（市政工程专业论文）移动床反应器同步硝化反硝化脱氮特性及机理研究.pdf

摘要 摘要 随着水体富营养化问题的同益突出、水质指标体系不断严格，废水脱氮问题 成为了水污染控制中的热点。传统多级分设备的生物脱氮工艺在废水脱氮方面应 用广泛，但存在着硝化细菌易流失、需外加碳源或碱度，容易发生污泥膨胀，工 艺流程长，基建投资费用高等方面的问题。为此，本文将移动床生物膜反应器与 同步硝化反硝化脱氮技术优势相结合，在单一系统中实现了低碳氮比生活污水的 同步硝化反硝化脱氮，并进行了影响因素、微生物脱氮特性、脱氮机理、亚硝酸 型同步硝化反硝化脱氮等方面的研究。主要成果如下： 利用独立设计的移动床生物膜反应器对实际生活污水进行了参数性能研 究。系统合适的填充率为5 3 ，曝气量为0 0 7 l h 。在此条件下对系统运行方式 进行研究，结果表明序批式运行方式处理低c n 实际生活污水效果优于连续式 运行方式。序批式系统c o d 平均去除率为8 7 左右，氨氮去除率均在9 5 以 上，t n 平均去除率为6 3 2 4 ；连续式系统在水力停留时间为8 h 时，c o d 平 均去除率8 5 ，氨氮平均转化率8 2 ，t n 平均去除率为去除率为5 4 7 。 采用序批式生物膜移动床系统成功地建立了好氧条件下同步硝化反硝化过 程。经过3 2 个周期的驯化培养，在d o 为2 5 m g l 时曝气的条件下，系统具有 较好的同步硝化反硝化脱氮性能。 试验研究了d o 、有机碳源、p h 、碱度以及生物膜厚度等因素对生物膜系 统同步硝化反硝化影响。结果表明，在移动床好氧系统中形成一定程度的t n 缺失与d o 浓度是相关的，在d o 为2 肚3 0 m g l 均可获得较好的脱氮效果，改 善了活性污泥法中要求低溶解氧的苛刻环境。通过添加有机碳源试验表明，增 加碳源有助于提高系统s n d 脱氮能力，当c n 提高到7 时，添加葡萄糖时t n 去除率为8 2 9 ，添加甲醇时为8 4 5 。通过对移动床生物膜系统中单个代表 性周期内三氮和有机物降解过程的研究，得出了p h 及碱度的变化规律。通过 对比研究理论碱度和实际碱度间的关系表明，在移动床生物膜反应器中，同步 反硝化作用产生的碱度可以补偿硝化作用消耗的碱度，反应过程中不必再补充 碱度。 研究了系统内微生物分布、生物量和生物膜活性特点。微生物分布研究发 现，系统中微生物种类繁多数量丰富，含有大量的细菌、真菌，以及钟虫、草 履虫和累枝虫等原生动物，形成了一个食物链长的高级营养水平的微生物系统； 就分布而言，附着相的生物相比悬浮相的丰富。系统两相生物量特征研究表明， 无论是培养驯化阶段还是系统正式运行阶段，附着相的生物量均高于悬浮相生 物量，正式运行阶段系统中悬浮相生物量1 2 1 5 9 l ，附着相平均生物量为 北京i 、i k 人学t 号：博f 号：付论文 2 2 0 4 9 l 。两相微生物活性特征研究发现，生物膜具有很强的活性，附着相微 生物s o u r 为4 5 5 8 m 9 0 2 ( m g m l v s s h ) ，硝化活性为6 5 6 3m g n i l 4 + - n ( g m l v s s h ) ，反硝化活性为4 0 1 4 m g n 0 3 n ( g m l v s s h ) ；悬浮相s o u r 为 2 0 6 8 m 9 0 2 ( m g m l v s s h ) ；硝化活性为2 9 8 1 m g n h 4 + - n ( g m l v s s h ) ，反硝 化活性为2 5 8 6 m g n 0 3 - - n ( g m l v s s h ) ，通过细菌计数表明，系统中存在大量 的反硝化细菌，且填料内壁的最多，其次为悬浮相中，填料外壁的相对较少。 反应器中好氧同步硝化反硝化现象机理研究表明，由于缺氧微环境的存在， 使微生物的反硝化作用能够发生，造成系统内好氧条件下总氮的损失。反应器 中悬浮相和附着相生物膜的存在，是造成系统内微生物絮体内部微观缺氧环境 存在的主要原因。同时，根据m o n o d 方程，推导出了移动床生物膜反应器同时 硝化反硝化动力学参数分别为誓m ：一) 2 0 2 3 d 、k 嘎。1 1 d 、k 。n o - 2 5 5 d 一，定 量解释了同步硝化反硝化现象。 采用聚氨酯海绵填料进行了亚硝酸型s n d 脱氮研究，成功的实现了亚硝酸 型同步硝化反硝化脱氮。在合适的d o 浓度、温度和p h 等环境因素共同作用 下，使亚硝化菌逐渐获得了竞争优势，硝化细菌处于相对劣势，形成亚氮积累。 系统在d o 为2 0 2 5 m g l ，温度为3 0 的条件下，连续运行5 6 个周期，实现 了较为稳定的亚硝酸型同步硝化反硝化脱氮，系统氨氮平均去除率为9 6 8 5 ， 平均亚氮积累率为7 9 8 5 ，平均t n 去除率为7 2 。系统中p h 值可以满足亚 硝酸盐氮积累的环境，不需要人工调节。通过m p n 法对填料上亚硝化细菌、 硝化细菌和反硝化细菌进行计数，结果表明，生物膜的亚硝化细菌数量为4 5 1 0 5 个m l ，硝化细菌2 0 1 0 3 个m l ，反硝化细菌3 5 1 07 个m l ，亚硝化细 菌比硝化细菌高2 个数量级，进一步验证脱氮行为是亚硝化型同步硝化反硝化 过程。 关键词：移动床；脱氮；同步硝化反硝化；特性；亚硝酸型 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e t e r i o r a t i o no fe u t r o p h i ap r o b l e m ，w a t e r - q u a l i t yi n d e xa r c h i t e c t u r ei s s t r i c t e r s o ，t h ep r o b l e mo fw a s t e rd e n i t r i f i c a t i o nh a sb e e nc o m p r e h e n s i v es t u d i e di n c o n t r o lo fw a t e rp o l l u t i o n t h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s so fd e n i t r i f i c a t i o nh a sv i t a l a c t i o ni nw a s t e rd e n i t r i f i c a t i o n ，b u te x i s tm a n yp r o b l e m s s u c hp r o c e s su s u a l l yl e a d s t ol o s so fn i t r i f y i n gb a c t e r i a , o rt h ea d d i t i o no fe x t e r n a lo r g a n i cc a r b o na n da l k a l i n i t y , f u r t h e r m o r e ，t h a ts y s t e m i sp r o n et o s l u d g eb u l k i n ga n dt h ep r o c e s sf l o wi s c o m p l e x i t y t h ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s ti sh i g h ，a n dt h el a n do c c u p i e di sl a r g e a st ot h e s ep r o b l e m s ，t h ea r t i c l ea d o p t sm o v i n g - b e db i o f i l mr e a c t o r ( m b b r ) d e n i t r i d i n g b ys i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n t h ee x p e r i m e n ts t u d i e di n f l u e n c i n g f a c t o r st os n d ，d e n i t r i d i n gc h a r a c t e r i s t i co fm i c r o b ea n dm e c h a n i s mo fd e n i t r i d a t i o n o nt h i sb a s i s ，t h et e s tr e s e a r c h e dt h ed e n i t r i d i n gm e c h a n i c so fs n d p r o c e s s a tt h e s a m et i m e ，t h i st e s ts t u d i e dh o wt or e a l i z e ds n dv i an i t r i t er e a c t i o ni no r d e rt o r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fm o v i n g - b e db i o f i l mr e a c t o rw e r e s t u d i e du s i n gp r a c t i c a b l es a n i t a r yw a s t e w a t e r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tm e d i a f i l l i n g r a t ea n da e r a t i o nr a t ew e r ei ns e q u e n c eo f5 3 a n do 0 7 l h f u r t h e r m o r e ，t h et e s t d i s c o v e r e dt h a tt h es e q u e n c i n g - b a t c ho p e r a t i o nm o d ei ss u p e r i o rt ot h ec o n t i n u o u s o p e r a t i o nm o d e i nt h es e q u e n c i n g - b a t c hs y s t e m ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c y i s c o d ( 8 7 ) ，n h 4 + - n ( 9 3 ) a n dt n ( 6 3 2 4 ) i nt h ec o n t i n u o u so p e r a t i o nm o d e ，t h e r e m o v a le f f i c i e n c yi sc o d ( 8 5 ) ，n i - 1 4 + - n ( 8 2 ) a n dt n ( 5 4 2 4 ) t h i se x p e r i m e n te s t a b l i s h e dt h ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s so fs n d s u c c e s s f u l l yi n t h es e q u e n c i n g - b a t c hm o v i n g - b e db i o f i l ms y s t e mb yi n o c u l a t i n gc u l t u r eo f3 2 p e r i o d s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e a c t o ro c c u r r e n c eo fd e n i t r i f i c a t i o n p h e n o m e n o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fa e r a t i o nw h e nd o i s2 5 m g l t h i st e s ts t u d i e ds o m ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ns n dd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s si nt h e s e q u e n c i n g - b a t c hm o v i n g - b e db i o f i l ms y s t e m ，s u c ha sd o ，o r g a n i cc a r b o ns o u r c e ， p h a l k a l i n i t ya n d b i o m e m b r a n et h i c k n e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mo b t a i n e d h i g h l y - e f f i c i e n td e n i t r i f i c a t i o nr a t eb ys n dw h e nd oi s2 o 一3 0 m g l ，a n dh a s b r o k e nt h et r e n c h a n tr e q u i r e m e n to fl o wd oi nt h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s n et e s t s t u d i e dt h a tt h ed e g r a d a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fo r g a n i cs u b s t a n c ea n dt h r e en i t r o g e ni n s i n g l ec y c l eu s i n gt h em o v i n g - b e db i o f i l ms y s t e m ，a n do b t a i n e dt h ev a r i a t i o nl a wo f p ha n da l k a l i n i t y b yt h ec o m p a r a t i v er e s e a r c ho nt h e o r e t i c a la l k a l i n i t ya n dp r a c t i c a l i i i ，i 匕京一v , i i ! 人学i ：9 产博十何论文 a l k a l i n i t yd i s c o v e r e dt h a tt h ea l k a l i n i t yo fp r o d u c e db yd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s sc a n s u p p l yt h ec 1 3 0 u g ha l k a l i n i t yf o rn i t r a t i o np r o c e s su s i n gs n d d e n i t r i f i c a t i o ni nt h e m o v i n g - b e db i o f i l ms y s t e m ，a n dt h i ss y s t e mn e e dn o te x t e r n a la l k a l i n i t y b yt h es t u d yo fm i c r o b i a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s t r i b u t i o ns h o w e dt h a tt h e s y s t e mh a sv a r i o u st y p em i c r o b i o n ，a n dw a st h em i c r o b i a ls y s t e mw i t ha d v a n c e d n u t r i t i o n a ll e v e l i nt h i ss y s t e mt h eq u a n t i t yo fa t t a c h m e n tm i c r o b i o ni sm o r et h a n s u s p e n d i n gm i c r o b i o n ，a n dt h eq u a n t i t yo fa t t a c h m e n tm i c r o b i o na n ds u s p e n d i n g m i c r o b i o ni sr e s p e c t i v e l y2 2 0 4 9 la n d1 215 l t h et e s tf o u n dt h a tt h ea c t i v i t y d m r a c t e r i z a t i o no fa t t a c h m e n tm i c r o b i o ni ss t r o n g e rt h a ns u s p e n d i n gm i c r o b i o n ，a n d s o u ri s4 5 5 8 m 9 0 2 ( m g m l v s s h ) t h en i t r a t e da c t i v i t yo fa t t a c h m e n tm i c r o b i o n a n d s u s p e n d i n g m i c r o b i o ni s 6 5 6 3 m g n i - 1 4 。- n ( g m l v s s h ) a n d 2 9 8 1 m g n h 4 + - n ( g m l v s s 。h ) a tt h es a m et i m e ，t h ed e n i t r i f y i n ga c t i v i t yi s4 0 1 4 m g n 0 3 。- n ( g m l v s s h ) a n d 2 5 8 6 m g n 0 3 。小g m l v s s 。h ) ，s u c c e s s i v e l y b y b a c t e r i ac o u n t i n gs h o w e dt h a tt h e r ew e r em a s s i v ed e n i t r i 蜘n gb a c t e r i ai nt h e m o v i n g - b e db i o f i l ms y s t e m t h em e c h a n i s mr e s e a r c hs h o w e dt h a tt h ef o r m i n go fs n dd u et ot h el o c a l a n o x i ce n v i r o n m e n ti nt h er e a c t o r , a n dh a sh a p p e n e dt h er e d u c i n go ft nu n d e rt h e a e r a t i o n t h el o c a la n o x i ce n v i r o n m e n tl i e s i nt h er e a t o ra n db i o m e m b r a n e f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt om o n o de q u a t i o n ，t h ek i n e t i cm o d e lo fs n dw a sa c h i e v e d t h a tt h ek i n e t i cp a r a m e t e rw a s 删- ) 2 0 2 3 d ，2 1 1 d ，k n 0 i ；5 5 d 。i n t h em b b r t h et e s ta c h i e v e dn i t r o g e nr e m o v a lr a t i ov i an i t r i t es n dp r o c e s su n d e rt h e a p p r o p r i a t ec o n d i t i o n st h a td oa n dt e m p e r a t u r ei si n d i v i d u a l l y2 0 2 5 m g la n d3 0 t h er e a c t o ro b t a i n e ds t e a d yv i an i t r i t es n di nt h ep r o c e s so fc o n s e c u t i v e5 6 p e r i o d s ，a n dt h er e m o v a lr a t i oo fn h 4 + - na n dt ni s9 6 8 5 a n d7 2 ，r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h ea c c u m u l a t i o nr a t eo fn i t r i t en i t r o g e ni s7 9 8 5 i nt h i ss y s t e m ，t h e p hw a ss a t i s f i e d t h ee n v i r o n m e n to fn i t r o s o m o n a sa n dn e e dn o tt om a n u a l a d j u s t m e n t u s i n gt h em e t h o do fm p nm e a s u r e dt h eb a c t e r i a lq u a n t i t y , a n dt h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eq u a n t i t yo fn i t r o s o m o n a s ，n i t r a t eb a c t e r i a la n dd e n i t r i f y i n g b a c t e r i ai s4 5 10 5 m l ，2 0 10 3 m la n d3 5 107 m ls u c c e s s i v e l y s o ，t h er e s u l t f u r t h e rv e r i f i e dt h a tt h er e a c t o rr e m o v e dn i t r o g e nb ys n d p r o c e s sv i an i t r i t e k e y w o r d s ：m o v i n g - b e d ；d e n i t r i f i c a t i o n ；s n d ；c h a r a c t e r i s t i c ；n i t r i t e t y p e 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。 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) 繇蝉翩躲幽吼掣 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国水体污染主要来自两方面，一方面由于工业生产超标排放产生的工业废 水，另一方面由于城市污水排放以及集中处理设施严重缺乏，导致大量生活污水 未经处理直接进入地表水体造成污染。随着污水排放总量的不断增加，以及化肥、 合成洗涤剂和农药的广泛应用，废水中氮营养物质对环境所造成的影响和危害也 逐渐引起了人们的广泛关注。2 0 0 7 年中国环境状况公报显示，七大水系总体 均为中度污染，除松花江水系外其余六大水系中氨氮污染均为主要污染指标之 一，在1 9 7 条河流4 0 7 个断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分 别为4 9 9 、2 6 5 和2 3 6 。同时，2 8 个国控重点湖库和城市内湖大多数水体也 发生了不同程度的水体富营养化现象。重点湖库中满足h 类水质仅2 个，占7 1 ； i i i 类6 个，占2 1 4 ：类4 个，占1 4 3 ；v 类5 个，占1 7 9 ；劣v 类的1 1 个， 占3 9 3 ，主要污染指标为总氮和总磷；而城市内湖中，昆明湖为i i i 类，西湖、 东湖、玄武湖、大明湖为劣v 类，主要污染指标也为总氮、总磷。对于海洋环境 而言全年全海域共发生赤潮8 2 次，其中，有毒赤潮为2 5 次，累计面积11 6 1 0 平方 公里，其中有毒赤潮面积1 9 0 6 平方公里，全年赤潮灾害造成直接经济损失6 0 0 万 元。 由此可见，水体富营养化是继缺氧型污染后又一严重的水环境污染问题。水 环境污染和水体富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区制定严格的 氨、氮排放标准坦1 。例如英国不仅对污水处理出水c o d 、b o d 5 和s s 的排放指标 做了严格的定量规定，同时还对氮、磷排放标准也做了严格规定，对于人口当量 在1 0 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 的污水处理厂，其出水中的总磷不得超过2 m g l ，总氮不得超过 1 5 m g l ；对于人口当量大于1 0 0 0 0 0 的污水处理厂，其出水中总磷不得超过1 m l 、 总氮不得超过l o m g l 。北欧国家为保护北海，要求污水处理厂达到7 9 的脱氮效 率和出水总磷低于l m g l 的除磷效果。鉴于氮磷危害日益严重，我国于1 9 9 6 年重 新修订颁布实施的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 和2 0 0 2 年修订的城 镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 也明确规定了适用于所有排 污单位非常严格的磷酸盐排放标准和较严格的氨氮排放标准，这就意味着今后绝 大多数城市污水和工业废水处理厂都需要考虑除磷处理，大部分要考虑氨氮的硝 化处理或脱氮处理。 综上可以看出主要由氮素引起的水体污染问题越来越突出，含氮废水的肆意 排放，使得许多天然湖泊、水库及周边海域因水体富营养化已严重威胁到自然界 北京i 、l k 人。l 。博十何论文 的生态平衡和人类的生产生活，越来越引起了人们的重视。因此，有效地降低废 水中氮、磷含量已成为现代废水处理领域的研究开发和应用热点。 1 2 水体中氮污染来源及其危害 1 2 1 水体氮污染来源分析 水体中氮素来源是多方面的，人类活动导致含氮废水肆意排放是造成水体富 营养化的主要原因，主要来自于以下几个方面： 城市污水中含有大量的氮素污染物。城市生活污水中的氮主要由厨房洗涤、 厕所冲洗、淋浴、洗衣等带入，城市生活污水中含有的有机氮和氨氮，主要来源 于人体食物中蛋白质代谢的废弃物。通常新鲜生活污水中有机氮如尿素等约占 6 0 ，无机氮中氨氮约占4 0 ，并有微量的硝酸态氮和亚硝酸态氮，约占不到l 。 陈旧生活污水中由于有细菌，能将蛋白质分解，使有机氮变成氨氮，从而使水体 中氨氮的比例上升3 1 。 工业废水中的氮素污染。许多工业废水未经处理直接进入河道或水体，产生 高浓度含氮废水的工厂大致可分为两类。一类是含氮产品的生产厂，另一类是含 氮产品的使用厂和加工厂。产生含氮废水的工厂主要是合成氨厂及系列氮肥厂、 复合肥厂、硝酸生产厂、炼焦厂、己内酰胺厂、玻璃及玻璃制品厂、半导体印刷 电路板生产厂、铁合金厂、石化厂、炼油厂、家电厂、制革废水、食品加工废水 等，其污染物的种类和浓度因行业而异，变化较大，有的氮素含量可能高达每升 几千毫克，是重要的氮污染源。 农业污水中的氮污染。农业面源污染主要是农业施肥经流失造成的，据统计， 我国的氮肥消费及需求在数量上位居全世界第一。氮肥施入土壤以后并不是全部 立即被植物所吸收，一般认为当季植物所吸收的量不超过5 0 ，剩下的残留于土 壤之中，可被后季作物所利用，其量约为2 5 - - 3 5 ；而损失到大气或随水流失 的部分可达总量的2 0 以上。而有的统计数字显示，氮肥施用后氮素利用率仅有 2 0 3 5 ，有约4 0 0 o , , 6 5 的氮素进入地面水和地下水。还有大量的农药中也含 有有机氮，如氨基甲酸酯类、酰胺类、脲类等等。作物对农药吸附量仅有 1 0 * o , - , 2 0 ，有8 0 - - , 9 0 的农药会流失在土壤中，随雨水冲淋、农业排水和地表 径流流入河道等水体之中。因此，由氮肥和农药的施用而排入水体的氮素也 相当可观。 常规二级污水处理厂出水。常规的污水二级处理对氮磷等溶解性盐的去除率 仅为2 0 5 0 。据报道，有的水体由于污水排入水体形成的氮磷浓度l t , n 、p 造 成水体富营养化的临界浓度一般高出一个数量级以上。 2 第1 辛绪论 固体废物堆积场。随着城市的发展和人民生活水平的提高，产生了大量的生 活垃圾和工业废料5 1 。目前我国的城市垃圾仅基本做到清运出城进行简易处理， 基本解决了“垃圾围城”的问题，但是垃圾填埋中的渗滤液又成为新问题。根据 有关统计，截至2 0 0 6 年底，全国6 6 1 个城市的生活垃圾清运量达1 4 8 亿t a 陆1 ，垃 圾填埋渗滤液每升的含氮量高达数百甚至数千毫克。 1 2 2 氮污染对水体的危害 过量氮化合物进入天然水体不仅使水环境质量恶化，影响渔业、旅游业、养 殖业的发展，而且还对人体健康以及动、植物的生存造成严重的危害，主要危害 有以下几个方面： 造成水体富营养化。大量氮素随污水持续进入水体，造成水生植物和藻类过 度生长，并由此衍生出一系列不良后果。水生植物和藻类大量繁殖，覆盖水面， 影响景观，“赤潮”使海面呈现红色，“水华使湖库上覆盖一层油漆状的绿色， 使人感到一片萧条；藻类密度过高，阻塞鱼鳃和贝类水孔，影响呼吸作用；藻类 产生毒素，引起鱼、贝中毒；藻类产生气味物质，使水体散发异常气味，如土腥 味、霉腐味、鱼腥味等。如果以富营养化水体为水源，藻体可堵塞滤池而影响水 厂生产，所含的毒素和气味物质则影响饮用水质量。 氨对水生生物产生毒害。水体中p h 值较高时，氨态氮往往以游离氨形式存 在，当水体中n h 3 n l m g l 时，使生物血液结合氧能力下降；当n h 3 - n 3 m g l 时，在2 4 , - - 9 6 h 内金鱼及鳊鱼等大部分鱼类和水生物就会死亡r 刀。 硝化作用导致水体缺氧，造成水体黑臭。硝化作用会消耗大量氧气，硝化过 程中氨氮的需氧量为4 6 m g m g ( 0 2 n h 4 * ) ，在二级处理出水中，氮需氧量占总需 氧量的比例高达7 1 3 叫1 。如果水体没有足够的稀释能力，二级处理出水排入水 体后，氨氮将耗尽溶解氧，导致水体黑臭。 化合态氮影响人类健康。硝酸盐氮和亚硝酸盐氮能诱发高铁血红蛋白癌和胃 癌。人体若饮用了n 0 3 n 1 0 m g , l ( 或n 0 3 5 0m g l ) 的水9 1 ，可引起高铁血红 蛋白症，将人体内正常的血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，失去血红蛋白在体内输 送氧的能力，出现缺氧症状。亚硝酸盐可与胺或酰胺反应生成亚硝胺或亚硝酰胺， 两者都有致癌作用0 1 。 1 3 生物脱氮原理 废水脱氮技术可分为物理化学脱氮和生物脱氮。生物脱氮技术是2 0 世纪7 0 年代中期美国和南非等国的水处理专家们在对化学、催化和生物处理方法研究的 北京l 、i p 人t 学博十学何论文 基础上提出的一种经济有效的处理技术。废水生物脱氮利用自然界氮素循环的原 理，在水处理构筑物中营造出适宜于不同微生物种群生长的环境，通过人工措施， 提高生物硝化反硝化速率，达到废水中氮素去除的目的。废水生物脱氮一般由三 种作用组成：氨化作用、硝化作用和反硝化作用。 1 3 1 生物氨化过程 废水中蛋白质、氨基酸、尿素等有机氮在微生物水解酶和脱氨基酶的作用下 转化为氨和含氮有机物，其反应式如( 1 - 1 ) ： c o o h0 2 马r c o o h + c 0 2 + n h 3( 1 1 )2 寸 3 ( 1 ) 生活污水中的有机含氮化合物在生物处理中很容易通过式( 1 1 ) 反应脱氨， 以供微生物同化合成或转化成硝酸盐。 1 3 2 生物硝化过程 生物硝化反应是亚硝酸菌、硝酸菌在好氧状态下由一群自养型好氧微生物将 氨氮氧化成亚硝酸盐氮、硝酸盐氮，这两类微生物菌群生理特性和环境条件非常 相似，统称为硝化菌。它们利用无机碳化合物如c 0 2 、c 0 3 2 。、h c 0 3 等作为碳源， 通过n h 3 、n h 4 + 、n 0 2 - 的氧化反应获得能量，此过程通过两个步骤完成。 第一步，亚硝化反应，由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，其反应式如( 1 2 ) ： 5 5 n h d + + 7 6 0 2 + 10 9 h c 0 3 _ 塑b c 5 h 7 n 0 2 + 5 4 n 0 2 - + 5 7 h 2 0 睁l0 4 h 2 c 0 3 ( 1 - 2 ) 第二步，硝化反应，由硝酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐，其反应式如( 1 - 3 ) ： 4 0 0 n 0 2 + n h 4 + + 4 h 2 c 0 3 + h c 0 3 + l9 5 0 2 马 c 5 h 7n0 2 + 3 h 2 0 + 4 0 0 n 0 3 。 ( 1 - 3 ) 在两个步骤中均有能量释放，第一步中释放的能量多，第二步中释放能量少。 硝化过程总反应式为( 1 - 4 ) ： n h 4 + + 1 8 6 0 2 + 1 9 8 5 h c 0 3 _ 0 0 21c 5 h 7 n 0 2 + 1 0 4 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 + 0 9 8 2 n 0 3 ( 1 - 4 ) 式中c 5 h 7 n 0 2 为亚硝酸菌和硝酸菌细胞组成的化学计量式，根据公式( 1 2 ) 和( 1 - 3 ) 计算，亚硝酸菌和硝酸菌产率分别为0 1 4 6 9 g n h 4 + - n t f 1 0 0 2 9 g n h 4 + - n 。 通过物料衡算可知，在硝化反应过程中，将l m g 氨氮氧化为硝酸盐需耗氧4 2 7 m g ， 其中亚硝化反应耗氧3 1 6 m g ，硝化反应耗氧1 1l m g ，同时需要消耗碱度约7 0 7 m g 4 第1 章绪沦 ( 以c a c 0 3 计) 如果不考虑硝化过程硝化菌增值，l g n i - 1 4 + - n 完成硝化反应需要 4 5 7 9 氧，需消耗重碳酸盐碱度7 1 4 9 。 1 3 3 生物反硝化过程 生物反硝化反应是在缺氧( 不存在分子态溶解氧) 条件下，将硝化过程中产 生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮( n 2 ) 或n 2 0 、n o 的过程。参与这个反应 的异养型微生物称为反硝化菌，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亚硝酸盐中矿5 和n 作为电子受体进行缺氧呼吸，0 2 作为 受氢体生成h 2 0 和o h 。碱度，有机物则作为碳源及电子供体提供能量，并得到氧 化稳定。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 。和n 0 3 。还原为n o 、n 2 0 、n 2 等气体物 质，主要是n 2 ，异化作用去除氮约占总去氮量的7 0 - - 7 5 ( 质量分数) 。而同化 作用是反硝化菌将n 0 2 。和n 0 3 - 还原为n h 3 n 供新细胞合成使用，使氮成为细胞质 的成分。反硝化反应式为： 2 n 0 2 一+ 6 h ( 电子供体) 型吗n 2 + 2 h 2 0 + 2 0 h 2 n 0 3 - + 9 h ( 电子供体) 剧马n 2 + 3 h 2 0 + 3 0 h 。 硝酸盐的反硝化还原过程为 ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) n 0 3 j 型婴0 2 _ 型oj 2 0j 嫂鲤2 ( 1 - 7 ) 反硝化过程的产物因参与反硝化反应的微生物种类和环境因素等的不同而 有所不同。当游离态氧和化合态氧同时存在时，微生物优先选择游离态氧作为含 碳有机物氧化的电子受体；当废水中有含碳有机物时，这些有机物可以作为反硝 化过程的电子受体直接进行反硝化；当废水中碳源有机物不足时，部分无机物如 氢、n a 2 s 等也可以作为反硝化反应的电子供体，微生物通过消耗自身的原生质进 行内源反硝化，反应式如( 1 - 8 ) c 5 h 7 n 0 2 + 4 n 0 3 。专5 c 0 2 + n h 3 + 2 n 2f + 4 0 h 。 ( 1 8 ) 从式( 1 8 ) 中可看出，内源反硝化将导致细胞物质减少，同时又生成n h 3 ， 因此，为了不让内源反硝化占主导地位，应向系统中提供必需的有机碳源，以甲 醇为例，同时考虑同化及异化两个代谢过程的反硝化反应式如下： 2 n 0 2 - + 0 6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 h 2 c 0 3 0 0 4 c 5 h 7n 0 2 + 0 4 8 n 2 + 1 2 3 h z o + h c 0 3 ( 1 9 ) n 0 3 - + 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3 0 0 5 6 c s h 7 n 0 2 + 0 4 7 n 2 + 1 6 8 h 2 0 + h c 0 3 。 ( 1 1 0 ) 北京t 、l p 人一产f 。博十何论文 由上面两式计算可知，每还原1 9 亚硝酸盐氮和1 9 硝酸盐氮为氮气时，分别需 要甲醇1 5 3 9 和2 4 7 9 。 1 4 生物脱氮工艺及其进展 1 4 1 典型传统生物脱氮工艺 传统生物脱氮技术始于1 9 3 2 年，w u h r m a n n 在生物滤床中发现存在硝化反硝 化现象，并首先提出以内源代谢物质为碳源的单级活性污泥脱氮系统。1 9 6 2 年l u d z a c k 和e t t i n g e r 首次提出利用废水中可生物降解的有机物作为反硝化碳源 的碳氧化硝化一反硝化模式的前置反硝化脱氮工艺刀，利用废水中的有机物作 为供氢体进行反硝化，可提高反硝化速率。但由于回流比受到动力消耗的限制， 脱氮效率很不稳定。1 9 6 9 年，美国b a r t h 等研究开创了三级活性污泥脱氮工艺 ， 使生物脱氮技术走向了工业化。同年，美国俄亥俄；f l n o t r e 大学欧文教授等人提 出s b r 技术，奠定了单容器分级硝化反硝化工艺的研究1 钔。 1 4 1 1 三级活性污泥生物脱氦工艺伺 1 9 6 9 年b a r t h 以氨化、硝化和反硝化反应为基础建立了三级活性污泥法脱氮， 工艺流程如图l 一1 所示。此工艺将氨化、硝化和反硝化分别单独放置在不同的单 元中进行，并分别具有污泥回流系统。这种工艺的优点是好氧菌、硝化菌和反硝 化菌均可在各自最适宜的环境条件下生长繁殖，反应速度较快，可以得到相当好 的脱氮效果。但这种工艺存在流程长、处理构筑物多、附属设备多、基建费用高、 需要外加碳源因而运转费用较高等多方面的缺点。 除上述三级生物脱氮系统外，在实际应用中有两级生物脱氮系统，它将含氮 有机物的氧化、有机氮的氨化和硝化合并在一个生物处理构筑物中进行，系统中 减少了一个生物处理构筑物、一个沉淀池和一个污泥回流系统，仍利用外碳源。 碱有机碳 竺n 二户 污泥回流 i 捧泥 图1 1 三级活性污泥生物脱氮工艺 f i g 1 - 1t h r e es t a g e sa c t i v a t e ds h d g cn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s 6 菊1 章绪论 1 4 1 2a o 生物脱氮工艺 1 9 7 3 年，b a r n a r d 在l u d z a c k e t t i n g e r g i 艺的基础上提出了一种改进型，称之 为a o ( a n o x i c o x i c ) i 艺。随后又提出在a o 生物脱氮工艺好氧池后再增加一套 a o 工艺，组成两级a o 工艺，称之为b a r d e n p h o ，但也仍然是a o 工艺的变形。 o 工艺将缺氧反硝化池和好氧硝化池完全分开，沉淀池的污泥回流到缺氧反应 器，并增加了好氧反应器至缺氧反应器的混合液回流，工艺流程如图1 2 所示。 其工艺特征是：将脱氮池设置在去碳硝化过程的前部，原污水先进入缺氧池，再 进入好氧池，并将好氧池的混合液与沉淀池的污泥同时回流到缺氧池。污泥回流 及好氧池混合液回流使缺氧池中得到了在好氧池中硝化产生的硝酸盐。混合液回 流一方面为缺氧池的硝酸盐反硝化提供了充足的碳源有机物，另一方面通过硝化 池混