厌氧氨氧化工艺是高效、经济、节能的新型生物脱氮技术。该工艺是微生物 学和环境工程领域的重大发现,自问世以来就受到了高度关注。然而,该工艺的 实际应用亟需突破特殊环境(如低温)和水质(如高盐度)条件导致的运行障碍。 本文考察了低温(<25。C)和高盐度对厌氧氨氧化工艺运行性能的影响,试验了低 温和高盐度条件下的控制技术。主要结论如下: (1)揭示了厌氧氨氧化的启动性能,关注了以常温保藏的厌氧氨氧化污泥作 为接种污泥快速启动厌氧氨氧化工艺的高效性,讨论了厌氧氨氧化性能提高过程 中出现的两次污泥上浮的现象和原因。第一次污泥上浮,污泥形态多为絮状,上 浮原因可能是较大的气泡占据了气体通道,污泥上浮现象可以通过缩短水力停留 时间(HRT)消除;第二次污泥上浮,上浮污泥多为大颗粒污泥,污泥上浮的原 因多为颗粒内部基质匮乏,造成较大空洞,污泥密度下降。因此为了维持反应器 的平稳运行,需将反应器内污泥粒径控制在合适范围。 (2)揭示了低温对厌氧氨氧化工艺的影响,提出了相应的控制技术。试验发 现,以常温保藏厌氧氨氧化污泥为接种污泥的反应器对温度变化的适应能力较 强,试验测得的活化能为39.5 kJ_mor】。随着温度由35°C逐步降低至I5。C,厌氧 氨氧化活性也逐步减小(由6.12至2.05 mgN^VSSf1)。在温度冲击下,厌氧 氨氧化会逐步适应低温环境。菌种流加调控策略可以有效缓解低温对厌氧氨氧化 工艺的抑制作用,每3d流加25ml高效厌氧氨氧化污泥,其总氮去除速率(NRR) 可以达到 6.25士】.51 kg m3-d-',高于对照反应器(NRR 为 5.40±0.59 kg.m-3.(^ )。 经优化,甜菜碱添加策略也可有效改善厌氧氨氧化工艺的运行性能,当温度为 9.2士0.5°C, NLR 为 13.32士0.50 kg^m+cT1 时,添加 0.1 mmol-L1 甜菜碱后反应器的 NRR 为 5.94±0.79kg.m-3.cfi,高于对照反应器(NRR 5.75±0.61 kgm3 d')。 (3)揭示了高盐度对厌氧氨氧化的短期和长期效应,考察了长期运行的控制 技术。釆用批次试验,研究了盐度对厌氧氨氧化反应的短期影响。结果表明,不 同类型的无机盐对厌氧氨氧化菌的抑制程度不一,相同摩尔浓度下抑制程度为 Na2S04〉KCI〉NaCI。发现渗透压对厌氧氨氧化活性的半抑制值为1.24MPa。低 浓度的无机盐(盐度」Og.L^NaCl)可以激活厌氧氨氧化活性,Sg.L^NaCl作用 下,厌氧氨氧化菌活性(比厌氧氨氧化活性,SAA)提高了 49%;高浓度的盐会 杭州师范大学硕士学位tf:文 遞 抑制厌氧氨氧化活性,当盐度为50 g-L 'NaCI时SAA降低了 83%.采用盐度冲 击试验,考察了盐度突增对厌氧氨氧化工艺的短期影响。试验发现,盐度冲击下 的厌氧氨氧化工艺运行可以分为敏感期、暂时稳定期和恢复期。低浓度盐度冲击 下厌氧氨氧化工艺性能较为稳定。经多次冲击后,厌氧氨氧化工艺出现了一定的 耐受性,即使在60g L_丨NaCl冲击后,厌氧氨氧化菌仍具有活性,SAA为3.55 mgfVSS-h人菌种流加可以提高厌氧氨氧化工艺在高盐下的运行性能,甜菜碱 添加仍然面临添加量的优化问题,需要进一步研究。 (4 )揭示了温度和盐度对厌氧氨氧化的共同作用。在盐浓度小于10 g.I^NaCl 的情况下,温度大于25°C时,两者的共同作用对厌氧氨氧化活性影响较小。甚 至在盐浓度小于]0gvL]Naa的情况下,温度保持在最适温度35°C时,厌氧氨氧 化活性有所提高。低至15°C的温度,和高至3(^丄_、冗1的盐度对厌氧氨氧化活 性都有强烈的抑制作用。低温和盐度的共同作用不能用简单的作用类型加以概 括。 关键词:厌氧氨氧化;工艺性能;低温;盐度;菌种流加;甜菜碱 ]]1 杭州师范人学硕士学份论 Abstract Abstract Anaerobic ammonium oxidation (Anammox) process is a novel, and energy efficient biological nitrogen removal technology. One of the major challenges in developing Anammox process is the treatment with wastewater in which exist complicated compositions(high salinity) and environmental conditions(low temperature). In order to perfect the full-scale application of Anammox process, the effects of low temperature( < 25°C) and high saline on Anammox process and the corresponding control strategies were studied in this investigation. The conclusions are as follows: (1) The performance of Anammox starting-up period was investigated. The reactor seeded with Anammox sludge by ambient temperature preservedand the start-up periodonly lasted for 4 days. During the operation of Anammox, sludge floatation turned up twice. First sludge floatation happened when sludge in flocculent condition, then by shortening (HRT),this phenomenon disappeared. Granular sludge floatation came out, due to the inanition inside of granular. To maintain the stability of Anammox process, the appropriate particle size is needed, (2) The effects of low temperature on Anammox process and corresponding control strategies were studied in this investigation. It was found that, Seeded with Anammox sludge by ambient temperature preserved, the reactor showed to be more adaptation to low temperaturewith activation energy of 39.5kJ *mol_1. The SAA were decreased with decreased temperature, when temperature reduced from 35 to 15°C, SAA decreased from 6.12 to 2-05 mgN-g^ySS-h1. After several times of temperature shocks, Anammox bacteria slowly adapted to low temperature and the effluent of reactor became stable. Sequential biocatalyst addition was used to relieve the inhibition of low temperature on Anammox. With 25 ml high rate Anammox sludge addition every three days, NRR 3 1 was increased as high as 6.25士】.51 kg*m -d , comapared with the NRR of the control 3 1 ... was approximately 5.40土0.59 kg m *d . The appropriate glycine betaine addition could promote the performance of Anammox. When under the temputure of 9.2士0.51, NRR of the reactor with 0.1 mmoi-L'1 glycine betaine addition was 杭州师范大学硕士学位报告 Abstract 5.94士0.79 kg-m3 d3. increased with 4% compared with the control. (4) The effects of salinity on Anammox process and corresponding control strategies were studied in this investigation. Batch tests were applied to study the effects of salinity on Anammox and feasibility of glycine betaine addition for alleviating high salinity inhibition was investigated. The results indicated that different types of salt inhibited Anammox with different degrees. When under the same molar concentration, the inhibitiondegrees as follow: Na2S04 > KC1 > NaCl. Meanwhile the 50% inhibiting concentration of osmotic pressure on Anammox was ] .24Mpa. The most important factor affected Anammox was the spices of iron which led to different Anammox activity. Low concentration of salt (NaCl S】0 g'L.1) could promote Anammox activity,thespecific Anammox activity (SAA) increased by 49% under 5 g-L' NaCl.While high salt concentration would reduce the activity of Anammox. When NaCl concentration was upper to 50 g-L1, it resulted in a low activity in Anammox. After a 60 g I1 NaC】 shock, the SAA was 3.55 mg-g'VSS-h1. The response to the shock loading can be divided into three stages: a sensitive period,an interim stable period and a recovery period. The performance was more stable at low-concentration NaCl shocks. Sequential biocatalyst addition can promote the performance of Anammox under high salinity environment. (5) The combine effects of salinity and low temperature on Anammox process was studied in this investigation Under lower than 10 g L^NaCl with temperature higher than 25 °C, the combine effects of those two factors on Anammox was slight. With temperature maintained as 35 °C, SAA increased. While as low as 15。C and higher as 30 g L^NaCl would inhibit the SAA serious. Keywords: Anaerobic ammonium oxidation (Anammox); Process performance; Low temperature; Salinity; Sequential biocatalyst addition; Glycine betaine v 杭州师范人学硕士学位tf: 脑 目录 ■ I 翻 1] Abstract IV V] 1 引a 1 ].]氮素污染及危害...... 1.2废水生物脱氮工艺 1.2.1传统生物脱氮工艺 1.2.2新型±物脱氮工￡ 2 1.3厌氧氨氧化工艺 3 1.3.1厌氧氨氧化原理 3 1.3.2厌氧氨氧化工艺的性能与控制 5 1.3.3厌氧氨氧化工艺的应用及其挑战 7 1.4本课题研究的目的、意义及内容 8 2.厌氧氨氧化工艺的启动特性与控制技术 10 2.1概述 10 2.2材料和方法 10 2.2.1试验装置 10 2.2.2接种污泥 10 2.2.3试验废水 11 2.2.4测定项方法 11 2.3 12 2.3.1厌氧氨氧化工艺的启动特征 12 2.3.2厌氧氨氧化工艺的性能优化 14 杭州师范大学硕士学位报告 [Li 2.3.3厌氧氨氧化工艺的失稳与恢复 15 2.4分析与讨论 19 2.4.】厌氧氨氧化工艺的启动特性 19 2.4.2厌氧氨氧化工艺的性能优化 20 2.4.3厌氧氨氧化工艺的维稳 20 2.5小结 21 3低温下厌氧氨氧化工艺的工艺特性与控制技术 23 3.1 觀 23 3.2材料方法 23 3.2.1接种污泥 23 3.2.2试验装置 23 3.2.3试验废水 24 3.2.4测定项目与方法 24 3.3 n 25 3.3.1低温对厌氧氨氧化的短期效应 25 3.3.2温度冲击对厌氧氨氧化的影响 27 3.3.3低温对厌氧氨氧化工艺运行性能的影响 29 3.3.4菌种流加调控策略的有效性 30 3.3.5甜菜碱添加调控策略的有效性 32 3.4分析与讨论 33 3.4.1低温导致厌氧氨氧化工艺运行障碍的机理 33 3.4.2低温下运行厌氧氨氧化工艺的策略比较 34 3.5小结 37 4高盐度下厌氧氨氧化的工艺特性和控制技术 38 4.1概述 38 V]] 杭川师范人爹硕i■孝位论又 im 4 2材料和万法 38 4 2】接种/5泥 38 4 2 2 ii验装置 38 4 2 3试骀废水 39 4 2 4测定项目与万法 39 4 3结果 39 43 1不同类型无机盐对厌氧氨氧化的影响 39 4 3 2盐度対厌氧氨氧化的短期胁迫效应 42 4 3 3盐度冲击下厌氧氨氧化工艺的运行特性 44 4 3 4驯化策略的有效性 55 4 3 5菌种處加策略的有效性 57 4 3 6甜菜碱冻加策略的有效性 59 4 4分析和ri论 61 4 4 1高盐导致厌氧氨氧化工艺运打障碍的机理 6] 4 42厌氧氨氧化处理高盐废水的可行性 62 4 4 3厌氧氨氧化工艺处理高盐废水的调控策略比较 63 4 5小结 64 5盐度和低溫双重胁迫下厌氧氨氧化的反应特性 66 5 1概迷 66 5 2材料和万法 66 5 2 1接种污泥 . 66 5 2 2装置 66 5 2 3测定项目与方法 66 5 3结果 67 5 4分析和ri论 69 V]]] 杭州师范大学硕士学位报告 lii 5.5 70 6.结论与展望 71 6.1主要结论 71 6.2创新点 72 6.3不足和展望 73 #4 她 74 入舶 81 IX 杭州师范大学硕士学位报告 iis 1引言 1.1氣素污染及危害 由于人类活动的影响,地球氣素循环受到了严重干扰,导致中间产物过多积 累,引起氮素污染。水体中过量氣素物质容易诱发水体富营养化,造成水生植物 和藻类过度繁殖,水体中溶解氧浓度急剧下降,鱼类无法生存,严重危害生态系 统安全。水体对氣素污染物有一定的自净能力,然而我国氨氮排放量远远超出环 境容量(见表].]),氮素污染逆需有效控制。 表].]近年来我国废水和主要污染物排放量(陈建伟,20】1) Table 1.1 Discharge of wastewater and pollutants during the past years in China 年度 废水排放量(亿吨) 化学需氧量排放(万吨) 氧氣排放(万吨) 合计 工业 生活 合计 工业 生活 合计 工业 生活 2006 536.8 240.2 296.6 1428.2 541.5 886.7 141.3 42.5 98.8 2007 556.8 246.6 310.2 1381.8 511.1 870.8 132.4 34.1 98.3 2008 572 241.9 330.1 1320.7 457.6 863.1 127.0 29.7 97.3 2009 589.2 234.4 354.8 1277.5 439.7 837.8 122.6 27.3 95.3 1.2废水生物脱氣工艺 随着氮素污染控制广受关注,涌现出了一大批行之有效的处理工艺。生物脱 氮工艺较之物化法具有处理效率高、成本低的优点,应用较为广泛。传统的生物 脱氣工艺为销化-反補化工艺(郑平等,2004),该工艺至今已有近80年的发展历史 (陈建伟,20]])。近些年涌现了许多新型生物脱氣工艺,这些新工艺引领了废水 氮素控制的研究高潮. 1.2.1传统生物脱氣工艺 銷化-反确化工艺是应用最普遍的生物脱氮工艺(反应途径见式])。该工艺的 1 杭,州师范.大学硕士学位tf:文 am 原理为:在好氧条件下,由銷化细菌将NHZ-N转化为N03_->J;再由反确化细菌 在缺氧条件下,以有机物或琉化物等作为电子供体,将N03_-N转化为N2,最终 实现脱氣。 NHI-N^^NO;-N-^^NO;-N 咖、NO; - N 咖 >N^ (!) 销化作用分为两步,即氨氧化和亚销酸氧化,分别由两类细菌完成。一般把 参与销化作用的细菌统称为销化细菌,根据所利用基质分为氣氧化细菌(AOB) 和亚銷酸氧化细菌(NOB)(郑平等,2004 )。反销化作用是一个序列缺氧生物 反应。在缺氧的状态下将MCV-N逐步转化为N2的过程, 销化-反确化工艺就是将補化作用和反确化作用组合的工艺。A/0 (Anoxic/Oxic)脱氮工艺及其改进工艺(如Bardenpho、Phoredox工艺)应用较为广 泛(秦缕源,1989;孙锦宜,2003)。但其容积负荷较低,仅为0.054kgTn_3.cri (Jetten et al., 2002),因此需要开发更为高效的生物脱氮工艺。 消化液内回流 进水 I出水 I 〉预处理 脱氣池 .气池二沉池 ^ 污泥回流 剩余污泥 图].】A/0生物脱氣工艺 Fig. 1.1 Flow pattern of A/0 process 1.2.2新型生物脱氦工艺 最近十几年来,由于氮素污染的曰趋严重,人们对废水脱氮提出了更高的要 I 求,出现了许多更经济高效的新型生物脱氣工艺,例如短程销化-反确化工艺、 短程銷化-厌氧氨氧化工艺等。 短程销化-反确化工艺,又称Sharon工艺(反应途径见式2)。该工艺省去了传 统销化-反确化工艺中由NOB将N(V-N转化为N03_-N,再由反确化细菌将 I N03'-N转化为NCV-N的“多余”步骤,有效地减少了曝气量和有机物的投加量. NH: - N NO'-N 哪〉2 (2) 2 i 杭州师范大学硕士学位报告 iLa 短程销化-厌氧氨氧化工艺(反应途径见式3)輔合了短程销化工艺和厌氧氧氧 化工艺。短程销化可比全程销化节省62.5%的供氧量和50%的耗械量(郑平等, 2004)。并且厌氧教氧化菌的细胞产率远远低于反销化细菌,可以大大减少剩余 污泥处置量。 NHI - N NO- - N 盼N > (3) 1.3厌氧氧氧化工艺 厌氧氨氧化(Anammox)是指在厌氧条件下,以亚輔酸盐为电子受体,将 氣氧化为氣气的生物反应(式4)。厌氧裁氧化是微生物学和环境工程领域的重 大发现,自问世以来就受到了高度关注(唐崇俭等,20]0)。厌氧氨氧化反应的发 现丰富了生物脱氣技术体系,更扩展了氮素循环的知识(图].2)。 NH>I.32NOj + 0.0425COj ->].045Nj + 0.22N03+].87H20+0.090H + 0.0425CH30 (4) 图1.2包含厌氧氨氧化的氣素循环(Karta丨et al. 2010) Fig. 1.2 The nitrogen cycle including Anammox 1.3.1厌氧氨氧化原理 1.3.1.1厌氧氨氧化菌的种类 3 杭州师范大学硕士学位报告 art 厌氧氣氧化菌为浮霉状菌目(Planctomycetales)下的厌氧氨氧化科 (Anammoxaceae).目前已经鉴定的厌氧氨氧化菌有5个属】]种,即:Candidatus Brocadia miammoxidamiy^utntn and Jetten, 200】;Lindsay et a!., 2001)、Candidatus Kuenenio siuttgartiensis{Sc\\m\d et al.. 2000)、Candidatus Brocadia fulgida(Kana] et al., 2008)、Candidatus Scalindua sorokinii、Candidatus Scalindua M^ag}in{Schm\d et al,2003) Candidatus Scalindua ArabicaiyJo^hktn et al., 2008)Candidatus Anammoxoglobus propionicus ( Kartal el al., 2007 )、 Candidatus Jettenia asiatica{(^mn et al., 2008)、 Candidatus Anammoxoglobus stilfate(L]u et al., 2008)、 Candidatus Brocadia sinica(Vlu et al.,2006)、Candidatus Scalindua sorokinii (Kuyper et al., 2003)。 】.3.1.2厌氧氨氧化菌的形态及生理特征 厌氧裁氧化菌为轻度开裂的革兰氏阴性菌(郑平等,2009),形态多样,呈球 形、卵形等.细胞内具有特殊的厌氧氣氧化体(anammoxosome )结构,占细胞 体积的50%~80%,是厌氧氨氧化反应发生的场所(Kartaletal,2008)。厌氧氧氧 化体外面围有富含阶梯炼的双层膜。 纖顏 图1.3 Candidatus细胞及厌氧氨氧化体中阶梯院结构(Jetten et al, 2009; Katal et al., 2008) Fig. 1.3 General structure of Candidatus cell and ladderane lipids, ‘ Anammoxoglobus propionicus' showing the anammoxosome (A) containing tubule-like structures, ribopiasm (R) containing the nucloid (N) opposed to the anammoxosome membrane, paryphopiasm (P) separated from the ribopiasm by an intracytoplasmic membrane (ICM) and the cytoplasmic membrane (CM). Scale bar, 200 nm. 厌氧象氧化菌生长缓慢,倍增时间约为】l~20d(Jettenetal.,2009)。厌氧氨氧 化菌广泛存在,据估算海洋环境中产生的氮气约50%源于广泛存在的厌氧氨氧化 4 杭州师范大学硕士学位报告 iU. 反应(Strom et al.,2006)。厌氧氧氧化菌的重要生理参数如表1.2所示。 表丨.2厌氧氛氧化菌的重要生理参数(郑平等,2004) Table 1.2 Important physiological parameters of Anammox 参数 单位 数值 最大厌氧象转化速率 g-g-i-cfi 1.1 生物体产率 g-g_Vg蛋白-g氨氮“ 0.07 活化能 kJ_mor 70 对氧的亲和力 gl—i <10^ 对亚确酸盐的亲和力 gl/i SIO 亚确酸盐对氨转化的抑制 g-L.i Ki=0.8; a=0.8 亚補酸盐对自身转化的抑制 gi.i K,= l;a=0.7 温度范围 ’C 20-43 pH范围 6.78.3 生物体蛋白含量 g-g々g蛋白-g生物体干重0.6 蛋白密度 g.L_Vg蛋白质丄生物体-1 50 1.3.1.3厌氧氨氧化的代i射途径 厌氧氨氧化菌为化能自养菌,将気和亚銷酸盐反应生成氮气时,合成自身所 需能量。通过对基因序列组分析,厌氧數氧化内部代谢可 分为多步氧化还原反应(如图1.4)。NirS酶将N02_还原为NO,同时联氧水解酶 将合成的NO与NH/缩合转化为N2H4。最后通过联氨氧化_作用,:N2H4被转换为 N2.其中产物N03_来源于从)2_的氧化。 1.3.2厌氧氛氧化工艺的性能与控制 研究发现,厌氧氣氧化工艺具有很高的氣素去除能力,小试研究表明,该工 艺最大容积氮负荷(NLR)可高达125kg-m‘3-d_i(Tangetal.,201】)。表】.3列举了 近年来发现的厌氧氣氧化领域中容积效率较高的一些研究。经过操作条件的不断 优化,厌氧裁氧化工艺的高效性能可以进一步得以发挥。 5 杭州师范大学硕士学位报告 aia Nil,' :i|- jir —-y B—11 、.“■ ,一NO—— H N■丨 V 卜甲-El —. I 〕、 ^ H t ;…」 -:' I L, h iin>y CO. N.AnnlNAD* T w 图1.4厌氧氨氧化代谢途径(Jetten,et al,2009) Fig. 1.4 the possible metabolic pathway for anaerobic ammonium oxidation 表1.3小试规模厌氧裁氧化研究概况(NRR> 10kgTir3'cri) Table ] .3 Overview of the high-rate lab-sca]e Anammox process 反应器 NRR(kg’nr3.(ri) 国别