（市政工程专业论文）常温条件下亚硝酸型反硝化工艺的试验研究.pdf

中文摘要 摘要：本论文以亚硝酸型反硝化为核心，利用序批式、升流式污泥床反应器及气 提式一升流式联合反应器试验，在常温条件下对运行效果、影响因素、污泥性状 及相关动力学等作了一定研究，以期为废水生物脱氮提供合适的环境条件和合理 的工艺参数。 序批式反应器试验结果表明，进水负荷应控制在o 1 9 2 9 n 0 2 - - n g m l s s d 以内， 否则微生物在体现对自由亚硝酸一定的耐受程度之后性状便开始恶化，本试验中 当自由亚硝酸达到0 0 3 2 m g l 时，抑制现象出现：p h 值会显著地影响亚硝酸型反 硝化的反应效果，适宜的p h 范围为7 7 8 6 ，最佳p h 值在8 - 2 左右；乙酸钠作 为碳源，碳氮比( c n ) 大于1 9 4 ，可实现连续稳定的脱氮效果，起始亚硝氮比基 质降解速率随c n 的增加而增加，大于3 1 l 速率几乎不再增加；通过动力学分析， 得出该试验条件下c n 的饱和常数b 为9 3 6 ；自由亚硝酸抑制属于底物抑制，其 浓度达到o 1 3 m g l 时，反应几乎完全被抑制，抑制动力学常数k i 为5 3 6 9 i n g ，l 。 升流式污泥床反应器试验结果表明，在h r t 为1 9 h ，c n 达到2 9 5 ，进水负 荷为l g n 0 2 - n l d 时，反应器达到最高去除负荷0 9 7 9 n 0 2 - n l d ；碳源的投 加量对处理效能构成制约因素，但前提是进水负荷不超过反应器的最大处理效能， 否则增加c n 意义不大；进水负荷应控制在1 2 8 9 n 0 2 - n l d 以内，一旦超过反 应器的最大处理能力，污泥性状会恶化，并且不可恢复；试验运行至六个月时驯 化出颗粒污泥，之后继续升高进水流速，颗粒污泥就会破碎，并且无机矿物质含 量升高，活性明显降低，通过扫描电镜对颗粒污泥外观及剖面迸行了观察分析， 构成颗粒污泥灰分的主要元素是c a 。 利用气提式反应器研究了硝化过程中的亚硝氮积累现象，并在运行了六个月 时将其与另一升流式污泥床反应器相连接，研究了硝化反硝化联合工艺的处理效 果。结果表明，硝化部分当进水氨氮浓度超过9 8 m g l 后，游离氨f a 为7 m g l 时， 亚硝氮浓度开始逐渐上升，亚硝化率( n 0 2 = n n o , = - n ) 超过5 0 。本试验条件下 污泥负荷在o 5 3 k g n i - h + - n k g m l s s d 附近，氨氮去除率较高且亚硝化率最大，但 当污泥负荷达到o 8 5 k g n h 4 + - n k g m l s s d 时，氨氮去除率降低，自此增大溶解氧 以及降低负荷，情况也未好转。升流式污泥床反应器中形成明显的颗粒污泥，在 碳源充足的情况下( c 在3 以上时) ，最终出水效果会明显变好。 关键词：反硝化；负荷；抑制；p h 值：碳氮比；亚硝化率；颗粒污泥 a b s t r a c t a b s t r a c t ：1 1 ”t h e s i sc e n t e r so nd e n i t r i f i c a t i o nv i an i t r i t e ，s o m es t u d i e so d t r e a t m e n tp e r f o r m a n c e , i n f l u e n c ef a c t o r , s l u d g ec h a r a c t e ra n dk i n e t i c sw e r ep e r f o r m e d u n d e rn o r m a lt e m l e i a t u r e ，u s i n gas e q u e n c i n gb a t c hr e n c t o r ( s b r ) ，au p f l o ws l u d g e b l a n k e tr e a e t o r ( u s b ) a n daa i rl i f tr e a c t o r u p f l o ws l u d g eb l a n k e tr e a c t o r , a i m i n g t op r o “d ea p p r o p r i a t ec o n d i t i o na n dt e c h n i c sp a r a m e t e rf o rb i o ! o g i ln i t r o g e nr e m o v a l f r o mw a s t ew a t e r r e s u l t so fs b re x p e r i m e n t ss h o w e dt h a ti n f l u e n tl o a d i n gs h o n i db ec o n t r o l l e d w i t h i no 1 9 2 9 n o f - n g m l s s d0 1 e l s es l u d g et t n e dd e t e r i o r a t e da r e re n d u r i n g 舶c n i t r o u sa c i dt os o m ed e g r e e i n h i b i t i o na r o s ew h e nc o n c e n t r a t i o no ff l e en i t r o u sa c i d r e a c h e do 0 3 2 m g l p hv a l u eh a dag r e a te f f e c to nt r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo f d e n i t r i f i c a t i o nv i an i t r i t e s u i t a b l er a n g eo fp hv a l u ew a sb e t w 啪7 7a n d8 6a n dt h e o p t i m a lp hv a l u ew a s8 2 n i t r o g e nc o u l db ec o n t i n u o u s l yr e m o v e dw h e n c nr a t i ow a s b e y o n d1 9 4 s t a r t i n gs p e c i f i cs 曲s t r a t ed e g r a d a t i o nr a t er o s ew i t hc nr a t i or i s i n g , b u t i th a r d l yi n c r e a s e dw h e nc nr a t i ow a sh i g h e rt h a n3 i i s a t u r a t i o nc o n s t a n tk s o f c n r a t i ow a s9 3 6 m g m gb yk i n e t i ca n a l y s i so ne x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n i n h i b i t i o nt y p eo f f r e en i t r o u sa c i db e l o n g e dt os u b s t r a t ei n h i b i t i o na n dr e a c t i o nw a sc o m p l e t e l yi n h i b i t e d w h e ni t sc o n c e n t r a t i o nr e a c h e d 0 1 3 m g l k i n e t i c c o n s t a n to fi n h i b i t i o nw a s 5 3 6 9 m g ，l r e s u l t so fu s br e a c t o re x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h eh i 曲e s tr e m o v a ll o a d i n g r e a c h e d0 9 7 9 n 0 2 。- n 几dw h e nh r tw a s1 9 1 1 , c nr a t i ow a s2 9 5a n di n f l u e n t l o a d i n gw a si g n o z - n l d t h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c ed e p e n d e do nt h eq u a n t i t yo f c a l a o o ns o u r c oo nt h ep r e m i s et h a ti n f l u e n tl o a d i n gw a sl e s st h a nm a x i m a lr e m o v a l l o a d i n go ft h er e a c t o r , o re l s et h ei n c r e a s eo fc a _ t h o us o u r c eh a d l i t t l ee f f e c t i n f l u e n t l o a d i n gs h o u l db ec o n t r o l l e dw i t h i n1 2 8 9 n o z - n l d i f i te x c e e d e dm a x i m a lr e m o v a l l o a d i n go ft h er e a c t o r , s l u d g et u r n e dd e t e r i o r a t e da n dw a sb e y o n d1 劬 i e v e g r a n u l a r s l u d g ew a sc u l t i v a t e da r e rt h er e a c t o rh a db e e no p e r a t i n gf o rs i xm o n t h s b u ti tb e g a n t ob r e a kl l pa n dm i n e r a l i z ec o n t e n tw a sh i g ha sv e l o c i t yo ff l o wr i s i n g t h ea c t i v i t yo f s l u d g ew a sr e d u c e d t h em o r p h o l o g ya n ds e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg r a n u l a rs l u d g ew a s o b s e r v e dt h r o u g hs c a ne l e c t r o nm i c r o s c o p e 皿cm a j o re l e m e n to f m i n e r a l i z ew a sc a s o m es t u d i e so nn i t r i t ea c c u m u l a t i o ni nn i 埘f i e a t i o np r o c e s si na i rl i f tr q 醐t c t o rw e r p e r f o r m e d i nt h i s e x p e r i m e n lt r e a t m e n tp e r f o r m a n c e o fc o m b i n e dp r o c e s so f j e 塞銮通去堂亟竺位盐室壁s ! ! n i t r i f i c a t i o n - d e n i t f i f i c a t i o nw a sa l s os t u d i e db yc o m b i n i n ga i rl i nr e a c t o rw i t hu p f l o w s l u d g eb l a n k e ta f t e ri th a db e e no p e r a t i n gf o rs i xm o n t h s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e n c o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n ta m m o n i aw a sm o t h a n9 8 m g ，la n d 矗a m m o n i ar e a c h e d 7 m g l ，c o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tn i 缸t es t a r t e dt or i s ea n do v g t5 0 0 , 6o fn i t r i t a t i o n r a t e ( n o f - n n o x 。- n ) c o u l db ea c h i e v e d v l ，h e l ls l u d g e l o a d i n g w a sc l o s et o 0 5 3 k g n h 4 + - n k g m l s s 。d a m m o n i ar e m o v a lr a t ew a sq u i t eh i g ha n dn i t r i t a t i o nr a t e w a sm a x i m 啪b u tw h e ns l u d g el o a d i n gr e a c h e d0 8 5 k g n h 4 + - n k g m l s s 正a m m o n i a r e m o v a lr a t ef e l la n dt h ec o n d i t i o nc o u l d n tb ei m p r o v e d c o r d m gt oi n c r e a s i n gi x ) a n dr e d u c i n gl o a d i n g t h e r ew a so b v i o u sg r a n u l a rs l u d g ei nu p f l o ws l u d g eb l a n k e t r e a o h 3 r t r e a t m e n tp 毹o r m a n c oo f u l t i m a t ee f f l u e n tt u r n e dg o o d o b v i o u s l yw h e nc a r b o n 8 0 u r c ew a sa n o n g h ( c nr a t i ow a so v l t3 1 k e y w o r d s ：d a n i t r i f i c a t i o n ；l o a d i n g ；i n h i b i t i o n ；p hv a l u e ；c nr a t i o ；n i t r i t a t i o nr a t e ； g r a n u l a rs l u d g e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名杨修多 签字日期范哆年肛月吩日 一名：智呷 签字日期：为一年1 月f 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杨蟛 签字g 期= 知口7 年上月穸日 致谢 本论文的工作是在我的导师赵宗升教授的悉心指导下完成的，不论是授课还 是对我论文的指导，赵老师严谨的治学态度和科学的工作方法都给了我极大的帮 助和影响，我研究的该课题属于赵老师申请的国家自然科学基金项目中的一部分 内容，赵老师多年来在水处理理论与技术方面进行着不懈地深入研究，并取得了 一定的研究成果，在赵老师身上我看到了科研工作者孜孜以求的科研精神和迎难 而上的可贵品质，所有这些对我不论是在做学问还是做人方面都产生了积极而深 远的影响，在此衷心感谢两年多来赵老师对我的关心、指导以及给我提供的平台。 本论文的试验工作是在课题协作单位北京市环境保护科学研究院水污染控制 技术研究所完成的，贾立敏总工和宋英豪高工负责课题研究的开展工作，宋工悉 心指导我完成了实验室的科研工作，并在论文发表过程中提出了许多宝贵意见， 让我领略了思维的深度和广度以及忘我的工作精神，在此向宋工表达我由衷的感 激之情。 环科院的魏树军、雷世寰老师在反应器的定制、维护及试验数据的监测方面 给予了热心帮助与指导，在此向他们表达我诚挚的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，魏泉源、叶俊涛、阎中、迟文涛、周宇、陈 世朋、左东升、董娜、王焕生、吴亚男等朋友和同学都不同程度地给予了帮助， 在此向他们表达我的谢意。 感谢母校北京交通大学，七年的学习生活在这里度过；感谢北京市环境保护 科学研究院，在那的时间累积起来将近两年，不论是本科、硕士论文的撰写方面， 还是实习经历。对我来说都是一段美好而难忘的回忆。 感谢我的父母，直以来他们的理解和支持使我能够在学校很好的完成学业， 他们的付出是我前进的动力! 感谢所有关心和帮助过我的人! 1 引言 1 1 废水脱氮技术及其研究现状 鉴于氮素污染的种种危害，氮素污染控制得到了社会各界的重视。在废水脱 氮技术的研究、开发和应用中，涌现了一大批行之有效的处理工艺，构成了废水 脱氮处理的技术体系。这些废水脱氮技术可分为物化法和生物法两大类。物化法 主要有空气吹脱法、选择性离子交换法、折点氯化法、磷酸氨镁沉淀法等。生物 法( 即生物脱氮技术) 是目前应用最广的废水脱氮技术。 近十多年来，在氮素污染日趋严重以及治污费用不堪重负的双重压力下，许 多国家加大了对生物脱氮的研究力度，在生物脱氮理论取得重大突破的同时，废 水生物脱氮技术也取得了快速发展，涌现了批具有创新意义的生物脱氮工艺， 如短程硝似反硝化( s h a r o n ) 工艺、短程硝化厌氧氨氧化( s h a r o n - a n a m m o x ) 工艺、好氧脱氨工艺、基于亚硝酸盐的全自养型氮去除( c a n o n ) 工艺、氧限制自 养型硝化反硝化( o l a n d ) 工艺。其中，短程硝化，反硝化工艺和短程硝化一厌氧氨 氧化工艺已投入生产应用，前景喜人【l 】。 1 2 短程硝化反硝化研究进展 1 2 1 实现短程硝化反硝化的研究现状 在经典的硝化反硝化工艺中，是把氨彻底氧化为硝酸盐完成全程硝化过程再 进行反硝化反应，主要目的是根除氮素的耗氧能力并避免亚硝酸盐对生物的毒害 作用。然而在生化反应过程中，氨氧化与亚硝酸盐氧化并非同一种微生物完成的， 它们在生理代谢方面存在较大的差异，完全可以通过各种条件控制两个反应分别 发生。1 9 7 5 年，v o t e s 掣2 】在进行高浓度氨氮废水处理研究中，发现了硝化过程中 亚硝酸盐氮积累的现象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。1 9 8 6 年， s u t h e r s o n 掣3 l 研究证实了经亚硝酸盐氮途径进行生物脱氮的可行性。同时t u r k 等 对推流式前置反硝化脱氮系统也进行了经亚硝酸盐氮途径脱氮的研究并取得了成 功。 在随后的研究实践中，通过控制温度、p h 值、溶解氧、污泥龄、抑制性物质 4 1 等各种条件均实现了短程硝化反应，在s b r 反应器嘲、气提反应器、生物流化 床、曝气生物滤池【6 】、m b r 7 等反应器中均成功的进行了短程硝化反硝化脱氮。 短程硝化反应的稳定性是实现短程硝化反硝化脱氮工艺的关键，目前仅有 d e l f t 大学开发的s h a r o n 【5 1 ( s i n g l er e a c t o rf o rh i g ha m m o n i u mr e m o v a lo v e r n i t r i t e s ) 工艺在理论上和实践中解决了亚硝化反应的稳定性问题，该工艺利用了亚 硝酸盐氧化菌与氨氧化菌在较高温度( 3 0 - - 3 5 ) 下的不同生长速率达到亚硝酸盐 氧化菌的自然淘汰，从而实现稳定亚硝化反应目前，s h a r o n 工艺在荷兰的两 座污水处理厂成功运行 9 1 1 0 l ，脱氮效果良好。但s h a r o n 工艺仅适用于自身水 温较高的特定的废水的脱氮处理，否则过高的反应温度造成能耗的大幅增加。 通过控制其他工艺条件实现的短程硝化过程均不同程度存在着稳定性差，易 于蜕化成全程硝化过程，易产生其他运行问题等现纠u 】【1 2 】 1 2 2 抑制型短程硝化反硝化国内外研究现状 在硝化过程中的自由氨及自由亚硝酸抑制研究方面，a n t h o n i s e n ( 1 9 7 6 ) 1 3 1 进行的研究工作一直为这方面提供重要的研究文献，研究工作是其在美国康奈尔 大学攻读博士学位时进行的，历时四年，做了大量广泛的试验，给出了硝化过程 的抑制图表，得出的结论主要是：自由氨和自由亚硝酸是硝化过程的主要抑制因 子，氨氧化菌n i u - o s o m o n a s 比亚硝酸氧化菌n i t r o b a c t e r 有更大的抑制浓度，所以 在较高氨氮浓度废水的硝化过程中会出现持续的亚硝酸积累，从而为短程反硝化 创造了条件。但过多的亚硝氮积累也可能造成自由亚硝酸对反亚硝化过程的抑制。 在a n t h o n i s e n 的研究工作之后，就很少再有关于抑制方面的较为彻底全面的研究 工作。s h i m i z u ( 1 9 7 8 ) 得出在亚硝酸盐浓度高于6 m m 时，亚硝酸还原速度明显 降低【1 4 】。a l m e i d a 等( 1 9 9 4 ) 得出1 7 5 “m 的自由亚硝酸可使亚硝化及硝化速度受 到9 5 的抑制 j 习。但硝酸盐还原被认为不像亚硝酸盐还原那样易受高n 0 2 _ - n 浓度 的影响。这可能是由于亚硝酸盐还原酶位于周质区( p c v i p l a s m i ss p a c e ) ( a l e f o u n d e r & f e r g u s o n ，1 9 8 0 ) 【1 6 j ，而p d e n i t r i t i c a n s 的硝酸盐还原酶复合体是一 个活性中心位于细胞质膜内侧的跨膜蛋白( t r a n s m e m b r a n ep r o t e i n ) ( h o c h s t e i n ， 1 9 9 8 ；s t o u t h a m e r ，1 9 9 8 ) 【1 。球 i s 】。作为嗜中性细菌p d e n i t r i t i c a n s 不管外界的p h 是多少，它将保持细胞质内的p h 在7 5 到8 0 之问( b o o t h ，1 9 8 5 ；p a d , 锄前a i ， 1 9 8 1 ) 【19 】【2 0 1 。这将意味着细胞内的自由亚硝酸浓度大大地低于周质区的浓度，所 以硝酸盐还原酶的活性中心比亚硝酸盐还原酶的活性中心更好地被保护起来免受 潜在的自由亚硝酸的损坏。类似地，亚硝酸盐特别是自由亚硝酸也将影响n o 和 n 0 2 还原酶的功能，它们也位于周质区( a l c f o u n d 盯e ta 1 ，1 9 8 3 ；c a r r & f e r g u s o n ， 1 9 9 0 ) 【1 6 】r 【2 1 1 2 韭塞奎煎太堂亟星位论奎!到直 但国外学者对反硝化的抑制动力学研究较少。我国科研工作者的主要研究内 容集中在溶解氧和污泥龄对硝化过程亚硝氮积累的影响，得出在低溶解氧和长污 泥龄可实现亚硝化，但缺乏抑制型短程硝化反硝化及其抑制动力学等方面的研究 工作，并且相对于硝化过程的抑制来说，短程反硝化的相关研究工作报道更是少。 在短程反硝化的过程中，由于存在高浓度的n 0 2 。，所以当p h 值达到一定程 度时，自由亚硝酸( f n a ) 会对反硝化细菌产生一定的抑制作用。亚硝酸根溶液 中存在如下电离平衡： 。h n 0 2 = 日+ + n o z 一 它在溶液中的存在形态受p h 值影响较大，f n a 浓度可由下面公式计算： f n a ：一4 6 n 0 2 - - i 。v 1 4 k 。x l 旷1 k a ：噬：韭垒里：3 【h n 0 2 】 其中肠为h n 0 2 的电离常数。 由于n 0 2 。- n 还原酶分布于细胞膜的膜间隙，最适合的p h 值为8 ，当p h 值较 低时，会部分影响n 0 2 。- n 还原酶活性，以致影响细菌在厌氧状态下的适应能力。 研究表明：n 0 2 - n = 1 0 m m o l l 时，细胞膜电位降低；n 0 2 - n = 8 0 m m o l f l 时，脱氮 细菌生长受到抑制：而当n 0 2 。- n = i o o m m o l l 时，n 0 2 n 还原酶完全失活。因此 在酸性条件下n 0 2 易与h + 形成不溶性h n o z 。h n 0 2 极易进入细胞膜，通过抑制 a t p 酶降低质子由膜间隙到膜内侧的动力。导致a t p 无法生成。由于缺乏能量， 细胞不能进行正常的生长代谢，厌氧状态下的还原酶无法合成，导致脱氮效果的 降低，a l m e i d aj s 等人的试验也证明了这一点，在p h 值为6 6 - - 7 8 的条件下用醋 酸盐作为电子供体旧，研究了亚硝酸盐的浓度对反硝化过程的影响，发现对反硝 化细菌起抑制作用的是自由亚硝酸( h n 0 2 ) 而不是亚硝酸盐。而根据a l m e i d a j s 等人的研究结果得出导致反硝化反应完全停止的h n o z 质量浓度为0 2 1 m g l ，即 约6 6pg h n 0 2 - n l 。我们将f n a = 0 2 1 m g l 代入以上公式可以计算出在常温条件 下，不同p h 值时，抑制反硝化正常进行的最小n o e - - n 的浓度：当p h = 6 时， n 0 2 。- n 】 = 2 9 m g l ；当p h = 7 时， n 0 2 - n = 2 9 0 r a g l ；当p h = 8 时，【n 0 2 。- n = 2 9 0 0 m g l 。 即说明当口h 值依次为6 、7 、8 而溶液中的n 0 2 - n 又分别大于2 9 、2 9 0 、2 9 0 0 m g l 时，自由亚硝酸会对反硝化有抑制，这与c h a r l e sg l a s s 的研究结论一致。以上结 果表明在一定的温度条件下，随着亚硝酸盐负荷的增加或p h 值的降低会引起反硝 化过程受到抑制，使其速率降低。 总之，目前国内外在短程反硝化抑制动力学方面缺乏系统深入的研究工作， 开展这方面的研究将有助于全面地分析高氨氮废水的处理过程，为实现抑制型短 程硝化，反硝化提供理论依据。 1 3 课题研究意义及技术路线 1 3 1 课题来源 本课题源自国家自然科学基金资助项目( 2 0 5 7 7 0 0 3 ) ，项目名称为。高氨氮废 水生物处理的微生物抑制动力学与短程反硝化工艺”。 1 3 2 研究意义及内容 近二十多年来，我国的污水处理事业快速发展，工业废水、生活污水的处理 率和达标排放率逐年提高，对于有机污染物的控制起到了积极作用，但对于废水 中的氮素污染的治理收效甚微，日益加剧的水体富营养化问题使得氮素污染的控 制与治理成为目前理论与实践的重点之一。高氨氮废水的生物处理理论与技术更 是目前国内外相关研究领域的热点、难点问题。一方面，高浓度氨氮对废水处理 微生物构成抑制，使废水生物处理效率降低：另一方面，短程硝化反硝化对高氨 氮废水处理具有特别重要的意义。短程硝化反硝化比常规反硝化节省4 0 的氧气 和2 5 的反硝化碳源。短程硝化，反硝化生物脱氮工艺比起传统硝化反硝化有诸多 优点【l 】，其对于焦化、石化、化肥以及垃圾渗滤液等高氨氮、低碳源废水的生物脱 氮处理具有重要的意义【2 】。实现这种高效脱氮工艺的前提是硝化过程只进行到亚硝 化这一步，实现其的一种途径是温度控制，这便是荷兰的s h a n r o ni 艺，但较 高的温度要求使其在实际废水处理中丧失了经济性，很难在实际污水处理中应用， 另一种途径是通过对亚硝酸菌的抑制作用实现短程硝化，反硝化；p h 、溶解氧、无 机碳等对硝化过程的抑制或限制作用和微生物驯化也是影响抑制短程反硝化的因 素。 高氨氮废水生物脱氮处理技术的研究重点是实现亚硝酸型硝化反硝化，短程 硝化往往是整个工艺的限速步骤，近年来该工艺一直是脱氮领域的研究重点和热 点。有研究发现通过控制游离氨( f a ) 浓度【翰、p h 值】、温度【8 j 及溶解氧( d o ) 浓度【矧等因素来抑制硝酸菌活性，从而使亚硝酸菌成为优势菌种，实现短程硝化 多数研究重点放在了短程硝化上即亚硝氮的积累情况，对于短程硝化反硝化全过 程的研究相对来说较少，然而，当前对短程硝化的研究，往往偏重于对短程硝化 本身影响因素的研究，即如何达到亚硝氮的稳定积累，而专门针对短程反硝化( 亚 硝酸型反硝化) 工艺、影响因素及相关动力学的研究则相对较少，许多环境因子 4 会影响亚硝酸型反硝化的速率和处理效果，不同的学者得出的结果也不尽相同。 2 0 世纪7 0 年代，m i y 矧e ta l l ( 1 9 7 5 ) 和k l a p w i j k e t a l ( 1 9 7 5 ) 同时提出了升 流式污泥床( u s b ) 反应器用于反硝化的处理工艺，并分别证明了在一定条件下， 比如搅拌、不需颗粒物质作为附着生长的载体，可使用升流反应器口】。2 0 世纪8 0 年代左右( 1 9 7 9 、1 9 8 1 ) ，f a a p w i j k 就升流污泥床应用于反硝化进行了论述，说明 在反应器中可以获得相当高的污泥浓度i 硐 2 7 1 。2 0 世纪9 0 年代前后，f o r s t e r 和 g r e e n 进一步进行了升流式污泥床反硝化处理含低浓度硝酸盐地下水的探索研究。 f o r s t e r 使用搅拌器在试验中获得了性状良好的颗粒污泥【2 8 】；g r e e n 对不同浓度c a 2 + 的进水进行了研究【2 9 1 ，结果发现，较高浓度c e + 的废水采用升流式污泥床进行反 硝化要比低浓度c a 2 + 的水稳定性好，并且提出采用搅拌器解决污泥结块并不能从 根本上解决问题。在此基础上，国外一些研究者将u s b 反应器进行反硝化的装置 与离子交换相结合进行地下水处理【蚓j 【3 1 】，与前者不同的是，u s b 反应器在该系统 中可以处理硝酸盐浓度高达7 0 0 m g l 的再生液而不需要回流。也有研究者采用 u s b 反应器在缺氧条件下对二硝基酚的降解进行了研究p “。关于处理水质，m i y 碰 对工业废水在升流式污泥床反应器中的反硝化进行了研究，k l a p w i j 暾对合成污水 和生活污水分别进行了研究，结果均表明反硝化在升流式污泥床反应器中进行， 具有很高的容积负荷【埘。 在u s b 反应器中，基于反硝化污泥在该反应条件下易于颗粒化，可提高微生 物浓度，缩短h r t ，保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄。颗粒污泥沉降性能 良好，有较好的固液分离效果，并且三相分离桶解决了悬浮污泥的截留问题，使 得出水s s 较少。靠水流的上升搅拌作用来实现污泥的不同床层与基质的充分接触， 避免附设沉淀分离装置，省去搅拌和回流污泥设备，简化了构筑物，使能耗有所 降低。u s b 进行反硝化应用于两相生物脱氮系统，占地面积减小、投资费用降低， 且便于运行管理。所以该研究中利用u s b 反应器进行亚硝酸型反硝化的研究对于 实际应用具有重要的研究意义。 此外，u s b 进行反硝化的研究几乎与u a s b 反应器同时起步( 1 9 7 5 年) ，u a s b 反应器经过小试、中试后，已经在西欧得到广泛使用。而u s b 反应器进行反硝化 的研究在将近三十年间，一直处于矛盾中：一方面，文献报道其操作的可行性与 其去除硝氮的高效和稳定性：另一方面u s b 反应器进行反硝化的深入研究一直比 较少，并且尚未得到应用和发展。本试验对于u s b 反应器进行亚硝酸型反硝化的 可能性与现实性的探索，可以对这一现状有进一步了解，为以后更深入的研究积 累资料。 本研究以亚硝酸型反硝化为核心，利用序批式及u s b 反应器试验，分别对这 两种工艺下亚硝酸型反硝化的运行效果、影响因素及相关动力学作了一定研究， 5 以期为废水生物硝化反硝化脱氮提供合适的环境条件和合理的工艺参数，除此以 外，还通过将气提式反应器与另一u s b 反应器联合运行，对短程硝化反硝化全过 程进行了研究，研究了气提式反应器内亚硝氮的积累，以及和u s b 反应器串连的 工艺可行性，以期通过这种组合的新型生物反应器模式为污水处理厂的优化提供 理论依据和技术支持，继而提高高氨氮废水生物处理的应用与运行管理水平，将 会为有效控制水体的氮污染及水体富营养化作出贡献。 6 2 试验材料与方法 2 1 试验装置 2 1 1 序批式反应器试验装置 序批式反应器进行生物脱氮工艺己逐渐得到人们的认同，并在世界各国得到 一定程度的应用。本试验所用圆柱形序批式反应器有效容积为2 8 l ，反应混合液 体积为2 3 l ，反应器中无分子态氧，该反应装置使用恒温磁力搅拌器，设置搅拌 装置的目的，一是保证污泥处于悬浮状态，以利于n 2 的充分逸出，二是使微生物 与电子供体( c o d ) 和电子受体( 亚硝酸盐) 有充分接触，以顺利完成生物反硝 化。理想的搅拌速率能使微生物以污泥为核心均匀层状的生长。这有利于微生物 周围基质均匀向菌体扩散，便于细菌平衡汲取营养元素，并且菌体在以其为核心 点得到了均匀的分布；调控水温，将其控制在常温。 图2 1 问歇式反应器试验装置图 f i g 2 1d i a 踟o f s b re x p e r i m m t 7 图2 - 2 间歇式反应器试验照片 f i g 2 - 2p h o t o g r a p ho f s b r a x p c r i m c n t 2 1 2 升流式污泥床反应器试验装置 本试验所用升流式污泥床( u s b ) 反应器( 尺寸如下：柱高1 3 0 c m ，反应区直 径为6 c m ，有效容积为3 l ) 是基于u a s b 反应器的特点改进而成，系有机玻璃制 成，上部为三相分离桶，底部有两根进水管( 一根输送亚硝酸钠，另一根输送乙 酸钠和微量元素) 保持同等流速经蠕动泵将反应液打入反应器。 试验温度：2 0 5 。由出水流量调节水力停留时间，通过调节泵的转速来控 制进水流速 8 图2 3 升流式反应器试验装置图 图2 _ 4 升流式反应器试验装置照片 9 芤毫窑通太空亟竺盆监奎 2：运釜越整兰左鎏 2 1 3 短程硝化反硝化联合工艺试验装置 ( 1 ) 短程硝化反应器气提式反应器 气提式反应器材料为有机玻璃( 尺寸如下：柱高1 2 5 c m ，有效容积2 l ) 。上部 为三相分离桶，内设中心循环桶将反应器分成内部的升流区和外部的降流区，底 部设曝气头，用于供氧。废水由迸水桶经蠕动泵进入升流区的底部，随气流上升： 至降流区，随水流向下流动；而后再次进入升流区，并由此产生液体的内循环。 经生物作用后，液体进入设在反应器上部的沉淀区，其中的污泥借助重力回流至 反应区，液体经出水管外排，无需设沉淀池和污泥回流系统。高径比达到1 4 ，较 少的曝气量便能达到较好的混合流化状态，同时还有一定的充氧效果，有利于短 程硝化的实现。反应器内不需投加填料和载体，提高了容积利用率反应器具有 工艺流程简单，能耗低等优点。 ( 2 ) 反硝化反应器- - u s b 反应器 u s b 反应器( 尺寸如下：柱高1 2 0 c m ，有效容积2 l ) 基于u a s b 反应器的特 点改进而成，上部为三相分离桶，底部进水来自气提式反应器出水并经蠕动泵打 入，同时用另一根进水管输送碳源。基于反硝化污泥易于颗粒化，可提高微生物 浓度，缩短h r t ，保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄颗粒污泥沉降性能良 好，有较好的固液分离效果，并且三相分离桶解决了悬浮污泥的截留问题，使得 出水s s 较少。靠水流的上升搅拌作用来实现污泥的不同床层与基质的充分接触， 避免附设沉淀分离装置，省去搅拌和回流污泥设备及能耗。 本试验将气提式反应器和u s b 反应器串连来研究短程硝似反硝化工艺，简化 了工艺流程。试验温度：2 0 5 。通过转子流量计调节空气的流量来控制气提式 反应器内溶解氧浓度。由出水流量调节水力停留时问，通过调节泵的转速来控制 进水流速。 流程工艺见图2 - 5 ： 气提式反应器升流式反应器 图2 - 5 反应装置及工艺流程 f i g 2 5r e a c t i o nd e v i c ea n dp r o c e s sf l o w 图2 - 6 反应器试验装置照片 2 2 试验仪器和药品 2 2 1 仪器 ( 1 ) l g s 0 1 a 型电子天平，常熟市衡器厂； ( 2 ) d g b 2 0 - 0 0 2 台式干燥箱，重庆试验设备厂制造； ( 3 ) 马弗炉，天津中环科技开发公司； ( 4 ) 定时磁力加热搅拌器j b 2 ，最大搅拌容量：3 0 0 0 m l ，定时范围0 1 2 0 分，调速范围：0 2 6 0 0 转，分，加热功率4 0 0 w ； ( 5 ) h n n ah 1 8 4 2 4 便携式微电脑多功能铡试仪，铡量范围0 - 1 4 ： ( 6 ) n i k o n 8 1 - 4 7 型显微镜，日本： ( 7 ) t u 1 8 1 0 紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器公司 2 2 2 药品 试验药品见表2 - 1 ： 表2 1 试验药品一览表 t a b l e 2 1e x p e r i m e n t a lr e a g e n td i a g r a m 药品名称 规格 生产厂家 n a n t h a r 北京红星化工厂 k h 2 p 0 4 a r 北京红星化工厂 m g s o , a r 北京化学试剂公司 f e s 0 4 a r北京红星化工厂 m n s 0 4 a r 北京化学试剂公司 c a c l 2 a r北京化工厂 无水乙酸钠 a r 北京化学试剂公司 n a l 3 1 - ic p 北京化工厂 n - ( 1 - 萘基) 乙二胺a r中国医药公司北京 二盐酸盐采购供应站 2 3 试验分析项目与测量方法 ( 1 ) 均按国家环保局发布的标准方法进行洲： 1 2 n 0 2 荆- n ( 1 - 萘基) 乙二胺比色法； n o ；。刑- _ 絮外分光光度法； n l l 4 + - n 一水杨酸次氯酸盐光度法； c o d 标准重铬酸钾法； p h - h a n n ah 1 8 4 2 4 便携式微电脑多功能测试仪； m l s s 重量法； d o d o 测定仪； ( 2 ) 扫描电镜样品制备： 一。固定；戊二醛锇酸双固定 2 5 戊二醛固定4 小时( 或过夜) 磷酸缓冲液清洗3 次，每次1 5 2 0 分钟。 l 锇酸固定2 - 4 小时 磷酸缓冲液清洗3 次，每次1 5 分钟。 二脱水：乙醇系列 3 0 、5 0 0 、7 0 、8 5 、9 5 乙醇各一次，每次1 5 - 2 0 分钟。1 0 0 乙醇 2 次，每次1 5 - 2 0 分钟。 三置换：乙酸异戊脂2 次，每次1 5 分钟( 或过夜) 四二氧化碳临界点干燥( c p d 0 3 0c r i t i c a lp o i n td r y e r ) 五离子溅射金( s c d 0 0 5s p u t t e rc o a t e r ) 六f e l q u a n t a 2 0 0 扫描电子显微镜( s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ) 观察、照相。 ( 3 ) h m c h l $ 4 8 0 0 场发射扫描电镜： 分辨率：1 s k e v1 0 n m5 k c v1 5 r i m ，所带附件包括。e d xb - ue m ( 3 0 k c v 1 5 锄) e d x 能够对样品微区进行点、线、面分析和扫描。可广泛地用于生物学、 医学、古生物学、地质学、化学、物理、电子学及林业等领域，成为非常重要的 研究手段。e d s ：( ) ( 线能谱分析仪) ，进行微区成分分析，提供了形貌物相组成分 析的全部解决方案。 2 4 标准曲线的测定 图2 - 8 为测量所得亚硝氮标准曲线： j e 瘟奎煎太堂亟芏焦论塞2试验越整兰左法 o 7 乏o 粤o 茎： 錾o 蓄m 0 o2 3 45 6 校正吸光度 图2 - 8 亚硝氦吸光度标准曲线 f i g 2 - 8 s t a n d a r dc i h wo f a b s o