（模式识别与智能系统专业论文）anammox菌与dpb的培养及其协同作用的氮磷去除研究.pdf

摘要 随着我国水体“富营养化 问题日益严重，以控制富营养化为目的的脱氮 除磷逐渐成为当今污水处理领域的研究热点之一。我国南方城市污水处理厂进 水碳源普遍不足，传统生物脱氮除磷技术不但耗能大，而且对碳源不足污水的 n 和磷去除率不高，难以满足污水排放标准。厌氧氨氧化技术和反硝化除磷技 术是近来颇受关注的污水生物处理新技术，前者需要的曝气量少，且无需碳源， 后者“一碳两用”，节省碳源，且需曝气量也少。此外，这两种技术的污泥产量 都较少。厌氧氨氧化与反硝化除磷脱氮协同脱氮除磷具有最低的0 2 消耗、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的优点。研究厌氧氨氧 化与反硝化除磷脱氮协同脱氮除磷对发展可持续污水生物处理工艺具有重大推 动意义。 ( 1 ) 在总结分析前人厌氧氨氧化技术研究成果的基础上，采用s b r 反应器， 以厌氧活性污泥、混合污泥( 厌氧活性污泥与好氧活性污泥混合) 和好氧活性污 泥为污泥源，通过对氨氮、亚硝酸盐氮、硝氮和污泥浓度等指标监测和数据分析， 研究3 种不同污泥源培养厌氧氨氧化污泥的差异。结果表明，采用厌氧活性污泥 为接种污泥，进水m 4 + - n 和n 0 2 。i n 浓度为6 5 0 l n g ，l 左右时，出水n h 4 + n 浓度平 均为5 5 6 m g l ，去除率平均为1 4 4 。n 0 2 n 出水浓度平均为5 3 3 m g l ，去除率 平均为1 8 o 。n 0 2 - n n h 4 + i n 消耗量为1 2 4 。采用混合污泥为接种污泥，在进水 浓度为6 5 0 i i l g l 时，出水n h 4 + n 浓度在平均4 5 7 m g l ，去除率平均2 9 7 ，n 0 2 。- n 浓度平均为4 0 4 n l g l ，去除率平均3 7 9 。n 0 2 。- n _ n h 4 + - n 消耗量为1 2 7 。采用普 通活性污泥的混合污泥作为接种污泥培养厌氧氨氧化污泥优于单一采用厌氧活 性污泥。与前人采用颗粒污泥培养相比，由普通活性污泥为接种污泥培养耗时长， 同时培养出的厌氧氨氧化污泥较颗粒污泥培养出的厌氧氨氧化污泥厌氧氨氧化 活性低。 ( 2 ) 采用三阶段方法培养驯化反硝化聚磷污泥。第一阶段是厌氧好氧；第 二阶段厌氧沉淀排水缺氧；第三阶段是厌氧缺氧。由于第二阶段消除了厌氧 末残留下来的有机物对缺氧段聚磷菌反硝化吸磷的影响，为反硝化聚磷菌的生长 创造有利条件，经过2 6 d 的培养，成功富集具有高活性的反硝化聚磷污泥，出水 磷浓度o 7 m g l ，对磷去除率达8 3 7 。 ( 3 ) 通过厌氧氨氧化反应和反硝化聚磷反应的理论分析，厌氧氨氧化菌与 反硝化聚磷菌在脱氮除磷方面可以发挥协同作用。分析原因如下：反硝化聚 磷菌积累n 0 2 。，这些n 0 2 。被厌氧氨氧化菌利用；为厌氧氨氧化菌去除氧气； 反硝化除磷菌为厌氧氨氧化菌提供无机碳源二氧化碳；聚磷菌能快速吸 收进水中v 】认，抑制其他异养菌生长，为厌氧氨氧化菌生长提供良好环境。采 用模拟双污泥系统，接种已经培养好的厌氧氨氧化菌和反硝化聚磷菌，验证厌 氧氨氧化菌与反硝化聚磷菌协同作用，考察两类菌协同脱氮除磷效果。试验结 果表明：氨氮去除率提高了2 5 ，t n 去除率达到8 0 左右，出水硝氮1 m 班， n 0 2 。- n 未检出。说明协同脱氮除磷系统氮磷去除效果优于单一的厌氧氨氧化菌 或反硝化除磷菌脱氮除磷系统。 关键词：厌氧氨氧化；反硝化聚磷；脱氮除磷；协同作用 l i a b s t r a c t t b d a m 诵t hs e v e 他e u 仃o p h i c a t i o nq u 髓t i o no c c u 玎e d ，m o r e 觚dm o r ea t t e l l t i o nh a sb e e i lp a i d f o rt 1 1 en i 们g a l l dp h 僻p h o m sr 锄o v a l t e c l l n o l o g ya i m c df o re i l 仃0 p h i c a t i o n i i l n u e l l to fm a n y m u n i c i p a ls e 、a g ep l 她t si sak i n do fw a s t e w a t e r 、) l ，i t l ll o wc o n c e n t 船t i o no ft l l ei i l f l u e n tw a t c r q u a l 时i i l ，l o wr a t eo fc mv a l u e ，w h i c hc 锄n o tb e 仃e a t e db yt r a d i t i o n a lb i 0 1 0 9 i c a lt e c h n 0 1 0 9 y a n a e r o b i c 锄m o n i u mo x i d a t i o n ( a n a m m 0 l x ) a n dd 铋i t d 舳gp h o s p h o n l sf e m o v n ga r en l e n e wp i 础e n tb i o l o 萄c a lw 懿t e w a t e f 仃e a t l l l e n tt e c h i q u e s c o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a l n i t r i 6 c a t i 锄dd e n i t r i 6 c a t i o n ，t l l i sm e t l l o ds a v e sl0 0 o ft l l er e q u i r e ds ) ，i l t l l e t i cc a 而0 n l l r c e ( i e m e l h 雒0 1 ) 觚d5 0 o ft l l er e q u i r e d0 x y g 铋1 1 1 i s1 d st oar e d u c t i o no fo p e r a t i o n a lc o s t so f 9 0 ，ad e c r c a i nc 0 2e l n i s s i 咄d fm o r et h 觚1o o ( t l l ep r o c 髓sa c t l l a l l yc o n s 啪e sc 0 2 ) ，勰d ad i 。c r 弱ei ne n e 理yd 锄a n d d e n i t r i f y i l l gp h o s p h o n 玛咖l o 、，i n g 慨h n i q u ei st l l ep o s s i b i es 械g o fc o d ( 5 0 ) 锄d 豇g y ( a 啪t i o n ) ( 3 0 ) 锄dl e 鼹s l u d g ep r o d i l c t i o n ( 5 0 ) t h es t u d yo f c o o p e m t i o fa n a m m o xb a c t 舐a 孤dd p b ( d 觚t r i 6 两gp h o s p h o m sr 锄o v i i l gb a c t 甜a ) i l l r 啪o v i n gn u t r i e n to fl o wi i l n u 锄tc nm _ i l i l i c i p a lw 觞t e w a t c ri ss i 弘i f i c a i l t o l i 龇b 勰i so f p 粥啊o u s 礴砌锄怂勰k ) xl 幽o l o 酩a s b 黜a sr e a c t 懈，w h i c h w e i n o c i l l a 协dw i t ha n 矾l b i ca c t i m i ds l u d g e ，m i 】【e ds l u d g e ( a 盯0 b i c 锄da n a a d b i ca c t i v a 锄 s h l d g ea 而v a 伽s l u d g em i x e d ) 粗da e f 6 b i c a 嘶v a t i e d s l u d g e t h ed i 妇f e 僦c 鹤w e 他i i l i n v e s t i g a t e dt h r g hm 砌t 0 血gt l l e 姐蚰0 n 远n i t r i t e ，n i 的t e 锄dm l s si ne 面c h i i l g a nam m o xs l u d g c n e 揪湖t ss h o w e dt l l a tt l l eu s eo f 她a 赫i cs l u d g ca c t i v i i t c ds l u d g e 勰 i n o c l l l a w h 锄m ei n n u e n tc o n c 舰t i 锄o fn h 4 n 锄dn 0 2 - nb o l hw 讹6 5 0 n l g l ，m e e 舶u e n tc o n 伽衄t i o n 孤dr 啪o v a l 托t eo fn h 4 - n 锄dn 0 2 - no na v e 豫g ew e 心5 5 6 m g l ， 5 3 3 m 班，1 4 4 锄d1 8 o r e s p e c t i v e l yn em t i oo fn 0 2 - nc o n 趴瑚p t i o n 姐dm - n c m l 鲫m p t i w 嬲1 2 4a ts t a b l ep 击o d w i t hm i x e ds l u d g et os l u d g e ，i n n u e i l tc o n a 融t r a t i o no f n h 4 + - na i l dn 0 2 - - nb o t hw 廿e6 5 0 l l i 观，m ee m i 磁l tc 伽【c 锄缸t i o n 勰dr e m o v a lr a t eo f n h 4 n 锄dn 0 2 - n 蚀a v e r a g cw e 4 5 7 m g l ，4 0 4 m g ，l ，2 9 7 ，3 7 9 r e 删v e l y1 1 心m 虹oo f n 0 2 _ nc o n 刚n p 曲n 勰d 对nc 0 蚴瑚面0 nw 勰1 2 7 n eu o fc v 饥d a la c t i v a t c d s 脚g em i 】【o ds l u d g cw 弱b 嘣砑m 姐as i l l 西eu s eo f 砒墙础i c t i v a t e ds l u d g ei n 伽匝c h m e n t c 伽珥k l r e dw i mt h e i r 印烈l 髓s o 姻掣孤m l 盯s l u d 萨，c o n m 矗叩a la c t i v a 同s l u d g e 鹪i n o c u l at o o k m o r et i m e 锄dn l ec i l l t i v 砷e d 朋q a m m o xs l u d g eh a dl o wa n 删o xa c 石、，i 够 al h 】陀e s t a g em e l l l o dw 够l l s e dt oc l l l d v a t ed p bs l u d g e t h e觚ts t a g ew 鹪 孤m 口洲c ，协c ；l e c ds t a g e 锄钺粕惋叫田i 撕t a t i o nd ra i ：n a g e 锄o x i c ；m e 嘲s t a g ei s 柚猷拥惋g ，鲫慨i c t h c c 锄ds 纽g ce l i n l i n a t e d i cb a d 疆t so f 伪翟r 蜀l n i cm a n c 硌i nm el 勰t 删0 do f 加a e b i c ，w h i c hc r t e df a l 删eo o n d i 6 咄f i ) rt l 璩d p b 孕刚咄a f t e f2 6d a y s0 f o p e m t i ，1 1 坞 d p bs l u d g ew 勰s u c c 伪s f i l l l yc u l 讯r a t e d、i t hm ee m u e n tp h o s p h 姗s c o n c 昀吐0 no f o 7 m g l 锄dr 锄0 、试r a t co f 8 3 7 n l em c 0 硎c a l 孤a l y s i so f 锄觚皿0 xr 翰舐姐锄dd i t r i f y i n gp h o s p h o n b 崩n o 、，i l 喝 a n 越瑚n o xb 8 c t e 五a 跹dd p b sc a nc o o p 嘲t ei i l 廿1 ef e l n o v 羽o fn i 扭d g e na n dp ：h | p h ，r 璐t h e r e 勰o n sa r e 鹤f o l l o w s ：d p b sp f o d u c en 0 2 ，w h i c hc 锄b ec o 璐哪。db y 锄锄m o xb a c t 酣a ； d p b s 崩n o v eo x y g f o rt l l e 锄b a c t 丽a ；d p b sp 附v i d ca n 删o x 、析t h i n o 唱a n i cc 砌) 0 nd i o x i d e ；d p b sc 锄q u i d d ya b s o 而t 1 1 ev f a ，i 1 1 1 l i b i t i i l gn l eg r o 、砸lo f h e t e r o 臼d p h i cb a c t e d a ，谢h i c hp r o v i d e das u i t a b l e v i 加删n e n tf 0 ra n a m m o xb a c t e r i a 目o w t h s l u d g el l o fd u a ls l u d g es y s t 锄，i i l o c u l a t e d 、以t l i 锄埝m m o x b a c t e r i a 龇l dd p b s ，( h e c 0 0 1 ) e f a t i o fa n 锄珈旧xb j 嵋t 币a 孤l di ) i b sw 鹋s t i l d i e d t h e 托m o v a le 任| c i 锶c yo fn i 缸o g e n 觚d p h o s p h o n l sw 勰i i l v e s t i g a t c d t h er e 跚l t ss h o w e dt l l a t ：a m m o n i an i n 0 9 铋r e m o v a lr a t ci i l c r e a s e d 2 5 ；1 nr 锄o v a lm t er c h e d8 0 诵t l le m 啪tn 0 3 - n o 2 0 3 m l 、即 0 0 1 m g l 、b o d 5 1 0 i i l l 、( 淡水中) 细菌 总数 1 0 4 c 鼬n l 、叶绿素a 1 0 p l 时，我们认为水体发生了富营养化现象【l 】o s 蛐等认为藻类的光合作用是水体发生富营养化的原因。由此，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 和光照不受人为的控制， 那么减少氮、磷的输入成为消除水体富营养化的关键。 1 1 2 传统生物脱氮除磷技术及存在问题 1 1 2 1 硝化反硝化 污水中氮的存在形式以有机氮和州- n 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 一还原成n 2 从水中逸出而得以实现。 反应式： n h 4 + + 2 0 2 一n 0 3 。+ h 2 0 屹 r( 硝化) ( 1 ) 6 n 0 3 - + 5 c h 3 0 h + c 0 2 _ 3 n 2 + 6 h c 0 3 - + 7 h 2 0 ( 反硝化) ( 2 ) 亚硝化菌和硝化菌均属严格好氧的化能自养菌，在污水处理中常通称为硝化 河海大学硕士论文 菌。常见亚硝化菌有n i 仰s o n o m 嬲、n i 仃o s o c o c c u s 、n i 昀s o p i r a 、n i 们s o 讪r i o 和 n i 仃d s o l o b u s ；而硝化菌则以n i 仃d b a c t e r 为普遍，另外还有n i 仃o s p i r a 、n i t r o s p i n a 、 n i 仃d c o c c u s 和n i 们c y s t i s 。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0 2 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。在反硝化反应中，最大的问题是污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可 生化程度。当b o d 5 凰n 3 5 时，可以认为碳源充足。 1 1 2 2 厌氧释磷好氧过量吸磷 在厌氧状态下，兼性细菌首先将溶解性有机物转化为a ，接着p a o 吸收 厌氧区产生的或原水中的v 】认，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 0 1 y p 的水解和糖原的酵解，同时引起p 0 4 3 的释放；糖原酵解同时 还提供p h a 合成所需要的还原力心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 r p ；a r p 则被用于p 0 4 3 。的吸收和p o l y - p 高能聚合物的合成， 同时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除出系 统，达到p 0 4 3 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1 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。 1 1 2 3 传统生物脱氮除磷技术的问题 目前，在城市污水处理过程中不但要求去除c o d 、s s ，而且对除磷和脱氮 都提出了较高的要求。但是，生物除磷脱氮技术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，这种现象原因在于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，碳源有机物尤其是污 水中低分子脂肪酸( a ) 的含量直接影响厌氧释磷和缺氧反硝化效果，在城市污 水中v 】a 的含量通常较低( 几十毫克升) ，碳源不足引发的竞争往往使聚磷菌不 具有优势。如果能使脱氮菌或聚磷菌一方进行脱氮或聚磷不需碳源或需要少碳源 便，就能解决这个竞争问题。 1 1 3 课题来源 本课题所研究的是江苏省自然科学基金项目( b k 2 0 0 7 1 8 1 ) “反硝化除磷厌 2 第一章绪论 氧氨氧化可持续脱氮除磷机理及途径研究一。 1 2 新型反硝化除磷脱氮技术研究概况 1 2 1 反硝化除磷理论 反硝化除磷技术是指聚磷菌( p o l y pa c c 啪u l a t i n go r g ；“s m s ，p a o ) 能在缺氧 的条件下利用n 0 3 作为吸磷的电子受体，此时，p a o 体内的p h a 并非像传统的 好氧吸磷时被0 2 氧化去除，而是作为n 0 3 。反硝化的碳源，富磷污泥以剩余污泥 的形式被排除出系统，实现了脱氮、除磷过程的耦合【2 6 】。因此，反硝化除磷技 术不仅减少了p h a 的无谓消耗、降低了能耗，而且反硝化和除磷过程的高度统 一从一定程度上解决了传统生物脱氮除磷工艺中脱氮和除磷两个过程在碳源争 夺问题上的主要矛盾。在二十世纪8 0 年代，研究者发现了p a o 能够在缺氧的条 件下以n 0 3 + - n 作为电子受体进行吸磷。荷兰d e l f t 科技大学的k l l b a 等1 2 1 观 察到厌氧缺氧交替的运行可以强化这种现象，在系统中富集了一类兼有反硝化 脱氮和除磷作用的微生物。由于这种反硝化的特性，人们将这类p a o 称为d p b ( d 砌t r i 聊n gp h o s p h o m sr 锄o v i n gb a c 缸试a ) 。反硝化除磷机理与传统的厌氧3 好 氧除磷机理十分相似，区别在于p a o 在吸磷阶段采用的电子受体不同，d p a o 通过反硝化n 0 3 。作用产生能量，并用于细胞增殖、糖原再生、p 0 4 3 。的吸收和 p o l y - p 的合成过程。但与好氧吸磷相比，d p b 的产能较低，吸磷速率较慢【i 3 1 ， 其效率比好氧吸磷低2 4 左右【1 4 ，1 卯。m i n 0 、k 0 c h 和m u n d c i t l l e r 等对反硝化除 磷的生化机理进行了深入系统地研究【幡1 8 】，并建立了反硝化除磷的代谢模型，为 反硝化除磷的理论研究和实际应用提供了理论上的指导。1 9 9 9 年，m ，a q 专家 组正式将反硝化除磷的理论补充到新推出的活性污泥a s m 2 d 数学模型【1 9 】之中， 正式确认其在除磷过程中的重要地位。随后一些学者对以n 0 2 。为电子受体的反 硝化除磷工艺进行了研究【3 加】，最近的研究表明n 0 2 。( 甚至较高浓度) 可以代替 n 0 3 喊为反硝化除磷菌进行反硝化吸磷的电子受体。 1 2 2 反硝化除磷工艺 目前，满足d p b 所需环境和基质的工艺分单、双污泥系统【2 1 ，2 2 1 。在单污泥系 统中，d p b 与硝化菌和n p a o 同时存在于一个污泥体系中，顺序经历厌氧、缺 3 河海大学硕士论文 氧和好氧三种环境，以b c f s 工艺为代表；在双污泥系统中，硝化菌独立于d p b 单独存在于普通活性污泥或固定生物膜硝化反应器中，以d e p h 锄o x 工艺和 a 2 n s b r 工艺为代表。 ( 1 ) b c f s 工艺【2 3 2 4 】 b c f s 实际上是u c t 工艺的一种变形，虽然u c t 的设计原理是基于p a o 所需 环境条件的工程强化，但实践中发现该工艺中存在着不少的d p b ，由此，荷兰 d c l n 理工大学研发出了b c f s 工艺，如图1 1 所示，以增强d p b 的代谢。 图1 1b c f s 工艺流程图 b c f s 较u c t 工艺增加了两个反应池。第一个介于厌氧和缺氧池之间( 即接触 池) ，回流污泥和来自厌氧池的混合液在池中充分混合以吸附剩余c 0 d ；而来自 回流污泥中的n 0 3 能被迅速反硝化脱除。增加的第二个反应池是混合池，介于该 工艺的缺氧池和好氧池之间，目的是形成低氧环境以获得同时硝化一反硝化，保 证出水中t n 的排放达标。混合池的增设除保证硝化和反硝化分别在好氧池和混 合池中以各自的最大的反应速率进行外，它还能保证污泥充分再生( 好氧池) 时 不影响n 0 3 一的有效去除( 混合池) 。因为污泥的再生程度能通过调节好氧池的曝 气强度控制，保证低负荷时p a o 中的p 耶与糖原的最低含量，从而保证较好的磷 的去除率。然而，在有些情况下该工艺对磷的去除不佳，如为满足硝化而使污 泥龄过长和进水中c p 比过低时，此时可厌氧池末端的富磷上清液抽出，以离 线方式在单独的化学沉淀单元内投加化学药剂去除。 ( 2 ) d 印h a n o x 工艺 w 锄一2 5 l 在1 9 9 2 年率先开发出第一个以厌氧污泥中p h b 为反硝化碳源的工 艺，并取得了良好的反硝化除磷脱氮效果，随后，研究者提出了具有硝化和反硝 化除磷双污泥回流系统的d e p h a x 除磷脱氮工艺，如图所示。回流污泥完成 在厌氧池中的释磷和p h a 的储备后在一中间沉淀池中进行泥水分离；分离后的上 4 第一章绪论 清液直接进入随后的固定膜反应池进行硝化，沉淀的污泥则跨越硝化单元直接进 入一缺氧的悬浮生长反应池内并于消化池的出水混合进行反硝化吸磷；再后，污 泥混合液在好氧池内短时曝气脱除附在污泥上的气泡改善沉淀性能，沉淀后的污 泥回流至厌氧段进行下一个除磷循环。由此可见，该工艺对有机物的利用是非常 有效的，d p b 在厌氧区吸收c o d 而形成的p h a 全部被用于n 0 3 。的反硝化和缺氧吸 磷，保证了反硝化所需的碳源。它既解决了p a o 和反硝化菌对c o d 的竞争问题， 也缓解了异养菌和硝化菌在泥龄上的冲突。该工艺具有能耗低、污泥产量少、 c o d 消耗量小的优点。 图1 2 d 印h 弛弧工艺流程图 当然，工艺在实际应用中也存在一些问题。首先，缺氧下磷的去除效率低于 好氧下的效率，且磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段n 0 3 。的浓度。当缺氧段 n 0 3 。不充足时，磷的过量摄取受到限制，而n 0 3 。富余时它又会随着回流污泥进入 厌氧段，干扰磷的释放和d p b 的p 聃合成。实际应用时，进水中氮磷比例是很难 恰好满足缺氧吸磷的要求，这就给系统的运行带来了困难。 ( 3 ) a 2 n s b r 工艺【2 6 ，2 7 】 a 2 n s b r 工艺是一种新型的双污泥反硝化除磷工艺，由a 2 s b r 反应器和 n - s b r 反应器组成，主要功能分别是去除c o d 、反硝化除磷脱氮和n h 4 + n 的氧 化。这两个反应器的活性污泥是完全分开的，只将各自沉淀后的上清液相互交换。 整个工艺流程如图1 3 所示。经化学计量表明，在m 比最优的情况下( 约为7 ) ，它 比传统除磷工艺节省5 0 的c o d ，且除磷和脱氮效率接近1 0 0 和9 0 ；耗氧量和 污泥产量可分别减少约3 0 和5 0 。另外，该工艺与d e p h a n o x 一样，可分别控制 d p b 和硝化菌泥龄，使各自效能最佳；同时系统污泥沉降性能良好，不易膨胀。 与单污泥工艺系统相比，双污泥的后置反硝化的运行方式还避免从好氧池向缺氧 池大量回流污泥【2 8 _ 3 。 5 河海大学硕士论文 图1 3a 2 n s b l 江艺示意图 1 2 3 反硝化聚磷反应影响因素的研究 1 2 3 1d o 对反硝化除磷影响分析 令云芳等【3 2 】认为反硝化除磷厌氧和缺氧段应保持d o o 2m l 。王亚宜等 【3 3 】在反硝化除磷工艺中控制释磷的厌氧条件极为重要。厌氧段的溶解氧含量d o 0 2m l 通常用氧化还原电位o r p 来度量。研究表明，o i 冲值和磷含量之间 呈良好的相关关系，能直观地反映p 0 4 孓浓度的变化，从而能定量反映聚磷菌的 性能特征，因此可把它作为厌氧释磷过程扰动的一个实时指标。当o r p 值为正 值时聚磷菌不释磷，而当o i 冲值为负值时绝对值越高则其释磷能力就越强，一 般认为应把o r p 值控制在2 0 0 3 0 0m v ，但是在实际运行中因污泥或污水回流 以及厌氧段未在封闭条件下运行而常会将氧气带入厌氧段，为此可在原工艺基础 上前置一个厌氧段和实现厌氧段封闭运行来解决这个问题。 1 2 3 2p h 值对反硝化除磷影响分析 文献中关于p h 值对生物除磷影响的报道较少，且多为值对厌氧释磷的短期 影响研究，很少有对好氧吸磷缺氧吸磷及对生物除磷整个过程的长期影响的相 关报道。根据等【3 4 ，3 5 1 的研究，p a o 的厌氧代谢反应适用于d p b ，因此可以推测 p h 值对厌氧释磷的研究结果也可适用于d p b 。研究结果表明【1 3 3 7 瑚1p h 值对d p b 厌氧释磷影响较大，随着p h 值增大则p c 值也随之提高( 即消耗单位乙酸将会 有更多的磷释放) ，但当p h 值过高时p c 值会有所降低，这主要是由磷酸盐沉 淀引起的。k 1 m a 在研究p h 值对a 2 s b r 工艺处理效果的影响时得到了类似的结 果，同时还指出，p h 值对d p b 反硝化除磷系统的影响和其对传统除磷系统的影 响有相似之处，但由于在p h = 8 时会出现磷酸盐沉淀，所以实际的p c 值比理论 值少2 0 他的发现和s m o l d e r s 研究p h 值对a os b r 工艺运行影响的结果一 致。 6 第一章绪论 1 2 3 3 温度对反硝化除磷影响分析 吉芳英等【3 8 】在除磷脱氮s b r 系统中考查了温度和c o d 对其反硝化，以及除 磷能力的影响。结果表明，反硝化除磷适宜温度范围为1 8 3 7 ，在此温度范围内 反硝化除磷速率随温度升高而提高，而且温度变化基本上不影响反硝化除磷系统 p 0 4 3 去除量和n 0 3 转化量之间的定量关系。 1 2 3 4n 0 3 和n 0 2 对反硝化除磷影响分析 虽然，反硝化除磷技术是一种新型的生物除磷技术，但在工艺理论和操作上 和传统的生物除磷工艺类似，一些影响传统生物除磷工艺运行的因素也同样对反 硝化除磷过程起作用，如进水中 a 和金属离子含量、温度、污泥沉降性能、 厌氧区d o 浓度、沉淀池的二次释磷、进水负荷和p h 值等。但由于反硝化除磷 具有自己的特点，特别是d p b 利用n 0 3 作为电子受体进行缺氧吸磷在理论和实 践上都刚刚起步，所以仍有一些问题有待深入探讨。 目前，大多数的反硝化除磷研究【3 9 舶】都是以n 0 3 作为电子受体，并且都取得 了理想的效果；但对于n 0 2 能否作为d p a o 的电子受体及其对生物除磷的影响 还少有报道。通常认为，与n 0 3 。相比，n 0 2 具有生物毒性强【47 】稳定性差的缺点， 故不适合作为反硝化除磷的有效电子受体。一方面，n 0 2 。作为生物脱氮过程正常 的中间，理论上应该可以被d p a o 有效利用；但另外一方面，一些反硝化菌并 不能完成整个的反硝化的过程( n 0 3 - _ ，n 0 2 。_ n 2 0 叶n 2 ) ，可能缺乏还原n 0 2 至 n 2 的能力，因此，n 0 2 。作为d p a o 电子受体的效率又可能不如n 0 3 。较高浓度 n 0 2 对生物的毒性作用也增加了利用其进行反硝化除磷的风险。目前，研究者对 于这方面的研究报道较少，而且结果互不一致。 c o m 黜掣4 8 1 和k u b a 【4 9 1 等认为n 0 2 。( 1 0 i n gn l ) 不能作为反硝化除磷的电 子受体，并导致吸磷量降低。融盯饥等【5 0 】在研究固定生物膜反应器厌氧缺氧交 替运行下释磷、吸磷时发现，当缺氧段n 0 3 负荷增加时，能观察到n 0 2 的积累； 而随着n 0 3 。的减少，吸磷量也相应减少；一旦系统中的n 0 3 消耗怠尽，即使存 在大量的n 0 2 。，吸磷也不再进行。作者由此认为，只有n 0 3 转化成n 0 2 的那部 分能量才能被d p a o 利用。然而，另外一些报道却认为，只要控制n 0 2 。的浓度 恰当，n 0 2 可以被d a b 利用的。m e i l l h o l d 掣5 1 】的静态实验结果说明，当n 0 2 5 m gn 几没有破坏缺氧吸磷，相反可以成为替代的电子受体；但当n 0 2 28 m g 7 河海大学硕士论文 套儿，对缺氧吸磷产生完全的抑制作用。h 、l 等【5 2 】利用厌氧缺氧工艺中的p ! a o 污 泥开展了n 0 2 对吸磷影响的研究，结果发现当n 0 2 。 1 15m 洲l 不会抑制吸磷 作用，但同时认为n 0 2 不如n 0 3 。有效。j i 锄g 等【2 5 3 】对洲o ) 2s b r 系统中的反硝 化除磷现象进行了考察，区别在于前者把硝化控制在n 0 3 阶段而后者控制在 n 0 2 阶段，两种污泥对n 0 2 。的耐受浓度分别达到1om gn l 和3 0m gn l ，j i 锄g 等【2 ，5 3 j 进一步推断，d p b 对n 0 2 毒害作用的耐受能力和利用其进行反硝化吸磷的 能力都可以通过运行驯化加以提高，这与李勇智【5 4 】的观点一致。蒋轶锋【5 5 】通过 反硝化除磷系统的长期运行认为n 0 2 。作为电子受体进行除磷是可行的。 1 2 3 5h 】r t 对反硝化除磷影响分析 令云芳等【5 6 】考察厌氧段水力停留时间对a 2 n 工艺反硝化除磷脱氮效果的影 响。厌氧段的h r t 分别为3 6 h 、2 5 h 、2 0 h 和1 6 h 的情况下，系统缺氧段去除 的总氮量占进水总氮的百分比分别为4 2 、4 4 、4 5 和2 6 ，系统对总氮 的平均去除率分别为7 2 1 、7 2 8 、7 2 4 和6 0 9 。结合以上数据认为厌氧 段h r - t 为2 h 即可满足除磷和脱氮要求。 1 2 3 6s r t 对反硝化除磷的影响分析 反硝化除磷脱氮工艺的双、单污泥系统由于硝化段设置方式的不同，其对 s r t 的要求也不同。在u c t 工艺中最小泥龄须优先考虑硝化菌而非d p b ，在常 温下虽然u c t 工艺中p a o d p b 的最小s r t 小于硝化菌的最小s r t ，但可将 d p b 的最小污泥龄和硝化菌的最小泥龄视为相同，但如果出现温度较低情况( 冬 季) 时，由于p a o s d i p b 对低温很敏感，故它们的最小泥龄大于硝化菌的最小泥 龄。而a ：n 工艺就不用考虑硝化菌的s l 玎，只需注意d p b 的s r t 。h a o ( 2 0 0 1 年) 在对u c t 和a ： n 工艺基于动力学模型基础上的评价时发现：当进水t n = 6 8 m l 、p = 9m l 时，若要达到t n 1 0m g l 、p lm l 的排放标准，则 u c t 工艺在t - 1 0 时的最小s r r _ 1 5d 、t = 2 0 时的最小sl 玎 1 0d ；对于 a 2 n 工艺( 好氧硝化段的s l 玎固定为3 0 d ，这里讨论的为d p b 的s r t ) ，由于硝 化污泥和d p b 污泥是独立的，所以它能获得较稳定的脱氮率，且出水t n 1 0 m 班，但为了获得磷浓度较低的出水，在t - 5 时d p b 的s l 玎需延长至3 2 d ( 此 时u c t 所需s r t = 2 5 d ) 。由模拟试验结果可知，当温度较低时( 如t = 5 ) p a 0 d p b 需要较长的s r t 才能在系统中存活，并且a 2 n 工艺的反硝化率受温 8 第一章绪论 度影响较大，而d p b 污泥的泥龄变化对反硝化率没有大的影响；当s r t 15d 、 t 1 0 时，u c t 工艺的脱氮率最高。m e r z o u l ( i 【5 7 】等人报道：s b r 反硝化除磷系 统的s r t 为1 5d 时对除磷更有利( 此时的除磷率比s i 玎= 7 5d 时高1 8 倍) ，这 是因为较短的s l 玎使反应器中的聚磷菌被淘汰。另一方面，s i 玎过长会出现磷 的“自溶”现象。综合考虑上述情况可知，反硝化除磷系统的最佳s i 订值与温 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。丁彩娟 酬研究发现合适的反硝化除磷系统污泥龄s r l r _ 2 0 3 0 d ，较传统生物除磷脱氮 污泥龄( s i 冰1 5d ) 长。其原因是反硝化除磷以n 0 3 n 为电子受体的生化反应 中产生的a t p 低于传统的好氧吸磷产生的触印，造成反硝化除磷菌的代谢活动 受到限制，其生殖速率低于好氧聚磷菌的生殖速率。要维持较好的处理效果必须 保持系统内一定的污泥浓度，因此反硝化除磷系统产生的剩余污泥量少，污泥龄 更长。李勇智等【5 9 】采用厌氧觖氧s b r 反应器对反硝化除磷过程进行研究，发现 污泥龄为1 6 天时除磷效率达9 0 以上。 1 2 3 7 碳源种类对反硝化除磷影响分析 研究表明，释磷菌在利用不同基质的过程中对磷的释放率存在着明显的差 异。e 璐( 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 投加乙酸等易降解的低分子有机物来提高微生物的释磷量，增加其体内有机物贮 存，为缺氧阶段的大量吸磷创造条件。值得注意的是，碳源只有投加在厌氧段才 能使出水的磷含量减少，如将碳源投加在缺氧段则会优先支持反硝化而使出水硝 酸盐和亚硝酸盐的浓度降低却不发生吸磷反应。 1 2 3 8c ，n 和c ，p 值对反硝化除磷影响分析 反硝化除磷系统首先要求提供给厌氧段足够的可降解c o d ，其( 如h a c ) 越充足则合成的p h b 越多。l ：向m j e s p e r s e n 【6 0 】的研究表明，缺氧条件下的吸磷率、 反硝化率是聚磷菌体内p h b 储量的函数；h a c 的消耗量( p h b 量) 与缺氧段的反 硝化率及吸磷率存在一定的线性关系；缺氧条件下的吸磷率是p h b 的一阶方程。 从这些函数关系可见，厌氧段提供的c o d ( h a c ) 充足与否直接关系着缺氧段反硝 化和吸磷能力的强弱。 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 9 河海大学硕士论文 现，否则脱氮和除磷的效果都会受到影响。但在实际工程中不可能达到完全的理 想条件，所以在提供给厌氧段充足碳源及缺氧段足量硝酸盐的同时应注意适度原 则，使进水的c 、n 和p 符合最佳比例关系以达到最佳的处理效果。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 b 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n 0 3 。过量而造成反硝化不彻底。k u b a 【4 9 】在考察a 2 n s b r 工艺的运行特征时 发现其最佳c o d 厂r n 值为3 4 ，此时除磷率几乎达到l o o 。当c o d n 值高于此 值时( 硝酸盐量不足) 可在缺氧段后引入一个短时曝气( 以0 2 作为电子受体) 将残留的磷去除；当c n 值低于此值时可通过外加碳源来去除过量的硝酸盐。 1 9 9 9 年，qb o m n e 【酗】在对d e p h 猢x 和j h b 两工艺进行对比试验中得到两者在 不同c n 值时的除磷率，继之作者利用m a t l a b s i i n _ u l i i l l ( 建立的模型对大量的不 同c o d 厂n 和，n ( n p 0 4 孓p 的进水进行了模拟试验，发现即使c o d 厂n i 矾值很 低、脚0 4 孓p 值很高( 电子受体数量在缺氧吸磷段不受限制) ，d e p h 觚0 x 工艺 的除磷效率仍维持在9 0 以上。 1 2 3 9 其他影响因素对反硝化除磷影响分析 m l s s 。通常系统中的m l s s 越大( 说明d p b 含量越多) 则在厌氧段的释磷 效果越好，并且在缺氧段d p b 的吸磷能力也更强。但m l s s 也不能过大，否则 不仅会给沉淀分离带来困难，还会增加污泥处理成本。搅拌。厌氧区和缺氧区 不需供氧，但要使反应充分则搅拌必不可少( 使污泥处于悬浮态) 。容积交换比。 要提高a 2 n s b r 工艺的脱氮率，最可行的方法是增大a 2 s b r 和n s b r 的容积交 换比，或者考虑利用两个s b b r ( s e q u 锄c i n gb a t c hb i 0 6 l mr 铋吐o r ) 来进行反硝化 除磷脱氮。生物膜扩散和层状分布。底物扩散渗透作用的强弱会影响反应级数、 生物膜自内向外的生物种类和特性。况且，扩散作用又涉及到溶液浓度、生物膜 厚度及微生物呈层分布等诸多因素，这些影响因素在生物膜反硝化除磷系统中必 须予以考虑。 1 2 4 反硝化聚磷微生物的研究 在研究污水的生物除磷脱氮中，首先须确定何为反硝化菌，何为聚磷菌。反 硝化菌和聚磷菌的称谓是从土程的角度出发，在污水生物除磷脱氮的研究中对微 l o 第一章绪论 生物的一种界定：在实际研究中，对反硝化菌和聚磷菌的界定，小同的研究者有 不同的论点。国内外研究者将硝酸还原呈阳性，菌体内又含聚磷颗粒，在缺氧状 态下能同时反硝化吸磷脱氮的菌种，可称为反硝化聚磷菌d p b ( d e l l i t r i 蛳n g p h o s p h o r o u sr 锄o v i n gb a c t 耐a ) 。o s b o m 和n i c 0 1 l s ( 1 9 7 7 ) 在硝酸盐异化还原过程中 观测到磷的快速吸收现象，这表明某些反硝化菌也能够超量吸磷1 6 2 j 。l o t t e r ( 1 9 8 5 ) 观测到了生物除磷系统中假单胞菌属和气单胞菌属的增长情况，他们发现这类细 菌和不动细菌属的某些细菌能在生物脱氮系统的缺氧区完成反硝化反应【6 3 1 。 h 弱c o c t ( 1 9 8 5 ) 报导，如果有较高浓度的基质存在，不动细菌在缺氧区可吸磷【硎。 n 纰l l i el a c k o 【6 5 】等为了考察反硝化聚磷菌特定的生理代谢机制，对实际运行的一 个n d e b p r 工艺聚磷污泥中的微生物进行了分离和检测。研究