（市政工程专业论文）基于生物过滤的亚硝酸盐积累与维持对策研究.pdf

n i t r i t ea c c u m u l a t i o na n dm a i n t e n a n c em e a s u r e si n b i o f i l t r a t i o np r o c e s s l i u y o n g - z h e n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f q i ul i p i n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y1 9 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塞i j 丞王 日 期： 兰! f ! ! 圭： 至 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：皇尘查垂 导师签名：n 伞王垒日期：迦! ：三二望 、-、 一 、1 济南大学硕t 学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论 1 1 课题研究背景( 1 ) 1 1 1 废水中氮素的来源和危害( 1 ) 1 1 2 废水生物脱氮原理( 2 ) 1 1 3 传统生物脱氮工艺( 4 ) 1 1 4 废水生物脱氮新技术( 6 ) 1 1 5 短程硝化的影响因素及问题( 9 ) 1 1 6 曝气生物滤池一( 1 1 ) 1 2 课题的提出与研究内容( 1 4 ) 1 2 1 课题研究的目的和意义( 1 4 ) 1 2 2 课题研究的主要内容( 1 5 ) 第二章试验材料与方法 2 1 研究方案与技术路线( 1 7 ) 2 1 1 研究方案( 17 ) 2 1 2 技术路线( 17 ) 2 1 3 课题流程及试验设计。( 1 7 ) 2 2 试验装置( 1 9 ) 2 2 1 试验模型( 19 ) 2 2 2 试验装置所用主要仪器材料( 2 1 ) 2 3 废水水质与接种污泥( 2 2 ) 2 - 3 1 废水水质( 2 2 ) 2 3 2 接种污泥。( 2 2 ) 2 4 水质分析方法( 2 3 ) 第三章启动条件对形成亚硝酸盐积累的影响 基于生物过滤的哑硝酸赫积累与维持对策研究 3 1 曝气生物滤池的启动( 2 5 ) 3 2 启动方式对挂膜速度的影响( 2 5 ) 3 3 启动方式对亚硝酸盐积累的影响( 2 6 ) 3 4 本章小结( 2 8 ) 第四章p h 值对亚硝酸盐积累的影响 4 1 原理与方法( 2 9 ) 4 2p h 值对氨氮去除率的影响( 2 9 ) 4 2 1p h 值对出水氨氮去除率的影响。( 2 9 ) 4 2 2p h 值对沿程氨氮去除率的影响。( 3 1 ) 4 3p h 值对亚硝酸盐积累的影响( 3 3 ) 4 3 1p h 值对出水亚硝酸盐氮的影响( 3 3 ) 4 3 2p h 值对出水亚硝酸盐积累的影响。( 3 5 ) 4 4 本章小结( 3 7 ) 第五章d o 对亚硝酸盐积累的影响 5 1 原理与方法( 3 9 ) 5 2d o 对出水氨氮去除率的影响。( 3 9 ) 5 3d o 对亚硝酸盐积累的影响( 4 0 ) 5 3 1d o 对出水亚硝酸盐氮的影响( 4 0 ) 5 3 2d o 对出水亚硝酸盐积累的影响( 4 1 ) 5 3 3d o 对沿程亚硝酸盐积累率的影响( 4 2 ) 5 4 本章小结( 4 4 ) 第六章进水负荷对亚硝酸盐积累的影响 6 1 原理与方法( 4 5 ) 6 2 水力负荷对氨氮去除率的影响( 4 5 ) 6 3 水力负荷对亚硝酸盐积累的影响( 4 7 ) 6 4 氨氮负荷对氨氮去除率的影响( 4 8 ) 6 5 氨氮负荷对亚硝酸盐积累的影响( 5 0 ) 6 6 本章小结( 5 0 ) 第七章游离氯对亚硝酸盐积累的影响 济雨大学硕 j 学位论文 7 1 原理与方法( 5 3 ) 7 2 投加氯对氨氮去除率的影响( 5 3 ) 7 3 投加氯对亚硝酸盐积累的影响( 5 4 ) 7 4 本章小结( 5 5 ) 第八章亚硝酸盐积累的维持对策研究 8 1 目的与方法( 5 7 ) 8 2 亚硝酸盐积累的维持控制对策( 5 8 ) 8 2 1 基于调整游离氯的单因子控制对策( 5 8 ) 8 2 2 基于综合工艺参数优化的综合控制对策( 5 9 ) 8 3 本章小结( 6 1 ) 第九章结论与建议 9 1 结论( 6 3 ) 9 2 建议( 6 4 ) 参考文献k ( 6 5 ) 致谢( 6 9 ) 附录a ( 攻读学位其间发表论文目录) ( 7 1 ) l l i 济南大学硕l ：学位论文 摘要 随着水体富营养化问题的日益严重，氮素污染控制已经成为水环境保护工作的重 要课题。生物脱氮是减少废水中氮素排放的主要技术方法，传统活性污泥法、a o 工 艺、a 2 o 工艺、氧化沟和s b r 等在废水脱氮方面发挥了重要作用，但是仍存在着处 理效率不稳定、基建投资和运行费用高、抗冲击能力差等问题，因此研究开发新型高 效脱氮技术成为当务之急。 短程硝化反硝化具有节约供氧量，碳源需求少，剩余污泥量低等优点，能够克服 传统生物脱氮的不足，有望形成一种高效、经济的新型生物脱氮技术，越来越受到人 们的关注。亚硝酸盐积累是实现短程硝化反硝化的关键，高氨氮废水的亚硝酸盐积累 和短程硝化研究已取得很大进展，而对于低氨氮城市废水，如何能快速简单地实现亚 硝酸盐的长期稳定积累，还有待于深入研究。 因此，为了探讨城市废水等中低浓度含氮废水实现短程硝化反硝化的可行性，本 文以曝气生物滤池模型反应器为依托，研究常规条件下生物过滤工艺处理模拟城市废 水过程亚硝酸盐积累的形成规律及其稳定维持对策。试验研究过程中，通过对比考察 自然挂膜和接种挂膜两种反应器启动方式，探讨不同启动方式对曝气生物滤池亚硝酸 盐积累的影响规律；通过系统考察进水p h 值，溶解氧，进水负荷和游离氯等对曝气 生物滤池亚硝酸盐积累的作用效能，研究不同工艺参数和运行条件对亚硝酸盐积累的 作用规律；通过对不同运行条件下亚硝酸盐积累情况的系统分析，研究探讨促进曝气 生物滤池亚硝酸盐稳定积累的技术措施和控制对策。 研究结果表明，自然挂膜相对于接种挂膜更有利于亚硝酸盐积累的形成和长期维 持，接种挂膜则更有利于曝气生物滤池的启动运行。在自然挂膜启动过程中，曝气生 物滤池出现了明显的亚硝酸盐积累，亚硝酸盐积累率最高达到8 0 以上；接种挂膜启 动较快，3 天后氨氮去除率即可达到9 0 以上。 控制曝气生物滤池的运行条件，如调整进水p h 值，调节供氧量，提高水力负荷 和投加氯都可以实现常规条件下生物反应器的亚硝酸盐积累。最适宜形成亚硝酸盐积 累的进水p h 值范围为6 5 7 ，过低和过高的进水p h 值都不能有效的形成亚硝酸盐 积累；较低的溶解氧有利于亚硝酸盐氮的形成，明显的亚硝酸盐积累出现在溶解氧小 v 关键词：生物脱氮；生物过滤；亚硝酸盐积累；维持控制 v i 济南大学硕f ：学位论文 a b s t r a c t w a t e re u t r o p h i c a t i o ni sm o r ea n dm o r es e r i o u si nc h i n ar e c e n t l y , t h u st h en i t r o g e n r e m o v a lh a sb e c o m ev e r yi m p o r t a n ti nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t b i o l o g i c a lm e t h o di s c o n s i d e r e da ne c o n o m i c a la n de f f e c t i v et e c h n o l o g yw h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n n i t r o g e nr e m o v a lf r o mw a s t e w a t e r al o t o fn i t r o g e nh a sb e e nr e m o v e df r o mw a s t e w a t e rb y b i o l o g i c a lp r o c e s s ，s u c ha sc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，a o ，a 2 o ，o x i d a t i o n d i t c ha n ds b r h o w e v e r , al o to fd e f i c i e n c i e ss t i l le x i s ti nt h e s et r e a t m e n tp r o c e s s e s ，s u c h a sl o wr e m o v a lr a t eo ft o t a ln i t r o g e n , h i g hc a p i t a li n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gc o s t ，p o o r i m p a c tr e s i s t a n c e ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o ps o m ei n n o v a t i o n a la n d e f f i c i e n tp r o c e s sf o rn i t r o g e nr e m o v a l s h o r t c u tn 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 nh a st h ea d v a n t a g e so fe n e r g yc o n s u m p t i o n ， c a r b o nr e q u i r e df o rd e n i t r i f i c a t i o n , a n dl o w e rs l u d g ep r o d u c t i o n , p r o v i d i n gan o v e l t e c h n i c a ls o l u t i o nt or e m e d yt h ed e f i c i e n c i e so fc u r r e n tn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s e s i ti s c o n s i d e r e da ne f f e c t i v ea n de c o n o m i c a lb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s n i t r i t e 节 a c c u m u l a t i o ni nh i g ha m m o n i aw a s t e w a t e rt r e a t m e n th a sm a d ec o n s i d e r a b l ep r o g r e s s h o w e v e r , f o rl o wa m m o n i am u n i c i p a lw a s t e w a t e r , i ti ss t i l ld i f f c u l tt oa c h i e v et h en i t r i t e a c c u m u l a t i o nq u i c k l ya n de a s i l ya n dt om a i n t a i nt h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nf o rl o n gt i m e i no r d e rt od i s c u s st h ep o s s i b i l i t yo fs h o r t c u tn 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 ni nl o w a m m o n i am u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h en i t r i t ea c c u m u l a t i o na n di t sm a i n t a i n c o n t r o lm e t h o d sw e r ei n v e s t i g a t e di nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) t w od i f f e r e n t s t a r t - u pm o d e sw e r ea d o p t e di nt h ee x p e r i m e n t t h ef i r s tb a f s t a r t e dw i t hc o n d i t i o nt h a t w a t e rt e m p e r a t u r ew a s15 2 5 ，a m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nw a s2 5 3 5m g l ，c o d c o n c e n t r a t i o nw a s2 0 - 3 0m g l ，a n df i l t e rv e l o c i t yw a s1m h ，w h i l et h es e c o n db a f s t a r t e du n d e rt h es a m ec o n d i t i o nb u t9 0 0m la c t i v a t e ds l u d g ew a sa d d e da si n o c u l a t e ds e e d m e nt h em a t u r eb i o f i l mh a df o r m e d ，t h eb i o r e a c t o r sw e r et u r n e dt oc o n t r o lo p e r a t i o nb y c h a n g i n gt h ep a r a m e t e r si np r o p e rs e q u e n c e ，w i c hi n c l u d e dp h ，d o ，i n f l u e n tl o a da n df r e e c h l o r i n e t h ea i m so ft h i sr e s e a r c hw o r kw e r et of i n daf e a s i b l es t a r t - u pm o d ef o rn i t r i t e a c c u m u l a t i o na n di n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n so nn i t r i t e a c c u m u l a t i o n , a n df u r t h e r m o r e ，t o s e a r c ht h et a c t i c so fa c h i e v i n gs t a b l en i t r i t e v l l t h em a i np u r p o s eo ft h e p a p e ri sd i s c u s s i n gt h ep o s s i b i l i t yo fs t a b l en i t r i t e a c c u m u l a t i o ni nb a fb yc o n t r o l o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r su n d e r e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n t h eb e t t e rs t a r t - u pm o d e sf o rn i t r i t ea c c u m u l a t i o ni nb a fw e r e e s t a b l i s h e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn i t r i t ea c c u m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s a n dp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r er e v e a l e d ，a n dt h e nt h em a i n t e n a n c ea n dc o n t r o lm e a s u r e s w e r ea l s op r e s e n t e d i tw a sf o u n dt h a tn i t r i t ea c c u m u l a t i o nc o u l db ea c h i e v e db yc o n t r o l t h eo p e r a t i o na n dp a r a m e t e r si nl o wa m m o n i a n i t r o g e nm u n i c i p a lw a s t e w a t e ri nb a f t h e r e s u l t sw e r en o to n l ye n r i c h i n gt h et h e o r yo fs h o r t c u tn 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 , b u ta l s o o fg r e a ts i g n i f i c a n c ei ns h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i e a t i o ni n t h eb i o l o g i c a lf i l t r a t i o n p r o c e s s v m i x 量整体下降【。其中，进入水体的氮主要有有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。 四种含氮化合物的总称为总氮( t o t a ln i t r o g e n ，t n ) 。水中的有机氮包括氨基酸、蛋 白质、核酸、尿素等含氮有机物，一般在水中很不稳定，容易被微生物分解为氨氮， 进而氧化成为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮【2 】。氨氮包括游离态氮( n h s - n ) 和氨态氮 ( n h 4 + _ n ) ，而亚硝酸盐氮不稳定很易被还原成氨氮或氧化为硝酸盐氮。 废水中氮素污染物主要来源于城市生活废水、工厂工业废水和农业生产等【3 】。人 类社会的发展导致人居环境的迅速聚集和扩大，使氮素物质也随着生活和生产过程的 高度集中而逐渐积累，从而引起氮在其循环中间产物的大量积累，形成氮素污染。城 市生活废水主要来自厕所冲洗、厨房洗涤、淋浴、洗衣等，不可避免地含有大量的氨 氮和有机氮，对城市水体质量带来严重威胁。另外，部分城市污水处理厂处理废水的 不达标排放也会导致水体氮素污染，例如，采用生物法处理城市生活废水的城市污水 处理厂，如果没有设置脱氮除磷单元，其处理水中将含有大量的氮素污染物质。工业 企业中能够产生含氮废水的工厂主要有两类，一类是生产含氮产品的企业和工厂，另 一类是使用和加工含氮产品的企业和工厂。这些工厂主要包括合成氨厂及系列氮肥 厂、复合肥厂、硝酸生产厂、炼焦厂、己内酞胺厂、玻璃及玻璃制品厂，半导体印刷 电路板生产厂、石化厂、炼油厂、食品厂、屠宰厂、肉制品加工厂、酒厂等。农业生 产过程中的氮素污染主要来自化肥和农药的使用。农业生产需要大量的氮肥，氮肥施 入土壤以后并不是全部被农作物吸收，除被农作物吸收的一部分外，剩余的部分则一 部分进入大气一部分残留于土壤之中，残留于土壤之中氮肥可随雨水等进入水体。农 药的使用也是氮素污染的一个重要来源。目前我国平均农药使用量很高，其中8 0 - 一 9 0 的农药会流失在土壤中，并最终随着雨水的冲淋和农业排水进入水体。此外，农 基于生物过滤的哑硝酸盐积累与维持对策研究 业生产所产生的植物秸秆，以及农村中生活废弃物和排泄物也是农业废水中氮素污染 的一个重要方面。 氮素污染问题的日益严重，给人类的生存环境带来了具大的威胁。水体氮素污染 的主要危害具体表现在以下几方面【3 4 j ： ( 1 ) 大量氨氮进入水体会迅速消耗水体中的溶解氧，导致水体发黑、变臭，水 质恶化，景观变差。 ( 2 ) 氨氮会与氯反应，生成氯胺，不仅增加了消毒过程的药剂费用，增加了水 处理的成本，还会带来严重的水质安全问题。 ( 3 ) 部分含氮化合物对人和生物具有毒害作用。如氨氮会影响鱼类鳃的呼吸， 导致死亡；在一定条件下，亚硝酸盐和硝酸盐等可转化成亚硝酸胺，而后者具有强烈 的致癌、致畸和致突变能力；饮用水中存在高浓度亚硝酸盐和硝酸盐会引起婴儿高铁 血红蛋白和亚硝胺型癌，危害极大。 ( 4 ) 氮素污染是导致水体富营养化的主要罪魁祸首，严重破坏水环境质量。近 年来已经发生了大量水体富营养化爆发事件，如西湖的蓝藻爆发事件，直接导致当地 供水停止，带来了严重的社会问题。 1 1 2 废水生物脱氮原理 废水脱氮技术主要有物化法和生物法两种。物化脱氮主要有吹脱、化学中和、化 学沉淀、催化氧化、折点加氯、选择性离子交换和汽提脱氮等方法【3 1 。物化法操作比 较简便、除氮效率稳定，比较适合于高含氮废水的处理。但物化法脱氮容易逸出氨气， 会对空气造成二次污染，另外，物化法一般运行费用也比较高。而生物脱氮利用废水 中氨化细菌、氨氧化细菌、硝酸盐氧化细菌和硝化菌等各种生态类型的自养菌和异养 菌，协同作用，渐次将废水中各种形态的氮素污染物分别经过氨化、亚硝化、硝化和 反硝化作用，最终转化为氮气，处理效率较高且运行成本比较低，因而是一种比较经 济有效的脱氮方法。 传统生物脱氮过程首先是废水中的含氮有机物在生物处理过程中被异养型微生 物氧化分解，转化为氨氮；然后由自养型硝化细菌将其转化为硝酸盐氮；最后再由反 硝化细菌将硝酸盐氮还原转化为氮气，从而达到脱氮的目的。生物脱氮途径一般包括 氨化、硝化和反硝化三个阶段【2 1 。 2 济南人学硕一 = 学位论文 曼曼曼曼曼皇! 皇曼曼! 皇曼曼曼曼! i i 一l _ 一一 一 一 _ ； i_ 一i 一曼i 废水中的有机氮化合物在氨化菌的作用下，分解转化为氨氮，这过程称之为“氨 化反应”。氨化反应不论是在好氧条件还是在厌氧条件下，中性、碱性还是酸性环境 中都能进行，只是作用的微生物种类不同。 硝化反应是在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化。分两个阶段进行，首先 在氨氧化细菌的作用下，使氨转化为亚硝酸盐氮。继之，亚硝酸盐氮在亚硝酸盐氧化 细菌的作用下，进一步转化为硝酸盐氮。硝化反应必须在好氧条件下才能进行。氨氧 化细菌包括亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属等；亚硝酸盐氧化细菌包括硝酸盐杆 菌属、螺旋菌属和球菌属等。氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌统称为硝化菌，这类细 菌的生理活动不需要有机性营养物质，主要从c 0 2 获取碳源，从无机物的氧化中获 取能量。两类菌的特征如表1 1 f 5 j o 表1 - 1 氨氧化细菌和弧硝酸盐氧化细菌的特征 t a b l el 一1c h a r a c t e r i s t i c so fa m m o n i a o x i d i z i n gb a c t e r i aa n dn i t r i t e - o x i d i z i n gb a c t e r i a 硝化菌对环境的变化很敏感，为了使硝化反应进行正常，就必须保持硝化菌所需 要的环境条件，主要包括：1 ) 严格的好氧条件；2 ) 混合液中有机物含量不应过高， b o d 值应在1 5 - - - - 2 0m g l 以下；3 ) 适宜的温度2 0 - 3 0 ；4 ) 合适的p h 值，最佳 p h 值是8 0 - - - 8 4 ；5 ) 一定的生物固体平均停留时间。 反硝化作用是指硝酸盐氮( n o 卜- n ) 和亚硝酸盐氮( n 0 2 - _ n ) 在反硝化菌的作 用下，被还原为气态氮( n 2 ) 的过程。反应在无分子氧的状态下进行。反硝化细菌包 括假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌等。它们多是兼性的，在溶解氧 3 剩余污泥剩余污泥剩余污泥 图1 - 1 传统活性污泥法脱氮工艺 f i g 1 - 1n i t r o g e nr e m o v a li nc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s 第一级曝气池为一般的二级处理曝气池，其主要功能是去除b o d 、c o d ，使有 4 济南大学硕l j 学位论文 机氮转化，形成n h 3 、n h 4 + ，即完成氨化过程。经过沉淀后，污水进入硝化曝气池， 进入硝化曝气池的污水，b o d 5 值已降至1 5 - - 一2 0m g l 较低的程度。 第二级硝化曝气池，在这里进行硝化反应，使n h 3 及n h 4 + 氧化为n 0 3 - n 。硝 化反应要消耗碱度，因此，需要投碱，以防p h 值下降。 第三级为反硝化反应器，这里在缺氧条件下，n o 产n 还原为气态n 2 ，并逸往大 气，在这一级应采取厌氧一缺氧交替的运行方式。碳源，既可投加c h 3 0 h ( 甲醇) 作为外投碳源，亦可引入原污水充作碳源。 这种系统的优点是有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌，分别在各自反应器内生长 增殖，环境条件适宜，而且各自回流在沉淀池分离的污泥，反应速度快而且比较彻底。 但处理设备多，造价高，管理不够方便。 1 1 3 2 缺氧一好氧活性污泥法脱氮系统 缺氧一好氧活性污泥法脱氮系统，即a o 法脱氮工艺，是在8 0 年代初开创的工 艺流程，其主要特点是将反硝化反应器放置在系统之首，故又称为前置反硝化生物脱 氮系统，这是目前采用比较广泛的一种脱氮工艺，其工艺流程图如下 2 1 。 l 泥 图l - 2 分建式缺氧好氧活性污泥脱氮系统 f i g 1 - 2n i t r o g e nr e m o v a li na n o x i c - o x i cp r o c e s s 分建式缺氧一好氧活性污泥脱氮系统，即反硝化、硝化与b o d 去除分别在两座 不同的反应器内进行。 5 硝化反应是在有氧条件下完成的，曝气会需要大量的能耗，增加运行成本。 反硝化过程需要一定的有机物作为碳源，而废水中的c o d 经过曝气阶段将大 部分被去除，因此反硝化时往往需要另外投加甲醇等作为碳源，会增加运行费用。 为维持系统内较高的生物浓度以便获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回 流和硝化液回流，动力消耗及运行费用高。 抗冲击负荷能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制亚硝酸盐氧化细菌的生 长。 研究发现，自然界存在一些超出人们传统认识的氮素生物转化现象，如硝化过程 不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以参与硝化作用1 0 】；某些微生物在好氧条件下也 可以进行反硝化作用【l l 】；厌氧反应器中氨氮减少等。这些发现为水处理工作者设计处 理工艺提供了新的理论和思路，涌现出了诸如短程硝化一反硝化、厌氧氨氧化、同时 6 济南大学硕f j 学位论文 硝化反硝化、s h a r o n 工艺、o l a n d 工艺、c a n o n 工艺等新型脱氮技术。 1 1 4 1 短程硝化一反硝化( s h o r t c u tn i t f i f i e a t i o n d e n i t r i f i e a t i o n ) 亚硝酸盐氮是硝化过程和反硝化过程的中间产物，短程硝化的基本原理是将氨氮 氧化控制在亚硝化阶段，然后直接通过反硝化作用将亚硝酸氮还原为氮气，整个过程 较全程硝化反硝化时间大大缩短。 短程硝化发生的标志是反应器中出现了持续稳定的亚硝酸盐累积，一般要求硝化 产物中n 0 2 - ( n o z - - + n 0 3 - ) 值大于0 5 。与传统硝化反硝化方法相比，短程硝化反硝 化具有以下几个优剧1 1 。1 3 j ：1 ) 节约2 5 左右的需氧量；2 ) 减少了约4 0 的碳源需求； 3 ) 反硝化速率提高6 0 左右；4 ) 减少5 0 左右的污泥产量；5 ) 反应器容积可减少 3 0 , - - 一4 0 ；6 ) 降低碱度需求。 短程生物脱氮工艺尤其适用于低碳氮比、高氨氮、高p h 值和高碱度废水的处理。 辔 1 1 4 2 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) a n a m m o x 工艺是由d e l f t 大学1 9 9 0 年开发的一种新型脱氮工艺【1 4 1 ，主要是在 厌氧条件下，以n 0 3 - f t ：i jn 0 2 - 为电子最终受体将氨转化为n 2 【9 】。无需供氧和外加碳源， 也不用额外投加酸碱中和试剂，运行能耗低，还避免了因投加中和试剂有可能造成的 二次污染问题。但是目前厌氧氨氧化的反应机理尚不明确，主要用于处理较高浓度的 掣 强 氨氮废水，如污泥消化池上清液、垃圾填埋场渗滤液等，还缺少工艺生产性规模的工 程实例，能否长时间可靠稳定运行还有待进一步探讨f 1 5 1 。另外，j e t t e m 等利用 s h a r o n 反应器的出水作为a n a m m o x 流化床反应器的进水，研究了污泥消化液 的脱氮过程，试验中发现氨氮去除率可以达到8 3 。然而，低生物产量需要处理系统 能够有效地控制污泥停留时间，因此，系统启动期较长【1 7 1 。 1 1 4 3 同步硝化反硝化( s n d ) 同步硝化反硝化( s n d ) 是指硝化一反硝化同时发生在同一反应器空间的脱氮现 象，是在传统生物脱氮理论基础上发展起来的新型工艺。该工艺的出现使传统生物脱 氮工艺流程得以简化，减少了反应器体积和占地面积【1 8 l ，为降低投资提供了可能。 目前，对同步硝化反硝化机理的研究仍处于探索阶段，一般认为出现短程硝化反 硝化的原因有二：第一，反应器内溶解氧分布不均匀。在宏观上，反应器内不同部位 会因为曝气混合不均匀而形成缺氧一好氧区域，分别形成反硝化菌和硝化菌的优势群 7 段，由于此时反应器缺乏足够的溶解氧作为最终电子受体，新生成的亚硝酸盐氮以未 反应的氨氮离子为电子受体，本身被还原形成n 2 ，该反应是亚硝化菌( n i t r o s o m o n a s ) 催化的亚硝酸盐氮的歧化反应【2 2 。2 3 1 。o l a n d 工艺可在2 2 3 0 的温度下稳定运行。 然而，o l a n d 工艺的亚硝酸盐积累是通过控制溶解氧实现的，因而容易造成活性污 泥解体和污泥膨胀，并严重影响污泥的沉降性能【2 2 1 。厌氧氨氧化细菌生长非常缓慢， 反应器启动时间较长【2 4 】。 1 1 4 6c a n o n 工艺 c a n o n ( c o m p l e t e l ya u t o t r o p h i cn i t r o g e nr e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 工艺主要通过控 制单个反应器或生物膜内d o 的浓度，形成同时满足氨氧化细菌和厌氧氨氧化菌群的 生态环境，进而实现短程反硝化和厌氧氨氧化【2 5 1 。c a n o n 工艺中控制氨氮浓度和 8 济南大学硕士学位论文 d o 是保证工艺运行的两个关键因素。该工艺占地面积小，运行能耗低，但是出水中 亚硝酸盐含量仍然很高【2 l 】，尚无典型工程实例。 1 1 5 短程硝化的影响因素及问题 短程硝化反硝化的概念是由v o e t 首先提出的【2 6 1 ，1 9 8 6 年s u t h e r s o n 等鲫经小 试研究证实了经亚硝酸盐途径进行生物脱氮的可行性。短程硝化的实现受很多因素的 影响，主要有：游离氨( f r e ea m m o n i a ，f a ) 浓度，d o 浓度，p h 值，温度，污泥 龄，有机物浓度及有毒有害物质等。 1 1 5 1f a 浓度 一般认为控制f a 可以促进亚硝酸盐积累。a n t l l o i l i s 肌【2 8 1 认为，氨氧化细菌和亚 硝酸盐氧化细菌对高浓度f a 敏感度不同，因此，只要控制系统中f a 浓度介于氨氧 化细菌抑制浓度和亚硝酸盐氧化细菌抑制浓度之间，就可以使得氨氧化正常进行，而 亚硝酸氮氧化受到抑制，可促进形成亚硝酸盐积累。g r o e n e w e g 等发现【2 9 1 ，f a 对亚 硝酸盐氧化细菌的抑制浓度为0 1 1 0m g l ，而对氨氧化细菌的抑制浓度为1 0 , - - , 1 5 0 m g l 。当f a 浓度基于两者之间时，氨氧化细菌能正常增殖，而亚硝酸盐氧化细菌则 被抑制，因而会发生亚硝酸积累。不过，亚硝酸盐氧化细菌会逐渐适应f a 的毒性， 因此f a 的抑制作用会逐渐减弱，乃至消失。因此，单纯依靠提高f a 浓度，很难实 现长期稳定的亚硝酸盐积累【3 0 1 。 1 1 5 2d o 浓度 亚硝酸盐积累也可以通过控制d o 浓度来实现。h a n a k i 等【3 l 】发现，氨氧化细菌 和亚硝酸盐氧化细菌的增殖速率在d o 浓度小于0 5m g l 时都会受到抑制，但是此时 前者增殖速率约为正常时的6 0 ，而后者则不足正常值的3 0 ，表明氨氧化细菌对 有限d o 的竞争力强于亚硝酸盐氧化细菌。因此，控制溶解氧供应可以实现亚硝酸盐 积累。b g m e t 3 2 1 等控制生物膜反应器d o 在0 5m 班以下，亚硝酸盐积累率高达9 0 以上。r u i z 等【3 3 1 发现：当d o 降低到1 4m g l 时，反应器内开始出现亚硝酸盐积累； d o 降至0 7m g l 时，亚硝酸盐积累达到最大值。张小玲蚓和白璐嗍分别在s b r 反 应器中也证实了低d o 下，可实现亚硝酸积累。o l a n d 工艺的技术核心就是利用亚 硝酸盐氧化细菌和氨氧化细菌动力学特性差异，通过控制d o 浓度，使硝化过程仅进 行到亚硝酸盐阶段，实现短程硝化【2 2 1 。显然，控制d o 浓度来实现短程硝化的缺点在 9 1 1 5 4 温度 水温不仅影响微生物的活性，还间接影响污水的d o 浓度和p h 值。一般认为， 生物硝化反应在4 - - 4 5 内均可进行，适宜温度为2 0 - 3 0 。由于氨氧化细菌与亚 硝酸盐氧化细菌生长的最适宜温度不同【3 8 】，超过2 5 时，硝化反应速率会降低，亚 硝化反应速率将增大，所以当温度超过3 0 时，可以形成亚硝酸盐的积累【3 9 1 。 s h a r o n 工艺为实现短程硝化反硝化而将温度控制在3 0 3 5 c t l l 】。由于较高的温度 要求会使得处理占大多数的城市生活废水变得不现实，近年来研究者大都把目光集中 到常温下如何实现长期稳定的短程硝化的研究上。支霞辉等 4 0 l 、陈韬【4 1 1 分别用试验 证实了s b r 工艺和a o 工艺在常温下实现短程硝化的可行性。 1 1 5 5 泥龄 氨氧化细菌的世代周期比亚硝酸盐氧化细菌的世代周期短，因此，可以通过控制 污泥龄，使系统中亚硝酸盐氧化细菌逐渐被淘汰，氨氧化细菌占据生态优势，从而促 进亚硝酸盐积累。s h a r o nt 艺就是在较高温度的条件下控制泥龄，从而保证硝化 反应停留在亚硝酸阶段刚。蒋轶锋【4 2 1 控制问歇曝气硝化系统的泥龄小于5 天，亚硝 酸盐累积可达8 0 以上。范建华【4 3 1 通过控制s b r 工艺泥龄，亚硝酸盐积累率保持在 1 0 就环境适应性而言，亚硝酸盐氧化细菌比氨氧化细菌更慢一些，所以容易受有毒 有害物质抑制。通常重金属、酚、氰、高浓度的氨氮、高浓度的n o x - n 、有机底物 及络合阳离子等会对硝化微生物起到抑制作用【蛔。宋学起等在通过以冲击性和连续性 方式投加氯，在生物膜反应器中实现了短程硝化【4 7 1 ，并发现通过外加氯可实现对亚硝 酸盐氧化细菌和氨氧化细菌的选择性抑常, j t 4 8 1 。值得注意的是【4 9 1 ，即使同时接触到高 浓度有机物、酚、氰及f a 等多重抑制物，亚硝酸盐氧化细菌驯化后仍有一定的适应 性。 1 1 6 曝气生物滤池 1 1 6 1 产生及发展 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ，b a f ) 工艺是一种综合了生物氧化、物 理截留于一体的新型污水生物处理技术。在滤池内部装填颗粒状生物滤料，通过接种 等方式，使其表面生长生物膜，当污水流过滤料层时，通过有效地过滤截留和生物降 解，废水中的固体悬浮物和有机物等得以去除和降解。 世界上首座b a f 投产于1 9 8 1 年，目前在欧美国家得到了广泛使用。由东北市政 院设计的大连市马栏河污水处理厂是我国第一个采用b a f 工艺的城市污水处理厂， 随后陆续设计建设了广东新会东郊污水处理厂、沈阳仙女河污水厂，其主体处理技术 也采用了水解曝气生物滤