第 1 章 绪论
1.1 研究背景
随着我国全面小康社会的建成，伴随着人口和经济快速增长的同时，使本已有限的水资源不断遭受污染，造成水资源水质恶化、水生态系统严重破坏，其中水体中氮素污染问题日趋严重，致使缓流水体富营养化状态加剧。十三五规划至今，我国共建成了 10113 多个核发排放资格的污水处理厂，可达到 22846 万吨污水的日处理产能，但我国水环境的污染问题依然加剧，并未得到有效的控制[1]。对于氮的去除，90%以上的污水处理厂采用传统生物处理工艺，如:A2/O、SBR、UCT、CASS 和生物接触氧化等工艺，而传统工艺处理污泥消化液、高氨氮工业废水等氨氮浓度较高的含氮有机废水时会受到局限，同时国家对氮素排放限制标准日趋严格，使得开发和研究新式的高效低耗脱氮技术变得刻不容缓[2]。
在此环境下，厌氧氨氧化工艺以其独特的脱氮途径受到广泛关注。然而厌氧氨氧化工艺只能去除 90%左右以 NH4+-N 和 NO2--N 形式存在的氮素污染，仍有10%左右的氮素转化为 NO3--N 流出，同时不具备降解 COD 的能力[3]。近年来，研究发现，在单级反应器内可以实现同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化（SNAD）工艺，以其兼具脱氮除碳的优异性能成为污水处理领域的研究热点[4]。目前已有报道在小试、中试乃至实际水厂规模的反应器内实现了同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化的反应，取得了良好的脱氮除碳的工艺性能，但自养的厌氧氨氧化菌，增殖速度缓慢，世代交替时间漫长，易于随反应器出水流失[5,6]；同时 SNAD工艺内微生物结构和种群协作关系复杂，导致 SNAD 工艺启动耗时且难度较大，并且颗粒污泥培养与工艺稳定运行存在一定的困难，对 SNAD 工艺的实际推广形成了很大的阻力[6]。
.......................
1.2 厌氧氨氧化工艺研究现状
厌氧氨氧化技术（AnaerobicAmmonium Oxidation，简称 Anammox）于 1990年由荷兰代尔夫特技术大学 Kluyver 生物技术实验室研发的，其基于浮霉状菌目的厌氧氨氧化菌（AnAOB）与底物进行厌氧氨氧化反应(如式 1-1)开发出来的新型生物脱氮技术[9]。相较于传统硝化反硝化联用的生物脱氮技术，厌氧氨氧化技术具有高效的脱氮性能、运行成本低、不需排泥和设备占地小等优点，是一种高效的新式生物脱氮技术[10]。
目前，对厌氧氨氧化工艺的研究主要涉及了工艺的快速启动和应用，并深度探究了工艺中参与反应的生物特性、基因组学及代谢过程。研究人员可以通过不同类型反应器（SBR、UASB、UBF、MBBR 和 MBR 等）、不同种类的种泥（厌氧氨氧化污泥、反硝化污泥和好氧硝化污泥等）和多种污染水源（人工配水或污水处理厂污水等），实现厌氧氨氧化工艺的成功启动[10-17]。厌氧氨氧化工艺已经由开始的实验室研究为主，逐渐发展到中试和工程应用推广中，并在市政污泥液、半导体生产废水、制革生产废水、垃圾渗滤液和污泥消化液等方面得到大量应用[18]。研究发现具有厌氧氨氧化功能的微生物被称为 AnAOB，包括：CandidatusJettenia caen、Candidatus Brocada 和 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 等，而且微生物群落受底物浓度和氮负荷率（NLR）的影响，进而影响到系统脱氮的性能和稳定性[19-21]。脱氮性能方面，Li 等[22]采用 SAnMBR 反应器，35±0.5℃下，最大进水总氮（TN）高达 4.1 g/L，可达到稳定 88％的 TN 去除效率。然而，厌氧氨氧化工艺受限于除碳能力，而且无法降解 NO3--N 形式的氮素污染，造成厌氧氨氧化工艺应用受到一定限制。
...........................
第 2 章 材料和方法
2.1 实验材料及方法
2.1.1 UMSB-SNAD 生物脱氮工艺装置
UMSB-MBR 实验装置如图 2-1 所示，其有效容积为 4.5 L，反应器柱体部分外设置水浴套筒，设水浴加热循环装置，水浴循环水箱内设置温控设备，用来保持反应器的温度维持在 33±1℃，套筒外包裹具有保温和避光功能的黑色保温棉材料；反应器底部设置曝气头调节反应器内溶解氧；实验进水由配水箱通过设有提升泵的管路进入高位水箱，由高位水箱补入反应器内；反应器通过 MBR 膜组件经产水泵排入产水箱实现产水，MBR 膜组件的膜丝材质为聚偏氟乙烯（PVDF），有效过滤面积为 0.075 m2，过滤孔径为 0.3 μm，运行通量为 2.5-15L/(m2·h)，工作压力为 0-50 kPa；配水中投加碳酸氢钠，将 pH 值调节为 7.5±0.3；反应器设置回流（由反应器上部至底部），通过控制回流速度调节反应器内上升流速。反应器实物图和工艺流程图详见如图 2-1 所示。
2.2 模型建立
2.2.1 模型平台的选择
本研究是对 ANAMMOX 工艺、CANON 工艺和同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化工艺建立数学模型，模型主要涉及 SNAD 工艺启动和运行过程中的反应，力图清晰的表达出启动和优化状态下的工艺特性，模拟和预测了过程中工艺性能和功能微生物的变化。经研究发现，本研究没有可直接利用的活性污泥模型，采用具有硝化和反硝化的 ASM1 模型为平台，在此基础上加入厌氧氨氧化反应的改良 ASM1 活性污泥模型。SNAD 工艺的启动需要历经厌氧氨氧化阶段、CANON 阶段和 SNAD 阶段，因此需要对整个启动过程建设阶段性的数学模型。
2.2.2 模型的假设
SNAD 工艺启动和运行过程中涉及的反应和控制的因素众多，非必要的因素也会使模型的结果产生很大的改变，因此为了便于主要内容的研究，在建造模型前需要作出以下假设：
（1）模型涉及的反应器为完全混合状态，反应环境温度为 33℃。因为模型中许多参数与温度有直接的关系；（2）模型中忽略进水中的微生物浓度不计。因为配水箱中会有微生物的存在，可能伴随进水进入反应器中影响反应，但含量一般极少；（3）模型中反应系统中 pH 维持恒定（7.4-7.8）。因为 pH 值影响许多系数，但很少有表达式来表达这种影响；（4）模型中不考虑底物对有机物质的降解对及生物细胞生长的限制；（5）模型中异养菌的种类稳定不变；（6）模型中 COD 和氮素的水解是同速率；（7）模型中污泥衰减的生物量变化不受电子受体的影响；（8）模型中不考虑颗粒化污泥对工艺特性的影响，采用污泥浓度对颗粒污泥描述；（9）模型中不考虑 MBR 膜出水时对底物污染物的拦截作用。
.....................
第 3 章 厌氧氨氧化工艺启动和数学模型....................27
3.1 前言..........................................27
3.2 厌氧氨氧化工艺材料和方法.................27
第 4 章 CANON 工艺启动和数学模型..........................37
4.1 前言.......................37
4.2 CANON 工艺材料和方法..................................37
第 5 章 SNAD 工艺实验和数学模型.................................49
5.1 前言...........................49
5.2 SNAD 工艺材料和方法.............................49
第 5 章 SNAD 工艺实验和数学模型
5.1 前言
同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化工艺启动，历经了厌氧氨氧化工艺和 CANON 工艺，启动过程复杂[5]。本章在 CANON 工艺实验基础上，进水底物中引入 COD（乙酸钠）培养 DNB，降解 NO2--N 和 NO3--N 最终实现 AnAOB、AerAOB 和 DNB 耦合协同脱氮成功启动 SNAD 工艺；基于 CANON 工艺的数学模型，模型组分中加入 SS（有机物），构建 SNAD 工艺数学模型；依据 SNAD工艺启动的实验数据和参数灵敏度分析对 SNAD 工艺模型进行参数校正和有效性验证；基于 SNAD 工艺模型，解析了不同 C/N 比下 SNAD 工艺特性、功能菌和脱氮贡献率的变化。通过 SNAD 工艺模型的建立，为 SNAD 工艺的进一步研究及应用节约了大量的时间成本，便于工艺更好的推进。
SNAD 工艺的实验装置以及工艺流程与第 2 章的 2.1 一致。本章 SNAD 工艺实验基于 CANON 工艺中的 AnAOB 和 AerAOB 耦合污泥为种泥，进水底物中引入有机碳源（乙酸钠）。实验的配水主要底物为 NH4+-N和COD，NH4+-N浓度维持200 mg/L 左右，COD浓度为100-600 mg/L左右。SNAD工艺分为 3 个时期（详见表 5-1），阶段ⅩⅡ采用 C/N 比为 0.5 启动 SNAD 工艺；基于 SNAD 工艺模型，模拟处理 C/N 比（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 和 3.0）的废水；阶段ⅩⅢ和ⅩⅣ，采用 SNAD 工艺处理 C/N 比（1.5 和 3.0）的废水对模型模拟的对 C/N 比工艺趋势进行检验，每个阶段运行 10 d 左右。
结论
结论：
基于厌氧氨氧化反应的同步亚硝化-厌氧氨氧化耦合异养反硝化（SNAD）工艺以其优秀的脱氮除碳性能，备受广大研究学者和工程人员的关注。本文以实验的方式，基于 UMSB-MBR 反应器，采用人工合成废水，以厌氧氨氧化颗粒污泥和活性污泥为种泥，历经厌氧氨氧化工艺阶段和 CANON 工艺阶段，实现快速启动 SNAD 工艺；并基于改良 ASM1 模型基础上使用 AQUASIM 2.0 软件建立了SNAD 工艺启动过程数学模型；基于实验数据，分析了 SNAD 工艺启动过程中的工艺性能，并校正数学模型参数，通过模型解析了启动过程中微生物（浓度和活性）的变化；同时模拟和解析了不同 C/N 比条件对 SNAD 工艺的影响。
（1）采用 UMSB-MBR 反应器，接种厌氧氨氧化颗粒污泥，在温度 33℃和pH 值 7.4-7.8 条件下，通过提高底物氮浓度和缩短 HRT 的方式，经过 89 d，实现厌氧氨氧化工艺启动，ARE 达到 92.13%，NRR 增至 1.484 kg/(m3·d)，NRE 维持在 81%以上，而且ΔNO2--N/ΔNH4+-N（1.29）和ΔNO3--N/ΔNH4+-N（0.234）比值近似理论计算比值。
（2）基于校正后的厌氧氨氧化工艺数学模型，解析了系统启动过程中微生物的变化。随着氮负荷的增大，AnAOB 浓度呈现上升的趋势，而其他功能菌浓度均下降趋于 0 mg/L，阶段Ⅵ中 AnAOB 含量达到 5137.00 mg/L；同时，AnAOB活性持续上升，在阶段Ⅵ中 RAnAOB_NH4、RAnAOB_NO2和 RAnAOB_NO3增大至0.73900 kgN/(m3·d)、0.83280 kg N/(m3·d)和 0.10190 kg N/(m3·d)。
（3）基于厌氧氨氧化工艺，补充少量活性污泥作为种泥。实验配水主要以底物 NH4+-N 浓度（200 mg/L）为主，调节装置内 DO 和 HRT，实现 CANON 工艺的启动。运行 61 d 后，达到 AnAOB 和 AerAOB 的协同脱氮，NRE 和 ARE 提高至 70.62%和 94.79%，成功启动 CANON 工艺。
参考文献（略）