（市政工程专业论文）部分亚硝化厌氧氨氧化耦合工艺处理污泥脱水液的研究.pdf

摘要 摘要 污泥脱水液属于低碱度、低c n 、高氨氮废水，采用传统的生物硝化反硝 化工艺已不能满足这类低c n 、高氨氮废水的处理要求。因此开发应用型高效、 低耗的生物脱氮工艺显得尤为重要，亚硝化、厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 、全程 自养脱氮等新型生物脱氮技术的研究成为当前的研究热点。然而，目前的研究 成果大多处于实验室配水研究阶段。 本试验以实际污泥脱水液为研究对象，采用缺氧滤床+ 好氧悬浮填料生物膜 连续流工艺，在常温、高溶解氧条件下，于好氧反应器中实现和维持了脱水液 部分亚硝化：同时采用先启动硝化生物膜再启动a n a m m o x 应器的方法，成 功启动了a n a m m o x 反应器，然后将部分亚硝化反应器和a n a m m o x 反应 器耦合起来，进而实现全程自养生物脱氮，达到高效生物脱氮目的。此耦合工 艺具有无需外加有机碳源、节省需氧量、降低能耗等优点。 本试验主要结果如下： 在高溶解氧( 6 9 m g l ) 、常温( 1 5 - - 2 9 ( 2 ) 、长s r t 条件下，利用特定抑制因 子游离氨( f a ) 对亚硝酸盐氧化菌的抑制作用，从而使氨氧化菌在数量或活性上占 优势，成功地在缺氧滤床+ 好氧悬浮填料生物膜连续流工艺中实现了部分亚硝化。 在亚硝化反应器启动前1 3 0 d 过程中f a 浓度在1 0 1 0 3 m g l ，均在抑制亚硝酸盐 氧化菌活性的阈值范围内。长期维持f a 的选择性抑制作用，从而获得稳定的亚 硝化，亚硝氮积累率可达8 0 左右，当进水氨氮有机负荷( a l r ) 为1 1 5k g ( m 3 - d ) 时，亚硝氮积累率高达9 7 7 。通过综合调控进水a l r 、进水碱度氨氮和好氧段 水力停留时间，可以调节出水n 0 2 - n n h 4 + - n 的比率。当进水n i t , + n 平均为 3 1 5 8 m g l ，平均进水a l r 为o 4 3k g ( m 3 d ) ，进水碱度氨氮为5 2 5 时，出水 n 0 2 - n n h 4 + - n 为1 2 5 左右，从而为a n a m m o x i 艺创造了进水条件，较好地 实现了匹配a n a m m o x 工艺的部分亚硝化。 采用先培养自养硝化生物膜，再启动a n a m m o x 反应器的方法，可以在 1 1 0 d 内快速启动厌氧氨氧化。第2 0 0 d 时反应器的n h 4 + - n 和n 0 2 - n 去除容积 负荷分别为o 5 2 6 k ( m 3 d ) 币- f lo 5 3 6 k g ( m 3 d ) 。在启动初期，由于好氧氨氧化占主 导地位，出水p h 值低于进水p h 值。随着启动过程的推进，厌氧氨氧化逐渐占 主导地位，出水p h 值高于进水。第l1 0 - - 2 0 0 d ，氨氮去除量、n 0 2 - n 去除量、 n 0 3 - - n 生成量的比值平均为1 ：1 1 ：0 3 3 。在a n a m m o x 反应器的启动过程中， 通过反应器内n h 4 + n 去除量、n 0 2 - n 去除量、n o r - n 生成量及它们之间的比 值、进出水p h 值的变化作为指示参数，可以及时了解厌氧氨氧化的启动进程。 生物膜启动厌氧氨氧化的反应器在提高a n a m m o x 菌的固定化、减少菌种流 失方面具有较大优势。 部分亚硝化反应器出水n 0 2 - n n i - 1 4 + - h l 比率对提高该耦合工艺的脱氮效率 北京t 业大学t 学硕十论文 至关重要，当进水n h 4 + n 为6 4 0 m g l ，a l r 为1 1 6 k g m 3 d ，进水碱度氨氮为 5 1 时，进入a n a m m o x 反应器的n o z - n n h 4 + - n 为1 2 左右时，a n a m m o x 反应器t n 去除率可达8 3 8 。在不需； h j n 有机碳源的条件下，处理高氨氮、 碱度不足、低c n 实际污泥脱水液，实现了高效自养脱氮。本耦合工艺是适合 污泥脱水液水质特点的新型生物脱氮技术。 关键词：污泥脱水液；部分亚硝化；厌氧氨氧化；f a ；硝化生物膜 u a b s 翮c t a bs t r a c t s l u d g el i q u o r , w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yh i g hc o n c e n t r a t i o no fa m m o n i u m 、l o w a l k a l i n i t ya n d l o wc nr a t i o t h ec o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a ln i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n c a n n o tt oa c h i e v et h ep r o c e s s i n gr e q u e s tf o rt h i sk i n do fw a s t ew a t e r t h e r e f o ri ti s i m p o r t a n tt h a tr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gn e wn i t r o g e nr e m o v a lb i o t e c h n o l o g y i n r e s e n ty e a r s ，t h en e wb i o t e c h n o l o g i e ss u c ha sa n a m m o x ( a n a e r o b i ca m m o n i u m o x i d a t i o n ) ，n i t r i t a t i o n ，c a n o np r o c e s sh a v eb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c ha l l a r o u n dt h ew o r l d w h e r e a st h em o s tn e wn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s e sh a v eb e e n l i m i t e di nl a b o r a t o r ys c a l e t h es l u d g el i q u o rw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o nw a s a c h i e v e da n da n dm a i n t a i n e ds t a b l yi nt h ea e r o b i cc a r r i e rb i o f i l mr e a c t o ru n d e r n o r m a lt e m p e r a t u r ea n dt h eh i g hd o a tt h es a m et i m e ，t h ea n a m m o xb i o r e a c t o r c a l lb es t a r t e d u pb yc u l t i v a t i n ga u t o t r o p h i cn i t r i f y i n gb i o f i l mf i r s t t h ec o m b i n et h e n i t r i t a t i o nr e a c t o ra n dt h ea n a m m o xr e a c t o rt oa c h i e v et h ec o m p l e t e l ya u t o t r o p h i c n i t r o g e nr e m o v a lo v e rb i t r i t e t h ec o u p l i n gp r o c e s sh a sa d v a n t a g e so fn on e e do f o r g a n i cc a r b o na d d i t i o n ，l o wo x y g e nc o n s u m p t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o n t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： t h ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o nw a sa c h i e v e da n dm a i n t a i n e ds t a b l yi nt h ea e r o b i c r e a c t o ru n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e ( 1 5 - 2 9 ( 2 ) 、t h eh i g hd o ( 6 - - ，9 m g l ) a n dl o n g s r t , b yt h es e l e c t i v ei n h i b i t i o na c t i o no ff l e ea m m o n i at on i t r i t eo x i d a t i o nb a c t e r i a t h ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o nm a i n t a i n e ds t a b l yi nt h ea e r o b i cr e a c t o ra n dn i t r a t i o nw a s a b o u te i g h t yp e r c e n tw h e nf ac o n c e n t r a t i o nw a si nt h er a n g eo f1 0 , 、- 10 3 m g l ，i n t h e13 0d a y sp r i o rt oo p e r a t i o no ft h ep r o c e s s t h en i t r a t i o nu pt o9 7 7 w h e nt h e i n f l u e n ta m m o n i al o a d i n gr a t e ( a l r ) w a s1 15k g m 3 d t h ee f f l u e n tn i t r i t e a m m o n i a r a t i ow a sa b o u t1 2 5w h e nt h ea v e r a g ei n f l u e n ta m m o n i a , i n f l u e n ta l ra n di n f l u e n t r a t i oo fa l k a l i n i t ya n da m m o n i aw e r e315 8 0 m g l ，0 4 3k g m 3 da n d5 2 5 ， r e s p e c t i v e l y s ot h ee f f l u e n to fp a r t i a ln i t r i f i c a t i o np r o c e s sp r o v i d e dt h e i n f l u e n t s u b s t r a t ed e m a n df o rt h ef o l l o w i n ga n a m m o xp i o c e s s t h es t a r t u po ft h ea n a m m o xb i o r e a c t o rb ya u t o t r o p h i cn i t r i f y i n gb i o f i l m w a ss t u d i e d t h ea n a m m o xb i o r e a c t o rc a nb ei n i t i a t e dw i t h i n110d a y sw h e n c u l t i v a t i n ga u t o t r o p h i cn i t r i f y i n gb i o f i l mb e f o r et h es t a r t u po f t h eb i o r e a c t o r a tt h e 2 0 0 t hd a y , t h ev o l u m e t r i cl o a d i n gr a t e so fn h 4 + - na n dn 0 2 - na r e0 5 2 6k g m 3 - da n d 0 5 3 6k g m 3 dr e s p e c t i v e l y a tt h eb e g i n n i n go ft h es t a r t u pp h a s e ，t h ee f f l u e n tp h v a l u ei sl o w e rt h a nt h ei n f l u e n tp hv a l u e ，b u tg r a d u a l l y , t h ee f f l u e n tp hb e c o m e s i i i 北京丁业人学丁学硕i j 论文 h i g h e rt h a nt h ei n f l u e n tp hv a l u ea st h ep hv a l u eo ft h el i q u i di nt h eb i o r e a c t o ri s a l k a l i n e b e t w e e nt h e110 也a n d2 0 0 md a y , t h er a t i oo ft h en h 4 + - nr e m o v a l ，t h e n 0 2 - nr e m o v a la n dt h en 0 3 np r o d u c t i o ni s1 ：1 1 ：o 3 3 i nt h es t a r t - u pc o u r s eo f a n a m m o x b i o r e a c t o r , b yt h ev 撕a t i o no ft h er a t i oo f t h en i - h + nr e m o v a la n dt h e n 0 2 。- nr e m o v a la n dt h en 0 3 - np r o d u c t i o n ，t h e e f f l u e n ta n di n f l u e n tp hc a n d e m o n s t r a t et h es t a r t - u pp r o g r e s s i o no ft h eb i o r e a c t o r b e s i d e s ，t h ea n a m m o x b i o r e a c t o rh a sg r e a t e ra d v a n t a g e sa ti m p r o v i n gt h ei m m o b i l i z e do fa n a m m o x b a c t e r i aa n dr e d u c i n gt h eo u t f l o wo f b a c t e r i a t h ee f f l u e n tn i t r i t e a m m o n i ar a t i oh a sav i t a lr o l et oi m p r o v en i t r o g e nr e m o v a l e f f i c i e n c yo fc o u p i n gp r o c e s s w h e ni n f l u e n ta l ra n da l k a l i n i t y a m m o n i ar a t i o w e r er e s p e c t i v e l y1 16k g m 3 da n d5 1 ，e f f l u e n tr a t i o o fn i t r i t et oa m m o n i ao ft h e n i t r i t a t i o nr e a c t o rw a sa b o u t1 2a n dt o t a ln i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h e a n a m m o xr e a c t o rw a sa b o u t8 3 8 t h ec o u p i n gp r o c e s sa c h i e v e da u t o t r o p h i c n i t r o g e nr e m o v a la n dw i t h o u ta d d i n go r g a n i cc a r b o n5 0 u 1 c 圮，s ot h en o v a la d a p tt o w a t e rc h a r a c t e r i s t i c so fd i g e s t e ds l u d g el i q u o r k e y w o r d s ：s l u d g el i q u o r ；p a r t i a ln i t r i t a t i o n ；a n a m m o x ；f a ；n i t r i f y i n gb i o f i l m i v 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。 签名：墨室因 日期：孽龇 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：鱼窒因导师签名：羹童垒 日期：壁幽i 第1 章绪论 第1 章绪论 氮是维持生态系统营养物质循环的一种重要元素，然而由于人类活动对自 然生态系统中氮素循环的干扰和破坏，使之成为引起水质恶化、生物多样性降 低和生态系统失衡的主要因素之一【1 1 ，严重影响了人类正常的生产生活。 近年来，水体氮素污染和富营养化现象日益严重，给人类的工农业生产造成 了巨大经济损失。自2 0 世纪7 0 年代以来，世界各国逐渐认识到了水体氮素污染的 严重危害，一方面在各类污废水二级处理的基础上增加了硝化反硝化的脱氮单 元，另一方面，纷纷制定了更加严格的城市污水处理厂排放标准。我国也不例外， 2 0 0 3 年7 月实施的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) e 2 】对城市污水 厂出水氮素含量提出了更高的要求( 一级a 排放标准n h 4 + - n 5 m g l ， t n n h 3 + + h +( i - 2 ) 动态平衡时 北京t 业大学工学硕十学位论文 k 。：盥堕：】( 1 - 3 ) 。 n h 4 + 】 式中：k 卜离解常数； n h 3 】一氨的浓度，( m o l l ) 【n h 4 + 】一氨离子浓度，( m o l l ) h + 】一氢离子浓度，( m o l l ) 水中总的氨氮物料平衡式可写为： 总的氨氮浓度= n h 3 】+ i n h 4 + 】 根据以上平衡式可以知道，n h 4 + 在总的氨氮中所占的比例可用下式来表示： 啊】( ) = 器x 1 0 0 = 而顽1 0 0 丽m 4 ) 将式( 1 - 4 ) 代入式( 1 3 ) 可得 n h 4 + ( ) = 去 ( 1 - 5 ) 由式( 1 5 ) 可以看出，水中的氨氮主要以哪种形式存在与污水的p h 有关。 例如，氨在2 5 c 时的离解常数k a = 5 8 x 1 0 j o ，当水的p h = 8 时，用式( 1 5 ) 计算 可以知道，此时n h 4 + 所占比例为9 4 6 。若水的p h = 7 ，n h 4 + 所占比例为9 9 4 。 可见，在大部分污水生物处理设备中，氨氮主要是以n 吖的形式存在。 早在1 0 0 余年前就已经确定n 素形态转化的两条基本途径【3 】。它们是好氧 条件下的氨氧化过程( 硝化过程) 和缺氧条件下的硝酸根还原( 反硝化过程) ，这是 两个不同的过程。硝化过程是在自由氧存在的条件下，氨氧化微生物把n 吖 氧化成n 0 3 的过程。氨氧化细菌多为化能自养细菌，有机碳源的存在不利于氨 氧化细菌的活性。但在氨氧化细菌中，有一部分是异养细菌，它们参与氨的氧 化过程需要有机碳源的供应。 反硝化过程是反硝化细菌在缺氧条件下把n 0 3 还原成n 2 的过程，生成的 产物有n 2 和n 2 0 及少量气体。反硝化过程也可以通过纯化学的方式进行，但 化学反硝化在硝酸根反硝化中所占的比重不大。在这两个基本过程的基础上， 2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初基本上确认硝酸根还原还有一条捷径【3 1 。硝酸根 还原成亚硝酸根后，不是继续还原成气体物质，而是一部分n 0 2 还原成氨，简 称为d n r a ( d i s s i m i l a t o r yn i t r a t er e d u c t i o nt oa m m o n i u m ) 。这一过程除产物为氨 外，还常有亚硝酸根的短暂积累和n 2 的排放。硝化过程中不产生n 2 的观点也 受到了挑战。几乎在同时，经过长时间的争论，打破了长时间一直认为的反硝 化过程不能在有氧条件下进行的理论。在2 0 世纪9 0 年代初确认了好氧条件下 同样可以进行反硝化过程。在有分子氧存在的条件下进行反硝化过程，称之为 第l 荦绪论 好氧反硝化( a e r o b i cd c n i t r i f i c a t i o n ) 4 1 。 在微生物研究方面也打破了硝化细菌和反硝化细菌的严格界限，原来认为 严格好氧的自养硝化细菌在氧胁迫下也能利用n 0 2 作为电子受体进行反硝化， 产物为n 2 或n 2 0 和n o 。一系列反硝化细菌则可以参加异氧硝化作用，一部分 异氧硝化细菌也能够同时进行硝化和反硝化作用。然而，n 素形态转化研究方 面的这些进展，有些在污泥脱氮中得到了很好的应用，但是没有突破n 硝化和 反硝化的基本框架，在9 0 年代初提出的在厌氧条件下氨氧化过程则突破了这两 个n 素形态转化的基本过程【3 1 。 1 1 2 水体中氮的来源 水体中的氮素来源主要有：农田土壤流失、大气干湿氮沉降、降雨径流、 点源及其他面源污染以及水体内部沉积物释放等【5 】。水体氮素污染来源可以分 为点源和面源两类： ( 1 ) 点源污染 向环境中释放氨的主要人工点源包括化肥厂、污水处理厂、钢铁冶炼厂、 皮革制品厂、石油化工厂、无机化学制品厂、有色金属冶炼厂、肉类加工厂等 【6 】。这些废水中不仅含有大量的无机形态的氮素，还含有多肽、氨基酸和尿素 等形态的有机氮。 ( 2 ) 非点源污染 非点源按污染种类较为繁多，它们可以是来自城市、农业区、商业区、矿 区等的径流。例如，农田所施肥料中的氮素一般仅有2 0 - - - , 6 0 7 】被利用，其 余则通过地表径流、土壤渗透等方式进入到水体中，但进入水环境的非点源氮 素污染主要来自化肥径流、牲畜饲养、土地上的牲畜粪便、城市径流、降雨等。 实际上，评价径流量和氨浓度是相当复杂的，且不具有普遍适用性。 1 2 氮素污染的危害性 随着社会经济的发展，大量未经适当处理或处理不当的各种含氮废水排入 到江河等受纳水体，破坏了自然生态系统中正常的氮素迁移转化的平衡，给生 态环境造成了严重的和潜在的危害，氮素污染危害主要表现在如下几个方面： 1 2 1 氨氮要消耗水体的溶解氧 进入水体的n h 4 n 在硝化茵的作用下，可氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，消耗 大量的氧气。氧化每毫克的n 吖n 为n 0 3 n 要消耗水体的溶解氧4 5 7 m g ，在二 级处理出水中，n h 4 + - n 需氧量占总需氧量的比例可高达7 1 3 纠引。 1 2 2 增加污水处理费用 当以含有较高浓度n i - l ) + - n 的水体作为水源，或对含n i - l i + - n 量较高的污水 北京t 业大学t 学硕十学位论文 厂出流进行消毒时，要增加氯消耗量；进而增加污水处理的费用。 1 2 3 对人体的毒害作用 水体中较高浓度的硝酸盐和亚硝酸盐可以直接对人体健康造成危害，而由于 氮素过高所形成的水华和赤潮中，许多藻类能分泌出有毒的代谢产物，存在在水 体中及水生动物体内，人食用后可引起间接中毒。 在生活污水中，通常只存在有机氮和n h 4 + - n 。硝酸盐和亚硝酸盐在地表水 中含量很少，但是当受到农田径流、人类和牲畜粪便、污水处理厂出水等污染时， 会达到很高的水平。食品和饮用水中高含量的硝酸盐和亚硝酸盐均可引起人的急 性中毒，特别是婴儿的急性中毒。中毒主要是因为硝酸盐被还原为亚硝酸盐而造 成的。亚硝酸盐使人体中正常的血红蛋白转化为高铁血红蛋白，从而失去携带氧 至组织的能力，造成高铁血红蛋白血症。当高铁血红蛋白含量达到正常血红蛋白 含量1 0 或以上时，就会引起青紫、窒息，甚至可导致死亡【9 1 。硝酸盐与亚硝酸 盐在人体中还会转化成亚硝胺，具有致畸、致癌、致突变作用，对人体有严重的 潜在威胁。 1 2 4 加速水体的富营养化过程 氮素随着污水持续的进入到受纳水体，可引起水体富营养化，导致藻类迅 速繁殖进而降低水的质量，主要表现为：进行水处理时，由于滤池易被堵塞， 缩短了冲洗周期，增加水处理费用；影响水上运动；由于藻类的代谢，使 水具有色和气味，影响感观；蓝绿藻产生的毒物危害鱼和家畜；由于藻类 的腐烂引起溶解氧的大量消耗。 1 3 物化脱氮技术 针对水中的n h 4 + n 污染，目前常用的控制技术可分为物化处理技术和生 物处理技术。物化处理技术主要包括：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。采用物化技术脱氮，具有快速高效的优点，但物化法 往往需要消耗化学药品，费用昂贵，而且易产生二次污染。因此，只有在某些 特殊情况下才采用物化技术脱氮，主流脱氮技术是生物处理技术。 1 3 ：1 空气吹脱法 此法是利用废水中所含的n h 4 + - n 等挥发物质的实际浓度与平衡浓度之间 存在的差异，在碱性条件下使大量废水与空气接触，使废水中呈离子态的 n h 4 + - n 转换成f a 被吹出，以达废水中去除n i - h + _ n 的目的，空气吹脱法的 n h 4 + - n 去除率高达8 5 以上，吹脱出的氨气易用水、盐酸、硫酸吸收，工艺简 单，操作简便但只能去除废水中的n h 4 + - n ，对总氮的去除率不高，且能耗大， 运行成本高，若投加碱调节p h 值还容易结蜊1 0 l 。 第1 章绪论 1 3 2 折点氯化法 将足量的氯气或次氯酸钠投入到废水中，当投入量达到某一点时，废水中 氯含量较低，而n h 4 + n 含量趋于零；当氯气通往量超过此时，水中的游离氯 含量上升，此点常称为折点，在此状态下的氯化称为折点氯化，废水中的n h 4 + n 常被氧化成氮气而被吹脱出去。折点氯化法通常能使出水中的n h 4 + - n 浓度小 于o 1 m g l ，此法常用于给水处理，也可以作为一个单独的脱氮工艺来用，也 可以对脱氮工艺出水进行补充处理，进一步提高脱氮效率，折点氯化法反应迅 速，设备投资少，但液氯的安全使用和贮存要求高，处理成本也较高1 0 , 1 1 1 。 1 3 3 选择性离子交换法 根据沸石架状结构多孔穴，比表面积巨大的结构特征，利用沸石上的阳离 子与水中的n h 4 + 发生交换达到去除目的。离子交换是可逆的，其推动力靠离子 间的浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲合能力。在水处理中最常见的离子 交换反应是水的软化，除盐及去除或回收废水中的重金属离子等，如水中的 c e + 、m 9 2 + 、f c 2 + 、m n 2 + 等离子，与交换剂上的n a 进行交换反应，反应式如下 【1 2 】 2 r n a + m 2 + 付足m + 2 n a + ( 1 - 6 ) 式( 1 6 ) 中r 为离子交换剂的母体( 骨架) ；n a + 为交换剂上可交换离子；m 2 + 为水溶液中的二价阳离子。 1 3 4 磷酸氨镁沉淀法 适合于不宜采用生化法处理的高浓度n h 4 + n 废水处理，其主要原理是 n i - - 1 4 + 、m g + 、p 0 4 3 在碱性水溶液中生成磷酸氨镁沉淀，形成磷酸氨镁( m a p ) 的 化学反应式为： m 9 2 + + p d 4 卜+ n i t 4 + + 6 h 2 0 哼m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 山 ( 1 - 7 ) m a p 为碱式盐，在酸性条件下易溶解，沉淀反应最好在较高的p h 下进行。 但若p h 超过9 5 ，产生的m a p 会释放出刺鼻的氨味。采用磷酸氨镁沉淀法去 除n h 4 + - n 时，理想的投加比例是m g ：p ：n = i 3 ：l ：1 【1 3 1 。 1 3 5 蒸汽汽提法 蒸汽汽提法适用于大水量，中低氨浓度的回收，水经过换热器进入塔顶喷 淋，蒸汽由底部逆流而上接触，当水蒸气压力经过超过外界压力时水开始沸腾， 加速了挥发性氨向气相转移的过程，水蒸气穿过水层时，水与气泡形成自由表 面，挥发性氨气不断的向气泡内蒸发扩散，有气泡带出水面，然后收集进入回 收系统。优点是可回收氨节省水；缺点是消耗大量蒸汽。 北京t 业人学丁学硕十学位论文 1 4 传统生物脱氮技术 1 4 1 传统硝化反硝化工艺 传统的硝化反硝化工艺是一项较成熟且应用最为广泛的废水生物脱氮技 术，一般由两部分组成，即硝化和反硝化。由于对环境条件的要求不同，这两个 过程不能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化 反应发生在缺氧条件下。好氧条件下硝化菌以0 2 为最终电子受体将n h 4 + - n 氧化 为硝酸盐，缺氧条件下反硝化菌以有机物为电子供体将硝酸盐还原为氮气，最终 实现污废水中n h 4 + n 的脱除。由此而发展起来的生物脱氮工艺大多分别在两个 隔离的反应器中进行，形成分级硝化一反硝化工艺，或者在时间或空间上造成交 替缺氧和好氧环境的同一反应器中进行，以便硝化与反硝化能够独立地进行。理 论上氧化l m gn h 4 * - n 军硝酸盐需要4 5 7 m g 的氧，d o 应保持在2 - 4 m # l ，最佳p h 和温度分别为p h = 7 和2 5 c 。 传统硝化反硝化工艺应用较为广泛的主要有：m o 法、s b r 、氧化沟、 b r a d e m p h o i 艺、u c t 工艺及s m b r 工艺等，由于它们的理论基础相同，因此各 工艺变形所完成氮的转化方式也相同，在顺序上或时序上达到好氧硝化阶段与缺 氧反硝化的相继完成，因此都具有较好的脱氮效果，较低的运行费用，不产生二 次污染等优点。按照硝化反硝化过程的次序，传统脱氮工艺可分为后置反硝化 和前置反硝化两种。 1 4 2 传统硝化反硝化工艺的缺点 传统硝化反硝化工艺无论工艺形式怎样改变，它们所利用的生物原理都是 硝化和反硝化两个传统的微生物学代谢过程，存在以下几点先天性的不足之处： n h 4 + n 完全硝化需消耗大量的氧，动力消耗大； 对c n 比低的废水，需外加有机碳源，运行费用高； 由于硝化菌群生长速率低，且难以维持较高的生物浓度，特别是在低温冬季， 造成系统的h r t 较长，增大了曝气池体积，增加了投资和运行费用； 会产生少量n o 、n 2 0 等副产物，对大气环境造成二次污染； 工艺流程长，占地面积大，基建投资高； 对于高n h 4 + - n 浓度的废水硝化过程中产生的酸度需要投加碱度进行中和，不 仅增加了处理费用，而且还有可能造成二次污染等； 系统为了维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥和 硝化液的回流，增加了动力消耗和运行费用。 第1 章绪论 1 5 新型生物脱氮技术 1 5 1 短程硝化反硝化工艺 传统的脱氮过程是通过硝化细菌的作用将n h ；n 氧化成n 0 3 - n ，然后再 由反硝化菌还原成n 2 。硝化过程中n m + n 先被氨氧化菌氧化成n 0 2 。- n ，进而 继续被亚硝酸盐氧化菌氧化成n 0 3 - n ，具体过程如下： n h 。3 2 0 2 _ n 0 2 - + 2 h 、h 2 0( 1 8 ) n 0 2 + 1 2 0 2 一n 0 3 。( 1 9 ) 反硝化过程是反硝化异养菌在缺氧条件下利用可降解有机物通过异化作用 将n 0 3 。还原为n 0 2 。进而被还原为n 2 ，当所利用的有机物为乙酸时其反应方程 式如下： 4 n 0 3 l + c 2 h 4 0 2 _ 4 n 0 2 1 2 c 0 2 + h 2 0 ( 1 l0 ) 8 n 0 2 。+ 3 c 2 h 4 0 2 + h 2 0 _ 4 n 2 + 8 0 h + 6 c 0 2( 1 - 1 1 ) 短程硝化反硝化是指整个脱氮过程不经过n o r - n 阶段，n h 4 + n 被氧化为 n 0 2 - n 后直接被还原为氮气，即n h 4 + _ n 0 2 。一n 2 。 1 5 1 1 短程硝化反硝化工艺的优点 短程硝化反硝化与传统的硝化反硝化相比有如下优点【1 4 , 1 5 】： ( 1 ) 氨氧化菌世代周期比亚硝酸盐氧化菌世代周期短，控制在亚硝酸型阶 段易提高微生物浓度和硝化反应速度，缩短硝化反应的时间，由于水力停留时 间较短，从而可减少反应器容积，节省基建投资，一般反应器的容积可减少 3 0 - - 4 0 ； ( 2 ) 从氨氧化菌的生物氧化反应可以看出，控制在亚硝酸型阶段可以节省 氧化n 0 2 _ n 为n o a - n 的需氧量，硝化阶段需氧量可以减少2 5 ； ( 3 ) 从反硝化的角度来看，从n 0 3 - n 还原到n 2 比n 0 2 。- n 还原到n 2 需要 的氢供体多。因此，短程反硝化更能节省能源，反硝化阶段所需有机碳源减少 4 0 ，反硝化率提高6 0 左右； ( 4 ) 氨氧化菌表观产率系数为0 0 4 9 v s s g n - - 0 1 3 9 v s s g n ，亚硝酸盐氧化菌 的表观产率系数为0 0 2 9 v s s g n 一0 0 7 9 v s s g n ，n 0 2 - n 还原菌和n 0 3 - n 还原 菌的表观产率系数分别为0 3 4 5 v s s g n 和0 7 6 5 v s s g n ，因此短程硝化反硝化 过程在硝化过程中可减少产泥2 4 - - - 3 3 ，在反硝化过程中可少产泥5 0 ； 影响n 0 2 - 积累的因素主要有温度、游离氨( f a ) 、溶解氧( d o ) 、p h 值、 北京t 业大学t 学硕十学位论文 游离羟胺( f h ) 、水力负荷、有害物质、污泥龄等。研究表明，可以通过以上单 一因素或者多个因素的控制，在反应器中成功地实现短程硝化反硝化 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 。综合以上控制因素，能在一定时间内控制硝化处于亚硝酸阶段的途 径较常见的有四种：纯种分离与固定化技术途径、温度控制的分选途径、f a 的 选择性抑制途径和基质缺乏竞争途径等【1 1 1 。在以上亚硝化控制途径中，对于常温、 低n 吖- n 基质浓度的城市生活污水而言，较为引人注目和可行的是基质缺乏竞 争途径。 综上所述，短程硝化反硝化不但可以节省污水处理所需的曝气量，减少运行 费用，同时可以减少4 0 的有机碳源用量，因此短程硝化反硝化工艺对处理污泥 脱水液这种低碳氮比废水是非常适合的。 1 5 1 2 短程硝化的形成条件 目前形成短程硝化的控制手段主要有以下几种：温度与污泥龄( s r t ) 协同控 制、低d o 控制、选择性抑制作用和基于d o 、o r p 、p h 的过程控制。 ( 1 ) 温度与污泥龄( s r t ) 协同控制 s h a r o n 工艺( 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 ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 是 由荷兰d e l r 技术大学开发的脱氮新工艺【2 1 ，2 2 1 。其基本原理是将氨氧化控制在亚 硝化阶段，然后进行反硝化。该工艺采用的是c s t r 反应器r ( c o m p l e t es t i r r e dt a n k r e a c t 0 0 ，适合于处理高浓度含氮废水伽5 9 l ) ，其成功之处在于巧妙地利用了硝 酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率，即在较高温度下( 3 0 c 4 0 c ) ，亚硝酸盐氧化 菌的生长速率明显低于氨氧化细菌的生长速率。因此，通过控制温度和h r t 就可 以自然淘汰掉亚硝酸盐氧化菌，使反应器中的氨氧化菌占优势，从而使氨氧化控 制在亚硝酸盐阶段，并通过间歇曝气便可以达到反硝化的目的。由于在一定的较 高温度下，氨氧化菌对氨的氧化速率较高，所以该工艺无需特别的污泥停留，缩 短了h r t ，反应器的容积也相应地可以减少。另外，硝化和反硝化在同一个反应 器中完成，减少了投碱量，也简化了工艺流程。利用此工艺的两座废水生物脱氮 处理厂已在荷兰建成并投入运行。 ( 2 ) 低d o 控制 氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌均为绝对好氧菌，d o 是控制亚硝酸盐积累的关 键参数之一。k e i s u k eh a n n a k i 等瞄】的研究表明，在2 5 时，进水n i - 1 4 + = n 为8 0 m g l 低溶解氧( 0 5 m g l ) 下，氨氧化细菌的增殖速率加快( 近l 倍) 补偿了由于低溶解氧 所造成的代谢活性的下降，使得从氨氧化至i j n 0 2 - - n 的过程没有受到明显影响；而 硝化细菌的增殖速度在低溶解氧( o 5 m g l ) 没有任何提高，从而导致n 0 2 。n 的大 量积累，在其试验中最高的n 0 2 - n 浓度可达6 0 m g l 。 利用溶解氧这一因素，比利时g e n t 微生物生态实验室提出了o u 埘d 工艺【2 4 1 。 该工艺的核心是利用氨氧化菌对d o 的亲合力较亚硝酸盐氧化菌强，受d o 下降的 第1 覃绪论 曼曼曼曼n mm lmmlm i 皇曼璺曼曼皇曼曼曼量量曼皇曼皇曼皇量曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量曼曼量 影响，氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌增长速率均下降，然而亚硝酸盐氧化菌下降比 氨氧化菌要快，导致氨氧化菌增长速率超过亚硝酸盐氧化菌。该技术的关键是控 制d o 浓度使硝化过程只进行 | n i - h + - n 氧化为n 0 2 。n 阶段，且研究表明低d o 对 亚硝酸盐氧化菌有抑制作用。利用这两类菌的动力学特性差异，实现逐步淘汰亚 硝酸盐氧化菌，达到短程硝化的目的。 目前，很多学者在低d o 下的硝化系统中获得了良好的亚硝酸型硝化效果， 出水亚硝化积累率( n 0 2 - ( n 0 2 + n 0 3 ) 达到了9 0 以上【1 6 , n s , 2 5 , 2 6 , 2 7 。 ( 3 ) 选择性抑制作用 利用特定抑制因子抑制亚硝酸盐氧化菌而对氨氧化菌不抑制或抑制作用小， 从而来逐渐实现亚硝酸菌占优势。例如许多亚硝酸积累研究者发现【2 8 1 ，f a 对硝 化作用有明显的抑制作用，0 6 m g l 的f a 几乎就可以全部抑制亚硝酸盐氧化菌的 活性，而只有当f a 达至u 4 0 m g l 时才会严重抑制氨氧化菌的活性。 张树掣2 9 】在利用两极u a s b 串联o 工艺处理垃圾渗滤液时，通过f a 的抑制 作用和p h 值控制实现了亚硝酸盐积累率高达9 0 - - - - 9 9 的短程硝化，在试验过程 中，整个a o 反应器中f a 浓度维持在2 m g l 以上，高f a 是导致短程硝化的主要因 素。以p h 作为控制参数调控a o t _ 艺的曝气时间，可以有效的抑制亚硝酸盐氧化 菌的增长，实现种群优化和稳定的短程硝化。 “) 基于d o 、o r p 、p h 的过程控制 活性污泥法中d o ，o r p ，p h 的变化规律从不同角度不同程度反映了生物脱 氮反应的进程，因此，以它们作为控制参数就可以实现对生物脱氮反应的过程进 行控制。 有些研究割3 0 】提出，在s b r 硝化反应系统中，由于硝化菌进行硝化反应的速 率会随着n h 4 + - n 量的减少而不断降低，所以耗氧速率小于供氧速率，d o 会产生 不断上升的现象。同时，系统中的氧化态物质不断增加，o r p 也会产生不断上升 的现象。硝化结束时，自养菌利用n h 4 + - n 过程已经结束，不再耗氧，而自养菌、 异养菌内源呼吸的耗氧率又远远小于供氧率，所以出现了d o 的跳跃即上升速率 加快的现象，而且系统中不再产生新的氧化态物质，氧化态物质的总量与还原态 物质的总量基本不再变化，所以o r p 出现平台或者说是基本不变。另外，硝化过 程是一个产酸过程，所以p