摘 要

厌氧氨氧化工艺是通过厌氧氨氧化菌将氨氮和亚硝态氮还原为氮气的技术，具有无需有机碳源、脱氮效率高等优点，特别是在处理低碳氮比废水中具有广阔的应用前景，已经成为国内外生物脱氮研究的热点。但是厌氧氨氧化菌生长缓慢，且对环境(如温度)条件敏感，在一定程度上限制了其应用前景。本次研究拟采用SBR反应器处理人工配置的含氮废水，以少量的低活性厌氧氨氧化颗粒污泥为接种污泥，研究厌氧氨氧化污泥在初期稳定运行的影响因素以及在SBR反应器稳定后短期温度波动对反应体系的影响，并制定有效的调控策略，在较短时间内实现厌氧氨氧化反应器的性能恢复，得出主要结论如下：

（1）在人工配置浓缩液浓度为80 mg/L时，通过调整反应器的周期T=6 h、人工配置的浓缩液中亚硝态氮与氨氮比1.32、pH在6.5-8.5、SBR反应器内温度在30-35 ℃时SBR反应器能够得到氨氮、亚硝态氮去除率为90%以上的脱氮效果。

（2）停止恒温加热器对SBR反应器的保温后，温度波动范围为27-32℃，氨氮去除率下降到85%、亚硝态氮去除率下降为78%，反应器脱氮性能整体下降。

（3）通过给反应器开启恒温加热器保持反应器内温度在30-35 ℃，恒温加热过后，SBR反应器氨氮去除率达到97%、亚硝态氮去除率达到90%，数据表明通过给反应器恒温加热，反应器的脱氮性能够恢复到稳定、良好的脱氮效果。

关键词：厌氧氨氧化；颗粒污泥；影响因素；短期温度波动

Abstract

Anammox is a technology of reducing ammonia nitrogen and nitrite nitrogen into nitrogen by anaerobic ammonia oxidation bacteria. It has the advantages of no need of organic carbon source and high efficiency of nitrogen removal. Especially, it has a broad application prospect in the treatment of wastewater with low carbon nitrogen ratio. However, the slow growth of anammox and its sensitivity to environmental conditions (such as temperature) limit its application prospect to some extent. This study intends to artificial configuration nitrogen wastewater treatment by SBR reactor, with a small amount of low activity of granular sludge for the inoculation sludge anaerobic ammonia oxidation, anaerobic ammonia oxidation sludge in initial stage and the factors that affect the stable operation of the SBR reactor stability after short-term temperature fluctuations on the influence of the reaction system, and make effective control strategy, in a relatively short time to achieve the performance of anaerobic ammonia oxidation reaction system to recover.

When the concentration of concentrated solution was artificially configured to be 80 mg/L, the stable effect of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen removal rate of more than 90% could be obtained by adjusting the reactor cycle T=6 h, the ratio of nitrate-ammonia nitrogen to ammonia nitrogen of artificially configured concentrated solution to be 1.32, the pH to be 6.5-8.5, and the temperature in SBR reactor to be 30-35 ℃.Moreover anaerobic ammonia oxidation sludge after temperature fluctuation, the de-nitrification performance overall decline, fell to 85%, removal rate of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen removal rate reduced to 78%, in artificially added to the reactor temperature heater to keep the reactor temperature in 30-35 ℃, temperature after heating, SBR reactor ammonia nitrogen removal rate reached 97%, and the nitrate removal rate reached 90%, data shows that, by giving heating reactor temperature, reactor de-nitrification performance is sufficiently rapid return to stability, good de-nitrification effect.

Keywords: anammox；granular sludge；influencing factors；short-term temperature fluctuation；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 氮素污染现状和危害 1

1.2 生物脱氮原理 1

1.3 国内外厌氧氨氧化现状 1

1.4 厌氧氨氧化反应影响因素 2

1.4.1 温度 2

1.4.2 pH 2

1.4.3 基质 2

1.4.4 反应器的选择 2

1.5 课题研究意义 3

1.6 研究内容与路线 4

1.6.1 研究内容 4

1.6.2 技术路线 5

第2章 材料与方法 6

2.1 实验装置 6

2.2 厌氧氨氧化污泥 6

2.3 实验用水及水质 7

2.4 实验方案 8

2.4.1 SBR反应器稳定运行维护方案 8

2.4.2 温度波动实验 8

第3章 SBR厌氧氨氧化反应器稳定运行维护 11

3.1 引言 11

3.2 反应器稳定运行维护 11

3.2.1 SBR反应器运行维护氮素浓度变化 12

3.2.2 SBR反应器运行维护氮素去除率变化 13

3.3 本章小结 15

第4章 温度波动对SBR反应器的影响及其恢复措施 16

4.1 引言 16

4.2 周期T=6 h温度波动影响及恢复措施 16

4.2.1 温度波动对脱氮性能影响 16

4.2.2 恒温加热对脱氮恢复效果 18

4.3 周期T=4 h温度波动影响及恢复措施 21

4.3.1 温度波动对对脱氮性能影响 21

4.3.2 恒温加热对脱氮恢复效果 23

4.4 本章小结 25

5 结论与建议 26

5.1 结论 26

5.2 建议 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 氮素污染现状和危害

在自然界中氮素主要以三种形态存在NO₂^--N、NO₃^--N以及氮氧化物。若氮素大量存在废水中未经处理直接排入自然水体，在一定的条件下会耗尽自然水体中的分子氧，导致水质变坏，影响水中其他生物的生存，同时大量氮素也会促进藻类无节制繁殖，进一步破坏水体的生态平衡。同时，水中的氨氮也对水域和人类产生有害影响^[1]。（1）氨氮通过在水中硝化产生硝酸盐和亚硝酸盐，对饮用水造成严重危害。（2）NO2^—N具有致癌危险。

1.2 生物脱氮原理

传统生物脱氮技术存在很多问题如：硝化反应和反硝化反应器的独立性，基建费用昂贵，加大了能源消耗以及运行成本。

现阶段新型脱氮技术工艺主要有短程硝化工艺、短程硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺等。其中厌氧氨氧化法是指电子受体为NO^2-且电子给体为NH₄ 的反应方法，厌氧氨氧化细菌（AnAOB）用于在厌氧条件下形成N₂。厌氧氨氧化细菌属于革兰氏阴性菌^[2]，它们是通过将亚硝酸盐氧化成硝酸盐来获得能量的自养细菌。用分子生物学检测AnAOB在环境中分布，发现AnAOB分布广泛，在各类污水处理设备、湖泊沉积物、淡水、海水中均有分布。

1977年，理论化学家Broda^[3]提出：自然界中存在一种微生物能够利用硝酸盐。其反应过程如式（1-4）所示：

（1-4）

1995年，Asturd van deGraaf^[4]和其他人在代尔夫特大学检测了¹⁵N和¹⁴N 标记的NH₄ 和NO₂^-，证明代谢物为^14-15N₂占比98.2％或更高。转化过程中易被微生物包覆的特定物质^15-15N₂的占比1.7％，因此NO₂^-最有可能产生电子受体。

1.3 国内外厌氧氨氧化现状

目前对于厌氧氨氧化工艺中研究中，培养污泥的的方法主要有：将厌氧氨氧化菌种接种物放在反应器内进行培养；利用其他已经反应良好的活性污泥富集培养^[5]。

我国对于厌氧氨氧化工艺的运行主要使用其他已经反应良好的污泥富集培养。在上流式厌氧污泥床反应器中，郑平、胡宝兰^[6]等成功获取了活性良好的AnAOB。在推流固定生化反应器中郑平^[7]也富集了有活性的AnAOB，同时培养出了暗红色的污泥。前人的研究表明通过其他的已反应良好的污泥进行富集培养能够获得活性良好的AnAOB。

1977年Brode^[8]关于厌氧氨氧化反应的存在做出过相关的理论推测，2002年，Damste^[9]等人通过研究表明：脂质环丁烷是AnAOB的脂质膜的一种成分。Rysgaard^[10-11]等人也通过对海底沉积物的研究发现了一种AnAOB能在-2-30 ℃时保持一定的活性。

1.4 厌氧氨氧化反应影响因素

1.4.1 温度

艾热古力·拍孜拉^[12]在常温下利用厌氧硝化污泥培养厌氧氨氧化细菌，将实验温度控制在25 ℃，成功启动了厌氧氨氧化反应器且厌氧氨氧化细菌适和生长温度在20-43 ℃，如果温度低于15 ℃或者高于45 ℃时，厌氧氨氧化细菌将会失去活性。

1.4.2 pH

厌氧氨氧化细菌最适pH在6.7-8.3^[13-17],如果pH低于6.5或者高于9，厌氧氨氧化菌活性会被完全抑制。

1.4.3 基质

在厌氧氨氧化反应过程，厌氧氨氧化细菌的活性在NH₃和NO₂^-浓度过高时会变差。丁爽^[18]等人研究发现NH₃和HNO₂对AnAOB的抑制范围分别为1670.3（1518.3~1832.4）mg·L^-1和565.3（239.0~916.3）mg·L^-1（可信限在95%）。

1.4.4 反应器的选择

要使厌氧氨氧化反应器能够稳定运行，关键在于保持AnAOB的数量和活性，除此之外还需要抑制反应器内其他厌氧细菌的生长。而在保证AnAOB数量的同时，反应器的选择尤为重要，目前比较常用的反应器主要有上流式厌氧污泥床反应器（UASB）、序批式反应器（SBR）、膜生物反应器（MBR）以及其他固定床反应器。

（1）UASB反应器

UASB反应器具有造价便宜，运行维护方便。可广泛应用于实验研究。李德祥等^[19]在上流式厌氧污泥床的上部采用聚乙烯辫带式填料采，在研究中调节减小反应器HRT参数，最终成功启动了厌氧氨氧化反应，并使用UASB反应器处理含氮废水取得了良好的总氮去除负荷达：7.11 KgN/(m³·d)。

（2）SBR反应器

序批式反应器是一种能够将生物量进行有效截留，由于反应器在反应阶段通过电动搅拌桨可以使的底物、产物、微生物充分混合均匀，因此底物可以长期有效稳定的运行的反应器。在序批式反应器中袁怡等^[20]对厌氧氨氧化菌进行富集和筛选，众多研究表明SBR是适合于厌氧氨氧化细菌富集培养的一种反应器。

1.5 课题研究意义

随着科技、社会的进步，大量含有含氮素的废水被排入自然水体，人们对环境质量要求越来越高的情况下，传统硝化-反硝化工艺由于存在碳源供应不足、氮去除率不高等问题，亟需要一种新型脱氮工艺来代替传统生物脱氮工艺以解决传统脱氮工艺所存在的问题。

厌氧氨氧化工艺的出现，完全符合现下对高氨氮废水的生物处理。与传统的生物工艺相比，厌氧氨氧化反应由于自养型菌的原因对碳源、能源的需求大大减小。厌氧氨氧化理论提出以来，各国研究人员对厌氧氨氧化细菌的认识逐步加深，使得厌氧氨氧化技术逐渐从理论上的实验室环境走向社会实际工程处理。

在实际废水处理工程中，厌氧氨氧化工艺有相当大的一部分占比，例如对于市政废水、污泥消化后滤清液、食品加工业废水，石油化工业废水等^[21]的处理可以运用厌氧氨氧化工艺，这些实际工程的运用足以说明厌氧氨氧化工艺已经慢慢向实际工程发展。

但是厌氧氨氧化工艺也存在一些缺点例如AnAOB生长缓慢，且对环境(如温度)条件敏感，在一定程度上限制了其应用前景。如何快速富集厌氧氨氧化菌，提高反应器性能，并在温度波动下实现反应系统的性能恢复对该工艺的应用具有重要意义。本课题在前人研究的基础上，拟采用SBR反应器作为厌氧氨氧化反应体系，主要通过NH₄ -N、NO₃^--N、NO₂^--N三个指标来体现反应器的运行情况。

1.6 研究内容与路线

1.6.1 研究内容

本课题以实验室中已有的厌氧氨氧化细菌为研究对象，改变整个反应器的部分运行参数：反应器的周期长短、反应器内的温度、周期内各阶段时间的设定，研究这些参数的变化对整个体系的影响，并制定相对应的措施以减小或恢复其负面影响。课题主要从以下几个方面着重研究：

1. 反应器稳定运行下，各项运行参数的确定。
2. 研究同一运行周期下，温度波动对反应系统的脱氮性能影响，并制定积极有效的调控策略，实现厌氧氨氧化反应系统的性能恢复。
3. 对比不同运行周期条件下，短期温度波动对反应系统的脱氮性能的影响。

1.6.2 技术路线

制定抗温度波动措施、恢复反应器脱氮性能

SBR反应器运行稳定性测试

厌温度波动对厌氧氨氧化污泥影响

调试反应器稳定运行

周期4h时对反应器温度波动处理

周期6 h时对反应器温度波动处理

图1.3 技术路线图

第2章 材料与方法

2.1 实验装置

本实验采用的反应器类型是序批式反应器，反应器的主体一个有效体积为40 L的圆筒，其材质是有机玻璃。人工配置的浓缩液、微量元素以及加入的碱液经过蠕动泵泵入进水箱，部分自来水和进水池中的人工废水于混合箱中混合完全，最后在泵的作用下进入到主反应器中，其反应器如图2.1所示：

A进水箱、总出水池 B人工废水原液池、加药池 C SBR主反应池

图2.1 SBR自动化反应器

2.2 厌氧氨氧化污泥

在本次实验中，SBR主反应其中所使用的厌氧氨氧化污泥的表观样品如下图2.2所示：

图2.2 SBR反应器内污泥表观状态

2.3 实验用水及水质

实验室模拟的人工氨氮废水主要是由氮素基质（NH₄Cl、NaNO₂）、磷酸二氢钾（KH₂PO₄）、硫酸镁（MgSO₄）、微量元素I、微量元素II以及相应的碱液（碳酸氢钠NaHCO₃）组成。

表3.1 人工模拟氨氮废水组分表

注：微量元素I：EDTA 12.5 g；FeSO₄ 12.4 g。