（环境科学专业论文）基质浓度对短程反硝化聚磷效果的影响特性研究.pdf

c p 比的制约。 ( 5 ) 在碳源浓度不变的情况下，系统的除磷效果并不完全随着厌氧释磷量的增加 而改善，厌氧释磷量与缺氧吸磷量呈现的关系是：若厌氧释磷下降，则缺氧吸磷量下降 的幅度更大，若厌氧释磷量上升，则缺氧吸磷量上升得越快，二者成二次多项式关系。 ( 6 ) 反硝化聚磷菌和聚糖菌共存于除磷系统中，若工艺条件控制不当，则会引发 聚糖菌的增殖，使其在系统中占据主导地位，从而抑制了聚磷菌的活性。本试验引发聚 糖菌增殖的原因主要有以下几方面：较低的p h 值、过长的污泥龄、后好氧段过量曝气、 营养元素单一、搅拌速度过大等，另外，还有一个很重要但尚处于推论阶段的原因，即 n 0 2 - 能抑制聚磷菌活性而增强聚糖菌活性。 关键字：短程反硝化除磷，碳源浓度，n 0 ：浓度，反硝化聚磷菌，聚糖菌，s b r a b s t r a c t t or e s o l v et h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nc o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l p r o c e s s e s ，t w on o v e lt e c h n o l o g i e so fs h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n w e r ei n v e s t i g a t e d ，r e s p e c t i v e l y b a s e do ni t ，a l li n n o v a t i v eh y b r i ds y s t e mc o m b i n i n gt h ea b o v e t e c h n o l o g i e sw a sp r o p o s e di nal a b o r a t o r ya n a e r o b i c a n o x i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( a a s b r ) a n ds e tu pf o rt h ea d v a n c e dt r e a t m e n to fd o m e s t i cw a s t e w a t e r i nt h em a t e r i a lc o u r s eo f s t u d y , a u t h o rw e n ta l o n gaf e wp h a s e so fr e s e a r c ht h r o u g hs i n g l ef a c t o rt e s ti nt h es y s t e mo f d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l f r o mt h ee x p e r i m e n t sig o tt h em a i nc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ( 1 ) t h e r ew a ss h o r t - c u td e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o ni nt h ea n a e r o b i c a e r o b i cb i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a ls y s t e mo r i g i n a l l y w i t ht h ea i do fas t e p w i s ee l e v a t i o no fn 0 2 a d d e di n i n f l u e n ta n dt h ei n c r e a s eo fa n o x i ct i m e ，s h o r t c u t d e n i t r i f y i n gp o l y - pa c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s ( d p a o ) w e r eg r a d u a l l ya c c o m r n o n d a t e dt o r e s i s ta n du t i l i z en 0 2 a se l e c t r o n a c c e p t o r ，a n dg o o de f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u sr e m o v a lc o u l db ea t t a i n e d d u r i n gt h ee x p e r i m e n t p e r i o do fm o r et h a n3 0d a y s ，t h er e m o v a lr a t eo ft pw a sa b o u t7 0 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a ts h o r t c u td e n i t r i f y i n gd e p h o s p h o r u sw a ss t a b l em e t a b o l i cb e h a v i o r e l e c t r o n a e c e p t o ru t i l i z e db yp a o w a sr e l a t e dt oi t so c c u r r e n c e t h ec a p a c i t yo fp a o u t i l i z i n gn i t r a t ea s e l e c t r o na c c e p t o rc o u l d n tb ed e t e r i o r a t e db yt h ee x i s t i n go fo t h e re l e c t r o na c c e p t o r s ( 2 ) t h ea d d i n ga m o u n t so fn 0 2 w a so n eo fk e yf a c t o r sd e t e r m i n i n gt h ee f f e c to f d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l l a c k i n go fn 0 2 w o u l dc a u s eh i g hp 0 4 - i no u t f l u e n t ，w h i l e e x c e s s i v en o w o u l dr e d u c epr e l e a s ea tn e x tt i m e w h e nn 0 2 c o n c e n t r a t i o nw a si nt h er a n g es l u d g e c o u l dt o l e r a t e ，h i g h e rn 0 2 c o n c e n t r a t i o nb e n e f i t e dd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ，w h i l et h e r a t er e d u c e dw i t ht h ec o n s u m p t i o no fn 0 2 。b u tw h e t h e rn 0 2 w o u l dr e s t r a i np h o s p h o r u sr e m o v a l e f f i c i e n c yw a sd e c i d e db yt h ea d a p t a b i l i t yo f s l u d g eu s e dt on 0 2 - , n 0 2 c o n c e n t r a t i o na n dp h ，t h e q u a n t i t yt h es l u d g ec o u l dr e s i s tn 0 2 w a si m p r o v e dw i t hs l u d g ea d a p t i n gt on o ；t h eh i g h e rn 0 2 c o n c e n t r a t i o na n dt h el o w e rp hw e r eb e n e f i c i a lf o rh n 0 2i n c r e a s i n g ，a n dh n 0 2l e a d e dt o i n h i b i t i o ns e r i o u s l y i nt h i sr e s e a r c h , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np h o s p h o r u sr e m o v a la n dn 0 2 c o n s u m p t i o nw a sr e c t i l i n e a r ( 3 ) i no r d e rt ok e e ps t e a d yp h o s p h o r o u sr e m o v a le f f i c i e n c ya n ds l u d g es e t t l ea b i l i t y , 锄 a e r o b i cs t a g es h o u l db ea d d e df o l l o w i n ga n o x i cs t a g e ，b u ta e r o b i cs l u d g ew a sa l s oi n f l u e n c e d i l l b yn 0 2 i nt h ep r o c e s so fe n r i c h m e n ta n dc u l t i v a t i o no fs h o r t - c u td p a o ，i na e r o b i cz o n e p h o s p h o r u sw a sr e m o v e db ya e r o b i cp a o w h i c hw a ss e n s i t i v et on 0 2 ；a f t e re n r i c h m e n ta n d c u l t i v a t i o n ，t h eo r g a n i s m sc o u l du t i l i z eb o t hn 0 2 。a n d0 2a se l e c t r o na c c e p t o r s o ，t h eq u a n t i t y o fa e r o b i cp a o r e s i s t i n gt on 0 2 i nt h ea n a e r o b i c a n o x i c a e r o b i cs y s t e mw a sm o r et h a ni nt h e a n a e r o b i c a e r o b i cs y s t e m ( 4 ) t h ec a r b o nc o n c e n t r a t i o nw a st h eo t h e rk e yf a c t o rd e t e r m i n i n gt h e e f f e c to f d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l l a c k i n go fc a r b o nw o u l dr e d u c epr e l e a s e ，w h i l ee x c e s s i v e i t w o u l di n f l u e n c ed e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l i nt h i sr e s e a r c h ，w h e nc pw a s2 5 ，t h e e f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u sr e l e a s ew a st h eb e s t ，b e y o n do rl o wt o om u c h ，t h ee f f e c to ft h ep r e l e a s ew a sn o ts og o o d t h eh i g l l e rt h ec p , t h em o r et h eq u a n t i t yo fpr e l e a s ea n dpr e l e a s e r a t e , b u tt h er a t ew a sd e c r e a s e dw h e nc pw a sb e y o n d2 5 ，w h i c hs h o w e dt h a tw h e nc a r b o n c o n c e n t r a t i o nw a ss u f f i c i e n t ，pr e l e a s ea n dpr e l e a s er a t em i g h tb er e l e v a n tt om i c r o b e w h e n c pw a sf i g h t ，b u tn 0 2 。w a sn o t ，w ec o u l d n tg e tg o o de f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u sr e m o v a l ，w h i c h s h o w e dt h a tt h en 0 2 。d o s a g ew a sc o n t r o l l e db yc pt os o m ed e g r e e ( 5 ) a tt h es a m ec a r b o nc o n c e n t r a t i o n ，e f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u sr e m o v a lw a sn o tc o m p l e t e l y i m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fp r e l e a s e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e npr e l e a s ea n dp h o s p h o r u s r e m o v a lw a st h a tt h ec h a n g eo fp h o s p h o r u sr e m o v a lw a sl a r g e rt h a npr e l e a s e ，t h e i r r e l a t i o n s h i pw a sq u a d r a t i cf u n c t i o n ( 6 ) t h e r ew e r ed e n i t r i f y i n gp o l y - pa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( d p a o s ) a n dg l y c o g e n a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( g a o s ) s i m u l t a n e o u s l yi np h o s p h o r u sr e m o v a ls y s t e m ，i ft h e o p e r a t i o nc o n d i t i o nw a sc o n t r o l l e dp r o p e r l y , g a o sw o u l di n c r e a s ei nv a l u e ，a n dd o m i n a n t e d i ns y s t e mf i n a l l y , t h a nt h ea c t i v i t yo fd p a o sw a sr e s t r a i n e d i nt h i sr e s e a r c h ，t h er e a s o n so f g a o si n c r e a s i n gi n c l u d e d ：l o wp h 、t o ol o n gs l u d g er e t e n t i o nt i m e ( s r t ) 、 l a c ko fn u t r i t i o n 、s t i rt o of a s ta n ds oo n b e s i d e s ，t h e r ew a sa ni m p o r t a n tb u tt i l li ng u e s s r e a s o n ，w h i c hs h o w e dt h a tn 0 2 w o u l dr e s t r a i nd p a o sa c t i v i t yb u ti m p r o v eg a o sa c t i v i t y k e y w o r d s s h o r t c u t d e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n ；c a r b o nc o n c e n t r a t i o n ；n i t r i t e ( n o d c o n c e n t r a t i o n ；d e n i t r i f y i n gp o l y - p a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( d p a o ) ；g l y c o g e na c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s ( g a o ) i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 做作者签名：副两利2 够7 年多月多日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 力j 南讲甸 彩别磁 工p 7 年石月石日 6 7 年只毛日 长安大学硕 ：学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早殖化 当今世界，城市生活污水处理的主要对象为c o d 、n h 4 + 和p 0 4 孓。传统上，c o d 和 n h 4 + 的脱除一般由生物氧化和硝化一反硝化完成，而p 0 4 3 则通过化学沉淀或生物法去 除。然而，传统工艺存在以下多方面的弊端：( 1 ) c o d 氧化和硝化耗能巨大，而且储 存在c o d 内的大量化学能( 1 4 x 1 0 l 代谢热k g c o d ) 在其氧化中无形流失了；( 2 ) 反 硝化和生物除磷对c o d 需求较大；( 3 ) 剩余污泥量大。 污水排放标准的日益严格是目前世界各国普遍的发展趋势，以控制富营养化为目标 的氮、磷脱除已成为各国的主攻方向。为此，发展可持续污水处理工艺变得势在必行， 即要求最小的c o d 氧化、最低的c 0 2 释放、最少的剩余污泥产生以及实现磷的回收和 水的回用等。发展新型的污水处理工艺依赖于微生物和生物化学的新发现。短程硝化和 反硝化除磷等新型的生物脱氮除磷理论的提出对发展可持续污水生物处理工艺具有重 大推动意义。 1 1 1 氮磷污染物的危害 我国是一个水资源匮乏的国家，近二十年来，随着国家现代化进程的加快，使得本 己极为有限的水资源不断遭受污染，造成水资源水质恶化，水生态系统严重破坏，尤以 水环境污染和水体富营养化问题最为严重。 水体富营养化是指水体接纳过多的氮、磷等无机营养物，引起藻类和其它水生植物 大量繁殖，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很 可能被耗尽，造成水质恶化，加速水体老化，从而使其水生生态系统和水功能受到影响 和破坏，影响水资源的利用。水体富营养化是水环境中一种常见的且危害极为严重的污 染现象，其主要发生于湖泊、池塘、水库、海湾等相对“静水水域，尤以湖泊最为典 型。 随着人类生产和生活活动的加剧，大量的营养物质进入水体，给环境带来了巨大的 压力。近年来，我国的江河、湖泊、水库和近海水域已经普遍受到这些物质的污染，地 表水的富营养化现象同趋严重。富营养化常引起淡水水华和海水赤潮，使水体色、味等 感官指标下降，并增加给水厂制水的难度和成本；另外，藻类的过量繁殖和腐烂会消耗 水中的溶解氧，同时蓝绿藻产生的毒素对水生鱼类和家禽有害。一般情况下，当水体中 第一章绪论 t n 0 2 o 3 m g 几、t p 0 0 1 m g l 、b o d s i o m g l 、( 淡水中) 细菌总数 1 0 4 c f u m l 、叶绿 素a l oi jg 1 时，我们认为水体发生了富营养化现象【l 】。 跚珊m 等【2 1 认为藻类的光合作用是水体发生富营养化的原因，如下式： c 彼+ 氮+ 磷+ 丛d + 微量元素型吗藻+ d 2 ( 1 1 ) 由此，我们认为通过控制光合作用的反应条件就能缓解水体的富营养化。显然，c 0 2 和光照难以人为控制，那么减少氮、磷的输入成为消除水体富营养化的关键。由于蓝绿 藻能自主地固定大气中的n 2 用于合成【3 】，因此，水体中的p 0 4 3 的含量是藻类生长的制 约因素。h a r p e 1 4 】证实，水体中藻类的生长速率与氮、磷的含量呈一级动力学关系：但 存在一个饱和值，高于此值后，藻类以最大速率生长。有资料【5 】显示，当水体中磷的含 量高于o 5 m g l 时，会加速水体的富营养化；低于0 s m g l 时，则能控制藻类的生长： 低于0 0 5 m g l 时，藻类几乎停止生长。 随着水体富营养化问题的日趋严重，各国都在采取措施严格限制氮、磷的排放。我 国新颁布实施的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ( 表1 1 ) 和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 ) ( 表1 2 ) 中对所有排放污水中的氮磷含量都作出了明确的 规定： 表1 1污水综合排放标准) ( g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 ) 中氮磷的规定m g ，l 污染物一级标准二级标准适用范围 1 55 0医药原料药、染料、石油化工工业 氨氮( 以n 计) 1 52 5其他排污单位 磷酸盐( 以p 计) 0 51 o一切排污单位 表1 2 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 )m g l 一级标准 二级三级 基本控制项目 a 标准b 标准标准标准 总氮( 以n 计) 1 52 0 氦氮( 以n 计) 5 ( 8 )8 ( 1 5 )2 5 ( 3 0 ) 2 0 0 5 年1 2 月3 1 日前建设的 l1 535 总磷( 以p 计) 2 0 0 6 年1 月1 日起建设的0 5l35 括号外数值为水温 1 2 c 时的控制指标，括号内数值为水温1 2 时的控制指标。 这就意味着绝大多数城市污水和工业废水处理设施都要考虑除磷处理，大部分要考 虑氨氮的硝化处理或脱氮处理。从这个意义上说，研究和开发经济高效的脱氮除磷污水 2 长安大学硕j ：学位论文 处理技术将成为水污染控制工程领域的重点和持续热点课题之一。 1 1 2 传统生物脱氮除磷原理 ( 1 ) 传统生物除磷原理 强化生物除磷( e n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ，简称e b p r ) 技术就是利用 p a o 从液相中超量摄取p 0 4 孓p ，并以p o l y - - p 聚合物形态储藏在菌体内，通过高磷污 泥的排除系统，达到污水除磷的目的。除磷过程通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程 【6 ，7 】o 在厌氧状态下，兼性细菌首先将溶解性有机物转化为低分子脂肪酸( 认) ，接着 p a o 吸收厌氧区产生的或原水中的v f a ，并将其合成胞内碳能源储存物( p h a ) ，所需 的能量来源于p o l y - p 的水解和糖原的酵解，同时引起p 0 4 3 p 的释放；糖原酵解同时还 提供p h a 合成所需要的还原力n a d h 2 。 在后续的好氧状态下，p a o 氧化分解p h a 产生大量a t p ；a t p 则被用于p 0 4 3 - p 的 吸收和p o l y - p 高能聚合物的合成，同时用于再生细胞体内的糖原和细胞增殖。富磷污泥 以剩余污泥的形式被排出系统，达到p 0 4 3 p 去除。 厌氧好氧交替是除磷工艺的基本特征，厌氧区是p a o 的“生物选择器，p a o 能够 在这种短暂性的厌氧条件下优先于n o n p a o 吸收v f a 并快速储存于胞内，这种获得优 先性保障了其在系统中的增殖和竞争优势地位。 ( 2 ) 传统生物脱氮原理 污水中氮的存在形式以有机氮和n h 4 + 为主，有机氮通过氨化作用可以转化成n h 4 + 。 污水生物脱氮是通过好氧自养菌的硝化作用先将n h 4 + 氧化成n 0 3 ，然后再通过厌氧异 养菌的反硝化反应将n 0 3 还原成n 2 从水中逸出而得以实现。 硝化是n i - 1 4 + 在有氧条件下经硝化菌作用转化为n 0 3 的过程，中间释放大量能量， 分两步进行【8 1 。首先，亚硝化菌将n h 4 + 氧化为n 0 2 ，转移一个电子当量；然后硝化菌 将n 0 2 再氧化为n 0 3 。，转移一个电子当量。硝化菌对氨氮进行硝化的同时，还进行着 硝化菌的细胞合成反应。且硝化过程还具有以下两个重要特征：( 1 ) 需氧量大，每氧化 l g n h 4 + - n 至n 0 3 - n 消耗4 1 4 9 0 2 ：( 2 ) 产生强酸、消耗碱度，硝化l g n h 4 + - n 消耗 7 0 5 9 c a c 0 3 碱度。 反硝化作用是在缺氧或厌氧条件下进行的，包括异化反硝化作用和同化反硝化作 用。异化反硝化作用( 脱氮作用或狭隘的反硝化作用) ： 第一章绪论 h n 0 3 - - h n 0 2 - - h n o n 2 0 n 2 同化反硝化作用( 同化硝酸盐还原作用) ： h n 0 3 嘲【n o 厂+ 呻呵h 2 0 h 纠、l h 4 + 同化反硝化作用是指n 0 3 被还原成n i - 1 4 + ，用于微生物的细胞合成；异化反硝化作 用是反硝化菌将n 0 3 - 还原成气态氮( n 2 ) 或n 2 0 、n o 的过程。由异化作用去除的氮占 总量的7 0 7 5 。反硝化菌是兼性菌，既可进行有氧呼吸也可进行无氧呼吸，当同时存 在氧气和n 0 3 - 时，优先进行有氧呼吸，这是因为有氧呼吸可产生较多的能量。所以为保 持较好的反硝化作用，应保持反应器中具有良好的缺氧状态。 另外，转化l gn 0 2 - n 或n 0 3 - n 为n 2 ，分别需要有机物( b o d ) 1 7 1 9 和1 8 6 9 ，同 时产生3 5 7 9c a c 0 3 碱度。所以反硝化时若反应器中有机物不足，应外加有机物作为电 子供体。 1 1 3 生物除磷和生物脱氮过程的矛盾和竞争 生物除磷脱氮工艺在实际应用过程中经常出现脱氮和除磷效果不能同时达到最佳 的现象，即脱氮效果好时除磷效果较差，而除磷效果好时脱氮效果不佳【9 - 1 1 1 ，这种现象 不仅表明生物除磷脱氮工艺尚有不完善的地方，而且也说明生物除磷脱氮过程存在难以 协调的矛盾和竞争。这些矛盾和竞争主要表现在： ( 1 ) 微生物独立 传统的生物除磷脱氮包括好氧硝化、缺氧反硝化、厌氧释磷和好氧吸磷等过程，不 同的反应过程需要的微生物不同，有自养菌、异养菌，有兼性菌、专性好氧菌等。由于 微生物种类不同，它们对基质类型、环境条件的要求也各不相同，由此产生了不可避免 的矛盾和竞争关系，如何处理好这些矛盾和竞争关系已成为污水处理中一个重要而艰巨 的课题。 ( 2 ) 污泥龄彼此矛盾 根据r e n s i n k 等人【1 2 1 的观点，聚磷菌多为短世代微生物，降低污泥龄可以提高聚磷 菌的吸磷能力；而硝化菌属于世代时间较长的微生物。因此，硝化过程需要的长污泥 龄和生物除磷需要的短污泥龄之间存在不可协调的矛盾。 由于生物除磷的唯一途径是排出剩余污泥，从这一方面看为了获得良好的除磷效 果，不得不维持较高的污泥排放量，但这就会导致生物除磷系统污泥浓度通常处于较低 状态。而s r i n z t h1 1 3 1 的研究证明了除磷速率和污泥浓度有关，当污泥浓度较高时生物系 4 跃安大学硕f ：学位论文 统除磷效率更高。在适当长的污泥龄下，不仅可提高反应系统内的污泥浓度，同时也能 提高活性污泥中聚磷颗粒的含量，从而可使较多的磷从系统内排出，达到较好除磷效果 的目的。因此在生物除磷系统中，自身就存在维持较高污泥排放量和维持较高污泥浓度 的矛盾，这种矛盾在低浓度城市污水的生物除磷系统中表现得尤为突出。 针对污泥龄矛盾的问题，工艺上采用的解决方法有三种【1 4 】：一是取一个折中的泥龄 以兼顾除磷和脱氮的双重要求；二是采用双泥系统，即硝化菌与聚磷菌在各自适合的污 泥龄下生长；三是采取生物膜与活性污泥相结合的方式，使长泥龄硝化菌栖息在好氧区 的生物膜上生长。虽然这三种方法在一定程度上解决了污泥龄的矛盾，但都存在各自的 缺陷，开发新的可以从根本上解决污泥龄矛盾的生物除磷脱氮方法显得尤为重要。 ( 3 ) 对碳源有机物的竞争 在生物除磷脱氮系统中，碳源有机物主要用于厌氧释磷、缺氧反硝化和异养微生物 的正常生产代谢，脱氮和除磷过程中反硝化菌和聚磷菌之间的矛盾主要是由基质竞争引 起的【1 5 】。因此碳源有机物尤其是污水中v f a 的含量直接影响厌氧释磷和缺氧反硝化效 果。而在城市污水中v f a 的含量通常较低( 几十毫克升) ，碳源相对不足引发的竞争 往往使聚磷菌不具有优势，导致整个系统脱氮除磷效率不佳。 目前，为解决除磷脱氮系统中的碳源问题，常采用三种办法【1 6 】：一是补充碳源，投 加外碳源( 比如甲醇) 或易降解碳源包括初沉池上清液或者是某种具有大量易生物降解 c o d 组分的有机物；二是改变进水方式，取消初沉池或缩短初次沉淀时间：三是倒置 a 2 o 工艺。 ( 4 ) 硝酸盐对厌氧释磷的影响【1 7 1 硝酸盐对厌氧释磷过程的影响主要表现在两个方面： 和聚磷菌竞争v f a 用于生物反硝化； 当聚磷菌的聚磷量不高、进水v f a 较低时，n 0 3 可以诱导聚磷菌在厌氧段形成 缺氧吸磷状态，抑制厌氧释磷过程的顺利进行，进而影响生物除磷效果。 解决硝酸盐对厌氧释磷的影响，就是将污泥回流由厌氧区改到缺氧区或者中间接触 池( 使硝酸盐在此段进行反硝化而去除) ，然后回流至厌氧区【l 卯。u c t 、改良u c t 、 v i p 工艺就是典范工艺，但是工艺的内回流太多，并且回流的控制成为关键因素，控制 是一个难点。 5 第一章绪论 i i 4 生物脱氮除磷新技术 近年来，国内外正在研究污水脱氮除磷的新工艺和新方法，其中最典型的是污水生 物处理的短程硝化反硝化工艺、同步硝化反硝化工艺和反硝化聚磷工艺。这些新理论、 新工艺、新方法还不完善，各国的环境工程方面的专家正在竞相从各方面展开深入的研 究。 ( 1 ) 短程硝化反硝化理论 短程硝化反硝化生物脱氮( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a f i o n ) ，就是将硝化过程 控制在h n 0 2 阶段而终止，随后进行反硝化，也可称为不完全硝化反硝化生物脱氮。早 在1 9 7 5 年v o e t 就发现在硝化过程中h n 0 2 累积的现象。然而过去人们一直认为i - i n c h 具有一定耗氧性及毒性，影响出水c o d 和受纳水体的d o ，对受纳水体和人是不安全 的，应尽量避免出现h n 0 2 ，而要实现污水生物脱氮就必须使n - h + 经历典型的硝化和反 硝化过程才能被完全去除，这条途径也可以称为全程( 和完全) 硝化一反硝化生物脱氮。 实质上，硝化过程的两步反应是由两类菌分别独立完成的，这两类菌在生理特征上有明 显的差别，是可以分开的。对于反硝化过程，无论是n 0 2 还是n 0 3 都可以做电子最终 受氢体。因而整个生物脱氮过程可以通过n h 4 + 至un 0 2 到n 2 这样的途径完成。所谓短程 生物脱氮就是将硝化过程控制在n 0 2 阶段而终止，随后进行反硝化。 短程生物脱氮具有以下特点：对于活性污泥法，可节省氧供应量约2 5 ，降低能耗； 节省反硝化所需碳源4 0 ，在c n 比一定的情况下提高t n 去除率；减少污泥生成量可 达5 0 ；减少投碱量；缩短反应时间，相应反应器容积减少。 由于废水生物处理反应器均为开放的非纯种培养系统，如何控制硝化停止在h n 0 2 阶段是实现短程生物脱氮的关键。传统硝化过程由亚硝酸菌和硝酸菌协同完成的，由于 这两类细菌在开放的生态系统中形成较为紧密的互生关系，完全的亚硝化是不可能的。 短程硝化的标志是稳定且较高的h n 0 2 累积，即亚硝化率较高( 至少大于5 0 以上) 。 影响亚硝酸累积的因素主要有温度、p h 、氨浓度、氮负荷、d o 、有害物质及泥龄。 ( 2 ) 同步硝化反硝化理论 2 0 世纪8 0 年代以来，在生物脱氮生物学研究方面有了很大进展。人们曾多次观察 到在没有明显缺氧段的活性污泥法中存在脱氮现象，并发现了好氧反硝化菌，这些好氧 反硝化菌同时也是异养硝化菌，而传统硝化菌是化能自养菌。因此，这类细菌能够直接 在好氧条件下把氨转化为气态产物。 明确定义的好氧、缺氧反硝化工艺已经应用2 0 多年了，与此同时许多研究者发现 6 长安大学硕士学位论文 在同一个反应器内相同操作条件下硝化和反硝化同时发生的现象，即同步硝化反硝化 ( s i m u l t a n e o u sn 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 ，简称s n d ) 。同时硝化反硝化机理可以从 生物学、中间产物以及微环境三个方面来讨论。从生物学角度看，由于异养硝化菌和好 氧反硝化菌的存在，使硝化和反硝化有了同时发生的可能。从中间产物角度讨论，好氧 段损失的t n 是由于硝化过程中间产生了n 2 、n 2 0 和n o 造成的。从微环境角度看，在 活性污泥和生物膜系统中可以同时创造适合硝化和反硝化的环境，使同时硝化反硝化成 为可能。 同步硝化反硝化工艺与传统脱氮工艺相比具有以下优点：( 1 ) 同步硝化反硝化意味 着在同一反应器中硝化和反硝化反应能同时进行，那么在采用此工艺时，无需将好氧段、 缺氧段分隔开来，可省去缺氧池或至少减小其容积：( 2 ) 同步硝化反硝化工艺由于所需 d o 浓度较低因而能耗大大减少；( 3 ) 硝化过程中碱度被消耗，而同时反硝化过程中产 生碱度，所以同步硝化反硝化工艺具有有效保持反应器内p h 值稳定的功能。因此同步 硝化反硝化工艺已成为污水处理领域的又一研究热点 t 8 - 2 2 】。 ( 3 ) 反硝化聚磷理论 传统理论认为缺氧区对废水的强化生物除磷没有任何贡献，磷浓度在缺氧区基本稳 定，同时认为硝酸盐对强化生物除磷过程会带来不利影响。传统的生物除磷处理工艺都 是在传统处理理论基础上建立起来的，包括厌氧释磷和好氧吸磷两部分。但污水处理中 往往要求同时脱氮除磷，脱氮除磷的关系较为复杂。特别是在单级活性污泥系统中，脱 氮与除磷的矛盾表现得尤为突出。存在着聚磷菌与反硝化菌对v f a 的竞争、聚磷菌和 硝化菌在泥龄上的矛盾等问题。 反硝化聚磷理论的发现与研究，改变了脱氮与除磷的对立关系，解决了脱氮与除磷 的部分矛盾。反硝化聚磷理论的研究起源于1 9 7 7 年o s b o m 在研究硝酸盐浓度对生物除 磷的影响时发现反硝化菌对除磷有明显作用。而后，环境工作者对反硝化聚磷理论和工 艺进行了大量的研究。结果表明，活性污泥中的一部分聚磷菌能以硝酸盐作为电子受体 在进行反硝化作用的同时完成过量吸磷。硝酸盐可以起到氧气的作用，而且通过厌氧 缺氧交替的环境可以筛选出以硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌( d e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i o no r g a n i s m s ，简称d n p a o s ) 。并揭示了d n p a o s 可以利用硝酸 盐作为电子受体，分解体内的p h b ，过量吸收水中的磷酸盐：其代谢方式与传统的a o 法中的聚磷菌相似。 利用反硝化聚磷同步脱氮除磷可以同时将硝酸盐还原和微生物超量摄磷过程合二 7 第一章绪论 为一，只消耗相当于单独生物脱氮或除磷所需的有机物量，即可达到氮和磷的同步去除， 为改善有机物不足造成的脱氮除磷效率低下提供了一条出路。它不但可以提高c n 和 c p 比低下时的n 、p 去除效率，而且工艺流程也可以缩短、一些环节可以合并，减少 构筑物数量，而且反硝化聚磷还具有节约曝气量、减少剩余污泥量等优点。 1 2 反硝化聚磷研究现状 1 2 1 反硝化聚磷原理 反硝化除磷是由反硝化聚磷菌在厌氧缺氧交替环境中，通过它们的代谢作用来同 时完成过量吸磷和反硝化过程而达到除磷脱氮双重目的。因为硝酸盐的电子轨迹非常类 似于氧的电子轨迹，因而硝酸盐很容易代替氧作为最终电子受体，其差别在于细胞色素 的电子传输，特定的还原酶被硝酸盐还原酶置换。这种硝酸盐还原酶能催化电子，使其 最终传输的为硝酸盐而不是氧。如图1 1 所示，在缺氧( 无氧但存在硝酸氮) 条件下， d p a o 能够利用硝态氮( 而不是0 2 ) 充当电子受体，产生同样的生物摄磷作用。在生物 摄磷的同时，硝态氮被还原为氮气，从而使生物除磷与反硝化脱氮有机地合二为一。 厌氧阶段好剐缺氧 p h b 聚b 羟基丁酸酯n a d h ，炯陵胺腺嗫呤二核侍酸( 辅酶) g l y c o g e n 糖坂 t p 三磷酸腺酐h a c 醋酸( c o d ) p o l y p 多聚礴陵盐 1 2 2 反硝化聚磷影响因素 图1 1 生物除磷生化代谢模型 ( 1 ) c n 和c p 值 按照理想的除磷理论，碳源( 电子供体) 和氧化剂( 电子受体) 不能同时出现，否则 脱氮和除磷的效果都会受到影响【7 】。当进水c n 值较高时，一方面n 0 3 - 量不足将导致 吸磷不完全而使出水的磷含量偏高；另一方面有可能使厌氧段的h a c 投量超过了d p a o 合成p h b 所需要的碳源量，过剩碳源在后续缺氧段被反硝化菌用于反硝化而未进行吸 磷。进水c n 值较低时则会因硝态氮过量而造成反硝化不彻底，且过量的硝态氮会残 存到下一周期的厌氧阶段，则反硝化菌就能优先利用碳源进行反硝化反应而抑制聚磷菌 长安大学硕士学位论文 的释磷和p h b 的合成。 ( 2 ) 碳源种类 碳是微生物生长需要量最大的营养元素。在除磷脱氮系统中，碳源大多消耗于释磷、 反硝化和异养菌正常代谢等方面。资料表明【2 3 孔7 】，碳源的种类不同，聚磷菌在利用不 同碳源的过程中释磷速率和p h a 合成的种类均存在着明显的差别。e v a n s ( 1 9 8 3 年) 等 学者的试验结果表明，在厌氧段投加丙酸、乙酸、葡萄糖等简单有机物能诱发磷的释放， 但以乙酸的效果为最佳。因此可以在厌氧段投加以乙酸为代表的低分子挥发性脂肪酸 ( v f a s ) 来提高聚磷菌的释磷量，增加其体内有机物贮存，为缺氧阶段的大量吸磷创造 条件。 ( 3 ) 泥龄 一般来说，泥龄短的活性污泥具有较高的活性，其体内的含磷水平也较高，这是缩 短泥龄可提高除磷效率的原因之一。若系统的负荷不变，缩短泥龄( 不小于聚磷菌的世 代期) 可增加污泥的排放量。若系统的泥龄过长，则会使污泥的活性降低，污泥的含磷 量下降，使得去除单位重量的磷需消耗的b o d 增加。此外，由于泥龄过长会出现磷的 “自溶”现象。sr t 过长污泥将趋于老化，可通过自身的氧化而使体内的磷释放在水 中；同时剩余污泥量减少也导致了除磷量降低。较长的泥龄还会导致系统内糖原累积和 非聚磷微生物的增长，从而使系统的除磷效率大幅降低【2 5 】。较短的泥龄使反应器中的聚 磷菌被淘汰【2 6 】。反硝化除磷系统的最佳污泥停留时间与温度变化范围、工艺组合方式和 工艺运行要求等有关，应通过试验来获得。 ( 4 ) 溶解氧和o r p 由于磷是在厌氧条件下释放，好氧缺氧条件下吸收得以去除。所以溶解氧( d o ) 对 磷的去除速率、去除量有很大影响。控制反硝化除磷工艺中厌氧段的厌氧条件极为重要， 它直接影响到聚磷菌在此阶段的生长情况、释磷能力及对有机基质合成p h b 的能力。 厌氧段中的d o 应严格控制在0 2 m g l 以下。一般用氧化还原电位( o r p ) 来度量厌氧 段的d o 含量。当o rp 值为j 下值时聚磷菌不释磷，而当o rp 值为负值时绝对值越高