（环境科学专业论文）低cn短程硝化反硝化影响因素与系统稳定性研究.pdf

l o w c n ， a sw e l la st h ef a c t o r st h a th a di n f l u e n c e dt h es h o r t c u t n 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 ns y s t e m t h eo r g a n i cc o m p o u n d sa n da m m o n i an i t r o g e n r e m o v a l r a t e ，n i t r i t ea c c u m u l a t i o n r a t ea n dt h e o p e r a t i o ns t a b i l i t y o fs h o r t c u t n 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 ns y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fm u l t i p l e f a c t o r sc o m b i n e d w h a t sm o r e ，t h ed e n i t r i f i c a t i o nc a p a b i l i t y ，i m p a c tr e s i s t a n c ea n d o p e r a t i o ns t a 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 ns y s t e mw e r es t u d i e du n d e r t h ei m p a c tc o n d i t i o n so fh i g ha m m o n i a t h er e s u l t sh a ds o m eg u i d i n gs i g n i f i c a n c et o t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s o fs h o r t c u t n 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 u s i n gs b rp r o c e s sh a da c h i e v e dt h es 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 np r o c e s s r e s p e c t i v e l y , a n dt h en i t r i f i c a t i o nr a t ec o u l db em a i n t a i n e da b o v e9 0 b yc o n t r o l l i n g p h = 8 0 士0 1 ，f a = 7 4 8 - 8 5 4 m g l ，l o wd o = i 0 - 1 5 m g l ，t h eb e s tp hv a l u er a n g eo f n i t r i t eb a c t e r i aa n dt h es e l e c t i v ei n h i b i t i o nt h e o r yo ff r e ea m m o n i aw e r et h et h e o r e t i c a l b a s i st oa c h i e v es 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 nb yc o n t r o l l i n gp hv a l u e h o w e v e r , o l a n dt h e o r ya n dt h ed y n a m i c sd i f f e r e n e eo ft w ot y p e so fb a c t e r i a su n d e rl o wd 0 w a st h er e a s o no fc o n t r o l l i n gd ot og e th i g hn i t r i t ea c c u m u l a t i o n o p e r a t i n gt h ee x p e r i m e n tf o r8 0d a y su n d e rl o wc nc o n d i t i o n ，f o u n dt h a t ：t h e r ew e r e h i g l ln i t r i t ea c c u m u l a t i o ni nt h es b rs y s t e mw h i c hc o u l db ea b o v e3 5 m g l ，t h e n i t r i f i c a t i o nr a t ec o u l db em a i n t a i n e da t9 0 9 5 s h o w i n gt h a tl o wc nc o n d i t i o n c o u l da c h i e v es 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 nv e r yw e l l ，a n dt h es y s t e mc o u l dr u n v e r yw e l la n db em o r es t a b l e u n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r ea n dd i s s o l v e do x y g e n c o n c e n t r a t i o n ，w h e nt h ew a s t e w a t e ra v e r a g ec n = 3 6w a sb e n e f i c i a lt og e th i g hn i t r i t e a c c u m u l a t i o nt oa c h i e v es 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 h o w e v e r , w h e nt h e c n 5 6 ，t h en i t r i t eb a c t e r i a sn u m b e ra n dd i v e r s i t yb e g a nt or e d u c e ， a n dn e i t h e ro ft h e mc o u l dn o tb eb e n e f i c i a lt oa c h i e v eh i g hn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t eo r t oa c h i e v es 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 a v e r a g ec n = 3 6w a st h eo p t i m u m c o n d i t i o nt og e th i g hn i t r i t ea c c u m u l a t i o nu n d e rl o wc nc o n d i t i o n c o m b i n e de x p e r i m e n tf o u n dt h a tt h ec o m b i n a t i o nc o n t r o lo fl o wd oa n dl o wc n c o u l da c h i e v es 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 ns t a b l e l y , w h e nt h ed o = i 2 1 4 m g l a n dl o wc n = 3 6 a n dt h es b r s y s t e mm a i n t a i n e dah i g hn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ea n d s t a b l eo p e r a t i o ne f f i c a c y t h es t u d yb r o k et h r o u g ht h et r a d i t i o n a lr e s e a r c hc o n s t r a i n t s t oo b t a i nas t a b l en i t r i t ea c c u m u l a t i o ny o us h o u l dc o n t r o ld ob e l o w 1 o m g l ( o r o 5 m g l ) ，w h i c hi m p r o v e dt h es y s t e mr e m o v a le f f i c i e n c ya n de x p a n d e dt h ed i s s o l v e d o x y g e nc o n t r o l l i n gr a n g et oa c h i e v es 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 ，i ta l s o s h o w e dt h a tt h ec o n t r o l l i n gt o g e t h e rw i t hl o wc nc o n d i t i o n sw a sb e n e f i c i a lt o i m p r o v e t h e r e a l i z a t i o ne x t e n ta n d o p e r a t i o n s t a b i l i t y o fs h o r t c u t n 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 np r o c e s s i no r d e rt ot e s tt h ei m p a c tr e s i s t a n c eo ft h er u n n i n gs y s t e mu n d e rt h el o wd oa n d l o wc nc o m b i n a t i o nc o n t r o l ，t h ea m m o n i a r e s i s t a n ti m p a c te x p e r i m e n tw a ss t u d i e d a f t e r7d a y so fh i g ha m m o n i ai m p a c te x p e r i m e n t ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ee f f l u e n t a m m o n i ac o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e ds l i g h t l y , t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o nc h a n g e df r o m 10 8 m g lt o13 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 e da sh i g ha s8 4 6 ：a f t e r t h ei m p a c t ，t h ea v e r a g en i t r i t ec o n c e n t r a t i o na n dn i t r o s a t i o nr a t ec h a n g e dr e s p e c t i v e l y f r o m3 5 1 m g la n d9 3 6 t o3 2 6 m g la n d9 0 2 ，t h o u g hi td e c l i n e dal i t t l e ，i tk e p t g r e a ta d a p t a b i l i t ya n dr e c o v e r ya b i l i t y t h r o u g ht h i si m p a c tt e s t ，i ts h o w e dt h a t 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 nc o u l dn o to n l yb ea c h i e v e de f f e c t i v e l yu n d e rt h e c o m b i n a t i o no fa p p r o p r i a t e l yl o wd oa n dl o wc n ，b u ta l s oh a dl o n gt e r ms t a b l e o p e r a t i o n ，s o m ei m p a c tr e s i s t a n c ea n dr e c o v e r ya b i l i t y k e yw o r d s ：s b r ；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 ；l o wc n ；s t a b i l i t y ； i m p a c tr e s i s t a n c e ； 2 2 试验分析方法一1 9 2 3 试验用水2 0 2 3 1 实验室配水2 0 2 3 2 加工厂生产废水2 0 第三章不同途径实现短程硝化反硝化试验2l 3 1 实验启动2 l 3 2 控制p h 与f a 实现短程硝化反硝化试验2 2 3 2 1 实验方案及条件2 2 3 2 2 实验结果与讨论2 3 3 3 控制溶解氧下的短程硝化反硝化试验2 7 3 3 1 试验方案及条件2 7 3 3 2s b r 周期内d o 变化规律2 7 3 3 3 低d o 对短程硝化反硝化影响2 8 3 4 低c n 下短程硝化反硝化试验- 3l 3 4 1 试验方案与条件3 1 致谢5 2 学位论文独创性声明5 3 学位论文知识产权权属声明5 3 青岛人学硕十学位论文 1 1 生物脱氮概述 第一章引言 氮作为引起水体富营养化的主要因素之一，对环境所造成的影响越来越受到 人们的重视。水体中氮的存在形式以有机氮和氨氮为主，目前对氨氮的去除主 要以生物脱氮为主，因其处理费用低、效果好、不产生二次污染等优点而得到了 广泛研究与应用【2 1 。 1 1 1 生物脱氮原理 传统生物脱氮即是一个全程硝化反硝化的过程，是指在微生物的作用下将有 机氮和氨态氮等各种形态的含氮化合物，分别经过氨化作用、硝化作用和反硝化 作用后，将其转化成氮气与极少部分氮氧化合物并排出水体的过程【3 l 【4 1 。一个完整 的生物脱氮过程包括氨化作用、硝化作用和反硝化作用三个小过程。 1 1 1 1 氨化作用 氨化作用是指废水中的主要有机氮化合物在多种微生物的作用下被降解成氨 氮的过程。以污水中所含有的蛋白质分解降解为例，简单说明如下： 蛋白质_ 多肽_ 氨基酸一 氨和有机酸。 如上过程所示，污水中蛋白质的氨化作用即是在蛋白酶、肽酶与氨化菌等作 用下将其逐步转化为氨氮的过程【5 】。废水中起氨化作用的微生物适应性能非常好， 无论酸碱环境，无论好氧或厌氧水域，氨化微生物均可高效、快速的实现氨化作 用【6 】。由于其反应速度快，一般在进水管道或进入生化反应池之前已完成大部分 的氨化作用，故一般生物脱氮对其不加以控制与研究，硝化反硝化过程才是生物 脱氮的主要研究对象。 1 1 1 2 硝化作用 硝化作用是指在好氧条件下，氨氮被系统中的微生物氧化成硝酸盐的过程。 硝化作用一般分为两个步骤，有两类菌属参与，是两类细菌连续作用的结果【7 1 。 一是由亚硝化细菌起主要作用的亚硝化过程，此时亚硝化单胞菌属将氨氮氧化为 亚硝态氮( n 0 2 - n ) ；二是由硝化菌起主导作用的硝化过程，此时硝化菌属将亚硝 1 第一章引言 态氮氧化为硝念氮( n 0 3 - - n ) ，两个过程合称为硝化作用【引。 见表1 1 ，其主要反应方程式如下： 2 n h 4 + + 3 0 2 _ 2 n 0 2 1 + 2 h 2 0 + 4 h + ( 亚硝化过程) 2 n 0 2 + 0 2 _ 2 n 0 3 ( 硝化过程) 硝化作用反应过程的总反应式为： n h 4 + + 2 0 2 n 0 3 。+ h 2 0 + 2 h + 表1 1 硝化细菌与亚硝化细菌特征比较 两种细菌的生理特性 1 一( 1 ) 1 - ( 2 ) l - ( 3 ) 硝化作用在5 3 5 的范围内均可进行，温度过高或过低都将对其不利。p h 和f a 也是硝化作用的两个重要影响因素。p h 对硝化反应的影响有两方面，一方 面是亚硝化菌生长要求有合适的p h 环境，另一方面是p h 对游离氨浓度( f a ) 有很 大影响，而f a 的大小直接影响亚硝化菌的活性，同时也就决定了能否实现亚硝 态氮的积累( 9 j 【10 1 。研究表明】，两类细菌适宜生长的p h 范围不同，亚硝化菌的 适宜p h 在7 0 8 5 ，而硝化菌的适宜p h 在6 0 7 5 ，故可通过控制适宜的p h 来 实现短程硝化反硝化过程。同时d o 、碳氮比与污泥龄同样对硝化过程有着不同 程度的影响。 1 1 1 3 反硝化作用 反硝化作用是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 0 3 ( n 0 2 ) 还原为气态氮的过程。研究中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。反硝化细菌多 2 青岛人学硕十学位论文 为兼性厌氧菌，能够利用分子氧或硝酸盐( 亚硝酸盐) 作为最终电子受体，有氧 条件下反硝化菌首先利用分子氧作为电子受体氧化降解有机物，而当分子氧受限 制时，硝酸盐( 亚硝酸盐) 则取代分子氧作为电子受体进行代谢活动【1 2 】【l3 1 。反硝 化作用与硝化作用类似，其反应过程同样受到一系列环境因素的影响，如温度、 碳源、p h 、d o 、盐度等【1 4 j 。 在反硝化过程中，碳源作为细菌代谢的必需物质和能量来源，在污水生物脱 氮处理中起着重要的作用，是反硝化反应得以顺利进行的必备条件。在s b r t 艺 和一些后置反硝化工艺中，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，故为提高反硝化效率往往要求投加外碳源【l5 1 。甲醇由于价格 低、易获取，且不产生副产物而被广泛应用于实验室研究和污水处理厂中。以甲 醇为作为反硝化所需j , b ；a i i 碳源为例，说明反硝化反应过程如下： c h 3 0 h + 3 n 0 3 。_ 3 n o z 。+ 2 h2 0 + c 0 21 - ( 4 ) c h 3 0 h + 2 n 0 2 。 n 2 + h 2 0 + c 0 2 + 2 0 h 1 - ( 5 ) 由上式易知反硝化过程产生碱度，故反应过程中p h 会不断的升高。 另外，污水生物脱氮过程中氮的转化除氨化作用、硝化作用和反硝化作用外， 还包括生物的同化作用。同化作用是指在生物处理过程中，污水中的一部分氮( 有 机氮或氨氮) 被微生物作为营养物质同化合成为其细胞本身的组成部分【l6 1 。与硝 化作用和反硝化作用相比，微生物将氮转化为自身成分的同化作用对污水中氮的 去除量很小，故污水处理中一般不予研究。 综上所述，整个生物脱氮过程简化即是： n h 4 叶。n n 0 2 。n n 0 3 n n 0 2 。n n 2 l _ 卜 _ 呻1 卜l i 亚硝化过程i 硝化过程i反硝化过程i 1 1 2 生物脱氮新技术研究发展 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， 同时出现了一批具有创新意义的生物脱氮方式，如短程硝化反硝化工艺【1 7 】、同步 硝化反硝化工艺【1 8 】、亚硝化一厌氧氨氧化工艺【i9 】等工艺，以及异养硝化好氧反硝 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。下面将目前研究较为广泛的短程硝化反硝化、同步硝化反硝化和厌 氧氨氧化三种生物脱氮工艺做简单的介绍。 3 第一章引言 1 1 2 1 短程硝化反硝化 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) 就是将硝化过程控制在氧化形成n 0 2 - - n 阶段而终止，随后进行反硝化脱氮【z ， 即n h 4 + - n n 0 2 。n n 2 这样一个过程。 短程硝化反硝化含氮化合物形式转化过程为n h 4 + - n n 0 2 一n _ n 2 ，而全程硝 化反硝化脱氮过程为n h 4 + - n _ n 0 2 。n _ n 0 3 。n n 0 2 n n 2 ，从传统脱氮过程可 以看出，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【2 1 】【2 2 】【2 3 】：( 1 ) 硝化阶段 可减少2 5 左右的需氧量，降低了能耗；( 2 ) 反硝化阶段可减少4 0 左右的有机碳 源，降低了运行费用；( 3 ) 反应时间缩短，反应器容积可减少3 0 4 0 ，降低了基 建费用；( 4 ) 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) ：( 5 ) 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) ； ( 6 ) 减少了投碱量等。 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【2 们。传统硝化过程是亚硝化菌和硝化菌 协同完成的，由于这两类细菌在开放的系统中形成较为紧密的互生关系，彼此相 互作用而将氨氮氧化为硝酸盐，因此完全意义上的亚硝酸型硝化基本上是不可能 的。所以研究过程中，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 n o 。 5 0 时就认为系统出现了短程硝化反硝化现象【l0 1 。影 响短程硝化反硝化的主要因素有：温度、p h 值、游离氨( f a ) 浓度、d o 浓度、 污泥龄等。通过控制好以上这些因素，便可以出现较高的亚硝态氮积累，从而实 现短程硝化反硝化。 成功实现短程硝化反硝化的典型工艺为s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rh i g h a 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 ) 工艺钏和o l a n d ( o x y g e nl i m i t e d a 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 ) i 艺1 2 5 1 。s h a r o n 工艺用来处理污泥硝化 上清液和垃圾渗滤液等高氨氮废水。其原理是在3 0 4 0 高温条件下，亚硝化 菌生长速率明显高于硝化菌，其世代周期比硝化菌短，通过控制系统的污泥龄介 于亚硝化菌和硝化菌的最小停留时间之间，即可将硝化菌淘汰，从而实现稳定的 亚硝化积累。比利时g e n t 实验室开发的o l a n d 工艺成功的技术关键就在于控制 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 4 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【2 6 1 。 在不少污水处理工艺的实际运行中发现了同步( 同时) 硝化反硝化现象，这 一现象与传统脱氮理论明显有所违背。一般传统情况下，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，由于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，故生物脱氮过程通常需在两个反应器中独立进行 ( 如传统活性污泥工艺、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) 。当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。而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。此种脱氮工艺将 更加简化而效能却大为提高，从反应过程看，硝化和反硝化在两个反应器中独立 进行或在同一个反应器中顺次进行时，硝化过程的大量产碱会导致o h 。积累而引 起p h 值升高，将影响上述两阶段反应过程的反应速度，这在高氨氮废水脱氮时 表现得更为明显【2 。7 1 。但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。目前在荷兰、丹 麦、意大利等国已有一批污水厂在利用同时硝化反硝化脱氮工艺运行。 目前研究表明，实现同步硝化反硝化的途径可以分为以下两种【2 8 j ：1 ) 利用某 些微生物种群在好氧条件下具有反硝化的特性来实现同步硝化反硝化。研究结果 表明，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。2 ) 利用好氧活性污泥絮体中的缺氧区来实现同步硝化反硝 化。通常曝气池中的d o 维持在i 2 m g l ，活性污泥大小具有一定的尺度，由于 扩散梯度的存在，在污泥颗粒的内部可能存在着一个缺氧区，从而形成有利于反 硝化的微环境。大量研究结果表吲2 9 1 ，活性污泥的同步硝化反硝化主要是由污泥 5 第一章引言 絮体内部缺氧产生。要实现高效率的同步硝化反硝化，关键是如何在不影响硝化 效果的曝气条件下，增大活性污泥颗粒内部的缺氧区以实现反硝化。要达到这一 目的，有两种途径可供选择，即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。降低曝气池的d o 浓度，即减小了0 2 的扩散推动力，可在不改变污 泥颗粒尺度的条件下在其内部形成较大的缺氧区。但在低d o 浓度下硝化菌的活 性将会降低，且极易形成丝状菌膨胀【3 。因此，提高同步硝化反硝化活性污泥颗 粒的尺度，在不影响硝化效率的前提下达到高效的同步硝化反硝化可能是最佳选 择。然而，由于曝气池中气泡的剧烈扰动作用，活性污泥颗粒在曝气条件下很难 长大，因此限制了活性污泥法同步硝化反硝化效率的提高。 1 1 2 3 亚硝化厌氧氨氧化 随着生物脱氮技术的发展、进步，以及对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同趋成熟，亚硝化厌氧氨氧化工艺脱颖而出，该工艺集 两种脱氮工艺优势与一体，是亚硝化过程与厌氧氨氧化过程的结合【3 。 亚硝化厌氧氨氧化即是利用短程硝化的原理，通过控制一定的温度、p h 、 d o 、污泥龄、底物浓度等水力条件，将硝化过程进行到一定程度，出现一定的亚 硝酸盐积累，使出水中的氨和亚硝酸盐达到一定的比例，能符合厌氧氨氧化的需 求，然后于厌氧条件下，微生物以n h 4 + - n 为电子供体，以n 0 2 - n 为电子受体， 将n h 4 + - n 和n 0 2 - - n 转换为n 2 ，从而实现废水的生物脱氮过程【3 引。其反应公式 如下： n i l ：+ l e o ；，+ 2 日，d 一3 5 8 k , r n o 肼h r 2 _一 或：5 n i l ：+ 3 n o ；专4 1 v 2 + 9 h2 0 + 2 h + 一2 9 7i u ，m d 蝴。, i v 亚硝化厌氧氨氧化技术与传统生物脱氮技术相比具有以下优点【3 3 】【3 4 】： 1 ) 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。 2 1 在亚硝化厌氧氨氧化过程中每氧化l m o ln h 4 + - n 只需消耗o 7 5 m o l 氧气， 而在硝化反应中每氧化l m o ln 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 ) 反应过程中产酸量大为下降，产碱量则降至零。 4 ) 亚硝化厌氧氨氧化过程通常仅产生少量污泥。 5 ) 基建费用、运行费用低。 6 青岛人学硕十学位论文 在厌氧氨氧化阶段，此工艺以厌氧氨氧化代替了短程硝化反硝化过程中的反 硝化过程，从而彻底摆脱了有机碳源不足对生物脱氮的限制。荷兰d o k h a v e n 污水 厂采用的s h a r o n a n a m m o x 生物脱氮工艺处理泥区废水就是一个成功的、具 有代表性的亚硝化厌氧氨氧化生物脱氮工艺典澍3 5 】。s h a r o n a n a m m o x 无论 从脱氮效果上、还是从经济效益上考虑都具有较高的开发潜力和工程应用价值， 这为以后污水处理实现高效率、低能耗生物脱氮指明了研究方向。 1 2 短程硝化反硝化 在多种新型脱氮技术中，短程硝化反硝化是其中代表性技术之一，因其具有 传统生物脱氮不可比拟的优势，引起了学术界的普遍关注和广泛研究。 1 2 1 短程硝化反硝化影响因素 1 2 1 1 温度 温度是影响微生物生长繁殖的重要因素，由于亚硝化菌和硝化菌生长的最适 宜温度不相同，所以可以通过调节温度来抑制硝化菌的生长，而不抑制或轻微抑 制亚硝化菌生长，使亚硝化菌在生长过程成为优势菌种，从而实现短程硝化反硝 化过程。 1 9 9 7 年荷兰的m u l d e r 【2 4 j 提出了s h a r o n 工艺，用来处理城市二级污水处理 系统中污泥硝化上清液和垃圾渗滤液等高氨氮废水。在高温( 3 0 。c - 4 0 。c ) 下，亚硝 化菌生长速率明显高于硝化菌，其世代周期比硝化菌短，通过控制系统的污泥龄 介于亚硝化菌和硝化菌的最小停留时间之间，即可将硝化菌淘汰，从而实现稳定 的亚硝化积累。而s h a r o n 即是充分利用了污泥硝化液本身温度较高的特点来实 现短程硝化。但这对于大多数工程项目意义不大，因为一般污水要保证3 0 4 0 的高温较为困难，换而言之，若采取加热升温则需浪费大量的热量。 另外，于德爽，彭永臻【3 6 】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，并且平均亚硝化率达9 5 以上。支霞辉，王红武等【3 7 】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。杨庆，彭永臻【3 8 】 等应用s b r 系统对城市污水短程生物脱氮进行了中试研究，结合实时过程控制， 采用了分段进水模式，系统在温度为1 1 2 5 的范围内均达到了稳定的短程脱 氮效果，平均氨氮去除率在9 6 以上，平均亚硝化率在9 5 以上。 7 第一章引言 由此可见，无论是高温、常温还是低温条件下，均能出现亚硝念氮的积累， 所以说温度不是系统发生短程硝化反硝化的根本因素、唯一因素。同时说明，通 过加热升温提高温度来实现短程硝化反硝化是不可取的，而s h a r o n 工艺的独特 之处就在于成功利用了废水本身的高温特点。 1 2 1 2p h 值与f a p h 和f a 也是亚硝化反应的两个重要影响因素。p h 对亚硝化反应的影响有两 方面，一方面是亚硝化菌生长要求有合适的p h 环境，另一方面是p h 对游离氨浓 度( f a ) 有很大影响，而f a 的大小直接影响亚硝化菌的活性，同时也就决定了能否 实现亚硝态氮的积累。其中p h 和游离氨浓度( f a ) 关系式如下： ，1 7 n h 4 + 一n 1 0 ” f a 2 百1 习i 毫石两广 其中k b 为氨的离解常数；k w 为水的电离常数。 研究表明 3 9 】，两类细菌适宜生长的p h 范围不同，亚硝化菌的适宜p h 在 7 0 8 5 ，而硝化菌的适宜p h 在6 o 7 5 ，利用两者最适宜p h 值的不同，控制混 合液中的p h 值就能控制硝化过程停留在亚硝酸盐阶段从而实现短程生物脱氮。 国内外许多学者研究表明，游离氨f a 对两类硝化细菌的抑制作用不同，硝 化菌对游离氨的敏感性要高于亚硝化细菌，著名代表性理论是a n t h o n i s e n 的选择 性抑制学说【4 们。通过试验发现0 6 m g l 的f a 几乎就可以全部抑制硝化菌的活性， 从而使亚硝态氮的氧化受阻，出现亚硝态氮积累；而对于亚硝化菌只有当f a 浓 度大于5 m g l 时才会对其活性产生影响，达到4 0 m g l 才会严重抑制亚硝态氮的 形成。 综上所述，结合选择性抑学说可知，通过调整p h 、结合适宜的进水氨氮浓度 将f a 浓度控制在抑制硝化细菌而不抑制亚硝化细菌生长的范围内，使反应器内 的亚硝化菌逐渐成为优势菌属，即可出现亚硝酸盐的累积，实现亚硝酸型硝化。 虽然通过控制f a 浓度可实现亚硝酸盐的累积，但t u r k 与m a v i n i e t 4 i j 在试验 研究中发现，由于硝酸细菌能够逐渐适应不断升高的f a ，试验中出现的亚硝态氮 的积累并不稳定。王志盈【4 2 】等采用下向流内循环生物流化床反应器，探讨了亚硝 化过程的稳定性，研究发现系统运行初期，在高f a 抑制作用下，由于硝化菌对 环境的适应性和生长的滞后性，暂时出现了亚硝酸盐的积累，但这种对硝化菌选 择性抑制所获得的亚硝酸盐积累并不稳定，且不可逆。a l l e m a n 等也在试验中发 现了试验时间超过1 5 0 d 后出现硝化出水中亚硝态氮比例下降的问题。 青岛人学硕+ 学位论文 众多实验表明，f a 对硝化反应有明显的抑制作用，但问题是硝化菌能通过本 身的变异逐步适应不断升高的f a 浓度。因此，单纯的依靠抑制f a 无法实现长期、 稳定的短程硝化反硝化过程。 1 2 1 3 溶解氧 d o 是影响硝化过程的一个重要参数，研究表明低d o 条件下容易发生亚硝酸 盐积累。在低d o 条件下亚硝化菌对氧的亲和能力较硝化菌强，使得低d o 条件 下亚硝化菌的增值速率较硝化菌快。因此，利用两类细菌在动力学特性上的差异 性，通过控制较低的d o 浓度，可使亚硝化菌逐渐成为优势菌属而逐步淘汰硝化 菌，从而将硝化过程控制在亚硝态氮阶段，达到短程硝化的目的。 比利时g e n t 实验室开发的o l a n d 工艺( o x y g e nl i m i t e da u t o t r o p h i c 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 n ) 成功的技术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。h a n a k i 4 3 1 、k u a i 4 4 】分别于1 9 9 0 年、1 9 9 9 年在研究中发现了在低d o 的条件下生物脱氮过程中出现了n 0 2 - n 浓度远大于 n 0 3 - n 浓度的现象。此后，许多研究者进行了通过控制低d o 实现亚硝酸型硝化 的研究。b e m e t 【4 5 】提出了基质缺乏竞争的学说，并得出降低d o 尤其是在d o 小 于1 o m g l 条件下对提高亚硝化菌的竞争力有利，导致亚硝化菌成为主体。但受 d o 下降的影响，亚硝化菌与硝化菌的增长速率均下降，不过硝化菌的下降比亚 硝化菌要快很多，从而导致亚硝化菌的增长速率高于硝化菌。k e i s u k eh a n g n a k i 【4 6 】 等人经过实验研究得出，在常温条件下，进水氨氮为8 0 m g l ，d o = o 5m g l 时， 亚硝化菌的增值速率远远高于硝化菌，成功实现了亚硝态氮的积累。陈滢，彭永 臻【4 。7 】等在控制低溶解氧浓度实现生活污水短程硝化研究中得出，当d o 质量浓度 在0 5 0 7 m g l 时，曝气时间6 h ，亚硝化率可到8 0 以上，氨氮去除率在9 5 以 上。 不过，低d o 条件下亚硝酸型硝化的机理目前研究尚不十分透彻，因而存在 不同观点。多数研究者认为低d o 可以作为亚硝酸型硝化的控制因素，可以肯定 在低d o 条件下硝化菌的生长明显受到抑制，但此时亚硝化菌和硝化菌的增值速 率均出现下降，当d o 为o 5 m g l 时，亚硝化菌增值约为正常时的6 0 ，而硝化 菌则不超过正常值的3 0 t 2 4 1 。另外，低d o 情况下活性污泥易发生污泥解体和膨 胀；同时当进水有机物浓度较高时往往会因d o 不足而造成有机物去除率下降等。 这表明低d o 虽然可以实现短程硝化过程，但低d o 条件下表现出短程硝化的缺 点也值得深入研究。 9 第一章引言 1 2 1 4 污泥龄 污泥龄也是活性污泥处理系统中一个十分重要的运行控制参数。而前面已经 提到的s h a r o n 工艺，其成功的奥妙之处和适宜的污泥龄有着必然的联系。它依 据高温条件下两种细菌生长速率的不同( 硝化菌的生长速率明显低于亚硝化菌的 生长速率) ，巧妙利用亚硝化菌的最小泥龄小于硝化菌最小泥龄这一特性，通过 控制系统的水力停留时间使之介于硝化菌和亚硝化菌的最小泥龄之间，从而将硝 化菌淘汰，实现并维持了亚硝酸盐的积累，成功实现了短程硝化反硝化。 1 2 1 5 碳氮比 在活性污泥系统中，可生物降解的含碳有机物与含氮物质浓度之比是影响生 物硝化速率和过程的重要因素之一，碳源和氮源是维持微生物生长和繁殖的重要 营养物质，同样，碳源和氮源的合适配比也是至关重要。在污水生物处理中，一 般认为好氧微生物群体正常生长繁殖所需的碳、氮、磷比例为b o d 5 ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：l 。 有研究发现，控制低c n 条件可以实现短程硝化反硝化，其具体反应机理目前尚 不十分明确。 有研究【4 8 】【4 9 】认为，有机物对硝化菌活性的作用是通过影响系统中异养菌的活 性来间接地对硝化菌产生影响。c n 对系统内微生物菌群的生长繁殖以及营养物、 溶解氧和膜空间的竞争有直接的影响。在自氧硝化菌、亚硝化菌与异养菌对氧分 子的竞争研究中发现，反应器中不同微生物菌群体现出了一定的空间分层结构， 在生物膜体系内部，依据d o 的浓度梯度扩散原理，此时d o 浓度较低，依据 o l a n d 原理，有利于亚硝化菌的富集以实现短程硝化过程；另外，在低c n 条 件下，相对较高的进水氨氮浓度会产生一定浓度的f a ，依据选择性抑制理论，f a 抑制作用已对硝化菌产生了影响，间接促进了亚硝酸盐的积累。笔者于某污水厂 运行调试过程中发现，当迸水水质指标中c n 较低时，在温度、p h 、d o 与污泥 龄均为正常水平的条件下，a o 生物反应系统中出现了较高的亚硝酸的积累，初 步认为是低碳氮比结合较高的f a 的所致，从而拓宽了短程硝化反硝化影响因素 的研究领域。 1 2 1 6 盐度 根据微生物学原理，微生物的新