（环境科学专业论文）城市生活污水sbr亚硝化启动及控制因子研究.pdf

数k s = 0 6 9 m g l ，氨氮的最大比降解速率v 。= 0 0 2 4 h ，回归系数r 20 9 0 4 。 关键词：亚硝化，s b r ，亚硝化菌，硝化菌，溶解氧，生物脱氮，温度 a b s t r a c t a so n eo ft h em a i nf a c t o r sc a u s i n ge u t r o p h i c a t i o n ，t h e e f f e c to fn i t r o g e no nt h ee n v i r o 啪e n t a l p o l l u t i o nh a sb e e np a i dm 。r ea n dm 。r ea t t e n t i o n i nr e c e n td e c a d e s ，。nt h eb a s i so f t h et r a d i t i 。n a lb i 。1 。g i c a l d e n i t r i f i c a t i o n , d o r a e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r sh a sd e v e l 。p e dn e we c o n o m i c a l ，e f f i c i e n ta n de n e r g y s a v i n g f e c h n o l o g i e s h o w e v e r ，a st h ek e ys t e po ft h e s en e wt e c h n o l o g i e s ，t h en i t r o s a t i o np r o c e s si sh a r dt 。r e a l i z e ， a n dt h e r e f o r ei t sd i f f i c u l tt om a i n t a i nas t e a d y p r o c e s su n d e rn o n n a lc o n d i t i o n s i nt h i sr e s e a r c h ，t h es b rr e a c t 。rw a ss t u d i e da tt h et e m p e r a t u r ea r o u n d3 0 v w i t ht h ep hr a n g e7 6 7 9 ，a n ds t a r t e ds u c c e s s f u l l yi nt h ec o n d i t i o n so fl o wl e v e lo fd oa n dc o n t i n u o u s a e r a t i o n a n e rt h e 8 u c 。e 8 8 f u ls a n 。ft h en i t r o s a t e dr e a c t 。r ，t h ee f i e c t 。f n i t r o s a t i 。ni nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r ei n v e s t i g a t e d ， 8 n dt h ek i n e t i ce q u a t i o no fd e g r a d a t i o nr a t eo fa m m o n i a n i t r o g e nw a se s t a b l i s h e d t h er e s u i t si nc h i ss t u d y w e r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h er e m 。v a lr a t e 。fa l n l i l o n i an i t r o g e na n dn i t r i t en i t r o g e nw e r ea tl e a s t8 0 a n d 9 0 ，r e s p e c t i v e l y a f t e r3 2c y c l e so fc o n t i n u o u so p e r a t i o n ，a tt h et e m p e r a t u r ea r o u n d3 0 。c w i t ht h ep ha r 。u n d7 6a n dd o a b o u t0 3 m g l t h e r e f o r e ，t h en i t r o s a t i o ns t a r t u pp r o c e s so fm u n i c i p a ld o m e s t i cw a s f ew a t e ri n1 0 w 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 sa c h i e v e d 2 ) t h ej u m p 。f c l l ed oa n dt h et u m i n gp 。i 1 1 t 。ft h eo r pa n dp h ，w h i c hc o u l db eu s e da s t h ee n d - p o i n t c o n m l l i n gi n d i c a t o r st oj u d g et h en i t r o s a t i o nr e a c t i o n ，w e r eo b t a i n e da f l e rt h em o n i t 。一n go ft h et y p i c a l c y c l eo fd o ，o r pa n dp h i tw a sf o u n dt h a tt h ea c c u m u l a t i o n o ft h en i t r i t e n i t r o g e nc o u l da c h i e v e m a x i m u md e g r e ew h e nt h ea e r a t i o nt i m ew a sc o n t r o l l e dw i t h i n3 0m i n u t e sa f t e rt h ee n d so f t h en i t r o s a t i o n 扪t h es t e a d yn i t r o s a t i o n p r o c e s sc o u l db eo b t a i n e dt h r o u g hl o w e r i n gt h ed oa n dc n w h i l e i n c r e a s i n gt h ep h t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft h ea l n n l o n i an i t r o g e nw a sa r o u n d8 7 ，w h i l et h e a c c u m u l a t i o nr a t eo ft h en i t r i t ew a sa r o u n d9 2 4 ) i tw a sf o u n dt h a tt h et e m p e r a t u r ew a so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a ta f f e c t e d n i t r o s a t i o n i nt h e a p p m p n a t et e m p e r a t u r er a n g e ，t h en i t r o s a t i o nr a t ew a sf a s t e ra n dt h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nw a sm o r e s i g n i f i c a n tw i t hah i g h e rt e m p e r a t u r eo ft h es y s t e m a n da st h et e m p e r a t u r eg o tl o w e r ，t h er e m o v a lr a t eo f a m m o n i an i t r o g e na n dt h ea c c u m u l a t i o nr a t eo ft h en i t r i t ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h e a c c u m u l a t i o no ft h en i t r i t ec o u l db ee a s yt oa c h i e v ei nah i g h e rt e m p e r a t u r e 5 ) t h ek i n e t i cp r o c e s so ft h en i t r o s a t i o nw a sa n a l y z e do nt h es t e a d yn i t r o s a t i o ne x p e r i m e n tb a s i s ，a n d t h ed e g r a d a t i o nk i n e t i ce q u a t i o no ft h en i t r o s a t i o no ft h ea m m o n i an i t r o g e nw a so b t a i n e da n dv e r i f i e dw i t h e x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ek i n e t i cp a r a m e t e r so ft h eh i g hc o n c e n t r a t i o nc o n f o r m e dt o r e a l i t yb e t t e rt h a nt h o s eo f t h el o w e r b a s e do nt h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n t ，t h ek i n e t i cp a r a m e t e r sa n dt h e r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t so ft h en i t r o s a t i o nw e r eo b t a i n e di nt h ed i f f e r e n t i a l m e t h o da n dt h el e a s ts q u a r e m e t h o do f1 i n e a rr e g r e s s i o n t h er e l e v a n tp a r a m e t e r sw e r ea sf o l l o w s ：k s = 0 6 9 m g l ，v m a x = 0 0 2 4 h 一，r 2 = 0 9 0 4 。 k e yw o r d s ：n i t r o s a t i o n ，s b r ，n i t r i f i c a t i o nb a c t e r i a ，n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，d i s s o l v e do x y g e n ，b i o l o g i c a l i v d e n i t r i f i c a t i o n ，t e m p e r a t u r e 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水是所有生命赖以生存的重要物质，水资源是发展国民经济所需要的重要自然 资源。但是随着全球经济的飞速发展，城市的快速扩张以及世界人口的不断增长， 人们的用水量不断增多，再加上日趋严重的水污染，使水资源短缺问题更加严重， 为了社会的可持续发展，防治水污染，保护水资源已成为当务之急。 1 1 1 水体中氮素污染的来源 随着近儿年： 农业生产的迅速发展，水体遭受氮素污染的问题也越来越突出，从而 引起了人们的关注。水体中的氮素污染主要来自生活污水和工业生产过程中含氮废水的 排入，以及农业生产罩土壤中氮肥随雨水的冲淋流入。 ( 1 ) 氮污染工业来源：生产过程中产生的工业废水、工业垃圾、工业废气都能 通过不同渗透方式造成水资源的污染，诸如制革废水、食品加工废水、炼焦废水、 合成氨废水等许多工业废水中含有氮素污染物，其污染物的种类和浓度因行业而 异，变化较大。工业废水中氮素污染仅有少数以无机氮的形式存在，其主要存在 形式为有机氮。 ( 2 ) 氮污染农业来源：农业生产罩农药及土壤中氮肥随雨水的冲淋流入水体中， 变成为直接的污染源。农业生产中用的化肥以及农药是水体中氮素污染的重要来源，农 业生产中施入二e 壤的氮肥被农作物利用的大约仅有3 0 ，剩余的7 0 ( 1 8 0 0 万吨年) 氮肥 进入环境心1 。此外，家禽家畜等大规模养殖过程产生的畜禽养殖业废料，未经处理 就排入水体，其中氮的含量也相当高 ( 3 ) 氮污染生活污水来源：中国人口众多，特别是在改革丌放以来，城市人口的 激增，伴随着人类生活污水排入水体中的氮素也越来越多。虽然我国最近几年在城市罩 修建了一批污水处理厂，但是城市污水处理厂的出水中氮素虽已达标，可排入水体中的 总氮含量仍然相当的大。在小城镇中基本上没有建造污水处理设施，在农村更是直接把 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水是所有生命赖以生存的重要物质，水资源是发展国民经济所需要的重要自然 资源。但是随着全球经济的飞速发展，城市的快速扩张以及世界人口的不断增长， 人们的用水量不断增多，再加上日趋严重的水污染，使水资源短缺问题更加严重， 为了社会的可持续发展，防治水污染，保护水资源已成为当务之急。 1 1 1 水体中氮素污染的来源 随着近儿年： 农业生产的迅速发展，水体遭受氮素污染的问题也越来越突出，从而 引起了人们的关注。水体中的氮素污染主要来自生活污水和工业生产过程中含氮废水的 排入，以及农业生产罩土壤中氮肥随雨水的冲淋流入。 ( 1 ) 氮污染工业来源：生产过程中产生的工业废水、工业垃圾、工业废气都能 通过不同渗透方式造成水资源的污染，诸如制革废水、食品加工废水、炼焦废水、 合成氨废水等许多工业废水中含有氮素污染物，其污染物的种类和浓度因行业而 异，变化较大。工业废水中氮素污染仅有少数以无机氮的形式存在，其主要存在 形式为有机氮。 ( 2 ) 氮污染农业来源：农业生产罩农药及土壤中氮肥随雨水的冲淋流入水体中， 变成为直接的污染源。农业生产中用的化肥以及农药是水体中氮素污染的重要来源，农 业生产中施入二e 壤的氮肥被农作物利用的大约仅有3 0 ，剩余的7 0 ( 1 8 0 0 万吨年) 氮肥 进入环境心1 。此外，家禽家畜等大规模养殖过程产生的畜禽养殖业废料，未经处理 就排入水体，其中氮的含量也相当高 ( 3 ) 氮污染生活污水来源：中国人口众多，特别是在改革丌放以来，城市人口的 激增，伴随着人类生活污水排入水体中的氮素也越来越多。虽然我国最近几年在城市罩 修建了一批污水处理厂，但是城市污水处理厂的出水中氮素虽已达标，可排入水体中的 总氮含量仍然相当的大。在小城镇中基本上没有建造污水处理设施，在农村更是直接把 城市生活污水s b r 弧硝化启动及控制因子研究 未经任何处理的生活污水排入自然环境。城市生活垃圾在填埋后仍会产生含高氨氮浓度 的垃圾渗滤液，随着土壤渗透、地表径流以及地下径流进入水体中，从而产生二次污染。 从2 0 0 1 年开始，中国环境统计中增加了城镇生活氨氮排放量指标。据统计在2 0 0 7 年，我国排放的废水中氨氮排放量达到1 3 2 4 力_ 吨( 不包含农业源) ，工业废水中的氨氮 排放量是3 4 1 万吨，约占氨氮总排放量的2 6 ；城市生活污水中的氨氮排放量为9 8 3 万吨，占总排放量的7 4 以上；由2 0 0 7 年全国污染源普查统计结果显示，我国氨氮排放 主要以工业氨氮废水跟生活氨氮废水为主，还有一部分的农业氨氮废水。“。 1 1 2 水体中氮素的危害 水是生命赖以生存和人类从事生产生活的重要自然资源。然而随着近几年人类对自 然环境的过度丌发利用，大量污染物特别是氮f f , j a l ；放，威胁着用水安全及水体质量，进 一步加剧了水资源紧缺的矛盾。据2 0 0 9 年环境状况公报报道，氨氮仍是我国黄河、长 江、海河、辽河等水系的主要污染物，成为水体污染治理的重点防治目标( 中华人民共 和国环境保护部，2 0 1 0 ) 。 自然界中的氮素广泛存在于地球的大气圈、水圈、岩石圈( 地壳表层) 及生物圈四 个氮素库罩【圳，在各氮素库内以及各氮素库之问，通过物理和生化作用，氮素在各种氮素 库之f b j 实现空问上的迁移和形态上的转化，这就构成了氮素的自然循环。 在废水中，氮素的存在形式有：有机态氮( 主要有蛋白质、氨基酸、尿素等) ：氨 念氮( n h 3 + n h 。+ ) ：亚硝酸态氮( n 0 2 ) ；硝酸态氮( n 0 3 ) 。在未经处理的原废水中有 机态氮及氨念氮是氮素的主要存在形式。氮污染给水体造成的危害主要有以下几个方 面。 ( 1 ) 据研究氮、磷是藻类生长所需的关键性元素，水体富营养化与其中的氮、磷 浓度密切相关墨1 ，水体富营养化现象是指水体中含的营养物质过多，特别是氮、磷的含 量过高，导致水体内的藻类和依靠藻类生长的其他生物迅速生长，耗尽水中的溶解氧， 引起水生生物特别是鱼类大量死亡，从而使水体发臭、水质恶化的生态系统污染现象一“。 据统计，出于水体富营养化及水环境的严重污染，致使现有1 4 的水体不适合用于农业 的灌溉；1 3 的水体不适合鱼类等生物的生存；1 2 的水体不能达到城镇饮用水源的标 准脚1 。我国大部分的湖泊都受到不同程度富营养化的影响，受富营养化污染影响最严重 的湖泊有江浙的太湖、云南的滇池和安徽的巢湖”“。 ( 2 ) 氨氮会消耗降低水体中的溶解氧，在二级处理出水中，氨氮需氧量占总需氧量的 第一章绪论 比例可高达7 1 3 。排入水体后的氨氮，在硝化微生物的作用下最终转化成为硝态氮， 要完全氧化l m g 氨态氮，需要消耗水体中4 6 m g 的溶解氧。而且在此氧化过程中，会产 生h + 消耗水中的碱度，否则水中的p h 值将下降。这将会影响鱼类等水生生物的生存环 i 观。 ( 3 ) 影响人类生活的给水水源，增加给水处理的成本。自来水厂一般是用加氯的 方法来消毒的，但是水体中的氨氮会与氯作用生成氯胺，而氯胺的消毒作用比自由氯小， 这样就影响了氯的消毒效果。此外，氯胺的气味难闻，还是一种致癌物质，对人类的健 康有潜在的危害。 ( 4 ) 化合态氮对人及生物有毒害作用，当水中氨态氮浓度超过l m g l 。时，会使水 生生物血液结合氧的能力降低，当其浓度超过3 m g l 时，就会使水体中的一些鱼类在一 到四天内死亡。水体中低浓度的游离态氨，能妨碍鱼鳃中氧的传递，当氨的浓度达到 0 5 m g l 时，就能毒害鱼类以及水生动物1 。当水体中硝态氮浓度超过l o m g l 时，会使 婴儿患高血红蛋白症。为此在生活饮用水水质标准中规定，氨氮为0 2m g l 。到0 5 m g l ， 硝酸盐氮为1 0m g l 到2 0 m g l 。 1 1 3 氮排放国家标准及政策 氮素作为引起水体富营养化的主要因素之一，对环境所造成的污染越来越受到人们 的重视”川。很多国家制定了更加严格的污染物排放标准，用来防止水体富营养化的发生 与恶化【1 引，我国也在2 0 0 2 年颁布了新标准城镇污水处理j 污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 。 1 2 生物脱氮原理 氮素在水体中以多种形式存在，在城市生活污水中，主要是约占7 0 一9 0 f l 勺氨氮与 1 0 一2 0 的有机氮。废水中氨氮去除方法主要有生物脱氮法及物理化学方法。生物脱氮 法主要有传统硝化反硝化法、同时硝化反硝化法、短程硝化反硝化法、厌氧氨氧化法等； 物理化学法主要有化学沉淀法、液膜法、折点氯化法、离子交换法、空气吹脱与水蒸气 气提法、湿式催化氧化法、电化学法等”“。对于氨氮基质浓度较低的城市污水来说，生 物脱氮法是废水脱氮的最经济的方法，由于该技术具有处理过程经济有效、运行稳定， 并且没有二次污染，便于运行管理等优点，而被广泛应用与实际生产中。 城市生活污水s b r 硝化启动及控制因子研究 1 2 1 生物脱氮的基本原理 水体中的氮素在污水生物处理过程中，其转化过程主要有氨化作用、硝化作用、反 硝化作用以及同化作用。生物脱氮是通过一系列微生物的氨化作用、硝化作用跟反硝 化作用联合完成。 ( 1 ) 氨化作用：指污水中的有机氮类化合物在氨化微生物的作用下，被分解转化 成为氨态氮的过程。脱氨的方式有：氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨和减饱和脱氨四种 方式。在氨化细菌的作用下，有机氮化合物可以在好氧或者厌氧状态下分解转化为氨 态氮。且会转化分解生成氨以及一种不含氮的有机化合物。反应如下， 好氧条件下：r c h n h ：c o o li _ 0 7r c o o h + n h ：；+ c 0 ： 厌氧条件下：r c h n t l ：c o o h + h 1 0 一r c h o h c o o h 十n h ：； ( 2 ) 硝化作用：指氨念氮在硝化微生物的作用下，先被氧化成为皿硝态氮，而后 再进一步被氧化成为硝态氮的过程。硝化反应过程分为两个阶段完成，第一阶段，氨态 氮在亚硝化微生物的作用下转化成为哑硝态氮。在第：二阶段，在硝化微生物的作用下， 亚硝态氮继续被氧化，最终成为硝念氮。_ 亚硝化微生物跟硝化微生物的生理特性见表 1 1 。硝化作用一般是在有氧情况下进行的。发生的反应如下： 亚硝化阶段：2 n h ，+ 十3 0 1 2 n o ! + 4 一+ 2 h 1 0 + 2 7 8 4 2 k j 硝化阶段：2 n o ! + 0 12 n o ：，7 2 2 7 k j ( 3 ) 反硝化作用：反硝化作用是指在缺氧或者厌氧条件下，经反硝化细菌的作用， 硝态氮和亚硝态氮被还原为气态氮的过程。发生的反应过程如下式： n 0 ；一一n 0 1 一n 0 一n ! ( ) 一n ! 绝大多数反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌，在污水及污泥中，很多细菌都能进行 反硝化作用，如无色杆菌属、产气杆菌属、变形杆菌属、黄杆菌属等。这些反硝化菌在 反硝化过程中利用各种有机底质( 如碳水化合物、有机酸类、烷烃类等) 作为电子供体， n o ：；- 作为电子受体，逐步还原n o ：- 至n ! 。在反硝化过程中，硝态氮及亚硝念氮的转化是 由反硝化菌的同化作用与异化作用共同完成的，同化作用是硝态氮与亚硝态氮被还原成 氨念氮作为新细胞的合成“1 。异化作用是硝态氮与硝态氮被还原成n ! 、n o 和n 1 0 等气 态物，主要为n ! 。异化作用去除的氮约占总氮去除的7 0 7 5 “引。 在反硝化过程中，碳源作为微生物代谢的能量来源及必需物质，在生物脱氮处理过 程中起着很重要的作用，是反硝化作用得以顺利进行的必要因素。在s b r 工艺及一些后 4 城市生活污水s b r 硝化启动及控制因子研究 1 2 1 生物脱氮的基本原理 水体中的氮素在污水生物处理过程中，其转化过程主要有氨化作用、硝化作用、反 硝化作用以及同化作用。生物脱氮是通过一系列微生物的氨化作用、硝化作用跟反硝 化作用联合完成。 ( 1 ) 氨化作用：指污水中的有机氮类化合物在氨化微生物的作用下，被分解转化 成为氨态氮的过程。脱氨的方式有：氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨和减饱和脱氨四种 方式。在氨化细菌的作用下，有机氮化合物可以在好氧或者厌氧状态下分解转化为氨 态氮。且会转化分解生成氨以及一种不含氮的有机化合物。反应如下， 好氧条件下：r c h n h ：c o o li _ 0 7r c o o h + n h ：；+ c 0 ： 厌氧条件下：r c h n t l ：c o o h + h 1 0 一r c h o h c o o h 十n h ：； ( 2 ) 硝化作用：指氨念氮在硝化微生物的作用下，先被氧化成为皿硝态氮，而后 再进一步被氧化成为硝态氮的过程。硝化反应过程分为两个阶段完成，第一阶段，氨态 氮在亚硝化微生物的作用下转化成为哑硝态氮。在第：二阶段，在硝化微生物的作用下， 亚硝态氮继续被氧化，最终成为硝念氮。_ 亚硝化微生物跟硝化微生物的生理特性见表 1 1 。硝化作用一般是在有氧情况下进行的。发生的反应如下： 亚硝化阶段：2 n h ，+ 十3 0 1 2 n o ! + 4 一+ 2 h 1 0 + 2 7 8 4 2 k j 硝化阶段：2 n o ! + 0 12 n o ：，7 2 2 7 k j ( 3 ) 反硝化作用：反硝化作用是指在缺氧或者厌氧条件下，经反硝化细菌的作用， 硝态氮和亚硝态氮被还原为气态氮的过程。发生的反应过程如下式： n 0 ；一一n 0 1 一n 0 一n ! ( ) 一n ! 绝大多数反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌，在污水及污泥中，很多细菌都能进行 反硝化作用，如无色杆菌属、产气杆菌属、变形杆菌属、黄杆菌属等。这些反硝化菌在 反硝化过程中利用各种有机底质( 如碳水化合物、有机酸类、烷烃类等) 作为电子供体， n o ：；- 作为电子受体，逐步还原n o ：- 至n ! 。在反硝化过程中，硝态氮及亚硝念氮的转化是 由反硝化菌的同化作用与异化作用共同完成的，同化作用是硝态氮与亚硝态氮被还原成 氨念氮作为新细胞的合成“1 。异化作用是硝态氮与硝态氮被还原成n ! 、n o 和n 1 0 等气 态物，主要为n ! 。异化作用去除的氮约占总氮去除的7 0 7 5 “引。 在反硝化过程中，碳源作为微生物代谢的能量来源及必需物质，在生物脱氮处理过 程中起着很重要的作用，是反硝化作用得以顺利进行的必要因素。在s b r 工艺及一些后 4 第一章绪论 表1 - 1 亚峭酸菌和稍酸菌的特征比较 t a b l el 一1c h a r a c t e r i s t i c so fa s i a ns t e e pa c i db a c t e r i aa n ds l i g h t l ya c i db a c t e r i a 置反硝化工艺中，由于进水中大部分有机物被消耗在好氧反应阶段从而导致反硝化时碳 源不足，所以为提高反硝化效率常常需要外加碳源“。因为甲醇经济实惠，且没有副产 物从而在实验室研究及污水处理厂中广泛应用。 ( 4 ) 同化作用：在生物处理污水的过程中，有一部分氮素被分解转化并被微生物 新陈代谢所利用，最终成为微生物细胞组成的一部分，微生物得以增殖 1 9 1 。固定在微生 物体内的这部分氮将以剩余活性污泥的形式得以从污水中去除。同化作用一般占总氮去 除率的8 2 0 ，但当水体中氨氮浓度较低时，同化作用可能成为脱氮的主要途径。 1 2 2 传统生物脱氮原理及工艺 传统生物脱氮工艺的基本原理是污水在生物脱氮处理过程中，有机态氮先被氨化微 生物转化成氨态氮，氨态氮然后在亚硝化微生物和硝化微生物的作用f 转化成为亚硝态 氮跟硝态氮，硝态氮最后在反硝化微生物的反硝化作用下最终被还原转化成为氮气，从 而完成整个脱氮的步骤。 阿丹纳( a d e n e y ) 跟雷茨( l e t t s ) 是最早记录生物反硝化的人，他们在1 9 0 8 年发 现原生污水与硝酸盐接触后，硝酸盐转化成为游离氮( n ：) 从污水溢出被去除的现象： b r i n g t n a n n 在1 9 6 0 年左右提出了“利用城市污水的有机物作为反硝化微生物代谢反应的 有机碳源”的理论，随后创立了b r i n g m a n n 脱氮法口0 1 。 城市生活污水s b r 硝化启动及控制因子研究 经过不断的研发与完善，脱氮工艺逐渐成熟。 ( 1 ) 三段生物脱氮工艺 生物脱氮技术的丌发是在二十世纪三十年代发现生物滤床中的硝化和反硝化反应开 始的，但其丌始应用还是在1 9 6 9 年美国的b a r t h 提出的三段生物脱氮工艺之后。该工 艺以传统生物脱氮的氨化作用、硝化作用、反硝化作用三个不同过程为基础，把有机氮 的氨化过程、硝化过程以及反硝化脱氮过程独立丌来在各自的反应器中进行，且各自控 制在不同的条件下运行，处理效率高，每阶段都有自己的沉淀池跟独立的污泥回流系统。 该工艺的流程如图1 1 所示： 原 c h 3 0 h 图1 1 三段生物脱氮工艺流程 f i g 1 - 1f l o wc h a r to ft h r e es e c t i o n so fb 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 第一级曝气池为一般的二级处理曝气池，其主要功能是去除有机物，使有机态氮转 化为氨念氮。在硝化曝气池中进行硝化反应，硝化过程中要消耗降低碱度，p h 值会随之 降低，进而影响硝化反应速率。如果进水中碱度不够，则需要加碱调节p h 值。第三级 为缺氧条件下的反硝化池，因为有机物氧化跟硝化过程设置在反硝化段自，j 面，致使反硝 化微生物在反硝化过程中缺少碳源，反硝化效率比较低，所以需要在反硝化段处外加碳 源，或直接引入污水瞳。随着后人对硝化反应机理的进一步研究，人们将有机物氧化及 硝化合并在一个系统中，从而开发出了二段生物脱氮工艺。 ( 2 ) 前置缺氧一好氧生物脱氮工艺 此工艺从二十世纪8 0 年代初丌始丌发，该工艺把反硝化段设计到系统的前端，为 此又被叫做前置式反硝化生物脱氮工艺，它是现在应用比较广的一种脱氮工艺心引。反硝 第一章绪论 化反应以污水中有机物为碳源，曝气池内含有大量硝酸盐的回流混合液，在缺氧池中进 行反硝化脱氮。其工艺流程如图1 2 ： 前置缺氧反硝化工艺具有以下的特点： 在反硝化反应中产生的碱度可以补偿硝化反应中所消耗碱度的5 0 左右 可以利用原污水中的有机物作为碳源，无需外加碳源。 利用硝酸盐作为电子受体来处理进水罩的有机污染物，这样不仅可节省曝气池中 的曝气量，还可以使反硝化微生物对碳源的利用更加广泛，甚至可以把一些难降解的有 机物也讲解掉。 前置缺氧池可以有效的控制该系统中污泥膨胀的问题。 原污水 n ? l 内循 反硝化 i 。 反应器 图1 - 2 前置缺氧一好氧生物脱氮工艺流程 f i g 1 - 2f l o wc h a r to fp r e h y p o x i a a e r o b i cb 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 该t 艺流程较短基建费用低，无需外加碳源，运行费用也比较低，对现有设施的改 造比较方便，其脱氮效率在7 0 左右。 该工艺的缺点有： 该工艺出水罩仍有相当一部分的硝酸盐，因此在二沉池中会发生反硝化反应，从 而造成污泥上浮，致使处理水的出水中s s 较高。 为了提高脱氮效率需要加大内循环回流比，如此不但增加了系统运行的费用，内 循环液还带入了大量的溶解氧，破坏了反硝化反应器内的缺氧状态，降低反硝化效率。 系统不是很稳定容易受到冲击，脱氮效率比较低。 ( 3 ) 后置缺氧一好氧生物脱氮工艺 该工艺可以外加碳源，也可以利用活性污泥的内源呼吸提供电子供体还原硝酸盐， j-t 城市生活污水s b r 硝化启动及控制因子研究 反硝化速率仅是前置缺氧反硝化速率的蝎蜩，因此需要较长的停留时问才能达到一 定的反硝化速率。后来人们对后置缺氧一好氧生物脱氮工艺进行了改良，在其流程中， 部分进水需要直接流入反硝化池里，以提供有机碳源。反硝化后出水还需要进行曝气， 使得出水中剩余的少量有机物在曝气后被氧化分解。此外，通过曝气还可以吹脱污泥中 的氮气，并且可以提高进入沉淀池时污水中的溶解氧，进而抑制沉淀池中的反硝化作用， 防止污泥上浮，以便污泥在沉淀池中沉淀分离。后置缺氧好氧生物脱氮工艺流程如图 1 - 3 所示， 污泥 图1 - 3 后置缺氧一好氧生物脱氮工艺流程 f i g 1 3f l o wc h a r to fp o s t - a n o x i c a e r o b i cb 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 ( 4 ) b a r d e n p h o 生物脱氮工艺 南非的b a m a u l 在1 9 7 5 年丌发了b a r d e n p h o 牛物脱氮：i 二艺，该工艺是一种由两组硝 化段与反硝化段交替组成的生物脱氮。1 j 艺，其工艺流程如图1 4 所示： 污泥回流( 05 0 ) 图1 - 4b a r d e n p h o 生物脱氮工艺流程 f i g 1 - 4f l o wc h a r to fb a r d e n p h ob 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 该工艺中设立了两个缺氧段，在第一段中利用原污水中的有机物作为碳源与第一个 第一章绪论 好氧池中回流的含有硝态氮的污水进行反硝化作用。经过第一段的处理，污水中的氮已 经基本被去除完了。为了进一步提高系统的脱氮效率，废水进入第二段反硝化反应器， 利用内源呼吸碳源进行反硝化作用。第二个曝气池用于净化残留在污水中的有机物，吹 脱污水中的氮气，从而提高污泥的沉降性能，以防止在沉淀池中发生污泥上浮现象。该 工艺比三段脱氮工艺减少了投资及运营费用。实际工程中较多采用将硝化反应与反硝化 反应组合在一个传统的推流式曝气池中的不同区域内。该工艺对于城市污水的脱氮效率 可达到7 0 8 0 ，可是有时会应为进水b o d 不足等原因，使脱氮效率下降到5 0 6 0 【2 3 1 。 ( 5 ) 间歇式活性污泥生物脱氮( s b r ) 工艺 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 工艺也常称为序批式活性污泥法，其脱氮原理和传统 活性污泥法基本相同，只是系统运行的方式不一样。s b r 工艺采用问歇运行的方式，后 者采用连续运行的方式。s b r 工艺一个完整的运行周期共包含五个步骤：进水期、曝气 反应期、静止沉淀期、排水排泥期及闲置期。s b r 工艺适合用于问歇排放的废水，污水 排放量、水质波动大的中小型污水处理厂。曝气量及曝气时问对s b r 工艺处理效果影 响很大五3 。 s b r 工艺具有以f 优点： 构筑物少占地少，投资及运行费用较传统活性污泥生物脱氮法低。 ： 艺简单，没有设定二沉池，无需污泥回流。 抗有毒物质负荷及有机负荷冲击能力强，运行方式灵活。 因其排水方式采用的是静止沉淀法，能够有效防止污泥膨胀，且出水水质好。 缺氧和好氧过程交替进行，s r t 短且污泥活性高，能够同时脱氮除磷，处理效果 高。 在传统的s b r 工艺的基础上，经过人们的改进丌发出了许多s b r 变型工艺如：i c e a s 工艺、d a t i a t 工艺、c a s s 工艺、i d e a 工艺、u n i t a n k 工艺等。随着自动化技术的提 高及应用，现在组合s b r 工艺如：a s b r 工艺、膜s b r 工艺、改良s b r 工艺等多利，t 艺瞳卜州1 在污水处理中有着广泛的丌发应用自仃景。 ( 6 ) a b 生物脱氮工艺 吸附一生物降解( a d s o r p t i o n b i o d e g r a d a t i o n ) 工艺简称a b 工艺。该工艺法分为两段进 9 城市生活污水s b r 硝化启动及控制因子研究 行，a 段为吸附段，b 段为生物氧化段。其工艺流程如图卜5 所示： 剩余污泥 理水 剩余污泥 图1 - 5a b 生物脱氮工艺流程 f i g 1 - 5f l o wc h a r to fa bb 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 在污水处理过程中，a 段通常在缺氧条件下运行，其运行负荷很高，负荷率是一般 活性污泥法的5 0 到1 0 0 倍，经过a 段i 百负荷运行后，可以保证反硝化的b o d n 比值， 利于b 段中硝化和反硝化的进行，当这比值控制在3 左右时，可使b 段污泥中的反硝 化菌比例比传统生物脱氮系统高很多侃，反硝化率高2 至3 倍。a 段的水力停留时i 自j ( i i r t ) 只有3 ( ) 4 0 分钟，污泥龄( s i r i 、) 为0 ：j ( ) 5 天。b 段属于传统活性污泥法，在很低的负 荷环境下运行， ir 1 、为2 l 小时，s r t 为15 - - 2 0 天，曝气池罩的溶解氧( d 0 ) 为2 - - , 3 m g l 。 在a b 工艺中b 段工艺可以采用a o 法，也可采用a ! 0 法，依据进水水质而定。如在合 适的b o d t n 下，如果b 段采用a ! ( ) 法，则不仅可以达到脱氮除磷的效果，还可以提高 工艺的运行稳定性及节能效果。 a b 生物脱氮二 艺具有以下特点： 由于b 段发生硝化及部分反硝化，活性污泥的沉淀效果很好，出水b o d 及s s 通 常都小于1 0 m g l 。 该工艺中a 、b 两段都有单独的污泥回流系统，两段污泥都有良好的沉降性能。 该工艺对污水中c o d 的去除率可达8 0 - - 9 0 ，对b o d 的去除率可达9 0 - - 、9 5 。 a b 工艺剥各种冲击负荷有极强的抗冲击能力，其出水水质波动很小。 此工艺比传统一段活性污泥法节省运行费用可达2 0 2 5 ，可节省基建投资 1 5 2 5 。 ( 7 ) 氧化沟法 1 0 第一章绪论 氧化沟( 0 x i d a t i o nd i t c h ，o d ) 污水处理工艺是活性污泥的一种变型。其基本特征是曝 气池呈封闭的沟渠型，污水及活性污泥的混合液在其中不停的循环流动，兼有完全混合 式和推流式的特点。主要有o r b a l 式、c a r r o u s e l 、多沟交替式口叩等。氧化沟工艺便于操 作易于管理可以耐高负荷冲击，出水效果好，适用于中小型污水处理厂。氧化沟工艺本 质上与延时曝气法的活性污泥系统一样，氧化沟特殊的封闭循环式池型特别有利于污水 的脱氮除磷。该工艺既能处理城市生活污水，也可用于处理工业废水。氧化沟工艺是由 荷兰应用科学研究所环境卫生研究所的p a s v e e r 博士在1 9 5 3 年成功地研究开发的。m 。 该技术于2 0 世纪7 0 年代开始在国内应用，在处理城市生活污水时取得了很好的效果， 人们在逐渐认识到其工艺的优越性后，近几年丌始把该技术应用到工业废水的处理中。 氧化沟的工艺流程有多种形式，氧化沟的沟渠可以是圆形的或者椭圆形的，可以是 单沟的也可以是多沟的。该工艺的水力停留时间长达1 0 4 0 小时，污泥龄通常大于2 0 天，所以其脱氮效率很高。通过控制适宜的条件，使溶解氧浓度在沟内同时形成好氧区 和缺氧区，可以使该工艺具有净化深度高、能耗低及耐冲压、脱氮除磷效果好的特点。 ( 8 ) 生物膜法脱氮工艺 生物膜反应器系统是由高度密集的兼性菌、厌氧菌好氧菌、真菌、原生动物以及藻 类组成的生态结构，其所附着的固体介质称为滤料或载体”。生物膜法的基本原理是 通过污水与生物膜的接触，完成液固两相之间的传质过程，再通过生物膜对有机物进行 生物降解作用，从而达到处理污水的效果。 细胞因素、表面因素、环境因素及微生物菌群附着到其表面的载体对于形成生物膜 具有重要的影响。孝h 糙的表面往往有利于生物膜的形成。州，当污水通过滤池时，滤料就 会截留其中的悬浮物，且污水中的溶解性物质及胶体被吸附在滤料的表面，其中的有机 物使微生物快速的繁殖生长起来，经过一段时间就会在滤料上逐渐形成生物膜。生物膜 有很大的表面积，能够吸附污水中大量的有机物，并且其具有较强的氧化能力及吸附作 用。生物膜上的微生物在空气中氧的参与下对吸附在其上的有机物进行分解及机体的新 陈代谢，由此降低污水中的有机物的含量，从而使废水得到净化。 与活性污泥法相比生物膜法有以下的特点： 产生的剩余污泥量少，减少了对污泥后期处理的投入； 单位体积内生物量高，单位处理能力大； 不需要污泥回流，降低了能耗； 城市生活污水s b r 硝化启动及控制因子研究 因为膜内有大量的生长速度缓慢的硝化菌的存在，使系统具有很高的脱氮能力； 有较强的耐水力及有机负荷冲击的能力： 构造简单容易操作，系统运行稳定； 传统生物脱氮工艺在废水脱氮方面起到了一定作用但仍存在许多不足的地方。埔3 ： 硝化过程是在有氧条件下进行的，需要大量的曝气，能耗较大； 在冬季由于气温很低，微生物活性降低，致使系统的总水力停留时间( h r t ) 变长， 增加了运行费用； 污水中的有机物经过硝化作用时的曝气有很大部分被去除了，因此在进行反硝化 作用时需要j b d h 碳源，增加了系统运行的额外费用； 为了达到良好的脱氮效果，系统的生物浓度需要维持在一个较高的水平，这就需 要同时进行硝化液回流以及污泥回流，导致动力消耗的费用增加； 硝化过程中产生的酸度需要# b d l ：l 碱中和，从而增加了处理的费用； 传统生物脱氮工艺抗冲击能力较弱，亚硝酸盐及高浓度氨氮进入水体会抑制硝化 菌的q ! 长。 1 2 3 生物脱氮新工艺 传统的生物脱氮工艺，耗能大处理费用较高，占地面积大基建投资高。近年来，人 们对传统的脱氮工艺，并在脱氮机理上做出新的探索。最新的研究结果表明：硝化不仅 可以v l - i 自养菌完成，也可以由异养菌完成。州；一些微生物能够在好氧条件下进行反硝化 作用。“1 ：氨氮浓度在厌氧反