（市政工程专业论文）AO工艺污水生物脱氮效果研究.pdf

摘要 摘要 随着工农业的发展，水体污染和富营养化现象日益严重。因此，研究开发经 济、有效的脱氮污水处理技术已成为水污染控制工程领域的重点与热点。生物脱 氮技术医其特有的技术经济优势，受到了人们的普遍重视。a 0 工艺是目前应用 最广泛的一种脱氮工艺。 本试验以北京工业大学西区家属区生活污水为对象，在多种不同的工况条件 下连续运行h o 工艺。系统地考察了好氧区水力停留时间、好氧区溶解氧、硝化 液回流量、污泥回流量和外加碳源等因素对脱氮效果的影响，得出本试验较为合 理的运行参数：好氧区水力停留时间为5 6 h ，好氧区溶解氧为3 m g k ，污泥回 流比为1 0 0 ，硝化液回流比为3 0 0 9 6 。当进水c o n 与t n 质量浓度比偏低时。为提 高a o 工艺反硝化速率，应合理控制外加碳源投量。 本试验对c o d 、氨氮、硝氮、总氮、p h 值和总碱度在反应器内的沿程变化 进行分析，以研究a 0 工艺的脱氮过程及a o 工艺是如何解决生物硝化和反硝化 之间的矛盾。 活性污泥膨胀是活性污泥法工艺运行中经常遇到的最棘手的问题之一。本试 验由于水源改造，原水水质发生了很大的变化，所以出现轻微污泥膨胀现象，污 泥沉淀性能变差，悬浮物( s s ) 增大，污泥上浮频繁。先后采用了减小进水量加 大曝气量、投加聚合氯化铝加重助沉法、投加次氯酸钠灭菌法等措旌，但收效不 大。最后利用浓缩冷藏的活性污泥重新进行培养驯化，之后污泥性能良好，一直 未出现污泥膨胀现象。 本文旨在通过试验分析研究，为如何提高a 0 工艺硝化反硝化效率，降低出 水氨氮和总氮浓度以及系统运行费用提供试验技术参考和理论依据。 关键词：污水；生物脱氮；a o 工艺；污泥膨胀 a b s t r a c t a l o n gw i mt h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e , t h ep h e n o m e n o no f w a t e r p o l l u t i o na n de u t r o p h i c a t i o ni ss e r i o u sd a yb yd a y t h e r e f o r e , t h er e s e a r c ho fd e v e l o p e c o n o m ya n de f f e c t i v es e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fd e n i t r i f i c a t i o nh a v eb e c o m e t h e k e yp o i n ta n dt h eh o ts p o to fw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o le n g i n e e r i n gd o m a i n b e c a u s eo fi t su n i q u et e c h n i c a la n de c o n o m i c a ls u p e r i o r i t y , t h e p e o p l eg e n e r a l l y a t t a c hi m p o r t a n c et ot h eb i o l c l g i c a ld e n i t r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y a tp r e s e n tt h ea o p r o c e s si so n eo f t h em o s tw i d e s p r e a da p p l i e dd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s t h ee x p e r i m e n tt o o kt h eb e i j i n gi n d u s w i a lu n i v e r s i t yw e s tt h ef a m i l ym e m b e r a r e as a n i t a r ys e w a g ea st h eo b j e c t , l u l lt h ea op r o c e s sc o n t i n u o u s l yu n d e rt h e c o n d i t i o n so fm a n yk i n d so fd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e s s y s t e m a t i c a l l yi n s p e c t e dt h e i n f l u e n c et od e n i t r i f i c a t i o ne f f e c tb ym a n yf a c t o r s ，s u c ha st h eh r ta n dt h ed oo f a e r o b i ca r e a , t h ev o l u m eo fn i t r a t i o nf l u i da n ds l u d g er e r l r nt ot h ea e r o b i ca r e a , t h e a d d e dc a = r b o n a c e o u so r g a n i cm a t e r i a l e t c w jo b t a i n e dm o r er e a s o n a b l eo p e r a t i n g p a r a m e t e r so ft h i se x p e r i m e n t a l ：t h eh r t o fa e r o b i ca r e ai s5 6 kt h ed oo fa e r o b i c a r e ai s3 m g l ，t h er a t i oo ft h ev o l u m eo ft h er e t u r n e ds l u d g ei sl0 0 t h er a t i oo f t h ev o l u m eo ft h er e t u r n e dn i t r a t i o nf l u i di s3 0 0 w js h o u l dr e a s o n a b l yc o n t r o lt h e q u a n t i t yo ft h ea d d e dc a r b o n a c e o u so r g a n i cm a t e r i a lt od f l h a n c et h ed e n i t r i f i c a t i o n s p e e do ft h ea 0p r o c e s s ，w h e nt h er a t i oo ft h ec o dt ot h et no ft h et r e a t e d w a s t e w a t e ri ss o m e w h a tl o w t l l i se x p e r i m e n ta n a l y s i st h ec h a n g eo fm a n yp a r a m e t e r sa l o n gt h er e g u l a t i o ni n t h er e a c t o rs u c ha sc o d ，t h ea m m o n i an i t r o g e n , t h en i t r a t en i t r o g e n , t h et o t a ln i t r o g e n , t h ep hv a l u ea n dt h et o t a la l k a l i n i t y , a n d , s t u d yt h eb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s o f 血ea 0p r o c e s sa n dh o wt h ea 0p r o c e s ss o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h e d e n i t r i f i c a t i o na n dt h en i t r i f i c a t i o n 1 1 1 ea c t i v es l u d g eb u l k i n gi so n eo ft h o r n i e s tq u e s t i o n sw h i c ht h e o p e r a t i n go f a c t i v es l u d g ep r o c e s sm e e tf r e q u e n t l y a sar e s u l to ft h ew a t e rs o u r c et r a n s f o r m a t i o n , t h es l i g h ts l u d g eb u l k i n gp h e n o m e n o na p p e a r e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n tb e c a m et h e q u a l i t yo ft h eo r i g i n a lw a t e rh a sc h a n g e dm u c h f o rt h ea c t i v es l u d g eb u l k i n gt h e p r o p e r t yo fs l u d g es e t t l i n gb e c o m ep o o r , t h es u s p e n d e ds o l i d s ( s s ) i n c r e a s e s ，t h e p h e n o m e n o no ft h es l u d g ci n f l a t e di sf r e q u c u t w ju s e d , i n em e a s u r e m e n t ss u c ha s ： r e d u c e dt h ee n t e rw a t e rq u a n t i t ya n de n h a n c ea e r a t i n g , t h r o wt h ep o l y m e r i z a t i o n a l u m i n u mc h l o r i d et oh e l pt h es l u d g es e t t l e ，t h r o wt h es o d i u mh y p o c h l o r i t et ok i l l b a c t e r i a , b u tt h er e s u l tw a sn o tg o o d f i n a l l yw er a i s e dt h ec o n c e n t r a t e da n d r e f r i g e r a t e ds l u d g et od o m e s t i c a t e ，t h ep r o p e r t yo fs l u d g ek e p tg o o da n dh a sn o t a p p e a r e dt h es l u d g eb u l k i n gp h e n o m e n o na f t e rt h a tp r o c e s s t h i sa r t i c l ei sf o rt h ep u r p o s eo fp r o v i d i n gt h ee x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g yr e f e r e n c e a n dt h et h e o r yb a s i so fh o we i n h a n t x , = st h eb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o na n dn i t r i f i c a t i o n e f f i c i e n c yo f 也ea 0p r o c e s s r e d u c et h ea l l l l - f 1 o n i an i t r o g e na n dt h et o t a ln i t r o g e n d e n s i t yo ft h el e a k a g ew a t e ra sw e l l a st h es y s t e mo p e r a t i n gc o s tt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n dr e s e a r c h k e yw o r d ：w a a t c w a t e r ；b i o l o g i c a ld e n i t d f i c a t i o n ；a op r o c e s s ；s l u d g eb u l k i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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工业大学或其它教育机构 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。 躲灶隰监丛! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：灶导师签名：哗 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 氮素的循环 按组成要素，地球可区分为大气圈、水圈、岩石圈和生物圈。其中，生物圈 位于其他三圈的交界面上，与人类的生存和发展直接相关。在生物圈中，存在着 四个庞大的氮素库( 大气、水体、地壳表层和生物组织) 。从总体上看，四个库 内的氮素种类和氮素数量都是相对稳定的。但是，每个库中的氮素都不停地进行 着空间上的迁移和形态上的转化。氮素在生物圈中的这种迁移和转化通常构成循 环，称为氮素循环( n i t r o g e nc y c l e ) 。氮素迁移不仅引起库问的氮素交流，造成各 库氮素种类和氮素数量的改变，而且引起环境条件( 如温度、p h 、功、氧浓度 等) 的改变，从而影响氮素转化。氮素转化主要由生物反应所致( 表1 - 1 ) o 。】，各 生物反应的作用方式见图1 - 1 ，图中n 代表硝化，d 代表反硝化，a m 代表氨 化，a s 代表氨的同化，r 代表异化性硝酸盐还原作用。 表1 - 1 氮素循环的生物反应 f o r m1 - ib i o l o g yl c a c t i o no f n i t r o g e nc y c l e 反应术语涉及的生物 n 2 - n i = 1 3 生物固氮固氮细菌 n h 3 有机物氨的同化植物、细菌、低等真核生物 有机物 n h 3 氨化作用各种( 微) 生物 n h 3 _ + n 0 2 ，n 0 硝化作用硝化细菌 n 0 3 ，n q ，n o n 2 0 n 2 反硝化作用反硝化细菌 n 0 3 。n 0 2 呻n h 3 异化性硝酸盐还原作用发酵性细菌 北京丁业人学t 学硕i j 学位论文 1 1 1 生物固氮 图1 - 1 氮素的循环 f i g u r e1 - 1n i t r o g e nc y c l e 大气是生物圈中最大的氮素库。在海平面上，按体积计氮气约占大气的 7 9 。但是，氮气只有转化成化合氮( 与氢或氧结合) 以后，才能被高等植物同 化；再通过食物链传递，进一步被动物和其他生物利用。将氮气还原为氨的生物 反应，称为生物固氮( n i t r o g e nf i x a t i o n ) 。该生物反应只存在于为数有限的原核 微生物中。在自然界，生物固氮是大气输出氮素的主要途径。 1 1 2 氨的同化 为了生长和繁殖，所有生物必须从生物圈中摄取氮素，用于合成细胞物质。 将氨合成细胞物质的生物反应，称为氨的同化( a m m o n i aa s s i m i l a t i o n ) 。在自然 界，氨的同化是无机氦有机化，使氮素被固定于生物体内的主要方式。 1 1 3 氨化作用 生物圈中的氮素储量有限，为了生命的延续和发展，被生物固定( 同化) 的 氮素必须以适当的方式返回生物圈。将有机氮转化为氨的生物反应，称为氨化作 用( a m m o n i f i c a t i o n ) 。氨化作用所释放的氨，一部分被其他生物重新利用，其余 部分积累于环境中。在自然界，氨化作用是有机氮无机化，是实现氦素循环使用 2 第1 章绪论 的重要环节。 1 1 4 硝化作用 释放至环境中的氨可被生物氧化。将氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生物反 应，称为硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) 。其中，由自养型微生物引发的硝化作用，称为 自养型硝化作用( a u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) ；由异养型微生物引发的硝化作用，称 为异养型硝化作用( h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) 。经过硝化作用后，氮转化成亚硝酸 盐和硝酸，迁移性增大，易被植物吸收，也易随水流失。 1 1 5 反硝化作用 存在于环境中的亚硝酸盐和硝酸盐可被用作电子受体而还原。硝酸盐还原为 氮气的生物反应，称为反硝化作用( d e n i t r i f i c a t i o n ) 。在自然界，反硝化作用是氮 素重新返回大气的主要途径。 1 1 6 异化性硝酸盐还原作用 亚硝酸盐和硝酸盐不仅可被用作电子受体而还原成氮气，也可进一步还原成 氨。将硝酸盐用作电子受体而还原成氮的生物反应，称为异化性硝酸盐还原作用 ( d i s s i m i l a t o r y n i t r a t e r e d u c t i o n ) 。在自然界，该作用常发生于电子受体贫乏的缺氧 环境中唧。 就总体而论，生物圈中的各个生态系统一般通过生物固氮，以氨的形式输入 氮素；经过同化、氨化、硝化、异化性硝酸盐还原等生物转化作用及其相伴的迁 移运动；最终借反硝化作用，以氮气的形式输出氮素。在自然界未受人类扰动的 区域，氮素循环接近稳态，氮素输入是与反硝化作用所致的氮素输出相平衡的。 1 ，2 氮素的污染及其危害与控制 1 2 1 氮素污染的来源 水体中的氮主要以无机氮和有机氮两种形式存在。无机氮包括氨、硝酸盐和 亚硝酸盐，有机氮包括尿素、氨基酸、蛋白质、核酸等含氮有机物，其中有机氮 可通过氨化等作用转化为氨氮。进入水体中的氮主要来自于内部源和外部源，其 中内部源包括水体沉积物中氮的释放及水生生物的死亡分解等，外部源是指在人 类活动过程引起的氮排放，主要包括以下几个方面： 3 北京r 业人学。r ：学硕i 二学位论文 ( 1 ) 未经处理的城市生活污水和工业废水。生活污水中的氮，主要来自人体 食物中蛋白质代谢的废弃产物。新鲜生活污水中的有机氮约占6 0 ，氨态氮约占 4 0 ，硝酸态氮仅微量。工业废水也是水体中氮的重要来源，一些工厂如：焦化厂、 化肥厂、屠宰厂、食品加工厂等排放的废水都含有大量的氮。 ( 2 ) 二级污水处理厂出水。采用常规水处理工艺的二级污水处理厂，出水中 含有相当数量的氮和磷。 ( 3 ) 雨水径流。农田施用化学肥料和农家肥料，也是引起水环境氮污染的主 要人为因素之一。农田中施用的化学肥料和农家肥料，除一部分真正被农作物吸 收利用外，其余的被土壤吸附、残留或溶于水中，有相当一部分通过雨水径流进 入江河湖泊。近年来，由于化肥的大量使用，以及可耕地土壤质量的降低，肥料 成分容易流失，导致大量的氮流入水体。 1 2 2 氮素污染的危害 我国经济发展迅速，城市化率不断提高，污水排放量持续增加，并且随着现 代工业的迅猛发展和化肥及农药的普遍应用，废水中氮的含量也不断增加，水环 境受到严重污染。当水体中氮含量超标，不仅使水环境质量恶化，还对人类以及 动、植物有严重的危害作用： ( 1 ) 造成水体富营养化。水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需 的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮 游生物迅速繁殖的现象。据资料显示，当水体中氮含量超过0 2 0 3 p p m ，生化 需氧量大于l o p p m ，磷含量大于0 0 l o 0 2 p p m ，p h 值为7 9 的淡水中细菌总 数每毫升超过1 0 万个，表征藻类数量的叶绿素一a 含量大于l o m g l 时，即可认 为水体已经成为富营养化。目前水环境的富营养型污染相当普遍，已成为当今世 界普遍关注的环境问题之一嘲。 水体富营养化所造成的危害表现在以下几个方面： 使水源水质恶化，水体透明度降低，大量藻类的恶性繁殖使水体发黑、腥 臭难闻，严重影响其使用价值、旅游及观赏价值。 恶性繁殖的水藻在水体表面形成一层浮渣，使得阳光难以穿透水层，植物 的光合作用因受到限制使水中溶解氧大大降低，水体中藻类死亡的同时也会消耗 水中溶解氧，从而引起水体中鱼类等水生生物的大量死亡。 富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体及 一些浮游生物产生的生物毒素都会对人体及水生生物产生毒害。某些藻类所含的 蛋白质毒素会富集在水产物体内，并通过食物链影响人体的健康，甚至使人中毒。 ( 2 ) 对人类及水生生物产生毒害作用。当水体中p h 较高时，氨态氮往往呈游 4 第1 章绪论 离氨的形式存在，游离氨对水体中的鱼类等水生生物皆会造成毒害作用，影响渔 业的发展，大大降低水体的经济价值。水体中由于硝化作用，氨氮会继续氧化成 亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，而亚硝酸盐与铵类作用会转化生成亚硝酸铵，亚硝酸铵 是一种强致癌、致变和致畸物质，严重威胁人体的健康。 ( 3 ) 消耗水体中的溶解氧，破坏水环境生态平衡。良好的水体内，各类水生 生物之间及水生生物与其生存环境之间保持着既相互依存又相互制约的密切关 系，处于良好的生态平衡状态。氨氮随污水排入水体后，会在硝化菌的作用下， 消耗水中的溶解氧，转化为硝酸盐。水体中氨氮愈多，消耗的溶解氧也愈多，严 重时会使鱼类等水生动物窒息死亡，导致水环境条件发生改变，破坏水环境的生 态平衡。 ( 4 ) 影响水源水质，增加水处理成本。当含有较高浓度氨氮的水体作为水源， 或对含氨氮较高的污水处理厂出水采用氯进行消毒时，氯的消耗量较大，成本高， 因此污水处理厂仅处理到氨化程度是不够的。由于氮的存在，水体发生富营养化 时，光合微生物( 大多数为藻类) 数量增加，因此增大了水处理设备被堵塞的可 能，运转周期缩短，从而增加了水处理的费用埘。 1 2 3 氦素污染的控制技术 水体一旦发生富营养化现象，很难恢复。因此，对尚未发生富营养化的水体 要积极防止，对已经发生富营养化的水体要妥善治理。防止和治理的关键是源头 控制与污染治理，即一方面减少含磷洗涤剂的生产、使用，减少化肥、农药使用， 在工业生产中推广“清洁生产”；另一方面，对城市污水进行脱氮除磷处理，从 而减少排入水体的氮、磷元素。 为了全面消除水环境的严重污染，欧美等发达国家在2 0 世纪6 0 7 0 年代 开始全面普及污水二级处理。但由于二级生化处理均以去除有机物和悬浮固体为 目标，并不考虑对氮、磷等无机营养物质的去除。一般而言，城市污水经传统活 性污泥法等二级处理后，b o d 。去除率可达9 0 0 , 6 以上，但脱氮率一般仅为2 0 5 0 ， 出水总氮含量为l o 3 0 m g l ，远远超出了富营养化的临晃浓度。因此常规二级 污水处理的普及并不一定能够全面解决水污染问题。过去通常认为，富营养化只 发生在像湖泊这类水流速度十分缓慢的水体中，但2 0 世纪7 0 年代以来，在某 些水浅的急流河段，由于生活废水和工业废水的大量排入，河床砾石上也大量生 长着藻类，出现了十分明显的富营养化现象。因此强化已建或在建污水处理厂的 处理能力、提高污水深度处理普及率，是改善水环境和缓解水资源紧缺的必经之 路。 在废水脱氮技术的研究、开发和应用中，涌现出了一大批行之有效的处理工 5 北京t = 业人学工学硕t 学位论文 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理化学法和生 物法两大类，其中物化法主要包括空气吹脱法、折点氯化法、选择性离子交换法、 磷酸铵镁沉淀法、反渗透法、电渗析法等。物化法脱氮通常只能去除氨氮：生物 法主要有传统的硝化一反硝化工艺及短程硝化一反硝化工艺、厌氧氨氧化等新工 艺。 1 3 生物脱氮及技术现状 污水生物脱氮技术是7 0 年代在美国和南非等国的水处理专家们在化学、催 化和生物方法研究的基础上提出的一种经济有效的处理技术，该技术由于处理过 程可靠，处理成本低，操作管理方便等优点而被广泛使用。 微生物脱氮技术按微生物在系统中的不同状态，可分为活性污泥法和生物膜 法，通过设立好氧区、缺氧区来实现硝化、反硝化以达到脱氮目的。具体的生物 脱氮工艺简述如下： 1 3 1a o 工艺系列 ( 1 ) w u h r m a n n 工艺 最早的脱氮工艺是3 0 年代开发的w u b r m a u n 工艺，流程遵循硝化、反硝化 的顺序设置。主反应区按功能分成两段：好氧区和缺氧区，好氧反应器主要进行 含碳有机物的氧化，氨氮的硝化：缺氧反应器的作用是反硝化脱氮。由于反硝化 脱氮过程需要碳源，而这种后置反硝化工艺是以微生物的内源代谢质作为碳源， 所以反硝化速率低；如原废水的含氮量较高，则导致缺氧池容积大，而且污水进 入系统的第一级就进行好氧反应，能耗太高，因此该工艺在工程上不实用，但它 为以后脱氮除磷工艺的发展奠定了基础。 ( 2 ) l u d z a c k - e t tin g e r 脱氮工艺 6 0 年代，l u d z a c k 和e t t i n g e r 等首次提出了前置反硝化工艺，将缺氧段置于 工艺的第一级，直接利用污水中的有机物作为反硝化的碳源，解决了碳源不足的 问题，但好氧池的硝酸氮也会被携带至沉淀池，影响沉淀池水质。它可以认为是 a o 工艺的前身，如图卜2 所示。 图卜2l u d z a c k - e t t i n g e r 工艺流程图 f i g u r e1 - 2t h er e g u l a t i o nd r a w i n go f l u d z a c k - e t t i n g e rp r o c e s s 6 第1 覃绪论 ( 3 ) a o 工艺 7 0 年代，b a m a r d 又提出改良型l u d z a c k - e t t i n g c r 脱氮工艺，即广泛应用的 a o 工艺，a o 工艺中，好氧池的混合液和沉淀后的污泥同时回流到缺氧池，这 样，回流液中的大量硝酸盐回流到缺氧池后，可以从原污水得到充足的有机物， 使反硝化脱氮得以充分进行。a 0 法不能同时脱氮除磷。目前，它多用于废水脱 氮领域，只要控制一定的回流比和泥龄，系统便可达到较好的脱氮效果。a o 法 的特点之一是高负荷运行、泥龄短、水力停留时间短、污泥量多。如图卜3 所示。 混合液圉澎 翻滚污泥 i 弱衾污琵 图1 - 3 改良的l u d z a c k - e t t i n g ( m l e ) 工艺流程图 f i g u r v1 - 3t h er e g u l a t i o nd r a w i n go f t h ei m p r o v e dl u d z a c k - e t t i n g e rp r o c e m ( 4 ) 四阶段b a r d e n p h o 工艺1 9 7 8 年，为进一步提高脱氮效率，b a r n a r d 又将 m l e 工艺与w u h r m a n n 工艺相结合，在b i l e 工艺后各增加一个缺氧池和一个好氧 池，由此形成四阶段的b a r d e n p h o 工艺( 流程如图1 - 4 示) 。该工艺认为二级缺 氧池可以把a o 工艺剩余的硝酸盐进一步反硝化，其后连接的短时曝气池将反硝 化形成的n 2 吹脱。研究表明，b a r d e n p h o 工艺脱氮效率较m l e 工艺有所提高，出 水硝酸盐浓度从5 7 m g l 降至3 m g l 以下。但缺氧池内释磷受影响，除磷效果 不明显。 氍台旅耩藏 圄藏污匏f 囊众污泥 图1 q 四阶段的b a r d e n p h o 工艺流程图 f i g u i - 4t h er e g u l a t i o nd r a w i n go f f c c ws t a g = b a r d j m p h op r o c e s s ( 5 ) 分段进水a o 工艺1 9 9 6 年，j o h nf i l l o s 嘲等人采取简单的分段进水活 性污泥法，在曝气池的进水点关闭鼓风机，形成缺氧环境，不用混合液回流即可 达到较好的脱氮效果。同年，c o e n 。1 等人对现有污水厂进行脱氮改造，采用两个 缺氧区，分段迸水和内循环等工艺相结合，使生物反应器达到满意的脱氮效果。 7 北京丁业大学r 学硕l 学位论文 典型的两段式分段进水脱氮工艺流程如图卜5 示。 避承 图1 _ 5 分段进水a o 工艺流程图 f i g u r ei - 5t h er e g u l a t i o nd r a w i n go f s t e p - f e e d a op i 潲s 1 3 2 氧化沟工艺 c a r r o u s e l 氧化沟、o r b a l 氧化沟和三沟式氧化沟的工艺原理是利用间歇的 好氧、缺氧变化达到硝化、反硝化脱氮的目的。在环状的氧化沟中一点或多点设 置曝气机，污泥沿氧化沟循环流动，在曝气机的下游为好氧区，以进行除碳和硝 化；远离曝气机的硝酸盐进行反硝化。氧化沟的能源及运行成本较低，但占地面 积大。 1 3 3s b r 工艺 s b r 法作为一种较早的活性污泥处理系统，随着自动化技术的提高加上其自 身的许多独到之处在近年来愈发受到重视，近年来在其基础上又开发了如c a s s 、 i c e a s 、u i t a n k 等s b r 的改型工艺。s b r 工艺的原理是在曝气池内按时间顺序完 成进水、反应( 曝气) 、沉淀、出水、待机( 闲置) 等基本操作，通过限制曝气或 半限制曝气等运行方式在时间上实现缺氧好氧的组合，以达到脱氮的目的。s b r 工艺具有一定的调节均化功能，可缓解进水水质、水量波动对系统带来的不稳定 性，工艺处理简单，构筑物少，但缺点在于对自动控制和连续在线分析仪器仪表 要求较高。 1 3 4 生物膜脱氮工艺 常见的生物膜脱氮工艺包括生物转盘脱氮工艺、移动床生物膜脱氮工艺、复 合式膜生物反应器等。同悬浮系统一样，承担反硝化的缺氧滤池可以在好氧滤池 前面，也可以在后面。在前反硝化系统中，经好氧滤池后的出水需回流至缺氧滤 池，当回流比为4 0 0 时，脱氮率可达9 0 ；在后反硝化系统中，原水部分旁路进 第1 章绪论 入反硝化滤池，对运行管理较高，否则脱氮效果不好。目前所研究的膜法反硝化 几乎都是利用将硝化与反硝化分隔开来的系统，亦即反硝化段的滤池始终保持缺 氧，以进行反硝化脱氮。 1 4 生物脱氮新工艺 关于生物脱氮的工艺很多，焦点主要集中在开发一些能耗和化学药剂耗用量 低、紧凑而高效、基建及运行费用低和脱氮效率高的工艺上。目前，有两种方法 可以实现这一要求。“2 1 一是氮化合物通过亚硝酸盐路径去除，即所谓的短程硝 化一反硝化。将氨氮氧化成亚硝酸盐为止，通过选择抑制性物质或限制硝酸盐菌 的活性，使亚硝酸盐有一定的积累，然后对其进行反硝化，此时需氧量和所需电 子供体量分别减少2 5 和4 0 。其二，最近的研究发现，在供氧受限制或缺少有 机碳源的厌氧条件下发生同步硝化和反硝化，这一现象已在纯硝化基质“3 】、厌氧 污泥混合基质“”川以及生物膜系统“捌中发现，这时氨和亚硝酸盐分别充当电 子供体和电子受体，致使曝气能耗和有机碳源需求量大大减少。 1 4 1s h a r o n 工艺 根据短程硝化一反硝化原理，1 9 9 7 年荷兰戴尔夫特理工大学h e l l i n g 等开发 了一种新型工艺s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rh i g ha c t i v i t ya m m o n i a r e m o v a lo v e l r n i t r i t e ) 工艺慨”。该工艺的主要特点是，控制硝化停止在亚硝酸盐上，以便节 省电能和电子供体( 有机碳源) 。在s h a r o n 工艺中：根据在较高温度下硝化菌的 增长速率明显低于亚硝化菌的增长速率，利用亚硝化菌增殖快的这一特点，使硝 化菌在竞争中失败。此外，温度高有利于提高细菌的比增长率，这便在反应器中 能够保持足够高的亚硝化细菌浓度，而无需污泥停留。在s h a r o n 工艺中无污泥 停留意味着污泥龄( s r t ) 完全等于水力停留时间( h r t ) 。因此反应器的污泥排 出率( 1 s r t ，此时s r t = h r t ) 能被设定在某一数值，使亚硝化菌快速增长并停 留在反应器中，而让增殖慢的硝化菌排出系统。 1 4 2 厌氧氨氧化工艺 厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x ) “4 加，指的 是在厌氧条件下，氨氮以亚硝酸氮作为电子受体直接被氧化成氮气的过程，其反 应式如下： n h ：+ n o ；n 2 1 + 2 h 2 0 从这一反应中所产生的吉布斯( g i b b s ) 自由能甚至比好氧氨氧化( 硝化) 所产 9 北京t 业人学t 学硕i ：学位论文 生的能量还要高，所以能够支持自养菌生长。这表明在这一工艺中发生的反硝化 反应中不需外加碳源。这一现象是摩德尔对等对一个使用硫化物做电子供体的流 化床反应器自养菌反硝化运行工况仔细观测和研究发现的。这一过程的微生物学 性质已被证实，并且证实亚硝酸盐是最好的电子受体。羟基胺和联胺( 肼) 也被 认定是重要的中间产物。这一新的除氮过程明显地缩短了传统的氮循环过程。 a n a m m o x 菌表现出很低的增长产率和增长速率，这也可能是它们过去未被发 现的原因所在。a n a m m o x 工艺特别适宜在温度高于2 0 c 和自营养系统中运 行。这种工艺多用于处理工业废水，也可用于处理其他废液，如污泥消化池上清 液。 1 4 3o l a n d 工艺 o l a n d ( o x y g e ni i l n i t e da u t o o p e ci l i t r i f i c a f i o nd e n i t r i f i c a t i o n ) - v 艺。1 是由直 接富集的自营养硝化菌培养基作为生物催化剂来实现硝化一反硝化的一种新工 艺。这种自营养硝化菌富集培养基是由根特大学微生物生态研究所培育，用它作 生物催化剂来处理富含铵的废水，主要是提供适量的氧，以使硝化只进行到亚硝 酸盐阶段，随后由于缺少电子受体而消耗其自己的亚硝酸盐以氧化剩余的氨。反 应机理为由亚硝化菌催化的n 0 2 一的歧化反应。 1 4 4 好氧除氨工艺 好氧除氨( a e r o b i cd e - a m m o n i f i c a t i o n ) i 艺“”“，是由德国汉诺威大学h i p p e n 等提出的，它主要是用于处理高浓度含氮废水。其特点是在不需要化学计量那么 多电子供体的条件下将氨转化为氮气。在这一工艺中，还未弄清楚其起因微生物。 其要点是必须严格地控制溶解氧，如m u e l l e r 等证明的那样，自养硝化污泥在很 低的氧压下( 在气相中l k p a 或约0 2 0 2 ) 能产生氮气。观测的最大产率是在 0 3 k p a 溶解氧的条件下5 8 的氨被氧化，但是还没有达到稳定的和实用的工艺设 计。此外，还有报道高浓度含铵废水通过硝化一反硝化进行好氧除氨“4 “。反 应机理可以假定为反应过程中生成的n o ：一被n a d + 还原。 1 5 课题的研究内容、目的及意义 1 5 1 课题背景 国家统计局发布的中华人民共和国2 0 0 6 年国民经济和社会发展统计公报 显示：我国七大水系的4 0 8 个水质监测断面中，有4 6 的断面满足国家地表水 1 0 第1 苹绪论 类标准：2 8 的断面为v 类水质；超过v 类水质的断面比例占2 6 。与上年 相比，七大水系水质状况无明显变化。全国近岸海域2 8 8 个海水水质监测点中， 达到国家一、二类海水水质标准的监测点占6 7 7 ，比上年上升0 4 个百分点； 三类海水占8 嗍，下降0 9 个百分点；四类、劣四类海水占2 4 3 ，上升o 5 个百分点。全国海域未达到清洁海域水质标准的面积约1 4 9 万平方公里，比上 年增加约1 0 万平方公里，其中，严重污染海域面积约为2 9 万平方公里。全年 全国化学需氧量( c o d ) 排放总量1 4 3 1 万吨，比上年增长1 2 ；2 0 0 6 年底城市 污水处理厂日处理能力达6 1 2 2 万立方米，比上年增长6 9 9 6 ；城市污水处理率达 到5 6 ，提高4 个百分点；全年发生赤潮9 3 次，增加1 1 次；累计赤潮面积约 1 9 8 4 0 平方公里，减少2 6 7 。 可见我国的水环境污染、水体富营养化问题依然严重，因此，研究开发经济、 有效的脱氮污水处理技术已成为水污染控制工程领域的重点与热点。 1 5 2 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目多孔介质中微生物除氮机理1 5 n 标识 及其数值模拟。课题以北京工业大学西区家属区生活污水为研究对象，选用a o 脱氮工艺进行研究。 1 5 3 研究目的与内容 本课题通过各种不同工况条件下运行试验研究，加深了解a 0 工艺在不同工 况条件下的工艺特点及处理北京工业大学西区家属区生活污水的适用性，进而达 到优化a 0 工艺设计参数的目的，同时为本基金项目的另一课题( 活性污泥数学 模型应用研究) 提供数据支持。 本课题研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 讨论a o 工艺的脱氮效果； ( 2 ) 分析a o 工艺运行参数对运行状况的影响； ( 3 ) 探讨a o 工艺污泥膨胀的情况和控制方法； ( 4 ) 尝试使用可溶性淀粉作为外加碳源提高脱氮效果； 北京t 业入学丁学硕l 学位论文 第2 章污水生物脱氮原理 污水的生物脱氮处理过程，实际上是将氮在自然界中循环的基本原理应用于 废水生物处理，并借助于不同微生物的共同协调作用以及合理的人为运行控制， 而将生物去碳过程中转化而产生以及原污水中存在的氨氮转化为氮气而从污水 中脱除的过程；首先在好氧条件下，通过好氧硝化茵的作用，将污水中的氨氮氧 化成亚硝酸盐氮或硝酸盐氮；然后在缺氧条件下，利用反硝化菌( 脱氮菌) 将亚 硝酸盐和硝酸盐还原成氮气从污水中逸出。还有一部分氨氮被污泥吸附而去除。 因此，污水的生物脱氮通常包括氨氮的硝化和亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的反硝化 两个阶段。 2 1 生物硝化原理 通常，把氨氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生物反应称为生物硝化作用，简称 硝化作用；把能够进行硝化作用的细菌称为硝化细菌o 。4 “。从微生物学的角度 看，氨是硝化细菌的营养物质( 电子供体) ，亚硝酸盐或硝酸盐是硝化细菌的代 谢产物，氧( 电子受体) 是硝化细菌必需的环境条件。系统深入地研究硝化细菌 的种类与特性，探明其生长所需的营养物质和环境条件，将有助于废水硝化工艺 的设计、操作和优化。 2 1 1 硝化细菌及其生物学特性 硝化作用是一个序列反应，先由一类细菌把氨氧化成亚硝酸盐，再由另一类 细菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐。一般把参与硝化作用的细菌统称为硝化细菌；根 据基质，硝化细菌分为氨氧化细菌( a m m o n i a - o x i d i z i n gb a c t e r i a ) 和亚硝酸盐氧化 细菌( n i t r i t e - o x i d i z i n gb a c t e r i a ) ；根据产物，硝化细菌分为亚硝酸细菌和硝酸细菌。 2 1 1 1 氨氧化细菌 氨氧化细菌( 亚硝酸细菌) 有自养型与异养型之分，一般认为自养型氨氧化 细菌是硝化作用的主要菌群“一。所有自养型氨氧化细菌都是革兰氏阴性细菌， 自养生长时，以氨为惟一能源，以c 0 z 与为惟一碳源；混合营养生长时，可同化 有机物质。适合大多数氨氧化细菌生长的条件为：温度2 5 3 0 c ，p h 7 5 8 0 ， 氨浓度2 1 0 m m o l l 。倍增时间8 小时至数天。 1 2 第2 章污水生物脱氩原理 2 1 1 2 亚硝酸盐氧化细菌 与氨氧化细菌一样，所有亚硝酸盐氧化细菌( 硝酸细菌) 都是革兰氏染色阴 性细菌。自养生长时，以亚硝酸盐为惟一能源，以c o , 为惟一碳源；混养生长时， 可同化有机物质。适合大多数亚硝酸盐氧化细菌生长的条件为：温度2 5 3 0 ， p h 范围7 5 8 0 ，亚硝态氮浓度2 3 0 哪o l l 。倍增时间l o 小时至数天。 2 1 2 生物硝化过程的生化反应 从细胞水平上看，硝化作用只是一个亚硝酸细菌把氨氧化成亚硝酸盐，接着 硝酸细菌把亚硝酸盐进