SBR反应器中观察到了95%的总氮去除率，另外在许多实际运行的好氧硝化池中常常发现有30%的总氮损失。这些现象充分证实了好氧反硝化确实存在。好氧反硝化现象的优点好氧反硝化可与硝化反应在同一个反应器中发生，减少系统空间和工程造价，无需外加碱液来调整系统的pH值。2.好氧反硝化菌在处理运行中更容易被调控。好氧反硝化的关键问题1.耐高浓度溶氧的好氧反硝化微生物的分离筛选。2.好氧反硝化菌株对高氨氮和高硝氮废水的脱氮能力考察。3.好氧反硝化菌株的生化反应条件。1.好氧反硝化菌株的筛选和鉴定凌水河口，水体污染严重，富营养化程度高。富集培养封闭空气条件下筛选空气曝气条件下筛选目标菌株菌株编号产氮气量（ml）初始氧含量（%）终止氧含量%菌液终浓度（OD600）422.35215.40.4490412.23212.20.465332.17212.40.3704162.16212.80.251422.112100.694812.10213.10.953872.09212.00.386062.09212.00.413852.01211.60.3900231.99211.90.7481目标菌株

O2N2

2.菌株ADN42的鉴定及生长特性菌株ADN42的菌落形态

菌株ADN42的形态（SEM观察）（斯氏假单胞菌）P.stutzeri菌株ADN42的生长特性盐度对菌株ADN42生长的影响pH值对菌株ADN42生长的影响温度对菌株ADN42生长的影响2%~3%7~830~35℃3.菌株ADN42的反硝化能力纯氧条件下反硝化厌氧条件下反硝化兼氧条件下反硝化菌株在纯氧条件下培养24小时菌株可在近于饱和溶氧的条件下发生反硝化反应产生氮气。菌株在氦气曝气后密闭条件下培养24小时菌株可在厌氧条件下发生反硝化反应产生氮气。菌株在封闭空气条件下培养24小时菌株可在广泛溶解氧条件下发生反硝化反应产生氮气。样品1样品2样品3N2N2N2O2O2O2N2N2N2样品1样品2样品3N2N2N2O2O2O2样品1样品2样品3菌株可在近于饱和溶氧的条件下发生氨氧化-好氧反硝化反应产生氮气菌株ADN42的其他特性异养硝化反硝化能力菌株以氯化铵为唯一氮源曝气条件下培养24小时自絮凝性能菌株培养物静置30分钟后照片细菌聚集呈片状或颗粒状，于瓶底逐渐形成絮状沉；菌株产气后引起聚集体上浮。O2O2O2N2N2N2样品1样品2样品34.菌株ADN42好氧反硝化的影响因素分析C/N对菌株异养脱氮效率的影响C/N24h后含氮量（mg/l）脱氮率（