13-新型生物脫氮工藝

生物脫氮新工藝與機(jī)理研究報(bào)告人：周集體單位：大連理工大學(xué)傳統(tǒng)生物脫氮過(guò)程的生化反應(yīng)及微生物R-NH2NH4+NO2-NO3-NO2-N2氨化氨氧化亞硝酸氧化主要細(xì)菌種類(lèi)Pseudomonas(P.fluorescens)Bacillus(B.subtilis)Bacillus(B.septicus)Nitrosomonas(N.europha,N.europaea)Nitrosococcus(N.mobilis)NitrosospiraNitrobacterNitrococcusNitrospiraParacoccus(P.denitrificans)AlcaligenesPseudomonas(P.aureofaciens)Listeria大多數(shù)異養(yǎng)菌（對(duì)比）氧類(lèi)型好氧/厭氧O/A好氧O好氧O缺氧/兼氧A好氧O營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型異養(yǎng)（需有機(jī)碳）自養(yǎng)（需CO2）自養(yǎng)（需CO2）異養(yǎng)（需有機(jī)碳）異養(yǎng)（需有機(jī)碳）最適生長(zhǎng)pH5.0-9.07.5-8.07.0-8.07.0-8.56.5-8.5世代時(shí)間----8-36h8-59h--------2.3-8.7h最大增長(zhǎng)速率----0.02-0.09h-10.01-0.06h-1---------0.08-0.3h-1pH變化產(chǎn)堿產(chǎn)酸不變產(chǎn)堿不變氨化菌氨氧化菌亞硝酸氧化菌反硝化菌反硝化研究背景傳統(tǒng)生物脫氮工藝（1）三級(jí)活性污泥脫氮工藝去除有機(jī)物有機(jī)氮氨化NH4+NO2-NO3-NO3-

N2優(yōu)點(diǎn)：有機(jī)物降解菌、硝化菌、反硝化菌在各自的反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，

反應(yīng)速度快且徹底缺點(diǎn)：流程長(zhǎng)、設(shè)備多、管理不方便

外加堿，消耗大量堿

外加碳源，消耗大量碳源傳統(tǒng)生物脫氮工藝（2）前置反硝化工藝（A/O）反硝化反應(yīng)器（反硝化反應(yīng)）缺氧（A）硝化反應(yīng)器（去除有機(jī)物、硝化反應(yīng)）好氧（O）沉淀池處理水原廢水氮?dú)鈮A剩余污泥內(nèi)循環(huán)（硝化液回流）污泥回流優(yōu)點(diǎn)：流程簡(jiǎn)單、裝置少、建設(shè)費(fèi)用低

無(wú)需外加碳源，利用原水有機(jī)物進(jìn)行異養(yǎng)反硝化

減少堿消耗，利用反硝化產(chǎn)堿中和硝化產(chǎn)的酸缺點(diǎn)：需雙循環(huán)系統(tǒng)，動(dòng)力消耗大

回流比大小影響反硝化速率A段O段反硝化有機(jī)物降解、硝化時(shí)間污水污泥回流內(nèi)循環(huán)CODBOD5CODNO3--NNO3--NNH4+-NNH4+-NBOD5A/O脫氮工藝特性曲線新型生物脫氮技術(shù)1.短程硝化反硝化2.好氧反硝化3.同步硝化反硝化（SND）4.厭氧氨氧化短程硝化反硝化工藝及理論研究進(jìn)展1975年Votes等首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮的概念1986年Sutherson等證實(shí)了經(jīng)NO2-途徑進(jìn)行生物脫氮的可行性1997年荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)成功開(kāi)發(fā)Sharon工藝近十年生物膜和活性污泥體系中亞氮積累的原因及機(jī)理研究研究背景NH4+-N短程硝化反硝化N2NO2--NNO3--NNO2--N氨氧化菌亞硝酸鹽氧化菌亞硝酸型反硝化菌反硝化菌硝化階段反硝化階段全程硝化反硝化反硝化菌節(jié)省25%供氧量40%~60%有機(jī)碳需求量30%~40%反應(yīng)器容積反硝化速率提高1.5~2倍控制因素控制條件控制機(jī)理游離氨大于6mg/LFA對(duì)AOB和NOB的抑制濃度不同，NOB對(duì)FA更敏感溫度25～35℃不同溫度下AOB和NOB的動(dòng)力學(xué)常數(shù)不同溶解氧0.5～1.5mg/LAOB和NOB對(duì)DO親和力不同，低DO抑制NOB的生長(zhǎng)pH7.8～8.5pH不但是生物生長(zhǎng)限制條件，而且影響FA抑制劑重金屬、氯化物等NOB比AOB對(duì)環(huán)境更敏感，可添加抑制劑，促進(jìn)亞氮積累污泥齡介于AOB和NOB最小停留時(shí)間之間控制污泥齡，使系統(tǒng)中的NOB被逐漸淘洗掉（Sharon）NH4+NO2-NO3-AOBNOB選擇抑制理論短程硝化反硝化工藝及理論研究進(jìn)展很難實(shí)現(xiàn)持久穩(wěn)定的高濃度亞硝氮積累！短程硝化反硝化的關(guān)鍵問(wèn)題從微生物角度出發(fā)分別馴化和富集培養(yǎng)兩類(lèi)功能菌短程硝化功能菌亞硝酸型反硝化功能菌膜生物反應(yīng)器(MBR)填料床生物膜反應(yīng)器(PBBR)MBR-PBBR短程生物脫氮工藝工藝的短程脫氮性能及穩(wěn)定性改變工藝參數(shù)微生物群落結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)變化生物強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的可行性工藝的宏觀運(yùn)行性能與微生物微觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系生物強(qiáng)化的MBR-PBBR短程脫氮工藝可行性分析NH4+NO2-N2MBR-PBBR短程生物脫氮工藝裝置圖短程硝化功能菌亞硝酸型反硝化功能菌全部NO2--N無(wú)NO3--N大量NO2--N少量NO3--N短程硝化功能菌的馴化篩選過(guò)程PhaseIIIIII無(wú)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條件CNH4+-N=400mg/LT=35℃pH=8.5Alk/N=8.3短程硝化功能菌的形態(tài)DAPI染色Nsm156探針雜交Nitrosomonas-likeFISH分析亞硝酸型反硝化功能菌的馴化流程及過(guò)程亞硝酸型反硝化菌的最佳反硝化條件TOC/N=4T=30℃pH=9對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期穩(wěn)定期對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期(b)

缺氧(a)

好氧亞硝酸型反硝化菌屬于兼氧菌：在有氧氣的條件下，利用氧氣作為電子受體進(jìn)行好氧呼吸；在缺氧條件下，利用亞硝氮作為電子受體，發(fā)生反硝化作用。穩(wěn)定期亞硝酸型反硝化功能菌在好氧和缺氧條件下的生長(zhǎng)和亞硝氮降解曲線菌株JY4的生理生化特性亞硝酸型反硝化功能菌

菌株JY4

采用平板涂布法從菌群中分離純化出優(yōu)勢(shì)菌株JY4生理生化特征形態(tài)特征16SrDNA序列分析PseudomonasmendocinaMBR-PBBR捷徑生物脫氮工藝裝置圖短程硝化功能菌亞硝酸型反硝化功能菌實(shí)驗(yàn)進(jìn)水成分2.2MBR-PBBR啟動(dòng)啟動(dòng)期MBR出水啟動(dòng)期MBR短程硝化性能達(dá)到穩(wěn)定啟動(dòng)期MBR-PBBR工藝出水PBBR反硝化性能穩(wěn)定MBR-PBBR捷徑生物脫氮工藝啟動(dòng)成功不同HRT下的反應(yīng)器操作參數(shù)2.3MBR-PBBR系統(tǒng)不同HRT下的運(yùn)行性能HRT28h24h20h28h亞氮積累率95%以上HRT28h24h20h28h不同HRT下MBR-PBBR工藝短程脫氮性能不同HRT下短程硝化性能HRT對(duì)PBBR的反硝化性能無(wú)影響一級(jí)MBR短程硝化效率及穩(wěn)定性是影響MBR-PBBR系統(tǒng)捷徑生物脫氮效率的決定性因素不同HRT下MBR-PBBR實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的捷徑生物脫氮MBR中95%以上穩(wěn)定亞氮積累的原因？選擇抑制理論游離氨抑制溶解氧抑制pH抑制實(shí)驗(yàn)中0～6.5mg/L的FA對(duì)NOB無(wú)抑制實(shí)驗(yàn)中2～3mg/L的DO對(duì)NOB無(wú)抑制pH不能單獨(dú)作為抑制條件推測(cè)本研究中較高且穩(wěn)定的亞氮積累主要是由于接種短程硝化功能菌使MBR中不存在或存在少量的NOB。為進(jìn)一步確定該假設(shè)，對(duì)MBR的生物相進(jìn)行硝化活性測(cè)定和FISH分析。不同HRT下MBR中氨氧化活性和亞硝酸鹽氧化活性的變化NOB:NDNOB:4.5×103MPN/mLNso190雜交Nit3雜交總菌數(shù)亞硝酸氧化菌氨氧化菌DAPI染色1d42d105dFISHMBR中的生物相組成82%的β-Proteobacteria亞綱的氨氧化菌極少量的Nitrobacter5.溶解氧、溫度、進(jìn)水有機(jī)碳源濃度對(duì)MBR-PBBR工藝短程脫氮的影響各個(gè)實(shí)驗(yàn)階段運(yùn)行參數(shù)

不同溶解氧運(yùn)行下MBR短程硝化性能溶解氧的影響不同溶解氧運(yùn)行下MBR-PBBR工藝出水情況不同溶解氧下MBR中硝化污泥活性的比較

AOB:2.5×108MPN/mLNOB:4.5×103MPN/mLAOB:4×108MPN/mLNOB:2×105MPN/mL35.5%升高溫度顯著提高了MBR氨氧化效率，有利于亞氮的積累溫度的影響不同溫度運(yùn)行下MBR短程硝化性能不同溫度運(yùn)行下MBR-PBBR工藝出水情況不同溫度下MBR中硝化污泥活性的比較

I-223-42300.460.00151.26倍1.12倍運(yùn)行參數(shù)完全一樣有機(jī)物濃度較低時(shí)促進(jìn)硝化反應(yīng)TOC/N≥0.2時(shí)抑制硝化反應(yīng)有機(jī)碳源濃度的影響不同有機(jī)碳濃度MBR短程硝化性能不同有機(jī)碳濃度時(shí)MBR-PBBR工藝出水情況不同進(jìn)水TOC/N下MBR中硝化活性的比較

在進(jìn)水添加有機(jī)物后，MBR中存在AOB、NOB和異養(yǎng)菌的競(jìng)爭(zhēng)，根據(jù)三者的比生長(zhǎng)速率和利用底物的先后順序可以判斷三者的競(jìng)爭(zhēng)力由強(qiáng)至弱為：異養(yǎng)菌＞AOB＞NOB。

菌種控制可作為實(shí)現(xiàn)短程生物脫氮的一個(gè)有效手段，在本研究通過(guò)菌種控制運(yùn)行的MBR-PBBR工藝有以下優(yōu)勢(shì)：大大縮短啟動(dòng)時(shí)間在啟動(dòng)期和不同HRT運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的生物脫氮完全以短程硝化反硝化方式進(jìn)行本系統(tǒng)對(duì)溶解氧和溫度要求較低，低溶解氧（<3mg/L）或高溫（>30℃）有利于MBR短程硝化的長(zhǎng)久穩(wěn)定，MBR的亞氮積累率在96%以上；高溶解氧（>5mg/L）或常溫（20℃）條件下，MBR的亞氮積累率仍能維持55%以上，這在其他反應(yīng)器中是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，在實(shí)際操作過(guò)程中，可適當(dāng)?shù)靥岣叻磻?yīng)溫度和降低曝氣量來(lái)提高生物強(qiáng)化短程硝化的穩(wěn)定性。有機(jī)碳源濃度過(guò)高

TOC/N≥0.2時(shí)，進(jìn)水有機(jī)物對(duì)硝化反應(yīng)產(chǎn)生明顯的抑制作用，但是在除去有機(jī)碳后，反應(yīng)器立即復(fù)原。通過(guò)菌種控制可以使MBR中的微生物在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)以氨氧化菌為優(yōu)勢(shì)菌，受工藝參數(shù)的波動(dòng)較小。新型生物脫氮技術(shù)1.短程硝化反硝化2.好氧反硝化3.同步硝化反硝化（SND）4.厭氧氨氧化好氧反硝化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)Robertson和Kuenen，在實(shí)驗(yàn)室觀察到有氧存在的條件下發(fā)生了反硝化現(xiàn)象，甚至有的可以在氧濃度達(dá)到7mg/L的環(huán)境下進(jìn)行。近些年來(lái)，好氧情況下總氮(TN)的損失也不斷見(jiàn)于研究報(bào)道。Pochana在SBR反應(yīng)器中觀察到了95%的總氮去除率，另外在許多實(shí)際運(yùn)行的好氧硝化池中常常發(fā)現(xiàn)有30%的總氮損失。這些現(xiàn)象充分證實(shí)了好氧反硝化確實(shí)存在。好氧反硝化現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)好氧反硝化可與硝化反應(yīng)在同一個(gè)反應(yīng)器中發(fā)生，減少系統(tǒng)空間和工程造價(jià)，無(wú)需外加堿液來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的pH值。2.好氧反硝化菌在處理運(yùn)行中更容易被調(diào)控。好氧反硝化的關(guān)鍵問(wèn)題1.耐高濃度溶氧的好氧反硝化微生物的分離篩選。2.好氧反硝化菌株對(duì)高氨氮和高硝氮廢水的脫氮能力考察。3.好氧反硝化菌株的生化反應(yīng)條件。1.好氧反硝化菌株的篩選和鑒定凌水河口，水體污染嚴(yán)重，富營(yíng)養(yǎng)化程度高。富集培養(yǎng)封閉空氣條件下篩選空氣曝氣條件下篩選目標(biāo)菌株菌株編號(hào)產(chǎn)氮?dú)饬浚╩l）初始氧含量（%）終止氧含量%菌液終濃度（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目標(biāo)菌株

O2N2

2.菌株ADN42的鑒定及生長(zhǎng)特性菌株ADN42的菌落形態(tài)

菌株ADN42的形態(tài)（SEM觀察）（斯氏假單胞菌）P.stutzeri菌株ADN42的生長(zhǎng)特性鹽度對(duì)菌株ADN42生長(zhǎng)的影響pH值對(duì)菌株ADN42生長(zhǎng)的影響溫度對(duì)菌株ADN42生長(zhǎng)的影響2%~3%7~830~35℃3.菌株ADN42的反硝化能力純氧條件下反硝化厭氧條件下反硝化兼氧條件下反硝化菌株在純氧條件下培養(yǎng)24小時(shí)菌株可在近于飽和溶氧的條件下發(fā)生反硝化反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)?。菌株在氦氣曝氣后密閉條件下培養(yǎng)24小時(shí)菌株可在厭氧條件下發(fā)生反硝化反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)狻＞暝诜忾]空氣條件下培養(yǎng)24小時(shí)菌株可在廣泛溶解氧條件下發(fā)生反硝化反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)?。樣?樣品2樣品3N2N2N2O2O2O2N2N2N2樣品1樣品2樣品3N2N2N2O2O2O2樣品1樣品2樣品3菌株可在近于飽和溶氧的條件下發(fā)生氨氧化-好氧反硝化反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)饩闍DN42的其他特性異養(yǎng)硝化反硝化能力菌株以氯化銨為唯一氮源曝氣條件下培養(yǎng)24小時(shí)自絮凝性能菌株培養(yǎng)物靜置30分鐘后照片細(xì)菌聚集呈片狀或顆粒狀，于瓶底逐漸形成絮狀沉；菌株產(chǎn)氣后引起聚集體上浮。O2O2O2N2N2N2樣品1樣品2樣品34.菌株ADN42好氧反硝化的影響因素分析C/N對(duì)菌株異養(yǎng)脫氮效率的影響C/N24h后含氮量（mg/l）脫氮率（