废水厌氧硝化与反硝化微生物脱氮

一、实验目的

（1）了解废水生物脱氮的原理。

（2）掌握废水生物脱氮的方法和运行管理的基本技术。

二、实验原理

废水中氮主要以有机氮化合物和氨氮存在形式。传统的活性污泥法能将废水中的有机氮化合物转化为氨氮，却不能将氨氮从废水中完全去除。废水生物脱氮的基本原理如下：先通过硝化菌硝化反应将氨氮氧化为硝酸盐，再通过反硝化菌的厌氧反硝化反应将硝酸盐还原成气态氮——氮气从水中逸出。本实验采用废水硝化—反硝化生物脱氮工艺，重点考察混合液的悬浮固体浓度、温度、溶解氧对硝化与反硝化生物脱氮效果的影响。

硝化过程是由一群自养型好氧微生物完成的，它包括两个步骤：第一步是由亚硝酸菌（Nitrosomonas）将氨氮转化为亚硝酸盐，第二步则由硝酸菌（Nitrobacter）将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。硝化菌属专性好氧菌。这类菌利用无机碳化合物作为碳源，从氨气、铵盐或亚硝酸盐的氧化反应中获取能量。两步反应均需在有氧的条件下进行。

反硝化反应是将硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮或一氧化二氮，反应在无分子态氧的条件下进行。

反硝化细菌在自然界中普遍存在，包括假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌属等。它们多数是兼性的，在溶解氧浓度极低的环境中可利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物则作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化。大多数反硝化反应稳定。大多数反硝化细菌都能在进行反硝化的同时将硝酸根离子同化为铵根离子供细胞合成之用，此过程可称为同化反硝化。

当环境中缺乏有机物时，无机物如氢、硫化钠等也可作为反硝化反应的电子供体。微生物还可通过消耗自身的原生质进行所谓的内源反硝化。内源反硝化的结果是细胞物质的减少，并会有氨气的生成。因此，废水处理中均不希望此种反应占主导地位，而应提供必要的碳源。

三、实验器材

（1）实验需活性（颗粒）污泥。

（2）模拟生活污水配方见实验2-14表2-9。

（3）仪器及其他用具：生物脱氮实验装置[SBR反应器直径为150 mm，高为50 mm，总有效容积为7.5 L。实验时采用鼓风曝气（用转子流量计调节曝气量）]，见图2-13。实验还需恒温器控制水温、电控恒温水浴锅、化学耗氧量（CODCr）测定装置、pH酸度计等。

图2-13　SBR用于污水脱氮实验装置示意图

1.空压机；2.流量计；3.微孔曝气器；4.搅拌机；5.SBR反应器；6.pH传感器；7.温度传感器；8.温度控制仪；9.pH检测仪；10.取样口；11.排泥口

四、实验前准备工作

1.测定仪器及试剂

准备化学耗氧量（CODCr）和pH测定仪器并配制测定所需化学标准试剂。

2.人工合成生活污水的配制

将实验2-4表2-9中模拟生活污水的组成成分定量混合均匀后，测定其CODCr浓度，备用。

3.实验操作程序

进水—溶解氧控制仪控制曝气（10 h）—沉降（1 h）—排水。为了保证硝化反应所需的酸度，在曝气3 h后向反应器投加1 g左右的碳酸氢钠。反应器每周期处理水量3 L，为反应器有效容积的60%。在实际操作过程中，溶解氧控制仪控制充氧仪间歇曝气，以使溶解氧控制在恒定的水平。除沉降期间外，整个过程中辅以电动搅拌器低转速搅拌。

4.污泥接种及驯化过程(www.xing528.com)

将取自城市生活污水处理厂的曝气池污泥作为本实验的接种污泥，污泥接种后要进行培养驯化。驯化期间采用进水—曝气（7 h）—沉降（1 h）—排水的操作模式，逐渐增加进水的CODCr负荷及氨氮负荷。

五、实验步骤

1.活性污泥浓度对硝化、反硝化的影响

本实验通过溶解氧控制仪将曝气期间溶解氧浓度控制在约2.0 mg/L，考察4种混合液污泥浓度（1 500 mg/L，2 500 mg/L，3 500 mg/L，5 000 mg/L）对硝化、反硝化的影响，同时每2 h取样1次，检测其CODCr、氨氮和硝态氮浓度。

2.考察溶解氧浓度对硝化反硝化的影响

将实验反应器内混合液悬浮固体浓度控制在3 500～4 500 mg/L。通过溶解氧控制仪使整个曝气过程中混合液溶解氧浓度分别控制在3.8～4.2 mg/L、1.8～2.2 mg/L和0.3～0.7 mg/L，并考察不同溶解氧浓度对硝化反硝化的影响。每隔2 h取样1次，检测3种溶解氧浓度条件下CODCr、氨氮和硝态氮浓度。

3.温度对同步硝化反硝化的影响

本实验控制的基本条件如下：pH为8.5、溶解氧为2～3 mg/L、污泥浓度为3 500～4 500 mg/L。实验重点考察不同温度（15℃±2℃、20℃±2℃、25℃±2℃）对硝化、反硝化的影响。每2 h取样1次，检测3种不同温度条件下CODCr、氨氮和硝态氮浓度，填入表2-13、表2-14。

表2-13　生物脱氮实验数据记录汇总表

表2-14　生物脱氮效果实验记录表

（续表）

六、实验结果、讨论

（1）绘制不同控制参数条件下，生物脱氮过程其主要污染物CODCr、总氮随时间变化曲线。总结其硝化与反硝化脱氮过程的总氮和氮氧化物变化趋势和规律，并分析产生这些差异的原因。

（2）绘制整个系统稳定运行后氨氮去除及CODCr去除的变化曲线，分析对硝化与反硝化生物脱氮过程产生影响的各种相关因素，并阐明如何确保硝化与反硝化反应的顺利进行。

七、注意事项

（1）应提前1～2周时间进行污泥的培养和驯化工作，并采用人工模拟生活污水正常启动整体反应装置，确保开展实验时系统的稳定性。

（2）实验过程中要密切注意硝化装置传感器的灵敏性，并对其进行校核，读数要淮确，操作过程中要认真细致，一旦发现异常现象要及时排除。

八、思考题

（1）活性污泥浓度和溶解氧浓度对硝化、反硝化处理系统的运行效果有何影响？

（2）通过本实验的操作、观察，你认为有哪些因素影响生物脱氮的运行？