（环境工程专业论文）非单一因素控制条件下的短程硝化反硝化研究.pdf

为非单一因素控制) 进行对比研究短程硝化反硝化的实现、维持及其稳定性的影 响。s b r l 在低d o 条件- f ( 0 3 珈6 m g l _ 1 ) 运行可以实现稳定的亚硝酸盐积累率， 但是提高d o 浓度至2 0m g l - 1 左右，亚硝酸氮积累率从8 9 降到不到2 5 ，再 次降低d o 浓度至0 3 一o 6 m g l - 1 ，亚硝化率增幅很慢，长期变化不大，实验表明 亚硝酸盐积累率从破坏到重现的恢复过程是较长的；s b r 2 在低d o ( 0 3 0 6 m g l 1 ) 、高p h ( 8 7 左右) 、较长时间污泥龄条件下运行，亚硝态氮积累率高达 9 3 ，而且在提高d o 浓度至2 0m g l - 1 左右时亚硝酸盐氮积累率变化很少；维 持系统污泥龄足够长2 0 天左右，在此污泥龄下，可以维持氨氮氧化菌和亚硝酸氮 氧化菌在系统内的稳定生长。 对s b r 反应系统进行了耐氨氮冲击试验。试验结果发现：出水氨氮平均浓度 由冲击前的1 0 8 m g l 变为1 3 2 m g l ，但平均去除率依然高达8 4 6 ；平均亚硝酸 盐浓度和亚硝化率分别由3 5 1 m l 和9 3 6 变为3 2 6 m g l 和9 0 2 ，虽然较试验 前略有下降，但从整个运行过程来看依然保持了良好的稳定性。 关键词：s b r ：短程硝化反硝化；耐冲击性；系统稳定性： a b s t r a c t i nt h i se x p e r i m e n t t h ea c t u a lp r o d u c t i o no fw a s t e w a t e rw a st r e a t e db ys b r r e a c t o rd e p t hs t u d yo fas i n g l ef a c t o rn o n c o o p e r a t i v ec o n t r o lo fs h o r t - r a n g ee f f e c to f n 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 nf a c t o r sa n dr u n n i n gs t a b i l i t y c o n t r 0 1w e r es t u d i e dd o p h ，s r t ，h r ta n dn o n s i n g l ef a c t o rc o n t r o l l i n gt h ea c c u m u l a t i o no fn i t r i t e ，a n dh o w t h e s ef a c t o r so nn 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 ns y s t e m ：s t u d i e du n d e rc o n t r o l l e d c o n d i t i o n sas i n g l ef a c t o rn o n - n i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s so r g a n i cc o m p o u n d s ， a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ea n dn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t e ，a n du n d e rc o n t r o l l e d c o n d i t i o n st oa c h i e v et h e s es h o r t r a n g en 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 ns y s t e ms t a b i l i t y ， a n dt h er e s u l t so fs h o r t - r a n g eb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a ls b r p r o c e s se n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n sa n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rr e a l - t i m ec o n t r o ia n dt e c h n i c a ls u p p o r t l o wd oc o n c e n t r a t i o n ( o 7 1 0m g l ) t oa c h i e v en 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 ，i n c r e a s e a f t e rt h ei n i t i a ls t a g e d o ，n i t r i f i c a t i o nr a t ei sh i g h ，b u tw h e nt h er e s t o r e da c t i v i t yo fb a c t e r i a l n i t r a t ea f t e rn i t r i f i c a t i o nr a t ed e c r e a s e dr a p i d l y ，t h i st i m ee v e nl o w e rd oc o n c e n t r a t i o n ， n i t r i f i c a t i o nr a t ei sn o th i g h ，i n d i c a t i n gt h a tt h en i t r i ca c i db a c t e r i ah a v ea d a p t e dt ot h e e n v i r o n m e n ta n da c c u m u l a t ei nt h es y s t e m t h es h o r t t e r ml o wd oc o n d i t i o n sc a nn o t i n h i b i tt h ea c t i v i t yo fn i t r i ca c i db a c t e r i a ，t h e nt h es y s t e mh a sm a i n t a i n e dal o wd o l e v e l ，n i t r o s a t i o nr a t eb e g a nt oi n c r e a s e d ，s a yn i t r a t ea c c u m u l a t i o nm i n y at or e c o v e r f r o mt h ed e s t r u c t i o np r o c e s si sl o n e a m m o n i ar e m o v a lr a t ei n f l u e n c e db yt h ep hv a l u e ，p hv a l u eo f7 5 ，a m m o n i a r e m o v a le f f i c i e n c yr a p i d l yi n c r e a s e dt oa b o u t6 7 5 ：p hv a l u eo f8 0a n d8 5 ，t h e a m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c yi n c r e a s e ds l o w l yt o6 9 7 7a n d7 1 16 ，l i t t l ec h a n g e d ，a n d t h ef i n a lp hv a l u e sw e r e6 9a n d7 1 ，t h eb a s i cd i f f e r e n c ei sn o tl a r g e ，i n d i c a t i n gt h a t p h8 0o ra b o v e ，o n l yb yi n c r e a s i n gt h ep hv a l u e ，h a r dt os i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e n i t r o g e nr e m o v a lr a t e p h8 0 ，t h em a x i m u ma c t i v i t yo fh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i a ，w h i c h w i l lh e l pt h er e m o v a lo fc o d ，l e s st h a nt h i sv a l u ew i l ld e c r e a s ei t sa c t i v i t y ，a l t h o u g h h i g l l e rt h a nt h i sv a l u ei n c r e a s e db u ti t sa c t i v i t yi sv e r yo b v i o u s t h ei m p a c to fp ho nt h e a m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c yc o dr e m o r a ie f f i c i e n c yt h a nt h em u l t i - i m p a c t h i g ho r l o wp h c o dr e m o v a lr a t ei sn o th i g h w i t ht h ei n c r e a s eo fs l u d g ea g e ，a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ei n c r e a s e ds l o w l y ， w h e nt h es l u d g ea g eg r e a t e rt h a n2 0d a y s ，t h ea m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t e d e c r e a s e da g eo f1 5d a y si nt h em u d ，b e g a nt oc l e a rt h ea c c u m u l a t i o no fn i t r i t e ，w h e n t h em u da g eo f1 9d a y s ，t h em a x i m u mn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t e9 0 a c h i e v e d n 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 ，w h e nt h es r tt h a n2 2d a y s ，b e g a nt os i g n i f i c a n t l y d e c r e a s et h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r i t en i t r o g e n ，n i t r a t ec o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e dm o r e s l o w l y ，i n d i c a t i n gt h a tn i t r i t eb a c t e r i at oc h a n g e si ns r tr e s p o n s i v e ，a n dn i t r a t e b a c t e r i ac h a n g e si ne x t e r n a lc o n d i t i o n sh a v el a g a n da d a p t a b l e h r ta l o n es h o u l db ea tl e a s tm a i n t a i n e du n d e rc o n t r o l l e dc o n d i t i o n so v e rh r t 1 1 ht oe n s u r et h er e m o v a lo fa m m o n i a ，h r tf o rt h e1 3 h 1 5 ，t h eh i g h e s tr a t eo fn i t r i t e a c c u m u l a t i o no f9 2 ，a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t eb a s i c a l l ys t a b l ea t8 0 ， a c h i e v e dn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ；e x t e n d e dt oh r t18 h ，t h ea c c u m u l a t i o nr a t eo f n i t r i t ed e c r e a s e dr a p i d l yt oa b o u t7 5 。i n d i c a t i n gt h a th r ti sn o tc o n d u c i v et ot h e m a i n t e n a n c eo fl o n gh i g hn i t r i t ea c c u m u l a t i o n ，a ni d e a lh r tf o r t h e1 3 1 5 h t h e nb o t h c a ng u a r a n t e et h ea m m o n i ar e m o v a l e f f i c i e n c y ，w h i l em a i n t a i n i n gh i g h n i t r i t e a c c u m u l a t i o n c o m p a r i s o no fd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sb yr u n n i n gt h et w os b rr e a c t o r s ( s b r lc o n t r o lo fas i n g l ef a c t o r ，s b r 2as i n g l ef a c t o rn o n - c o n t r o l l e d ) c o m p a r a t i v e s t u d yo fn 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 nt oa c h i e v ea n dm a i n t a i ni t ss t a b i l i t y s b r li n l o w d oc o n d i t i o n s ( ，0 3 0 6 r a g l - 1 ) c a na c h i e v es t a b l e o p e r a t i o n o fn i t r i t e a c c u m u l a t i o nr a t e ，b u tt h ed oc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dt o2 0m g l 广lo rs o ，n i t r i t e a c c u m u l a t i o nr a t ef r o m8 9 t ol e s st h a n2 5 ，a g a i nt or e d u c et h ed oc o n c e n t r a t i o n o f0 3 - 0 6 m g l 1 ，a ni n c r e a s eo fn i t r i f i c a t i o nr a t ei sv e r ys l o w ，l o n g - t e r mc h a n g e sl i t t l e ， e x p e r i m e n t a lf o r mo fn i t r a t ea c c u m u l a t i o nr a t em i n y at or e p r o d u c et h er e c o v e r yf r o m t h ed e s t r u c t i o np r o c e s si sl o n g ；s b r 2i nt h el o w d o ( o 3 - 0 6 m g l - 1 ) ，h i 曲p h ( 8 7o r s o ) ，al o n gt i m et or u nt h es r tc o n d i t i o n ，t h ea c c u m u l a t i o nr a t eo fn i t r i t eu pt o9 3 ， a n dt h ed oc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dt o2 0i nm g l - 1o rs on i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t e c h a n g e sv e r yl i t t l e ；t om a i n t a i nt h es l u d g ea g eo fa b o u t2 0d a y sl o n ge n o u g hi nt h i s s l u d g ea g e ，y o uc a nm a i n t a i nt h ea 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 g b a c t e r i ai nt h es y s t e ms t a b l eg r o w t h r e a c t i o no ft h es b rs y s t e mw a sa m m o n i a r e s i s t a n ti m p a c tt e s t t e s tr e s u l t s s h o w e dt h a t ：t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i aw a t e rb yt h ei m p a c to fp r e 一1 0 8 m g li n t oa1 3 2 m g l b u tt h ea v e r a g er e m o v a lr a t er e m a i n sa sh i g ha s8 4 6 ；a v e r a g e n i t r i t ec o n c e n t r a t i o na n dn i t r i f i c a t i o nr a t eb ya3 5 1 m g la n d9 3 6 t o3 2 6 r a g l a n d9 0 2 ，a l t h o u g h s l i g h t l yh i g h e rt h a n b e f o r et h et e s t ，b u tl o o ka t t h ee n t i r e o p e r a t i o nr e m a i n sag o o ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：s b r ；n 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 ；i m p a c tr e s i s t a n c e ；s y s t e m s t a b i l i t y ； 青岛人学硕十学位论文 1 1 水体中氮的来源及危害 第一章引言 1 1 1 水体中氦的来源 水体中氮主要有无机氮和有机氮两类。无机氮包括氨念氮( 简称氨氮) 和硝 态氮，氨氮包括游离态氮( n h 4 n ) 和氨态氮( n h 4 + n ) ，硝念氮包括硝酸盐态 氮( n 0 3 n ) 和亚硝酸盐态氮( n 0 2 n ) ，亚硝酸盐态氮不稳定容易被还原成氨氮 或氧化为硝酸盐态氮。水体中的氮的来源是多方面的，主要有农业污水、城市生 活污水及工业废水三方面，此外自然界的天然固氮也是一个方面，通过雷电固定 大气中的氮约占天然固氮的1 5 【。 1 农业污水中的氮 农业生产过程的氮污染主要来自农药和化肥的使用。每年农业生产需要大量 的化肥，氮肥施入土壤以后当季作物所吸收的量不超过5 0 ，后季作物利用 2 5 3 5 ，损失到大气或水流失的2 0 以上；我国施用的农药仅有1 0 2 0 吸附在 农作物上，8 0 9 0 的农药流失在土壤里，随着雨水冲淋、农业排水进入河流。 2 城市生活污水中的氮 城市生活污水中的氮主要来自厨房洗涤、厕所冲洗、淋浴、洗衣等。 3 工业废水中的氮 产生含氮废水的工厂主要有合成氨厂及系列氮肥厂、复合肥厂、硝酸生产厂、 己内酰胺厂、玻璃及玻璃制品厂、半导体印刷电路板生产厂、炼油厂、屠宰厂、 肉制品加工厂及酒厂等。 1 1 2 水体中氮的危害 大量未经处理或处理不当的含氮废水被排入江河等水体，降低了水体环境质 量。水体中氮污染对环境所造成的影响日益受到人们的重视【2 1 。氮污染的主要危 害有【3 】： 1 消耗水体中的溶解氧。含有氨氮的污水进入水体，可在硝化菌的作用下被 氧化成硝酸盐，氧化过程需要消耗水体中的溶解氧。 2 对人和生物产生毒害作用。游离氨会影响鱼鳃的氧传递，对多数鱼类而言， 水中游离氨浓度超过1 0 m g l 会使鱼类死亡。氨可以转化为硝酸盐，硝酸盐和亚 硝酸盐可以转化为亚硝酸胺，亚硝酸胺是致癌、致畸物质，对人体有潜在的危害 1 第一章引言 f 4 】 o 3 造成水体的富营养化现象。氮素随污水进入流动性较差的受纳水体容易引 起水体富营养化，在光照等适宜条件下水体藻类等浮游生物过度繁殖，微生物代 谢旺盛，消耗水体中大量的溶解氧，对水生生物造成危害，破坏水生态平衡。 1 2 生物脱氦原理 目前含氨氮污水的处理技术主要可以分为化学法、物理法、物理化学法以及 生物脱氮法。物理法和化学法由于处理费用高且极易造成二次污染等所以在实际 工程操作运行中受到很大的限制；而生物脱氮技术因为它的运行成本低、不产生 二次污染、去除效率高、操作简单等优点成为当今水污染控制领域的一个重要研 究方向【引。 污水生物脱氮的原理是指氨态氮和有机氮等各种形态的含氮化合物在微生物 的作用下分别经过氨化作用、硝化作用和反硝化作用后，被转化成氮气与极少部 分氮氧化合物并排出水体的过程。一个完整的生物脱氮过程应该包括氨化作用、 硝化作用和反硝化作用三个小过型刮。 1 氨化作用 氨化作用( a m m o n i f i c a t i o n ) 又叫脱氨作用，指微生物分解废水中的有机氮化 物产生氨的过程。以污水中所含有的蛋白质分解降解为例，简单说明：蛋白质被 分解时，先由分泌至胞外的蛋白酶将蛋白质水解成氨基酸。核酸被分解时，由核酸 水解酶降解为氨基酸、磷酸、尿素和氨，尿素再由脲酶分解为氨和二氧化碳。氨基 酸可进入微生物细胞，作为微生物的氮源及碳源。它在微生物体内或体外被分解 时，以脱氨基的方式产生氨【7 1 。废水中起氨化作用的微生物适应能力非常强，无 论是好氧区域或者厌氧区域、还是酸碱环境，氨化微生物都可以快速、高效的完 成氨化作用i 剐。因为氨化作用反应速度很快，在进入生化反应池之前已基本完成 大部分，所以一般我们对其不加以控制与研究，硝化与反硝化过程才是生物脱氮 过程的主要研究对象。 2 硝化作用 硝化作用是指在好氧条件下氨在微生物作用下被氧化为硝酸盐的过程，它是 由一群自养好氧微生物完成的。硝化反应分为两个阶段，有两类菌属参与，分别 是亚硝酸菌和硝酸菌，是两类细菌连续作用的结果【9 l 。第一步是亚硝化过程，由 亚硝化细菌将氨氮氧化为亚硝态氮( n 0 2 - - n ) ，亚硝酸菌包括亚硝酸盐单胞菌属和 硝酸菌球菌属；第二步是硝化过程，由硝酸菌将n 0 2 - - n 进一步氧化成n 0 3 - - n ， 2 青岛人学硕十学位论文 两个过程合称为硝化作用【1 0 j 。硝酸菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属和球菌属，亚 硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，这些细菌不需要有机营养物质，主要从c 0 2 获取 碳源，通过氧化无机物获得能量。两类细菌的生理特性f 1 1 】与其主要反应方程式如 下： 2 n h 4 + + 3 0 2 叶2 n 0 2 + 2 h 2 0 + 4 h +( 亚硝化过程) ( 1 - 1 ) 2 n 0 2 。+ 0 2 _ 2 n 0 3 ( 硝化过程)( 1 2 ) 硝化作用反应过程的总反应式为： n h 4 十+ 2 0 2 n 0 3 。+ h x o + 2 h 十( 1 - 3 ) 表l - 1 硝酸菌与亚硝酸菌特征比较 3 反硝化作用 反硝化作用是由一群异养型兼性厌氧微生物完成的，指在缺氧或厌氧条件下， 系统中的微生物将硝化( 亚硝化) 过程产生的n o a - n ( n 0 2 n ) 还原为氮的其它 气态氧化物或n 2 的过程。一般将此类微生物细菌称为反硝化细菌，污水处理系统 中许多常见的微生物都是反硝化细菌( 如变形杆菌、假单胞菌、小球菌、芽胞杆 菌、无色杆菌、嗜气杆菌和产碱杆菌) 。生物反硝化包括同化还原和异化还原，在 溶解氧浓度极低的环境中，反硝化细菌能够利用n 0 3 - n 和n 0 2 - n 中的氧作为最 终电子受体，同时有机物作为电子供体而提供能量【1 2 】1 13 1 。反硝化反应一般以有机 物为碳源和电子供体，但是当反应系统中缺乏有机物时h 2 s 、h 2 等无机物也可以 作为反硝化反应的电子供体，另外微生物还可以通过消耗自身细胞进行内源反硝 化1 1 训。另外因为反硝化过程产生碱度，所以反应过程中p h 会不断的升高。 3 第一章引言 在反硝化过程中，碳源作为微生物代谢的能量来源和必需物质，在污水生物 脱氮过程中起着很重要的作用。硝化茵和反硝化菌有很大的差异性( 硝化菌是严 格好氧菌，反硝化菌是兼性厌氧菌) 硝化菌和反硝化菌性质的差异性导致生物脱 氮反应器的组合大不相同，例如通过使用分离的硝化和反硝化反应器来完成的双 污泥工艺( 硝化和反硝化由不同污泥完成) 。如果反硝化在前需要将硝化废水进行 回流；如果反硝化在后，由于原水中有机物大部分被消耗于好氧反应阶段而导致 反硝化碳源不足，所以为了提高反硝化效率，反硝化时需要外加碳源作为电子供 体【15 1 。污水处理厂和实验室研究中一般都应用甲醇作为外加碳源，因为其容易大 量获取且价格低廉。 另外，污水生物脱氮过程中氮的转化还包括生物的同化作用。同化作用是指 在生物脱氮处理过程中，微生物把污水中的一部分氨氮或有机氮作为营养物质同 化合成为细胞本身的组成部分【1 6 】。与硝化作用和反硝化作用相比，同化作用中微 生物将氮转化为自身成分所去除的氮占污水中的氮比例很小，所以污水处理中一 般忽略同化作用的影响。 总的来说，用一个简单的方程就可以概括整个生物脱氮过程： n h 4 + - n _ n o i2 一n n 0 3 。 - n _ n 0 2 - n _ n 2 ( 1 - 4 ) i 气磊硒硗卜酾两君l 卜反而耐l 生物脱氮过程是一个矛盾的统一体，一方面硝化反应需要氧气的环境而反硝 化反应则需要在厌氧条件下进行；另一方面自养硝化菌在大量有机物存在时对营 养物和氧气的竞争不如好氧异养菌，从而形成反应器内异养菌占优势；另一方面， 反硝化反应又需要有机物充当电子供体完成脱氮过程。这样给生物脱氮工艺的实 际操作运行中带来很多问题。 1 3 生物脱氮新技术研究 近年来，随着科技的进步与研究的深入，生物脱氮新技术研究有了较大的发 展与进步，发现了一些超出传统认识的新现象，如硝化过程不仅由自养菌完成， 异养菌也可以参与完成硝化作用，某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作 用，这些发现为探索研究生物脱氮新工艺提供了新思路。目前研究较多的生物脱 氮新工艺主要有同步硝化反硝化工艺、亚硝化厌氧氨氧化工艺、短程硝化反硝化 工艺等工艺，下面将这三种生物脱氮工艺做简单的介绍。 4 青岛人学硕十学位论文 1 3 1 同步硝化反硝化工艺 同步硝化反硝化工艺( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n 简称s n d ) 就 是指在同一反应器中、相同反应条件下，硝化反应和反硝化反应同时发生的现象 1 1 7 1 o 一般情况下，在污水生物系统中，硝化菌和反硝化菌均处在同一活性污泥中， 硝化菌的自养性和好氧性与反硝化菌的异养性和缺氧性明显不同，生物脱氮过程 通常在两个反应器中独立进行( 如a o 工艺、b a r d e n p h o 工艺、u c t 工艺等) 或在 一个反应器中依照时间顺序进行( 如s b r 工艺) 。2 0 世纪8 0 年代以来国内外水处 理研究者发现在生物转盘、s b r 、氧化沟、c a s s 等工艺中发现了氮的非同化损失 现象，硝化和反硝化反应能同时进行。传统污水生物系统中混合污泥进入缺氧池 ( 或处于缺氧状态) 时，反硝化菌工作而硝化菌处于低效工作甚至抑制状态；而当 混合污泥进入好氧池( 或处于好氧状态) 时情况则相反。同步硝化反硝化现象则是 在同一反应器中、同一活性污泥中的硝化菌和反硝化菌两类不同性质的菌群同时 工作。研究结果表吲1 8 j ，t h i o s p h a e r a 、p s e a d o n m o n a sn a u t i c a 、c o m a m o n o s s p 等微 生物在好氧条件下可利用n o x - - n 进行反硝化；同时另有研究发现了异养硝化菌、 好氧反硝化菌、自养反硝化菌、自养硝化菌等生物菌属，指出生物脱氮系统中同 样存在异养硝化好氧反硝化生物脱氮方式、自养反硝化菌的反硝化生物脱氮方式 和自养硝化菌的反硝化生物脱氮方式。目前对同步硝化反硝化的理论机制研究还 主要集中在物理学和生物学方面。物理学认为，宏观上反应器中溶解氧分布不均 匀，好氧区和缺氧区同存在，硝化和反硝化反应分别在两种环境下进行。微观上， 由于氧扩散的限制，微生物絮体内溶解氧梯度从外向内逐渐下降。絮体外表面溶 解氧浓度较高，主要为好氧硝化菌，发生硝化反应：在絮体内部氧传递受阻，使 得微生物絮体内产生缺氧区，此时反硝化菌占优势，进行反硝化反应。生物学认 为由于好氧反硝化菌、低溶解氧下硝化菌、异养硝化菌及自养反硝化菌等的存在， 直接把氨氮转化为最终气态产物逸出，使得s n d 能进行。对同步硝化反硝化工艺 而言，反硝化产生的o h 。可就地中和硝化产生的h + ，减少了p h 值的波动，从而 使两个生物反应过程同时受益，提高了反应效率，同时可以使得生物反应系统可 更为稳定的运行1 1 9 j 。 p u z n a v a 掣2 0 】通过适时控制溶解氧浓度0 5 3 o m g l 使得生物膜中存在着可 以发生反硝化反应的缺氧区，成功的在生物曝气滤池中实现了s n d 生物脱氮，实 验中还发现s n d 曝气生物滤池比传统生物曝气滤池节约大约5 0 空气量。 5 第一章引言 k l a n g d u e n 等1 2 1 i 应用s b r 实现了s n d 生物脱氮，系统的总氮去除率高达9 5 。 在次基础上，研究人员又对影响s n d 的因素进行了研究，发现溶解氧浓度、微生 物絮体粒径大小是影响s n d 过程的重要控制因素，认为较大粒径的微生物絮体有 利于s n d 的进行，s n d 适宜的污泥絮体尺寸一般为5 0 ，1 1 0 u m 。 国内马勇等【2 2 1 a o 生物脱氮工艺处理生活污水实验中发现溶解氧浓度是实现 s n d 的关键，s n d 对总氮去除率的贡献率和好氧区的溶解氧浓度大小密切相关， 维持好氧区溶解氧浓度为o 3 o 7 m g l 时，大约5 一1 2 的总氮以s n d 的形式去 除，且当溶解氧浓度大于1 2 m g l 时，系统s n d 现象被破坏。 吕锡武等【2 3 l 研究了溶解氧及活性污泥浓度对s n d 的影响。研究表明在一定 d o 范围内总氮去除率随着反应器内d o 浓度的降低呈上升趋势，同时反应器混合 液污泥浓度越高出水总氮越低，s n d 现象越明显。 要实现高效率的同步硝化反硝化，关键是减小曝气池内混合液的d o 浓度和 提高活性污泥颗粒的尺度【2 4 l 。我们可以在不改变污泥颗粒尺度的前提下降低曝气 池的d o 浓度，但是降低d o 浓度的同时硝化菌的活性也会随之降低，而且十分 容易造成丝状菌的膨胀【2 5 1 。 目前国内外学者对同步硝化反硝化的研究还处于实验室阶段，其理论还不完 善，尤其在反应机理及动力学模型的研究还需要进一步加强。 1 3 2 亚硝化一厌氧氨氧化工艺 随着科技工作者对生物脱氮技术的进一步探索研究，同时新型生物脱氮工艺 短程硝化反硝化与厌氧氨氧化工艺研究的日趋完善，亚硝化厌氧氨氧化工艺逐渐 显现出来，该工艺是目前废水生物脱氮领域内最经济、最简洁的工艺1 2 6 1 。 与传统的硝化反硝化生物脱氮工艺相比，该工艺将废水中5 0 的n h 4 + n 转 化为n 0 2 - n ，利用所产生的n 0 2 - n 将另外的5 0 的n 地+ n 直接氧化为n 2 。该 工艺是一种全自养的生物脱氮过程，即该工艺的两种主要细菌均为自养细菌，而 且在厌氧氨氧化过程中n h 4 + n 的氧化无需0 2 ，n 0 2 - n 的还原不需要有机物，因 此亚硝化厌氧氨氧化工艺是最具革命性的生物脱氮新工艺1 2 7 j 。其反应公式如下： n i t ：+ n o ；专j 7 v ，+ 2 1 t ，0 3 5 8 o m o t n n 2 一 ， 或：s n h ：+ 3 n o ；叫4 2 + 9 h2 0 + 2 h + 一2 9 7ui 确时腑： 6 青岛大学硕十学位论文 亚硝化一厌氧氨氧化技术与传统生物脱氮技术相比具有以下优点1 2 8 】【2 9 】： 1 ) 基建费用、运行费用低。 2 ) 在亚硝化厌氧氨氧化过程中每氧化l m o l n h 4 + - n 只需消耗0 7 5 m o l 氧气， 而在硝化反应中每氧化1 m o l n h 4 + n 却需要消耗2 m o l 氧气，故亚硝化厌氧氨氧 化过程供氧能耗大幅度下降。 3 ) 反应过程中氨可直接用做反硝化反应的电子供体，因此不需要外加碳源。 4 ) 亚硝化厌氧氨氧化过程通常仅产生少量污泥。 5 ) 反应过程中产酸量大为下降，产碱量则降至零。 陈旭良等【3 0 】研究了亚硝化厌氧氨氧化工艺处理味精废水的可行性。实验经过 7 1 天的运行成功启动厌氧氨氧化反应器，总氮容积去除负荷达到0 4 5 7 k g m 。3 d ， 高于传统硝化反硝化工艺，且运行稳定，平均n 0 2 - n 与n h 4 + n 去除量之比为 1 8 5 ：1 ，高于一般工艺的1 3 2 ：1 ，但是当进水浓度相对较高时反应器的去除效 果波动较大，且未对进水中高浓度的硫酸银对厌氧氨氧化工艺的影响及如何实现 长期稳定运行进行研究，因此还不具备用于实际生产的条件。 亚硝化厌氧氨氧化工艺在脱氮过程中所需要的供氧量和加碱量最少，而且不 需要任何碳源，但上述研究大多存在负荷偏低、稳定运行时间不长等问题，且该 工艺的应用研究还大多处于实验室研究阶段，仍有很多问题需要解决。 1 3 3 短程硝化反硝化 长期以来在废水脱氮理论上和工程实践中人们都一直认为要实现废水生物脱 氮就必须经历传统的硝化和反硝化过程才能除去，这条途径也被称为全程( 或完 全) 硝化反硝化生物脱氮。然而，在生化反应过程中，从氨的微生物转化过程来 看，氨氧化与亚硝酸盐氧化是由两中独立的菌种完成的，这样我们就可以根据其 在生理代谢方面的差异，通过控制各类条件让两个反应分别发生。这种经历 n h 4 + - n - n 0 2 n _ n 2 途径进行脱氮的技术定义为短程硝化反硝化脱氮工艺【3 l l 。 短程硝化反硝化( 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 n ) 亦称亚硝酸型硝化反硝 化，其含氮化合物形式转化过程为n h 4 + - n n 0 2 。n n 2 ，而全程硝化反硝化脱氮 过程为n h 4 + n - n 0 2 一n _ n 0 3 n _ n 0 2 n _ n 2 ，从反应历程可以看出，全程硝化 反硝化比短程硝化反硝化多了两步，此反应经历了一个形成无用硝酸根的过程， 该过程增加硝化曝气量和反硝化有机物的投加量，同时使反应过程延长、反应容 器复杂化。 与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下优点1 3 2 】【3 3 】【3 4 j ：( 1 ) 反硝化阶 7 第一章引言 段可减少4 0 左右的有机碳源，降低了运行费用；( 2 ) 反应时| 日j 缩短，反应器容积 可减少3 0 一4 0 ，降低了基建费用；( 3 ) i 肖化阶段可减少2 5 左右的需氧量，降低 了能耗；( 4 ) 污泥产量低( 硝化过程可减少污泥产量3 3 3 5 ，反硝化过程可减少 污泥5 5 左右) ；( 5 ) 具有较高的反硝化速率( n 0 2 。的反硝化速率通常比n 0 3 。要高) ； ( 6 ) 减少了投碱量等。 1 3 3 1 短程硝化反硝化影响因素 1 9 7 5 年v o t e s 等在进行高浓度氨氮废水处理研究中发现硝化过程中n 0 2 积累 的现象，首次提出亚硝酸型短程硝化反硝化生物脱氮的概念i ”j 。短程硝化的标志 是有稳定和较高的亚硝态氮积累，如何控制硝化过程停留在亚硝酸盐阶段是实现 短程生物脱氮的关键。研究过程中，一般认为当系统中亚硝态氮比例占硝态氮与 亚硝态氮之和的一半以上，即n 0 2 i n o x 。 5 0 时就认为系统出现了短程硝化反硝 化现象i ) o j 。 ( 1 ) 温度 1 9 9 7 年荷兰d e l f t 技术大学通过控制温度和污泥停留时问实现了短程硝化反 硝化生物脱氮工艺，即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 ar e m o v a l o v e rn i t r i t e ) 工型了。s h a r o n 工艺用来处理城市污水二级处理系统中污泥硝化 上清液和垃圾渗滤液等高氨氮废水，其亚硝酸积累率可达1 0 0 ，其原理是在 3 0 。c 4 0 高温条件下，将生长速率较慢的硝酸菌从反应器中冲洗出去，使亚硝酸 菌在反应器中占优势，从而将氨氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。该工 艺成功之处在于很巧妙的运用了硝酸菌和亚硝酸菌生长速率的差异，即：在较高 温度下( 3 0 4 0 ) ，亚硝酸菌生长速率明显高于硝酸菌，其世代周期比硝酸菌 短，通过控制系统的污泥龄等于系统的水力停留时间( h r t ) ，控制h r t 介于亚 硝酸菌和硝酸菌的最小停留时间之间，即可将硝酸菌淘汰，从而实现稳定的亚硝 化积累，实现了稳定的短程硝化反硝化。 目前s h a r o n 工艺已经在荷兰r o t t e r d a m 和u t r e c h 两座城市污水处理厂成功 运行【3 8 l ，脱氮效果良好。由于在一定的较高温度下硝化菌对氨有较高的转化率， 所以该工艺无需特别的污泥停留，缩短了h r t ，反应器的容积也就可以减小，另 外硝化和反硝化在同一反应器中完成，减少了投碱量，简化了流程。比利时g e n t 实验室开发的o i _ a n d 工艺也成功的实现了短程硝化反硝化。o l a n d ( o x y g e n l i m i t e da u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ) s e - 艺( 3 9 l 成功的关键就在于控制了 较低的d o 浓度，使硝化过程进行到氨氮氧化为亚硝酸盐阶段。该工艺是在溶解 8 青岛人学硕十学位论文 氧受限的条件下，利用亚硝化细菌和硝化细菌代谢活性及对溶解氧亲和力不同的 动力学特性，将废水中的部分n h 4 + n 氧化成n 0 2 - n ，然后利用n 0 2 - - n 作为电子 受体将剩余的n h 4 + - n 氧化为n 2 ，从而实现废水的生物脱氮。 国内对利用高温下硝酸菌和亚硝酸荫生长速率不同并结合排泥来实现短程硝 化反硝化也进行了一些研究。于德爽等1 4 0 j 研究高盐废水时发现升高温度有利于提 高短程硝化反硝化脱氮效率，当温度从2 0 升高到3 0 亚硝化增长速率升高1 倍。 支霞辉，王红武等1 4 1 】通过对常温下生活废水短程生物脱氮研究，得出基本一致的 结论，即常温条件下控制其他因素如p h 等依然可以出现亚硝态氮的积累，实现 短程硝化反硝化。于德爽，彭永臻【4 2 】等采用s b r 法对中温生活污水进行短程硝化 反硝化试验研究，得出控制较好的p h 值( 7 5 8 5 ) ，在中温2 0 3 0 也可以实现 亚硝态氮的积累，并且平均亚硝