（土木工程专业论文）分段进水耦合生物反应器污水处理及污泥减量效能的研究.pdf

一 独创性声明 | | | | i | l i | | | i i i 川i | | i | i | i f i | l | 洲 y 17 8 8 2 2 4 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：蚴 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) 张融新豁簦吼2 幽量；q ，；f人 摘要 摘要 污水生物处理技术在污水净化进程中一直发挥着巨大的作用。但其主要缺点 之一是污泥产量大，污泥处理及最终处置，需要大量的基建投资和高昂的运行费 用。目前有9 0 以上的污泥得不到及时有效的处理、处置，很多有污泥处理设 施的污水厂也已没有地方来储放污泥，从而导致污泥的二次污染。因此，在保证 污水处理系统正常运行效果的同时，如果能够在系统内部实现对剩余污泥的减 量，不但节省了大量的污泥处理和处置费用，同时也符合清洁生产的要求，即从 源头控制，消减了最终排出系统的污泥量。 本文结合生活污水处理，从污水处理中污泥产生的源头出发，利用分段进水 耦合生物反应器，采用复合流离球多孔微生物载体，考察反应器对生活污水处理 性能及污泥减量的效能。 试验研究表明：分段进水耦合式生物反应器对有机物有很好的去除效果并且 有较好的污泥减量效果，在进水c o d 负荷为o 5 5 k ( m 3 d ) 1 2 0 蚝1 ( m 3 d ) 时， 出水c o d 均在4 5 m 班以下，可见系统对有机物负荷具有很好的抗冲击能力； 进水流量分配比、h i 玎、d o 浓度、温度和回流比对耦合式生物反应器的污水处 理及污泥减量效率均有影响，在本试验研究的各参数变化范围内，当分段进水流 量分配比3 ：4 ：3 的条件下，水温为2 5 ，水力停留时间h r t = 1 l h ，溶解氧 d o ：4 o m l ，回流比r 孑1 时，反应器对c o d 、n h 4 + _ n 和t n 的平均去除率分 别为9 1 4 、9 5 2 和7 5 3 ，达到了很好的污水处理效果。本论文还对各个工 况下的系统的污泥产率作了测定分析，试验结果表明，耦合生物反应器具有良好 的污泥减量效果，在最佳工况运行的条件下，反应器污泥产率为 0 1 0 2 k g m l s s l ( g c o d ，较一点进水时耦合生物反应器最佳工况运行下的污泥产 率0 0 6 2k g m l s s l c g c 0 d 高，但仍比常规活性污泥法污泥产率o 4 k g m l s s l 唱c o d 减少7 5 ，减量效果显著。 关键词：生活污水；分段进水；脱氮；污泥减量 北京t 、i p 大学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t b i o l o 百c a l 仃e a t i l l c l l to fs e 、a g ei nn l es e w a g ep 埘f i c a t i o np r o c 岛sh 弱p l a ) ，e dah u g er o l c o n eo fi t sm a j o rw e a k n e s s e si st l l es l u d g e 姐e l d ，h u g ei ti ni l l 矗砸仃u c t u r e 锄dh i g l lo 妒 r a t i i l gc o s t sa r cn e e d e di i ls l u d g e 吮a 乜n e l l t 锄df i n a ld i s p o s a l c 啪饥t l y ，m o r et l l 跚9 0 o ft h e s l u d g eh a sn o tg o tt i l l l e l y 锄de 珏酚t i v e 蚋e a n l l e n t 锄dd i s p o s a l ，a n dal o to fw 勰t c w a 玉e r 由r e a 协1 e n t p l a n t se q u i p p e d w i t l ls l u d g e 缸e a 缸n e n tf a c i l i t i 骼a l s oh a 、，en op l a c et os t o r em e s l u d g e ，s l u d g e s e c o n d a r yp o l l u t i o nw 嬲c a u s e d i ft l l er 锄l a i n i i l gs l u d g er e d u c t i o nc o u l db ea c h i e v e dw i t h i nt h e s y s t 锄、) i ，_ h i l e 饥s 诚n gn o 衄a lo p e 豫t i o no fw 舔t 创咖仃e a t r n e n t ，w l l i c hn o t0 n l ys a 、，eal o to f s l u d g e 蛐吼t 锄dd i s p o s a lc o s t s ，b u ta l s oa c c o r d 研t l lm er e q u i r 锄e i l t so fc l e a n e rp r o d u c t i o n t h a t st 0s a y ，t l l e 锄o u n to fs l u d g er c m o w 沮缸a l l y 丘o ms y s t 啪w 弱r e d u c e df b mt l l es o u r c e c o n t r 0 1 i i lt l l i sp a p e r ，c o m b i i l i i 喀s e w a g e 仃e a h n e n t ，p o r o u sc 硎e r sw e r eu s c dt oi l w e s t i g a t em e 仃e a t m e n te f 董c c to fd o m e s t i cs e w a g ea i l ds l u d g er e d u c t i o ne f f 醯t r o mt h es o u r c eo fs l u 趣e ) ，i e l d e di na c o u p l i n gb i o r e a c t o r t h er e s u l t ss h o w e dm a t ：m ec o u p l i n gb i o r e a c t o rh a dag o o de f f e c ta to 略a n i c 馓n o v a la n d s h l d g e d u c t i o n w h 即t l l ei n n u e n “o a d i i l go f c o d w 勰t0 5 5 k g ( m3 d ) 1 2 0k g ( m3 d ) ， m ee 用u 饥tc o dw e 托b e l o w4 5 m g lb e l o w i ts h 0 、张dt l l a tt l l es y s t 锄h a dag o o da b i l 时t o c o d l o a d i n gs h o c k t h ee 伍c i e l l c yo fs e w a g e 仃e a n i l e n t 锄ds l u d g er e d u c t i o no fm ec o u p l i n g b i o r e a c t o ri si n n u e n c e db ym 锄yp 猢n e t e r s ，跚c h 部w a t e rd i s t r i b u t i o nm t i o ，h r t d o c o n c e n n l a t i o n ，t 锄p e r a t l l 托a n dr e f l u xr a t i o i l lm i ss t i l d mw h e nt l l es u b i n n u e n tn o wd i s 仃i b u t i o n m t i ow a s3 ：4 ：3 ，w a t e rt 锄p e r a t i l r ew a s2 5 ，t h el l y d r a u l i cr e t e i l t i o nt i m eh r t w 鹊l l h ，d ow 勰 4 o m g l ，r e n u ) 【r a t i ow 弱l ，t l l er e a c t o rc o d ，t 1 1 ea v e r a g e 掀n o v a le m c i e i l c yo f n h 4 + n 觚dt n 、) i r 船a b o u t9 1 4 ，9 5 2 锄d7 5 3 r e s p e c t i v c l y ，r e a c h i n g9 0 0 ds e w a g e 仃e 砌e n te 妇融t i n a d d i t i o n ，t h es l u d g e ) ，i e l do ft l l ec o u p l i n gb i o r e a c t o ri 1 1d i f f 晌tp r o c e s sw e 糟m e 嬲l m 亭da n d 锄a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es l u 电er e d u c t i o ne 仃e c tw a se x c e l l e l l t 、) l ，i t l l0 1 0 2 k g m l s s l 【g c o di nm eb 懿tc o n d i t i o n i tw a sh i g h e rt h a i lp o i n t - w a ye m u e i l tc o u p l i n gb i o r e a c t o rw r h o s e s l u d g ey i e l dw 嬲0 0 6 2k gm l s s l 【gc o d ，b u ti ts t i uw 勰7 5 l 髓st l l a nc o n v 朗t i o n a la c t i t e d s l u d g ew r h o s es l u ( k ey i e l dw 弱0 4 k g m l s s l ( gc o d t h e 础u c t i o ne f r e c tw 鹳r e m a 妇b l e k e y w o r d s ：s e w a g e ；s t 印f e e d ；d e n i t r i f i c a t i o n ；s l u d g er e d u c t i o i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景一l 1 2 污水处理原理及方法2 1 2 1 污水生物处理的原理2 1 2 2 活性污泥法2 1 2 3 生物膜法3 1 2 4 活性污泥与生物膜的复合工艺4 1 3 污水生物脱氮技术一4 1 3 5 生物脱氮原理4 1 3 6 传统生物脱氮技术5 1 3 7 新型生物脱氮技术：一6 1 4 污泥减量理论与技术研究的现状与发展8 1 4 1 污泥减量化理论基础8 1 4 2 基于解偶联代谢的污泥减量技术9 1 4 3 基于内源呼吸代谢的污泥减量技术。1 1 1 4 4 基于微型动物捕食作用的污泥减量技术1 2 1 5 课题研究的主要技术路线及内容1 2 1 5 1 技术路线。1 2 1 5 2 研究内容13 第2 章试验装置与方法1 5 2 1 多孔微生物载体1 5 2 2 流离原理及反应器构建15 2 3 试验装置1 6 2 3 1 分段进水耦合生物反应器16 2 4 原水水质17 2 5 分析项目与检测方法1 7 第3 章分段进水耦合生物反应器污水处理效果的研究18 3 1 分段进水耦合生物反应器的启动18 北京丁j i 业大学丁学硕士学位论文 3 1 1 分段进水耦合生物反应器的挂膜启动1 8 3 1 2 反应器启动初期运行效果及分析18 3 1 3 试验的运行与控制2 0 3 2 流量分配比去处理反应器处理效果的影响2 0 3 2 4 引言2 0 3 2 5 运行参数2 1 3 2 6 不同流量分配比下n h 4 + n 的沿程变化2 1 3 2 7 不同流量分配比下n o x 一n 的沿程变化2 2 3 2 8 不同流量分配比下t n 的去除情况2 3 3 3h r t 对分段进水耦合生物反应器处理效果的影响2 4 3 3 1 不同h i 玎下有机物去除的沿程变化2 4 3 3 2 不同h l 玎下n h 4 + - n ，n o x 一- n 的沿程变化2 4 3 3 3 不同h i 盯下对t n 的去除2 6 3 4 溶解氧浓度对分段进水耦合生物反应器处理效果的影响2 7 3 4 1 引言2 7 3 4 2 不同d o 浓度下有机物去除的沿程变化2 8 3 4 3 不同d o 浓度下n h 4 + - n 沿程变化。2 9 3 4 4 不同d o 浓度下对硝化效果的影响2 9 3 4 5 不同d o 浓度对t n 去除效果的影响3 0 3 5 温度对分段进水耦合生物反应器处理效果的影响3 1 3 5 1 引言3 l 3 5 2 温度对有机物降解的影响3 2 3 6 回流比对分段进水耦合生物反应器处理效果的影响3 2 3 7 碱度的指示作用3 4 3 8 对分段进水耦合生物反应器脱氮机理的探讨3 4 3 9 本章小结3 6 第4 章分段进水耦合生物反应器污水减量效果的研究3 8 4 1 引言3 8 4 2 污泥表观产率的考察3 8 4 2 1 流量分配比对污泥产率的影响3 8 4 2 2 进水有机负荷对污泥产率的影响3 9 4 2 3 溶解氧浓度对污泥产率的影响4 0 4 2 4 回流比对污泥产率的影响4 l i v 目录 4 3 污泥减量效果的理论分析4 4 4 3 5 载体对固态悬浮物质的截留和分解4 4 4 3 6 丰富的生物相。4 8 4 4 本章小结5 0 结论5 2 参考文献。5 5 攻读硕士学位期间所发表的学术论文一6 l 致谢6 3 一v 一 一v i 一 - - 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 水是人类赖以生存和社会发展的宝贵的自然资源。没有水，就没有生命，也 就没有我们生活的世界。我国是一个水资源短缺的国家。人均水资源只有世界平 均水平的四分之一( 约为2 2 0 0 m 3 ) ，低于人均3 0 0 0 m 3 的轻度缺水标准，是世界 上1 3 个贫水国之一。水污染更加重了水资源危机，造成水污染的主要原因是城市 污水和工业废水的排放，并且全国污水排放总量每年呈递增趋势。随着我国社会经 济的快速发展，工业化和城市化程度的不断提高，我国的水环境污染和水质富营 养化状况越来越严重，许多湖泊水体已不能发挥其正常功能而严重地影响了工农 业和渔业生产，越来越严重地阻碍着我国国民经济的发展。因此，控制水体的富 营养化问题，已经提到我国水污染控制的议事同程上j 。氮素是造成水体富营养 化的主要污染物，对排放的污水中总氮的含量控制水体富营养化，防止水体污染 的最基本措施就是对污染源进行治理，控制污染物的排放量，使污水厂出水中的 氮、磷含量必须达到一定标准【2 】。而且无论在国内还是在国外，此标准日趋严格。 我国颁布的污水排放标准g b 8 9 7 8 1 9 9 6 要求污水厂出水中氮的含量据接纳水体 的等级为1 0 m l 以下【3 】，因此无论是新建的污水厂还是已有的污水厂都面临着 污水脱氮的要求【4 j 。 目前去除污水中氮的主要方法有：选择性离子交换法、空气吹脱法、折点氯 化法、磷酸氨镁沉淀法、生物脱氮法等，普遍认为生物脱氮法最为经济有划副。 在生物脱氮工艺中，分段进水生物脱氮工艺是近年来快速开发的生物脱氮新工艺 【6 - 1 2 1 ，这种工艺的优点是所需池容较小、脱氮效率高、运行管理方便。相对于传 统活性污泥工艺，采用分段进水具有如下优点：1 ) 污水分段进入，提高了反应 器对有机负荷大幅改变的适应能力；2 ) 有机底物沿池长均匀分布，在处理低碳 氮比污水上可以充分利用污水碳源，利于反硝化的进行，并且负荷均衡，即一定 程度上减小了供氧速率与耗氧速率之间的差距，有利于降低能耗，又可以充分发 挥污泥中微生物的降解功能；3 ) 反应器中活性污泥浓度沿池长逐步降低，出流 混合液浓度较低，有利于降低二沉池的负荷，有利于提高二沉池的固液分离效果， 提高出水水质；4 ) 污泥回流至首端而污水分段进入，使污泥浓度成梯度排列， 系统的分段进水的前面几段固体储存量较大，故可减少在暴雨季节活性污泥被冲 北京工、i k 大学工学硕士学位论文 失的危险；5 ) 污水在空间上间接地经历缺氧好氧缺氧好氧的环境，能够有效 地抑制丝状菌的生长与繁殖，较好地防止了丝状菌污泥膨胀的发生【1 3 讲】。由于分 段进水工艺具有以上这些优点，分段进水生物脱氮工艺对于新建以及对旧的污水 厂进行升级改造以达到脱氮目的等方面具有很大优势。 污水生物处理技术在污水净化进程中一直发挥着巨大的作用。但其主要的弱 点之一是污泥产量大。活性污泥法剩余活性污泥的产率约为 1 o 1 5 k g s s k g b o d 【2 5 加】。污泥处理及最终处置，需要大量的基建投资和高昂的运 行费用【2 磁8 1 。据统计，我国城市污水处理厂目前已逾千座，全国干质污泥产量约 为8 0 0 0 t d ，湿污泥约为4 0 0 0 0 t d ( 含水率8 0 ) ，随着污水处理率的提高和处理程 度得深化污泥产量还将进一步增加。目前有9 0 以上的污泥得不到及时有效的处 理、处置，很多有污泥处理设施的污水厂也已没有地方来储放污泥，从而导致污 泥的二次污染。 因此，从提高污水处理效果和污泥减量两个技术方面，从降低造价和节省能 耗与运行费的经济方面，都迫切需要开展城市污水生物处理过程中的污泥减量技 术研究，这已成为我国污水污泥处理处置领域的当务之急。 综上所述，本课题结合生活污水的处理，从污水处理中污泥产生的源头出发， 采用分段进水耦合生物反应器，填加复合流离球多孔微生物载体，考察反应器对 生活污水的处理性能以及污泥减量的效果。对于多孔微生物载体这种新型工艺的 应用前景、指导设计和生产实践都具有十分重要的意义。 1 2 污水处理原理及方法 1 2 1 污水生物处理的原理 污水生物处理法就是利用微生物的代谢作用，使污水中的有机污染物转化为 稳定的、无害的物质，从而达到净化水体的目的。根据微生物对氧需求的不同， 大致可分为两大类：利用好氧微生物来去除有机物的好氧法和利用厌氧微生物来 去除有机物的厌氧法。根据微生物在水中附着状态的不同，生物处理法又可分为 活性污泥法和生物膜法。这些处理方法在利用微生物处理污水的过程中，伴随着 微生物代谢产物污泥的产生，产生的污泥在二沉池经历絮凝沉淀的过程，达到泥 水分离，下沉形成多余污泥，这些污泥成为剩余污泥。 1 2 2 活性污泥法 活性污泥法是应用最早的利用生物处理污水的方法，活性污泥由多种好氧微 一2 一 第1 章绪论 生物和兼性微生物及其分泌物与污水中有机物和无机固体物质结合在一起而形 成的絮状生物群落，主要由细菌、真菌、原生动物和后生动物组成，其中细菌对 净化水质起主要作用。 活性污泥工艺具有处理能力大、效率高和出水水质好的优点，其各种变形工 艺也具有较好的脱氮除磷性能，在城市污水处理厂中得到了广泛的应用；其缺点 就是运行不稳定、易产生污泥膨胀、污泥产量较大，并且对低浓度污水的处理效 果较差。硝化菌世代周期长、比增长速率小，在活性污泥处理系统中，此类菌难 以占有优势，限制了系统对氮的去除能力，因此为了保持有足够的硝化菌数量和 取得较好的脱氮效果，在运行过程中经常要控制较长的污泥龄和很低的氮负荷， 系统耐冲击负荷的能力较差，从而限制了活性污泥法的脱氮能力【2 9 1 。因此近2 0 年来，研究者对活性污泥法本身改进的同时，又致力于寻找传统活性污泥法的替 代工艺或革新处理技术。 1 2 3 生物膜法 污水的生物膜处理法是与活性污泥法并列的一种污水好氧微生物处理技术。 这种处理方法的实质就是使细菌和菌类一类的微生物和原生动物、后生动物一类 的微型动物附着在滤料或载体上生长繁育，并在其上形成膜状生物污泥生物 膜。污水与生物膜接触，污水中的有机污染物，作为营养物质，被生物膜上的微 生物所摄取，污水得到净化，微生物自身也得到增值。 根据c h a r a c k l i s 【刈和h e i i n c i l 【3 l j 等的研究，认为生物膜的累积形成是物理、 化学和生物过程综合作用的结果，经历如下几个过程： 1 ) 有机物分子从水相中向载体表面运送，其中部分被吸附在载体的表面从 而形成了改性的载体。 2 ) 水中悬浮生长的微生物细胞被传送到改性的载体表面，其中一部分微生 物细胞在吸附一段时间后因为水力剪切或者其它物理、化学和生物作用又被解吸 出来，而剩下的一部分则变成了不可解吸的微生物细胞而停留在载体上。 3 ) 这部分不可解吸的微生物细胞摄取并消耗水中的有机底物，在实现自身增 殖生长的同时，细胞也产生大量的胞外聚合物，这些聚合物进一步将微生物细胞 紧紧地结合在一起而形成生物膜，微生物细胞不断地消耗水中有机底物进行新陈 代谢，从而使得生物膜不断累积增厚。 4 ) 在生物膜累积的同时，由于水力剪切或者其它物理、化学和生物作用，不 断向水体中释放游离的微生物细胞。由此可见，认为微生物在载体表面上形成固 定化生物膜的过程是一个动态的过程，受吸附、生长、脱落的影响。 迄今为止，属于生物膜处理法的工艺有生物滤池( 普通生物滤池、高负荷生 北京工! 此大学t 学硕十学位论文 物滤池、塔式生物滤池以及其它新型生物滤池等) 、生物转盘、生物接触氧化和 生物流化床等。生物滤池属于仍在发展中的污水生物处理技术，而后三者则是近 几十年来开发的新处理工艺。 1 2 4 活性污泥与生物膜的复合工艺 生物膜法因其生物相较丰富，生物的食物链长，微生物存活的世代时间较长 并具有较高的硝化和反硝化能力，反应器处理效率高，耐冲击负荷等优点，近年 来被复合到活性污泥法工艺中，使得生物处理系统在去除有机污染物方面更为 有效【3 2 】。这种结合生物膜法和活性污泥法特点的生物处理系统被称为复合生物处 理系统【3 3 1 。 活性污泥和生物膜复合工艺即将载体直接投加到活性污泥工艺的反应池中， 此时反应池内的生物量由悬浮态污泥和附着态生物膜组成，这种方法可大幅度提 高反应池内的生物量，降低污泥负荷率，使本来不具备硝化能力的活性污泥系统 具备硝化能力，并且增加了系统抗冲击负荷的能力，减少了污泥产量。在传统 活性污泥法中较易孳生的丝状茵可被吸附于载体孔隙内或表面，这样既能发挥丝 状菌的强大净化能力，又能控制污泥膨胀、污泥上浮和流失给系统正常运行带来 的危害，有利于的系统稳定性运行。附着相微生物的存在，使系统中微生物的种 类更加多样化，增强对难降解污染物质的去除能力。 从上述的分析可以看出，活性污泥和生物膜复合工艺能够发挥出二者各自固 有的优点，提高系统运行的稳定性，解决现阶段城市污水处理厂存在的一些问题。 1 3 污水生物脱氮技术 1 3 5 生物脱氮原理 氮在污水中的主要存在形式有分子态氮、有机态氮、氨态氮、亚硝态氮和硝 态氮以及硫氰化物，而在未处理的原废水中有机态氮和氨态氮是氮的主要存在形 式，在一定的条件下各种形式的氮可以相互转化。 生物脱氮系统是一个复杂而丰富的微生物群落。它是由兼性厌氧微生物、好 氧异养微生物、亚硝化细菌、硝化细菌、反亚硝化细菌等种群共生而形成的微生 物群落。不同的微生物种群进行着不同的生物转化反应。 生物脱氮就是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为n 2 和n x o 气体 的过程。其中包括氨化、硝化和反硝化三个反应过程。其基本原理是，在传统二 级生物处理过程中污水中的含氮有机物首先被异养型微生物转化为氨氮，然后在 第1 章绪论 好氧条件下，通过好氧自养型硝化和亚硝化菌的作用，将废水中的氨氮氧化为亚 硝酸盐氮或硝酸盐氮，最后在缺氧条件下，利用反硝化细菌( 脱氮菌) 将亚硝酸盐 和硝酸盐转化为氮气从废水中逸出，从而达到脱氮的目的【3 4 。6 】。它被公认为是目 前废水脱氮处理中经济、有效的方法之一。 1 3 6 传统生物脱氮技术 1 3 6 1 氨化作用 在未经处理的新鲜废水中，氮主要是以有机氮，如蛋白质、尿素、胺类化合 物、氨基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也有少量的氨态氮，如n h 3 及 n h 4 + 等。氨基酸是梭酸分子中羟基上的氢原子被氨基( 一n h 2 ) 取代后的生成物， 蛋白质是氨基酸通过肽键结合的高分子化合物。蛋白质可以作为微生物的基质， 在蛋白质水解酶的催化作用下，蛋白质水解为氨基酸。蛋白质水解可以在细胞内 进行，也可以在细胞外进行。氨基酸在脱氨基酶作用下产生脱氨基作用，即从氨 基酸分子上去除一n h 2 原子团。脱氨基后的氨基酸进入三梭酸循环，参与各种合 成代谢和分解代谢。由此可以说明污水中的蛋白质和氨基酸在生物稳定化处理过 程中通过氨化作用转化为氨氮。这些有机氮化合物在氨化菌的作用下，分解、转 化为氨氮的过程称为氨化反应。 1 3 6 2 硝化作用 氨氮在有氧存在的情况下以氮作为电子受体，被微生物氧化成亚硝酸盐并进 一步被氧化成硝酸盐的过程称为生物硝化过程。硝化反应是由一群自养型好氧微 生物完成的，它包括两个基本反应步骤。第一阶段是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚 硝酸盐，称为亚硝化反应。亚硝酸菌中有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺旋杆菌属和 亚硝化球菌属等。第二阶段则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，称为硝 化反应。硝酸菌有硝酸杆菌属、螺旋杆菌属和球菌属等。亚硝酸菌和硝酸菌通称 为硝化菌，这类菌利用无机碳化合物如c 0 2 、c 0 3 卜、h c 0 3 一等作为碳源，通过 与n h 3 、n h 4 + 、n 0 2 一的氧化反应来获得能量。 1 3 6 3 反硝化作用 反硝化反应是由一群异养型微生物完成的生物化学过程。它的主要作用是在 缺氧( 无分子态氧) 的条件下，将在硝化过程中产生的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮还原 为气态氮州2 ) 。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 菌属等。它们多数是兼性细菌，有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物， 利用分子态氧作为最终电子受体。在无分子态氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐和 北京工、i k 大学工学硕士学位论文 亚硝酸盐中的n 5 + 和n 3 + 作为电子受体，0 2 + 作为受氢体生成h 2 0 和o h 一碱度，有 机物则作为碳源及电子供体提供能量。 反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异 化作用来完成的。异化作用就是将n 0 2 一和n 0 3 一还原为n o 、n 2 0 、n 2 等气体物 质，主要是n 2 。而同化作用是反硝化菌将n 0 2 一和n 0 3 一还原为n h 3 一n ，供新 细胞合成使用，使氮成为细胞质的成分，此过程可称为同化反硝化。 1 3 7 新型生物脱氮技术 根据传统的生物脱氮理论，硝化和反硝化反应不能同时发生，硝化反应在好 氧条件下进行，反硝化反应在缺氧条件下进行。但是，微生物极易随着环境条件 和基质的变化而发生变异【3 7 】，即在新基质或新的环境状况下，形成新的优势菌群， 微生物的这一特性为污水生物脱氮处理提供了广阔的想象空间。 近年来，国内外专家学者对生物脱氮的机理进行了较深入的研究，发现了生 物脱氮过程的硝化和反硝化已不再是两个完全独立的过程，它们不仅可以协同进 行，而且参与反应的微生物类型也呈现出多样化特征。许多研究表明：硝化反应 不仅可由自养菌完成，某些异养菌也可进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下 完成，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也 是异养硝化菌，并能将n h 4 + 氧化成n 0 2 。后直接进行反硝化反应【3 8 1 ，并探索出了 一些生物脱氮的新途径，如短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化等。 1 3 7 1 短程硝化反硝化用 短程硝化反硝化生物脱氮就是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，防止n 0 2 一 进一步硝化为n 0 3 一，然后直接进行反硝化。从生物脱氮基本原理来看，短程反 硝化亦属于传统生物脱氮的范畴，区别在于将传统的硝化过程控制在亚硝化阶 段，缩短了电子转化历程。与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有下列优 点：a ) 能降低能耗，硝化阶段可减少2 5 左右的需氧量；b ) 能降低运行费用， 反硝化阶段可减少4 0 左右的有机碳源；c ) 能缩短反应时间，反应器容积可减 少3 0 4 0 左右；d ) 具有较高的反硝化速率；e ) 使污泥产量降低；f ) 可减少 碱的投加量。 短程硝化反硝化实现的关键在于将n h 4 + 氧化控制在n 0 2 一阶段。因此，如何 持久稳定地维持较高浓度的n 0 2 一，以及影响n 0 2 一积累的因素便成为研究的重点 和热点。影响n 0 2 一积累的因素主要有：游离氨( f a ) 浓度：游离羟胺( f h ) 浓度； p h 值；溶哗氡、黻；温度；曝气时间；泥龄；有毒物质等，国内外一些学者在这方 面做过很好的研究【3 9 啦j 。 一6 一 第1 章绪论 1 3 7 2 同步硝化反硝化 传统观点认为硝化与反硝化反应不可能同时发生，近年来关于好氧反硝化菌 和异养硝化菌的发现，好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展，使得 同时进行硝化反硝化成为可能，并奠定了同步硝化反硝化( s n d ) 生物脱氮的理论 基础【4 3 舯】。在s n d 工艺中，硝化与反硝化反应在同一个反应器中同时完成。与 传统生物脱氮工艺相比，s n d 主要具有以下优点：a ) 节省了反应器体积；b ) 缩短 了反应时间；c ) 不需要酸碱中和。 目前，对s n d 生物脱氮的机理虽然还需有待进一步的了解与认识，但己初 步形成了三种解释：即宏观环境解释、微环境理论和生物学解释。 宏观环境解释认为h 5 j ：由于生物反应器的混合形态不均，如充氧装置的不同， 可在生物反应器内形成缺氧及厌氧段，此为生物反应器的大环境，即宏观环境。 例如，在生物膜反应器中，生物膜内可以存在缺氧区，硝化在有氧的膜上发生， 反硝化同时在缺氧的膜上发生。事实上，在生产规模的生物反应器中，整个反应 器都处于完全均匀混合状态的情况并不可能存在，菌胶团内部的溶解氧梯度目前 也已被广泛认同，使实现s n d 的缺氧厌氧环境可在菌胶团内部发生。 微环境理论是目前已被普遍接受的理论。微环境理论研究活性污泥和生物膜 的微环境中各种物质传递的变化，各类微生物的代谢活动及其相互生化作用，从 而导致微环境的物理、化学和生化条件或状态的变化。该理论认为【4 6 由于氧 扩散的限制，在微生物絮体内产生了溶解氧梯度，微生物絮体的外表面溶解氧浓 度较高，以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递的受阻及外部氧的大量 消耗，产生缺氧微环境，反硝化菌占优势；正是由于微生物絮体内缺氧微环境的 存在，导致了s n d 的发生。由于微生物的种群结构、基质的分布代谢活动和生 化反应的不均匀性，以及物质传递的变化等影响因素的相互作用，因此在微生物 絮体和生物膜内部会存在多种多样的微环境。一般而言，即使是在好氧性环境占 主导地位的微生物系统中，也会存在不同状态的微环境，系统中各种微环境的存 在相应的导致了部分s n d 的发生。由于缺氧微环境的形成有赖于系统中溶解氧 的浓度以及微生物絮体的结构特征，因此，控制系统中的溶解氧浓度和微生物的 絮体结构对能否进行s n d 及其发生的程度至关重要。 生物学方面对s n d 的解释突破了传统生物脱氮理论的认识。近年来，由于 好氧反硝化菌和异养硝化菌等的发现，打破了传统理论认为的硝化反应只能由自 养菌完成和反硝化反应只能在厌氧条件下进行的认识。对于好氧反硝化、低d o 下的硝化、异养硝化、自养反硝化等现象，近年来生物学上的发现和进展己经可 以给出令人满意的答案。好氧反硝化菌如1 1 l i o s p h a e r ap a l l t o 仃o p h 如p s e u d o m o n a s s p p ，a l c a l i g e n e sf a e c a l i s 等同时也是异养硝化菌，并因此能够直接地把n h 4 + 转化 北京t ! j k 大学t 学硕士学位论文 为最终气态产物而逸出。正是由于好氧反硝化菌、低d o 下的硝化菌、异养硝化 菌及自养反硝化菌等的存在，使得s n d 能够进行。 1 3 7 3 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 指在厌氧条件下，微生物直接以n h 4 + 作为电子供 体，以n 0 3 一或n 0 2 一作为电子受体，将n h 4 + 、n 0 3 一或n 0 2 一转变为n 2 的过程。 它是由厌氧氨氧化细菌诱导的生物化学转化过程，实现了厌氧条件下的氨氧化脱 氮。其生化反应方程式为： 5 n h 4 - + 3 n 0 3 。+ 4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 h + 由于a n a m m o x 过程是自养的，因此不需要另外投加碳源来支持反硝化反 应的发生。与传统的硝化反硝化工艺或同时硝化反硝化工艺相比，氨的厌氧氧化 具有不少突出的优点【4 8 】。主要表现在：a ) 无需另外加有机物作电子供体，既能节 省费用，又有防止二次污染；b ) 硝化反应每氧化1 m o l n h 4 + 耗氧2 m o l ，而在厌 氧氨氧化反应中，每氧化1 m 0 1 n h 4 + 只需要0 7 5 m o l 氧，耗氧下降6 2 5 ，供氧能 耗大为降低；c ) 传统的硝化反应氧化1 m o l n h 4 + 可产生2 m o l 旷，反硝化还原 1 m o l n 0 3 - 或n 0 2 一将产生1 m o l o h 一，氨厌氧氧化的生物产酸量大为下降，产碱量 降至为零，可以节省可观的中和试剂。 1 4 污泥减量理论与技术研究的现状与发展 活性污泥法的最大问题是产生大量的剩余污泥，还有其它的缺点：如占地面 积大、电耗高、管理复杂、对难降解物质的处理效果不佳、出水水质不够理想等。 目前剩余污泥多采用浓缩、厌气消化、脱水、最终处置的处理工艺，这就使得处 理工艺繁长，构筑物众多、占地面积大、投资和运行费用高，环境、经济效益差。 厌气消化虽是目前处理剩余污泥的有效方法，但污泥消化时间较长( 一般为2 0 3 0 天) ，消化池体积庞大，且不易操作，需控制温度，使得投资大、运行费用高， 而且还需解决污泥的最终处置问题。因此，近些年来污泥减量技术成为研究的热 点。 1 4 1 污泥减量化理论基础 腺苷三磷酸( a t p ) 不仅是能量的传递体，同时也是磷酸基团的载体，因而成 为分解代谢和合成代谢之间偶联的关键纽带。1 9 6 1 年p m i t c h e l l 提出化学渗透偶 联谢4 9 1 ，表明有机底物作为电子供体，经过一系列电子传递的过程，造成内膜的 细胞质侧和基质侧质子浓度梯度，这种质子浓度的跨膜梯度积蓄了电子传递过程 一8 一 第1 章绪论 所释放的能量，成为腺苷二磷酸( a d p ) 和无机磷酸合成a t p 的推动力。“解偶联 代谢 即为细菌的分解代谢和合成代谢不再由a t p 的合成与分解反应偶联在一 起，从而降低了微生物的合成量。s r o u t 锄e r 提出在以下5 种情况时微生物解偶 联生长可能发型5 0 】：1 ) 存在影响a t p 合成的物质，例如解偶联剂；2 ) 存在过 剩的能量，引起能量消耗，例如在高s 护( 底物浓度污泥浓度) 的条件下；3 ) 在 过渡时期( 非稳态) 生长；4 ) 在不适宜的温度下生长；5 ) 有限制性基质存在的情 况。其中前4 种是通过解除新陈代谢中的能量偶联达到的，第5 种是通过解除新 陈代谢中的物质偶联达到的。 微生物先分解代谢污水中有机底物，将其转化为二氧化碳和水，然后利用分 解代谢释放的能量进行合成代谢。当微生物用其自身细胞溶解产物作为底物并重 复上述新陈代谢时，那么产生污泥的量就会减少。这种微生物依靠自身细胞溶解 产物生长的方式称为内源呼吸代谢【5 。内源呼吸代谢的减量化技术主要采用物 理、化学、生物及其相互联合的手段促进细胞的溶解，以及投加一些特别的微生 物菌株、酶等以强化生物系统的新陈代谢功能。 1 4 2 基于解偶联代谢的污泥减量技术 在一般情况下，微生物的合成代谢是通过呼吸速率控制与底物的分解代谢进 行偶联的，当呼吸速率降低时，分解代谢和合成代谢将会发生解偶联，此时，微 生物在氧化底物的同时，用于合成代谢的能量减少，自身合成速度减慢，表观微 生物的产率系数降低，污泥产量减少。 1 4 2 1 投加解偶联剂 研究表明，解偶联剂的投加，对污泥微生物的表观产率系数会产生明显影响。 代谢解偶联剂的种类很多，但几乎都属亲脂性弱酸。用于污泥减量的解偶联剂有： 2 ，4 二硝基苯酚( d n p ) 、对硝基苯酚( p n p ) 、3 ，37 ，47 ，5 一四氯水杨酰苯胺( t c s ) 、 2 ，4 ，5 一三氯苯胺( t c p ) 、五氯苯酚( p c p ) 、甲酚和氨基酸等。目前关于解偶联 剂在污泥减量化技术中应用的报道很多。x u e 掣5 2 】在污水生物处理系统中对间氯 酚、对氯酚、间硝基酚和邻硝基酚四种解偶联剂进行了污泥减量试验，发现间氯 酚的效果最好，当其浓度为2 0 m l 时污泥减量约8 0 。c h e i l 等1 5 3 j 观察到在加入 质量浓度为o 8 m 班的t c s 后，污泥产量减少7 8 ，且对底物的去除效率没有 显著影响。s t r a m d 掣5 4 】测试了1 2 种代谢解偶联剂，发现这些解偶联剂中t c p 的 效率最高，t c p 的质量浓度为5 m l 时，能减少5 0 的污泥产量。叶芬霞等【5 5 】 报道t c s 以固体方式投加的效果优于液态投加，每天投加1 2 m g ，相当于液态质 量浓度1 m l ，可使污泥产量减少4 9 ，出水氨氮及总氮浓度均未受影响。 北京t j i 业大学工学硕十学位论文 投加解偶联剂可在不改变现有工艺的条件下达到污泥减量的目的。但也应该 清醒地认识到