環(huán)境工程畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）厭氧氨氧化細(xì)菌的篩選試驗(yàn)研究

1、 西 南 交 通 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）厭氧氨氧化細(xì)菌的篩選試驗(yàn)研究research of selection of anammox-bacteria年 級(jí):2006級(jí)學(xué) 號(hào):20065274姓 名:專(zhuān) 業(yè):環(huán)境工程指導(dǎo)老師: 二零一零年六月 西南交通大學(xué)本科生學(xué)位論文 第 42 頁(yè)院 系 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 環(huán)境工程 年 級(jí) 2006級(jí) 姓 名 題 目 厭氧氨氧化細(xì)菌的篩選試驗(yàn)研究 指導(dǎo)教師評(píng) 語(yǔ) 指導(dǎo)教師 (簽章)評(píng) 閱 人評(píng) 語(yǔ) 評(píng) 閱 人 (簽章)成 績(jī) 答辯委員會(huì)主任 (簽章) 年 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)班 級(jí) 環(huán)境工程2班 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 20065274 發(fā)題日

2、期：2010年 1 月 2 日 完成日期： 6月 2 日題 目 厭氧氨氧化細(xì)菌的篩選試驗(yàn)研究 1、本論文的目的、意義 從厭氧氨氧化反應(yīng)器中篩選、富集厭氧氨氧化菌；確定最佳厭氧氨氧化能力的工藝條件，縮短anammox反應(yīng)器啟動(dòng)的時(shí)間，并為推進(jìn)anammox工藝在實(shí)際廢水處理工程的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。 2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù) 查閱相關(guān)的資料，制定實(shí)驗(yàn)方案，在上流式厭氧污泥床(uasb)反應(yīng)器中接種、培養(yǎng)、富集具有厭氧氨氧化活性的顆粒污泥；在成功啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)器之后，改變培養(yǎng)條件，測(cè)定硝化速率，并最終確定菌株的最佳厭氧氨氧化能力的工藝條件。 3、論文各部分內(nèi)容及時(shí)間分配：（共 12 周）第一部分

3、查閱相關(guān)資料,制定實(shí)驗(yàn)方案 (1 周) 第二部分 厭氧氨氧化菌種的篩選實(shí)驗(yàn) (6周) 第三部分 論文的編寫(xiě) (2 周)第四部分 外文的翻譯工作_ (1 周) 第五部分 _修改論文及定稿 _ ( 1周)評(píng)閱及答辯 ( 1周)備 注 指導(dǎo)教師： 年 月 日審 批 人： 年 月 日摘要生物脫氮一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。尤其在一些富含氨廢水和低c/n比廢水的脫氮處理方面一直困擾著人們，而最近開(kāi)發(fā)的一些anammox工藝、sharon工藝、oland工藝等解決了這個(gè)問(wèn)題。但是由于這些系統(tǒng)的主要負(fù)責(zé)細(xì)菌的難獲得性和難培養(yǎng)性制約了工程應(yīng)用的發(fā)展。本文主要討論如何簡(jiǎn)便易行地從自然界篩選出具有anammox轉(zhuǎn)化能力

4、的細(xì)菌。anammox過(guò)程即：在無(wú)氧環(huán)境中，同時(shí)存在nh4+和no2-或no3-時(shí)，nh4+作為反硝化的無(wú)機(jī)電子供體，no2-/no3-作為電子受體，生成氮?dú)獾倪@一過(guò)程。因而，此過(guò)程可以大量節(jié)省脫氮過(guò)程中的能源和碳源成本，具有很大的實(shí)際應(yīng)用前景。本試驗(yàn)所采用的廢水為人工配水。本試驗(yàn)采用一套有效容積為60 l的uasb反應(yīng)器，接種普通城市污水處理廠厭氧消化池污泥，以自配含nh4+-n和no2-n的廢水為進(jìn)水，對(duì)anammox反應(yīng)過(guò)程的啟動(dòng)和運(yùn)行特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在反應(yīng)器運(yùn)行的第62天， nh4+-n和no2-n的去除率分別為92.82%，95.19%，成功啟動(dòng)了anammox過(guò)程。ana

5、mmox反應(yīng)過(guò)程中，去除的nh4+-n、no2-n和生成的no3-n的比例表現(xiàn)為1:1.38:0.24。 ph出水高于進(jìn)水，穩(wěn)定在7.4左右。堿度進(jìn)、出水變化不大。獲得的具有厭氧氨氧化活性的污泥為紅色，并在反應(yīng)器的下部形成了紅色顆粒污泥。溫度、ph和基質(zhì)濃度等條件都對(duì)anammox反應(yīng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生明顯影響，因此，在厭氧氨氧化培養(yǎng)條件優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)溫度、ph和基質(zhì)濃度等運(yùn)行條件都做了一定的研究。由此，也確定了最佳厭氧氨氧化能力的工藝條件：溫度大約為32、ph為7.4、no2-n濃度為100mg/l（nh4+-n濃度為75 mg/l）。關(guān)鍵詞：anammox反應(yīng)；uasb反應(yīng)器；啟動(dòng)；運(yùn)行

6、條件abstractbiological nitrogen removal always absorbs peoples eyes. especially, nitrogen removal of rich ammonium contained water and low ratio c/n water were troubling people. recently several processes, such as anammox, oland et al, resolved this problem. but due to the bacteria mainly duty for the

7、se systems are very difficult to cultivated, these processes are not easy to apply full-scale plant. this book focused on finding a simple method of how to select anammox-bacteria from natural environments. anammox process is a process that while there are exiting nh4+ and no2- / no3- at the same ti

8、me in an anaerobic environment, nh4+ is uesd as the inorganic denitrification electron donor and no2-/no3- as the electron acceptor to generate nitrogen. therefore, this process can be substantial savings the cost of energy and nitrogen and carbon, it has a great practical application in the future.

9、 synthetic wastewater was used in this study.the start-up of anaerobic ammonium oxidation (anammox) process and operational characteristics in a 60l upflow anaerobic sludge blanket (uasb) reactor seeding with activated sludge from a municipal sewage treatment plant was investigated. the uasb bioreac

10、tor was feed with artificial wastewater composed of ammonium and nitrite at proper ratio. the results demonstrated that anammox process was achieved successfully with high removal efficiencies of nh4+-n and no2-n upto 92.82% and 95.19% after 62 days of operation and acclimation. furthermore, the ave

11、rage ratio of removed ammonia, removed nitrite and produced nitrate was 1：1.38：0.24 at the stable stage of the process. the effluent ph kept around 7.4 and the alkalinity varied a little. the biomass obtained with high anammox activity was red. the grain-sludge of red was found at the bottom of the

12、bioreactor. the anammox reaction conditions，such as temperature, ph and substrate concentration are obvious impact on the stable operation. therefore, we have done some research about the operating conditions of temperature, ph and substrate concentration in the experiments of optimization of cultur

13、e conditions of anammox. thus, we identified the best conditions of anaerobic ammonium oxidation process: temperature about 32 , ph about 7.4,and no2-n concentration of 100mg/l (nh4+-n concentration of 75 mg/l).keyword: anammox reaction；uasb reactor；start-up；operating conditions目錄第1章 緒論.11.1課題研究的背景.

14、11.2脫氮的必要性.11.2.1水體中氮的來(lái)源.21.2.2水體中氮的危害性.21.2.3氮的控制要求.31.3氮素污染的控制.41.3.1物化法.41.3.2生物法.41.4生物脫氮的進(jìn)展.51.4.1 全程自養(yǎng)脫氮工藝.6 1.4.2 sharon工藝.61.4.3 oland工藝.81.4.4 snd工藝.91.4.5 sharon-anammox工藝.91.4.6 厭氧氨氧化工藝.111.5課題的提出.111.6本研究的內(nèi)容和意義.121.6.1研究?jī)?nèi)容.121.6.2研究意義.121.7本文所解決的主要問(wèn)題.13第2章 anammox工藝的脫氮原理.142.1生物脫氮的原理.142

15、.2傳統(tǒng)生物脫氮機(jī)理.14 2.2.1氨化作用.14 2.2.2硝化作用.15 2.2.3反硝化作用.162.3厭氧氨氧化機(jī)理.182.4參與anammox過(guò)程的細(xì)菌.192.4.1厭氧氨氧化菌的分布.192.4.2優(yōu)勢(shì)細(xì)胞.202.4.3 anammox菌的影響因素.202.5利用uasb富集anammox菌的基本原理.21第3章 試驗(yàn)方法和材料.243.1試驗(yàn)裝置.243.2接種污泥.253.3模擬廢水.253.4試驗(yàn)分析項(xiàng)目與方法.26第4章 結(jié)果與分析.274.1反應(yīng)器的啟動(dòng).274.1.1反應(yīng)初期階段.294.1.2過(guò)渡期階段.314.1.3穩(wěn)定運(yùn)行期階段.324.2anammox反

16、應(yīng)過(guò)程中的三氮比.344.3ph和堿度的變化.344.4污泥變化.344.5厭氧氨氧化過(guò)程的條件優(yōu)化.354.5.1ph對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)的影響.354.5.2溫度對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)的影響.364.5.3基質(zhì)濃度對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)的影響.364.5.4小結(jié).37第5章 結(jié)論與建議.385.1結(jié)論.385.2建議.39致謝.40參考文獻(xiàn).41第1章 緒論1.1課題研究的背景氮和磷是廢水中常見(jiàn)的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，它們是引起湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)。國(guó)外從20世紀(jì)60年代末開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)廢水的生物脫氮工藝技術(shù)，80年代開(kāi)始廣泛應(yīng)用于城市污水和部分工業(yè)廢水中營(yíng)養(yǎng)物的去除。我國(guó)從20世紀(jì)80年代也開(kāi)始了脫氮方面的研究工

17、作，并取得了一定的進(jìn)展。但因?yàn)樵诿摰倪^(guò)程中需要消耗堿度和碳源，因而這些技術(shù)的應(yīng)用受到了一些限制。它們不能用來(lái)處理高濃度的含氮廢水和低碳氮比的廢水。目前已發(fā)現(xiàn)一類(lèi)自養(yǎng)型細(xì)菌能在厭氧的環(huán)境下利用nh4+-n和no2-n來(lái)生長(zhǎng)生產(chǎn)出氮?dú)狻＿@種細(xì)菌利用co2作為自身生長(zhǎng)所需的碳源，整個(gè)過(guò)程無(wú)須另外投加有機(jī)物。這為生物脫氮技術(shù)提供了無(wú)限生機(jī)，如果能把這一原理應(yīng)用于工程和工業(yè)化處理目前難處理的高濃度含氨廢水，必將大量節(jié)省脫氮過(guò)程中的能源和碳源成本。課題就是在這種背景下提出的，以期能最終確定這一類(lèi)自養(yǎng)型細(xì)菌的最佳厭氧氨氧化能力的工藝條件，用盡可能短的時(shí)間啟動(dòng)anammox反應(yīng)器，并把自養(yǎng)型的厭氧菌脫氮技術(shù)

18、應(yīng)用于實(shí)際。1.2脫氮的必要性水體中的氮來(lái)源于自然過(guò)程和人類(lèi)活動(dòng)。在自然界中生物固氮每年可達(dá)54×106t，閃電固氮可達(dá)7.6×106t。但是由于造成水體氮污染的主要是人類(lèi)的社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)所引起的，通過(guò)水體的自然生物的自?xún)羰沁h(yuǎn)遠(yuǎn)不能處理人類(lèi)每年排放的大量的氮。若任由氮自然排放，必將引起系列的嚴(yán)重后果，使水體環(huán)境惡化，因此有必要對(duì)含氮廢水進(jìn)行處理。1.2.1水體中氮的來(lái)源1水體中的氮主要以有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮的形式存在，有機(jī)氮主要包括蛋白質(zhì)多肽氨基酸和尿素等，而無(wú)機(jī)氮是指氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮。它們的來(lái)源是多方面的，主要由城市生活污水、工廠工業(yè)廢水和農(nóng)溉污水三方面帶入。隨著我國(guó)城市人

19、口的增加和人口進(jìn)一步的集中，及人民生活水平的提高，城市排放的垃圾量和污水量在逐步上升。城市生活污水中的氮主要是由廚房洗滌、廁所沖洗、淋浴、洗衣等帶入，城市垃圾的滲濾液還有較高的氨氮。工業(yè)合成氨廠及系列氮肥廠，復(fù)合肥廠，硝酸生產(chǎn)廠，煉油廠屠宰廠等工廠會(huì)產(chǎn)生大量的氨氮廢水。我國(guó)農(nóng)業(yè)大量施用氮肥，氮肥施入土壤以后并不是全部立即被植物所吸收的，一般認(rèn)為，損失到大氣或隨水流失的部分可達(dá)總量的20%以上。對(duì)農(nóng)作物所施用的農(nóng)藥有80%- 90%會(huì)流失在土壤中，會(huì)隨雨水沖淋、農(nóng)業(yè)排水和地表徑流而流入河道等水體中。此外自然界的天然固氮也是一個(gè)方面。其中，人工合成的含氮化肥是水體中氨氮營(yíng)養(yǎng)元素的主要來(lái)源。1.2.

20、2水體中氮的危害性(1)刺激地表水中植物和藻類(lèi)的過(guò)度生長(zhǎng)1植物和藻類(lèi)的生長(zhǎng)離不開(kāi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在自然水體中，它們通常受氮（n）和磷（p）的限制。由于水生生物所需的n/p為4-10（質(zhì)量比），而寡營(yíng)養(yǎng)型湖泊的n/p大于10，因此磷的限制作用更大。但是，如果城市生活污水排入水體中，由于污水的n/p為3，湖泊的n/p降低，氮和磷的限制作用發(fā)生逆轉(zhuǎn)。氮素隨污水持續(xù)進(jìn)入水體，可引起水體富營(yíng)養(yǎng)化（eutrophication），造成水生植物和藻類(lèi)過(guò)度生長(zhǎng)，并由此衍生出一系列不良的后果。水生植物和藻類(lèi)大量繁殖，覆蓋水面，影響景觀?！俺喑薄笔呛Ｃ娉尸F(xiàn)紅色，使人感到一片蕭條。藻類(lèi)密度過(guò)高，阻塞魚(yú)鰓和貝類(lèi)水孔，影響呼

21、吸作用。藻類(lèi)產(chǎn)生毒素，如cyaulax catenella產(chǎn)生石房蛤毒素（劇烈的神經(jīng)毒素），可引起魚(yú)、貝中毒。藻類(lèi)產(chǎn)生氣體物質(zhì)，使水體散發(fā)異常氣味，如土腥味、霉腐味、魚(yú)腥味等。如果以富營(yíng)養(yǎng)化水體為水源，藻類(lèi)可堵塞濾池而影響水廠生產(chǎn)；所含的毒素和氣味物質(zhì)則影響飲用水的質(zhì)量。(2)通過(guò)硝化作用引起水體缺氧氨是硝化細(xì)菌的能源，硝化作用會(huì)消耗大量氧氣。由于氨氮的理論需氧量為4.6mg/mg(o2/nh4+)，在二級(jí)處理出水中，氮需氧量（nod）占總需氧量（tod）的比列可高達(dá)71.3%。假如水體沒(méi)有足夠的稀釋能力，二級(jí)處理出水排入水體后，氨氮將耗盡溶解氧。20時(shí)，水中飽和溶解氧濃度約為9mg/l，許多

22、魚(yú)類(lèi)生活所需的溶解氧濃度都在5mg/l以上，也即要求水中溶解氧的飽和度大于56%。氨氮消耗溶解氧，可對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。(3)氨對(duì)水生生物產(chǎn)生毒害氨是水生植物和藻類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)也是魚(yú)類(lèi)和其它水生動(dòng)物的毒性物質(zhì)。在水中，氨以離子（nh4+）和分子（nh3）的形態(tài)存在，引起毒害作用的主要是nh3。由于ph和溫度可影響n(yōu)h3的分配nh3/(nh3+nh4+),升高ph或溫度，可明顯增強(qiáng)氨氮的毒性。夏天，在一些富營(yíng)養(yǎng)化程度高的水體中，光合作用很強(qiáng)，co2消耗很大，ph上升很快，極易誘發(fā)水生生物的氨中毒。(4)硝酸鹽影響人類(lèi)健康硝酸鹽和亞硝酸鹽之所以受到公共衛(wèi)生部門(mén)的高度關(guān)注，是因?yàn)樗鼈兡苷T

23、發(fā)高鐵血紅蛋白血癥和胃癌。高鐵血紅蛋白血癥只要發(fā)生于嬰兒人群中，患者皮膚呈淡藍(lán)色，因此被稱(chēng)為“藍(lán)兒”癥。嬰兒吸入含有硝酸鹽的飲品后，會(huì)在胃和唾液中還原成亞硝酸鹽，并與血紅蛋白反應(yīng)生成高鐵血紅蛋白。由于正常血紅蛋白具有輸氧能力，而高鐵血紅蛋白沒(méi)有輸氧功能，當(dāng)后者在血液中的含量超過(guò)70%時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致嬰兒窒息，皮膚變成淡藍(lán)色。硝酸鹽誘發(fā)胃癌主要是亞硝基化合物所致。硝酸鹽還原產(chǎn)生亞硝酸鹽，后者可與胺或酰胺反應(yīng)生成亞硝胺或亞硝酰胺，兩者都有致癌作用。流行病學(xué)研究表明，硝酸鹽攝入量大的人群，胃癌發(fā)生率也高。(5)增加污水處理成本污水中nh3-n的增加會(huì)增加污水的處理成本。以氯氣處理法計(jì)，每增加1gnh3-

24、n需增加810g的氯氣量。若以化學(xué)中和法、沉淀法處理，也會(huì)增加化學(xué)沉淀劑的投入量。此外，氨還會(huì)與一些含銅及銅合金設(shè)備中的銅組分反應(yīng)引起相關(guān)設(shè)備的腐蝕。1.2.3氮的控制要求在我國(guó)1996年發(fā)布的gb 89781996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)2中明確規(guī)定了醫(yī)藥原料藥、染料、石油化工工業(yè)廢水中的氨氮一級(jí)出水標(biāo)準(zhǔn)為15mgn/l，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為50mg/l，而其他排污單位的氨氮排放標(biāo)準(zhǔn)：一級(jí)為15mg/l，二級(jí)為25mg/l。1.3氮素污染的控制因?yàn)榈匚廴镜姆N種危害，氮素控制得到了社會(huì)各界的重視。在廢水脫氮技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，涌現(xiàn)了一大批行之有效的處理工藝，構(gòu)成了廢水脫氮技術(shù)的技術(shù)體系。這些廢水脫氮技術(shù)

25、可區(qū)分為物化法和生物法。1.3.1物化法物化法主要有空氣吹脫法、選擇性離子交換法、折點(diǎn)加氯法、磷酸氨鎂沉淀法3等。廢水的物化脫氮工藝的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、能耗低。出氮效果穩(wěn)定，適用于工礦企業(yè)排出的高含氮廢水的處理，尤其適合氨氮濃度較高的氮肥廠處理廢水用。1.3.2生物法廢水生化處理脫氮工藝效果好，能較為徹底的脫出廢水中的氨，且不會(huì)造成二次污染，能耗也較物化法低。生物法是目前應(yīng)用最廣的廢水脫氮技術(shù)。它通常由硝化工藝和反硝化工藝組成。(1)硝化工藝3硝化工藝（nitrification process）是通過(guò)工程措施，利用自養(yǎng)型硝化細(xì)菌的作用，將廢水中的氨氧化為硝酸鹽的處理方法。硝化工藝誕生于20世紀(jì)

26、中葉，隨著研究的深入和應(yīng)用的普及，硝化工藝的類(lèi)型不斷增加。根據(jù)除碳（cod去除）與硝化（氨氧化）的關(guān)系，硝化工藝可分為單級(jí)處理系統(tǒng)（活性污泥法）和多級(jí)處理系統(tǒng)（生物膜法）。在多級(jí)處理系統(tǒng)中，既可采用單一的活性污泥法或生物膜法，也可采用兩者的組合。若進(jìn)一步考慮各級(jí)處理的反應(yīng)器構(gòu)型，硝化工藝將更加豐富多樣。(2)反硝化工藝反硝化工藝（denitrification）是通過(guò)工程措施，里哦那個(gè)反硝化細(xì)菌的作用，將廢水中的硝酸鹽、亞硝酸鹽以及其它氮氧化合物還原為氮?dú)獾奶幚矸椒?。與硝化工藝相似，反硝化工藝也可區(qū)分為單級(jí)處理系統(tǒng)和多級(jí)處理系統(tǒng)；懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)（活性污泥法）和附著生長(zhǎng)系統(tǒng)（生物膜法）；根據(jù)反應(yīng)器

27、構(gòu)型也可劃分出多種類(lèi)型。從微生物學(xué)的角度看，一方面，反硝化細(xì)菌多為兼性厭氧細(xì)菌，只有在氧受限制時(shí)才能進(jìn)行脫氮作用，要使反硝化過(guò)程順利進(jìn)行，必須防止氧的干擾；另一方面反硝化細(xì)菌主要是異養(yǎng)型細(xì)菌，有機(jī)物使它們不可缺少的能源和碳源，要使反硝化反應(yīng)順利進(jìn)行，必須為反硝化細(xì)菌提供合適的電子供體。根據(jù)有機(jī)物的來(lái)源，反硝化工藝還可區(qū)分為內(nèi)碳源反硝化和外碳源行反硝化作用。前者利用廢水中的有機(jī)物作為碳源進(jìn)行反硝化作用；后者則通過(guò)外加有機(jī)物（如甲醇）進(jìn)行反硝化。硝化工藝雖然能夠把氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，消除氨的不良影響，但不能徹底的消除氮素的不良影響。反之，反硝化工藝雖能夠根除氮素對(duì)環(huán)境的污染，但不能直接去除氨氮。因此在

28、環(huán)境工程上，硝化工藝與反硝化工藝常常聯(lián)合應(yīng)用。三種常用的生物脫氮工藝流程為3：1)分級(jí)除碳、硝化、反硝化工藝除碳硝化反硝化2)組合除碳和硝化，分級(jí)硝化工藝除碳和硝化反硝化 3)組合除碳、硝化、反硝化工藝除碳、硝化、反硝化1.4生物脫氮的進(jìn)展近十多年來(lái)，在氮素污染日趨嚴(yán)重，許多國(guó)家目前對(duì)廢水處理工藝也提出了可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)：最低的有機(jī)物和能源消耗（14mj/kgcod），最小的二氧化碳排放，最大的生物能量-甲烷的產(chǎn)生。而傳統(tǒng)的消化-反硝化生物脫氮工藝能耗大，每硝化1gnh4+-n要耗氧4.57g，每反硝化1gno3-n要硝化碳源2.86gcod。為此國(guó)外近年來(lái)開(kāi)發(fā)了一些全新的脫氮工藝。1977年奧

29、地利理論化學(xué)家broda5根據(jù)化學(xué)反應(yīng)自由能的計(jì)算，預(yù)言自然界必然存在以硝酸鹽或亞硝酸鹽為氧化劑的氨氧化反應(yīng)。之后，陸續(xù)有許多科學(xué)家對(duì)這方面的內(nèi)容進(jìn)行了研究。20世紀(jì)80年代末，荷蘭delft工業(yè)大學(xué)mulder5等人發(fā)現(xiàn)，生物脫氮流化床反應(yīng)器中的氨與硝酸鹽是同步轉(zhuǎn)化的，產(chǎn)生的氣體主要成分是n2。這就是broda所預(yù)言的存在于自然界中的厭氧氨氧化。接著，van de graaf5等人以充分的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明，厭氧氨氧化是一個(gè)厭氧生物反應(yīng)。之后van de graaf等人在無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)器中培養(yǎng)出了厭氧氨氧化細(xì)菌，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明此類(lèi)細(xì)菌的生長(zhǎng)受有機(jī)物的抑制，因此可以初步判定它們是自養(yǎng)型細(xì)菌，厭氧氨氧化

30、是自養(yǎng)型細(xì)菌所致的生物反應(yīng)。以理論為基礎(chǔ)，有科學(xué)家陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了多種工藝來(lái)處理富含氮廢水。主要有荷蘭delft工業(yè)大學(xué)和生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提出的sharon-anammox5工藝，比利時(shí)gent微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室提出的oland5工藝等。并已經(jīng)有一部分成果應(yīng)用于實(shí)際取得了較好的效果。1.4.1全程自養(yǎng)脫氮工藝全程自養(yǎng)脫氮工藝，英文名為deammonification或autotrophic ammonia removal 。a.hippen 和h.siegrist研究發(fā)現(xiàn)在限制都（1.0mg/l）的條件下有超過(guò)60%的no3-n在生物轉(zhuǎn)盤(pán)反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為n2。反應(yīng)過(guò)程中總有機(jī)碳（toc）很低，小于20m

31、g/l，且無(wú)明顯變化。這表明不存在明顯的異常反硝化，整個(gè)nh3-n轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程全部由自養(yǎng)菌完成。研究表明全程自養(yǎng)脫氮的能耗僅為傳統(tǒng)的硝化-反硝化生物脫氮能耗的1/2-1/3。該過(guò)程無(wú)需添加有機(jī)碳源進(jìn)行反硝化，故處理費(fèi)用低。在ph值為8.0-8.5，do為0.7-1.0mg/l，20攝氏度。nh3-n表面負(fù)荷為2-2.5g/(m2·d)，表面總?cè)コ蕿?.1-1.3g/(m2·d).。1.4.2 sharon工藝（半硝化工藝）sharon(single reactor for high activity ammonia removal over nitrite)工藝又叫短

32、程硝化-反硝化工藝，是荷蘭delft工業(yè)大學(xué)6提出的新型生物脫氮工藝。其基本原理是：在較高溫度下，好氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速率高于亞硝酸氧化菌，通過(guò)控制溫度和水力停留時(shí)間(hydraulic retention time，hrt)，可將亞硝酸氧化菌洗出，使好氧氨氧化菌在反應(yīng)器中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，從而使大部分nh4+-n氧化成no2-n，然后進(jìn)行反硝化脫氮。這一工藝采用好氧-缺氧交替運(yùn)行的操作方式，在單個(gè)反應(yīng)器內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)短程硝化-反硝化脫氮。其反應(yīng)式為：nh4+hco3-+0.75o20.5nh4+0.5no2-+co2+1.5h2 (1-1)sharon工藝除了要有足夠的hco3-堿度外，還要求有較高的溫

33、度。當(dāng)溫度高于25攝氏度時(shí)，亞硝化菌的世代時(shí)間比硝化菌的世代時(shí)間短，因此控制泥齡可將硝化菌清洗出系統(tǒng)而留下亞硝化菌在系統(tǒng)，以確保硝化反應(yīng)停留在亞硝化階段。若出水對(duì)nh4+-n要求高，還需在缺氧條件下，以有機(jī)物為電子供體將亞硝酸鹽反硝化生產(chǎn)氮?dú)馊コ?。此法可脫高濃度廢水，反應(yīng)常在30-35攝氏度?？刹捎胏str反應(yīng)器（complete stirred tank reactor）。采用短程硝化-反硝化工藝，即亞硝化-反硝化工藝，能有效減少曝氣量，在廢水脫氮方面具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)現(xiàn)短程硝化可從三個(gè)方面進(jìn)行考慮:ph值、溫度和do。nh3和hno2對(duì)亞硝酸氧化菌具有毒性，一個(gè)很小的ph值變化可極大地

34、改變這兩種物質(zhì)的濃度，因此改變ph值可有效抑制亞硝酸氧化菌的生長(zhǎng)7。調(diào)控ph最初的確能導(dǎo)致短程硝化，但是經(jīng)幾周的適應(yīng)后，又可恢復(fù)全程硝化8，因此單靠調(diào)控ph值難于維持長(zhǎng)期穩(wěn)定的短程硝化。當(dāng)溫度超過(guò)15時(shí)，好氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速率高于亞硝酸氧化菌，通過(guò)控制污泥停留時(shí)間(sludge retention time，srt)可獲得穩(wěn)定的短程硝化，實(shí)際應(yīng)用時(shí)將溫度控制在15-20以上即可。利用亞硝酸氧化菌對(duì)o2的親和力低于好氧氨氧化菌的特性，控制反應(yīng)器中do也可有效抑制亞硝酸氧化菌生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)短程硝化。結(jié)合考慮ph值、溫度和do三個(gè)因素的共同作用，hellinga等人9成功地開(kāi)發(fā)了sharon工藝。在

35、一個(gè)簡(jiǎn)單的連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器(continuous stirred tank reactor，cstr)中，控制溫度30-40和ph7-8，使好氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速率明顯快于亞硝酸氧化菌；應(yīng)用較高的稀釋率以保證反應(yīng)器內(nèi)無(wú)污泥停留(hrt=srt)，洗出亞硝酸氧化菌；并采用好氧-缺氧交替運(yùn)行的方式，通過(guò)反硝化來(lái)去除亞硝酸并補(bǔ)償因好氧氨氧化所致的酸度下降。經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，維持ld好氧和1.5d缺氧的交替運(yùn)行，35時(shí)可維持穩(wěn)定的脫氮效果。盡管系統(tǒng)內(nèi)微生物活性很高，但其對(duì)氮的基質(zhì)親和力較低，出水氮濃度較高。要想獲得較低的出水氮濃度，可提高ph值并延長(zhǎng)hrt以保證穩(wěn)定的短程硝化，同時(shí)提高曝氣量和外加碳

36、源的數(shù)量以進(jìn)行較為徹底的反硝化作用。采用分子生物學(xué)方法(變性梯度凝膠電泳)對(duì)sharon反應(yīng)器內(nèi)的微生物進(jìn)行鑒定的結(jié)果表明，在該反應(yīng)器內(nèi)至少存在四類(lèi)不同的細(xì)菌。對(duì)165rrna的分析表明，其優(yōu)勢(shì)克隆(占69%)與nitrosomonas eutropha高度相似，反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌為好氧氨氧化菌(nitrosomonas)。得勒支污水處理廠和鹿特丹污水處理廠分別建成并成功運(yùn)行了兩個(gè)sharon反應(yīng)器，容積分別為4500m3和1500m3。這兩個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行，有效地提高了污水廠出水水質(zhì)。其中烏得勒支污水處理廠中對(duì)硝化率要求較高(>95%)，好氧段停留時(shí)間大于ld，反硝化過(guò)程中，cod和n的消

37、耗量之比為3.3gcod/gn，反硝化主要是經(jīng)硝酸鹽途徑實(shí)現(xiàn)的，只有部分氮去除是通過(guò)短程硝化-反硝化過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。而在鹿特丹污水處理廠，反硝化過(guò)程中，cod和n的消耗量之比為2.4gcod/gn，通過(guò)短程硝化-反硝化途徑去除的氮估計(jì)占到總?cè)コ实?0%，如果好氧段時(shí)間進(jìn)一步縮短到ld，這一比例可超過(guò)90%。盡管這兩個(gè)反應(yīng)器的出水氮濃度不理想(較高)，但其容積負(fù)荷較高。在鹿特丹污水處理廠，sharon反應(yīng)器是利用原有反應(yīng)池改造而成的，為現(xiàn)有污水廠的技術(shù)改造提供了范例。與硝化一反硝化工藝相比，sharon工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)硝化與反硝化放在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，流程簡(jiǎn)單；(2)硝化產(chǎn)生的酸度可部分

38、地由反硝化產(chǎn)生的堿度中和，減少化學(xué)試劑用量；(3)hrt縮短，減少反應(yīng)器體積和占地面積，節(jié)省基建投資；(4)節(jié)省反硝化所需碳源，以甲醇為例，nh4+-n反硝化比no3-n反硝化可節(jié)省碳源40%；(5)需氧量下降25%，減少動(dòng)力費(fèi)用。1.4.3 oland工藝該工藝由比利時(shí)gent微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)11。此工藝關(guān)鍵是控制溶解氧濃度，使硝化過(guò)程進(jìn)行到nh4+氧化為no2-階段。溶解氧是硝化與反硝化過(guò)程中的重要因素，低濃度下，亞硝酸菌增殖速度快，補(bǔ)償了由于低氧造成的代謝活動(dòng)的下降，使得整個(gè)硝化階段中氨氧化未受到明顯的影響。該工藝的機(jī)理是亞硝化細(xì)菌對(duì)no2-催化進(jìn)行如下反應(yīng)：0.75nh4+0.75

39、o20.5no2-+0.5h2o+h+ (1-2)0.5nh4+0.5no2-0.5n2+h2o (1-3)該工藝的優(yōu)點(diǎn)就是可以不加有機(jī)物，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，可防止二次污染。該工藝每氧化1molnh4+僅消耗氧0.75mol，而傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝每氧化1molnh4+需耗氧2mol。如果不考慮細(xì)胞合成耗氧的話(huà)，oland工藝可以減少62.5%的氧耗。傳統(tǒng)硝化-反硝化生物脫氮工藝，每氧化1molnh4+要產(chǎn)生2molh+，每還原1mol的no3-或no2-要產(chǎn)生1moloh-，而oland工藝采用的nh3的厭氧氧化產(chǎn)酸量較傳統(tǒng)工藝有所下降，產(chǎn)堿量為零。因此oland工藝較傳統(tǒng)工藝科節(jié)省中和酸、堿所

40、用的試劑，從而節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。1.4.4 snd工藝snd1全稱(chēng)為simultaneous nitrification denitrification，即同時(shí)硝化與反硝化。傳統(tǒng)的生物脫氮理論認(rèn)為nh3-n的去除是由硝化菌在好氧的情況下硝化，再在厭氧的情況下反硝化成n2而得以去除。但是在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)好氧硝化池中常有30%的總氮損失，表明某些微生物在好氧的條件下也可以進(jìn)行反硝化，這就為生物脫氮提供了新的思路。試驗(yàn)表明當(dāng)do濃度在0.5-1mg/l時(shí)，進(jìn)水nh3-n為50-10mg/l時(shí)，總氮分別有58.4%和62.6%的損失。表示在有氧的情況下可實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化與反硝化。do的濃度時(shí)實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化與反

41、硝化的重要因素。同時(shí)硝化和反硝化現(xiàn)象隨do濃度的升高而降低。1.4.5 sharon-anammox工藝sharon-anammox工藝分別在兩個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)部分硝化和厭氧氨氧化，能優(yōu)化兩類(lèi)細(xì)菌的生存環(huán)境，運(yùn)行性能穩(wěn)定。sharon是一種理想的no2-生成裝置，目前己有生產(chǎn)規(guī)模運(yùn)行20，sharon和anammox聯(lián)合脫氮時(shí)，只需約50%的nh4+轉(zhuǎn)化成no2-。van dongen等人12小試規(guī)模研究了sharon-anammox工藝處理污泥消化出水的可行性。采用連續(xù)攪拌(cstr)sharon反應(yīng)器，在連續(xù)曝氣的條件下維持hrt ld，穩(wěn)定運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)兩年多。由于多數(shù)污泥消化出水中含有足夠的堿(以