第一章 绪论
1.1 研究背景
近年来，水污染问题已经成为人类当前迫切需要解决的环境问题，而氮是水体污染的主要原因之一[1]。同时氮也是生物不可或缺的元素，对于维持动植物的正常生命活动有着重要意义。氮元素参与自然界中各种生物和物理化学过程，从而实现氮元素的循环，维持自然界的氮平衡。人类的活动已经严重影响到氮的自然循环，成为目前氮污染的主要来源[2, 3]。
城市、工业和农业污水等，都是人类活动产生氮污染的来源。并且随着经济的发展和人类文明的进步，各行各业均进入黄金时期，人类生活水平也逐步提高，由此而来的污染问题严重。由于行业差异，各行业产生的废水性质不同，其中含氮污染物的种类及浓度区别很大。其中城市生活污水的排放是最主要的氮素污染来源之一，市政污水中氮素的主要形态为有机氮和氨氮，普通生活污水的生物降解性相对较好，经过市政污水处理厂处理后，可以很容易地脱去污水中的氮。但是在某些特殊情况，例如污水排放量大的情况下，处理不及时，出水中也会带有大量氮素，对环境造成污染[4]。工业废水中的氮素含量相对较高，像化工、制药、印染等工业废水都具有高氨氮，低碳氮比的特点[5, 6]。且工业废水通常含有工业生产中的副产物，具有强酸或强碱以及剧毒的特性。这些废水很难被市政污水厂所去除，需要特殊的工艺来处理。随着人口的增多和生活水平的提高，农业废水也逐渐成为环境污染的主要问题之一[7]。畜禽养殖业已经成为我国农业经济的支柱产业，养殖废水也已成为继工业废水和生活废水的第三大污染源。由于具有高氨氮、低碳氮比和高 SS（suspended solid，SS）等特点，同样不利于传统的市政污水厂处理，也是目前处理难点之一[8, 9]。过度使用化肥与农药也会导致大量的氮素残留在土壤中，随着降水和径流汇入地下水和湖泊中。
氮元素在水体中的富集会对生态环境和人类的健康造成极大危害。水体富营养化便是由于水体中氮、磷浓度过高导致[10]。过高的氮磷浓度会导致水中藻类快速繁殖，出现“赤潮”、“水华”等现象。过度繁殖的藻类耗尽水体中的氧气与养分，从而威胁其他水生生物的生存，导致水中的鱼类及贝类大量死亡，使水体水质恶化。同时，被氮素污染的蔬菜、畜禽被人食用后，会对人体健康造成损害。当人体内的硝酸盐含量过高时，会经硝酸还原菌的作用转化为亚硝酸盐，引发高铁血红蛋白症，产生中毒反应，甚至诱发人体消化系统的癌变[11]。
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1.2 研究现状
1.2.1 物理化学脱氮技术
物理化学脱氮技术是指通过物理、化学等手段对废水进行脱氮处理。主要的技术包括有折点加氯法[15]、空气吹脱法[16]、离子交换法[17]、鸟粪石沉淀法[18]、蒸汽汽提法等[14, 19]。物理化学脱氮技术具有明显的缺点，例如设备和资金要求高，且容易造成二次污染，所产生的副产物难以处理，去除率低等[20]。因此目前使用相对较少，应用不广泛。
1.2.2 传统生物脱氮技术
利用微生物进行脱氮的生物技术则可以弥补物理化学法的缺点，脱氮微生物没有毒性，不会造成污染，同时其成本低廉、操作便利，处理效果良好[21]。自然界中氮的循环如图 1.1 所示，主要是依靠微生物的作用，包括同化过程、固氮过程、硝化过程以及反硝化过程等[22]。废水的生物脱氮过程就是借鉴自然界中的氮循环原理，利用不同微生物之间相互配合，将废水中的氨氮转化为氮气，从而达到脱氮的目的。传统的脱氮技术先将氨氮氧化成硝酸盐，再进一步反硝化生成氮气，其中硝化过程与反硝化过程是传统生物脱氮技术的关键[23]。
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第二章 亚硝化反应器的快速启动实验室研究
2.1 引言
亚硝化是亚硝化-厌氧氨氧化工艺中的重要环节之一，在亚硝化阶段，将进水的氨氮部分亚硝化至亚硝酸盐，使出水中氨氮浓度与亚硝酸盐氮浓度处于合适的比例，然后再通入厌氧氨氧化反应器内进行厌氧氨氧化脱氮反应[77]。它主要负责为后续的厌氧氨氧化反应提供底物，同时具有节能，高效和污泥产量少等优点[78]。亚硝化反应是硝化反应中的第一步，氨氧化细菌在氧气存在的情况下将进水中的氨氮氧化为亚硝态氮的过程。良好的出水配比及稳定的运行条件实现亚硝化作为厌氧氨氧化前置工艺以及联合工艺高效脱氮的前提条件，需要大约 50%的NH4+-N 转化 NO2--N。在运行过程中亚硝化过程的稳定性以及出水基质的配比的波动对后续厌氧氨氧化工艺的脱氮效果有直接的影响。快速有效的启动亚硝化，并实现稳定的运行仍是目前控制的重点和难点。实现稳定的亚硝化对整个工艺的稳定运行有着重要的意义，从微生物群落层面上看，亚硝化就是在硝化反应过程中，抑制 NOB 菌在反应过程中的活性，阻止亚硝酸盐的进一步氧化，使 AOB 菌成为优势种群。SHARON-Anammox 是具有代表性分体式工艺，有学者对其中亚硝化部分的氨氧化细菌进行研究，发现 AOB 菌的主要种类为 Nitrosomonaseuropaea ， Nitrosomonas europaea ， Nitrosomonas eutropha ， Nitrosolobus sp. ，Nitrosopira sp.和 Nitrosovibrio sp.等[79, 80]。在 SHARON 工艺中，将硝化过程控制在亚硝化阶段是其关键，实现与维持稳定的部分亚硝化的条件相对苛刻，因此研究如何提高亚硝酸盐的积累率、降低硝酸盐的生成具有重要意义。本章主要研究FA/FNA 对部分亚硝化反应器快速启动的影响。
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2.2 材料与方法
2.2.1 实验装置
本试验采用两个 SBR (sequencing batch reactor)反应器，分别为 R1 与 R2，反应器是由有机玻璃制成的圆柱体，有效体积为 50 L。反应器主要由五个系统组成，分别为进水系统、出水系统、曝气系统、保温系统和加药系统。废水通过进水系统的蠕动泵从反应器顶部进入，周期结束后由出水系统的电磁阀出水口流出。反应器保温系统由恒温加热带进行调控，内部温度控制在 30 ± 2o C；反应器内的 pH由加药系统控制并采用机械搅拌器进行搅拌。
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第三章 亚硝化-厌氧氨氧化一体化工艺的快速启动实验室研究..........................19
3.1 引言..............................19
第四章 亚硝化-厌氧氨氧化工艺的中试研究.................................. 32
4.1 引言........................................32
4.2 材料与方法..................................32
第五章 结论与展望.................................43
5.1 结论.....................................43
5.2 展望............................................44
第四章 亚硝化厌氧氨氧化工艺的中试研究
4.1 引言
脱氮处理是污水处理达标过程中的最关键的步骤，也是污水处理中最耗能的步骤，生物脱氮技术成为近年来开发和研究的热点。传统的脱氮技术先将氨氮氧化成硝酸盐，再进行反硝化生成氮气，从而达到脱氮的目的，在此过程中需要消耗大量的氧气和有机碳源，导致污水处理的成本升高。亚硝化厌氧氨氧化技术将部分氨氮氧化成亚硝酸盐，再在厌氧氨氧化菌的作用下，亚硝酸盐和氨氮反应生成氮气。亚硝化厌氧氨氧化工艺正处于从实验室的理论研究到工程实际应用的转变阶段，荷兰 Delft 大学是厌氧氨氧化技术研究的发源地，荷兰的帕克公司则是首家在鹿特丹污水处理厂实现厌氧氨化工艺的工程化应用的公司，该工程的启动时间超过了 3.5 年。目前国内的实际工程应用主要是由荷兰的帕克公司完成的设计与运行。以厌氧氨氧化为主体的污水处理工艺工程有 6 个，其中的代表有山东安琪酵母股份有限公司工程项目及内蒙古通辽梅花生物科技有限公司。大部分的启动策略使用大量成熟的厌氧氨氧化污泥，或者使用活性污泥进行启动，缓慢的启动以及大量的厌氧氨氧化种泥使用，都限制了它的推广与发展。并且对于启动过程中的菌群演变的相关报道较少。因此，对亚硝化厌氧氨氧化工艺进行中试等大规模的实验研究，能够获得相对优良的运行参数以及经验，有助于亚硝化厌氧氨氧化工艺的实际应用。本章实验的主要目的为研究中试条件下，亚硝化与厌氧氨氧化的快速启动性能，以及联合运行的稳定性。
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第五章 结论与展望
5.1 结论
本论文分别进行了实验室研究与中试研究，研究了实验室条件下 FA/FNA 对亚硝化反应器快速启动的影响；研究了实验室条件下不同接种策略对亚硝化-厌氧氨氧化一体化工艺的快速启动影响；在中试条件下，亚硝化-厌氧氨氧化工艺的快速启动性能。具体结论如下：
（1）R1 与 R2 反应器分别经历 28 天和 12 天成功启动亚硝化，R2 反应器的初始 FA 浓度为 18.8 mg/L，高的 FA 浓度加速了亚硝化的启动，运行结束时反应器内 FA/FNA 浓度分别为 8.4 mg/L 和 0.002 mg/L，出水中的氨氮与亚硝态氮的浓度分别为 112.6 mg N/L 和 142.1 mg N/L，比例约为 1:1.3，亚硝酸盐累积率稳定在91.6%。；而 R1 反应器的初始 FA 浓度为 0.02 mg/L，低的 FA 浓度未能抑制 NOB菌活性，运行结束时反应器内 FA/FNA 浓度分别为 15.3 mg/L 和 0.004 mg/L，出水中的氨氮与亚硝态氮浓度分别为 204.6 mg N/L 和 202.0 mg N/L，比例接近 1，亚硝酸盐累积率最高达到 93.3%。实验结果表明 FA 与 FNA 浓度是抑制 NOB 菌，快速启动亚硝化反应器的重要因素，启动初期 FA 对 NOB 菌的抑制决定了亚硝化启动的快慢。而 FNA 浓度在启动初期对反应器的影响并不大。在运行稳定期主要通过 FA 与 FNA 共同作用，来抑制 NOB 菌活性和促进 AOB 菌活性。
（2）R1 反应器接种 2.0 g MLVSS/L 亚硝化污泥与 0.02 g MLVSS/L 厌氧氨氧化种泥启动，在第 120 天启动成功亚硝化-厌氧氨氧化工艺，氨氮与总氮去除率分别为 86.1%和 60.9%。R2 反应器接种 2.0 g MLVSS/L 活性污泥与 0.02 g MLVSS/L厌氧氨氧化种泥启动，在接种后第 80 天，反应器内氨氮与总氮去除率分别达到82.3%和 52.3%。实验结果表明亚硝化-厌氧氨氧化一体化工艺可以直接通过接种活性污泥进行启动，避免了单独的亚硝化的驯化过程。同时低浓度厌氧氨氧化种泥的添加对亚硝化-厌氧氨氧化工艺的启动有着促进作用。
参考文献(略)