（环境科学专业论文）反硝化除磷系统的驯化及其n2o排放研究.pdf

2扬州大学硕士毕业论文 为0 2 2 、0 1 1 、o 0 5 。c o d 为1 5 0 m g l 。1 的条件下，c n 为3 7 5 、5 、1 0 时系 统t p 的去除率分别为2 4 8 1 、5 3 1 9 、6 7 6 1 ，t n 的去除率分别为1 8 1 0 、 4 3 6 9 、7 2 9 4 ，脱氮中n 2 0 - n 所占比例为8 9 4 、2 3 3 、o 1 5 。 ( 3 ) 从反硝化除磷系统中分离出2 1 株细菌，通过硝酸盐还原产气试验、聚p 羟基丁酸( p h b ) 、异染颗粒染色、脱氮除磷率等一系列检测试验，确定其中3 株为 反硝化聚磷菌( d p b a 5 1 1 ，d p b a 9 和d p b a l 0 ) ，这3 株菌在富磷培养基中氮、 磷的去除率都在5 0 以上。根据1 6 sr d n a 序列的系统发育分析，发现d p b a 5 11 与变形菌纲( f l - p r o t e o b a c t e r i a ) 中的d e c h l o r o m o n a sa r o m a t i c a 相似度达到9 7 ， d p b a 9 与f l - p r o t e o b a c t e r i a 中c a n d i d a t u sa c c u m u l i b a c t e rp h o s p h a t i sc l a d e1 1 as t r 的 相似度达到9 7 ，d p b a l 0 与芽胞菌属( b a c i l l u sp u m i l u s ) 的相似度达到9 9 。 关键词：反硝化除磷系统；驯化；n 2 0 排放；d p b 筛选 刘艳萍：反硝化除磷系统的驯化及其n 2 0 排放研究 3 a bs t r a c t t h en e wb i o l o g i c a ld e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nd p bi st h e h o t s p o ta n df o c u si nd o m e s t i ca n do v e r s e a sw a s t e w a t e rt r e a t m e n tr e s e a r c hf i e l d t h i s t e c h n o l o g y o v e r c a m em a n yp r o b l e m s e x p o s e d i nt r a d i t i o n a l s e w a g en i t r o g e n p h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s ，s u c ha ss a v i n g a r e aa n di n f r a s t r u c t u r ee x p e n s e s ( a n o x i a d e n i t r i f i c a t i o nm a c t o ma n da n a e r o b i cr e l e a s ep h o s p h o r u sr e a c t o r sc o m b i n e dt o g e t h e r ) ， r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ( p h o s p h o r u su p t a k eb ya n a e r o b i ci n s t e a do fa n o x i a ) ， i m p r o v i n gc a r b o ns o u r c e su t i l i z a t i o n ( o n ec a r b o na m p h i b i o u s ) ，d e c r e a s i l l gt h es l u d g e o u t p u t ( d p bi n s t e a do ft w ok i n d so fb a c t e r i ad e n i t r i f y i n gb a c t e r i aa n dp h o s p h o r u s e n r i c h m e n tb a c t e r i a ) ，e t c t h i st e c h n o l o g ys h o w e db r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti n w a s t e w a t e rt r e a t m e n tf i e l di nr e c e n ty e a r s b u td p bb e l o n g e dt od e n i t r i f y i n gb a c t e r i a a f t e ra l l ，a n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i aa l lp r o d u c e dn 2 0 ，s ot h i st e c h n o l o g yc o u l dn o tm i s s f a c i n gt h ep o t e n t i a ln 2 0e m i s s i o np r o b l e m si na p p l i c a t i o np r o c e s s e s t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e rc o n t a i n e dt h r e ep a r t s f i r s t l y , c o m p a r e dt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tt e c h n o l o g yo nt h ed o m e s t i c a t i o no fd 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 ls y s t e m s e c o n d l y , s m d i e dt h ee f f e c to fd i f f e r e n t c no nn 2 0e m i s s i o n si nd e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v a ls y s t e m t h i r d l y , s c r e e n e dd p bf r o mt h ed e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v a ls y s t e m ，a n ds t u d i e dt h e i rb i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ec o n c l u s i o n so ft h e r e s e a r c hf o rt h r e ey e a r sw e r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) h i 咖a n ds t a b l en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c ys l u d g e sw e r e d o m e s t i c a t e db ya a oa n dnka n di ti sp r o v e dt h a tt w om e t h o d sw e r eb o t ha v a i l a b l e d o m e s t i c a t e do n e s i nt h es r m ec o n d i t i o n , a a 0s y s t e mw h i c hh a db e t t e rn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yi nt h eb e g i n n i n gs t a r t e du pb e f o r e 虬kp h o s p h o r u sa n d n i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yo fnks y s t e mi n c r e a s e ds i g n i f i c a n ti nt h em i d d l e s t a g e f i n a l l y , t w os y s t e m sb o t hg o t t os t a b l e n i t r o g e na n dp h o s p h o n 塔r e m o v a l e f f i c i e n c yw i t hn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s v i s i b l es y s t e mo fa e r o b i cp h a s ea d d e dm a y a c c e l e r a t ed e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o ns y s t e ms t a r t u p b yd i f f e r e n td o m e s t i c a t e d m o d e ，t h es a m e 虹n do fa c t i v e ds l u g ea c h i e v e dt h es a m en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a le f f e c i e n c y , w i t ho b v i o u s l yd i f f e r e n tm i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e 4。扬州大学硕士毕业论文 ( 2 ) t h et r i a la l s or e s e a r c h e dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t ea n dn l e i r i n f l u e n c eo nn 2 0e m i s s i o n su n d e rd i f f e r e n tc ni nc o d15 0a n d 3 0 0m g l c o n d i t i o n s t h er e s u l t sw e r et o t a ln i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lr i s e ，n 2 0 - ni nt h ep r o p o r t i o no f t o t a l n i t r o g e n r e m o v a l d r o p ，w i t h t h ei n c r e a s eo fc n i nt h es a m ec n c o n d i t i o n ，c o m p a r e dw i t hl o wc o n c e n t r a t i o nc o d ( 1 5 0m g l 叫) 柚g hc o d ( 3 0 0m g l 1 ) t o t a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t er a i s e d ，n 2 0 - ni nt h ep r o p o r t i o no ft o t a l n i t r o g e nd r o p p e d t h es t u d yd e s i g n e dc nf o rt h r e ec o n c e n t r a t i o n8 85 , 7 5 ，10 ，w i t h 30 0 m g l c o d ，w h i c hl e a d e dt h a tt pr e m o v a le f f e c i e n c yo fs y s t e mw e r e6 9 6 4 ， 81 3 0 a n d8 4 10 r e s p e c t i v e l y , t nw e r e7 8 2 4 ，8 4 0 7 a n d8 9 9 5 ，n 2 0 ni nt h e p r o p o r t i o no ft nw e r e0 2 2 ，0 11 a n d0 0 5 ，r e s p e c t i v e l y f o rt h ec o n d i t i o n so f 1 5 0m g l - 1c o d ，c nw e r ef o r3 7 5 ，5a n d1 0 ，t h er e m o v a lr a t eo ft pw e r e2 4 8 1 ， 5 3 19 a n d6 7 61 ，t h er e m o v a lr a t eo ft nw e r e18 10 ，4 3 6 9 a n d7 2 9 4 n z o - n i nt h ep r o p o r t i o no f t nw e r e8 9 4 ，2 3 3 a n do 15 ，r e s p e c t i v e l y ( 3 ) t h er e s e a r c hg o t21s e p a r a b l ep u r es t r a i n s ，a n ds c r e e n e dt h r e ed p bn a m e d d p b a 511 ，d p b a 9 ，d p b a l0f r o mt h e mb yd e n i t r i f i c a t i o nm e d i u m ，m e t a c h r o m a t i c g r a n u l e s ，p h bs t a i n i n ge x p e r i m e n t s ，a n dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c y t e s t t h r e ed p ba 1 1c o n t a i n e dp h ba n dm e t a c h r o m a t i cg r a n u l e s a n dh a dm o r et h a n5 0 p e r c e n t o fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s r e m o v a le f f i c i e n c yi ng i v e nm e d i u m b y m o r p h o l o g i c a l ，p h y s i o l o g i c a l ，b i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n d16 sr d n as e q u e n c e a n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a td p b a 5 1 1a n dd e c h l o r o m o n a sa r o m a t i c ai nf l - p r o t e o b a c t e r i a h a d9 7 s i m i l a r i t y , d p b a 9a n dc a n d i d a t u sa c c u m u f i b a c w r p h o s p h a t i sc l a d ei i a ，纪i i l f l - p r o t e o b a c t e r i ah a d9 7 s i m i l a r i t yt o o ，d p b a 10a n db a c i l l u sp u m i l u sh a d9 9 s i m i l a r i t y k e y w o r d s ：d e n i t r i f y i n gp h o s p h a t e a c c u m u l a t i n gs y s t e m ；d o m e s t i c a t e ；n 2 0 e m i s s i o n ；d p b ；s c r e e n i n g 刘艳萍：反硝化除磷系统的驯化及其n 2 0 排放研究 5 1 绪论 近年来，随着社会经济的快速发展和工业化程度的不断扩大，环境污染问题 日益严重，不得不被提上日程。环境污染的治理难点主要在于氮磷的去除，因此 治理的根本途径就是控制污染物的排放、加大污染源的治理和提高污水厂处理出 水的氮磷指标【l 】。生物脱氮除磷技术由于同时具有去除碳、氮、磷且处理成本低的 优势而得到广泛应用。但是随着氮、磷排放标准的日益提高，传统生物脱氮除磷 技术也显示出了它的弊端，例如曝气过程中的高能耗，建设过程中的高建设成本， 处理结束后的高污泥量，最严重的就是在处理低碳氮比污水时由于碳源不足使得 同时脱氮除磷存在困难，因此开发经济、高效、低能耗的生物脱氮除磷工艺已经 成为各国城市污水处理研究的难点和热点1 2 】。我国国内目前许多具有脱氮除磷功能 的污水处理单位出水的氮磷浓度难于达到国家一级排放标准，根据建设部统计分 析，导致总氮去除效果不好的最主要原因大多数污水处理单位都面临生物反硝化 碳源不足的难题【3 】。一定硝态氮浓度下，当进水c o d 浓度低于3 5 0 m g l _ 1 或者c n 低于7 时就被认为是低碳污水【4 】。尽管传统的生物除磷脱氮工艺兼顾了除磷和脱氮 作用，但由于碳源供求和泥龄控制等矛盾的存在，难以实现同时高效脱氮除磷的 要求【5 】，d p b 的发现为解决低碳源废水脱氮除磷提供了有效的途径。 但d p b 又属于在摄磷过程中以n o x 。( n 0 3 或n 0 2 。) 作为最终电子供体的一 类反硝化菌，而反硝化菌又普遍具有产n 2 0 的能力。因此n 2 0 排放的潜在危害是 d p b 污泥反硝化脱氮除磷技术应用推广过程中不可回避的问题。 1 1 传统生物脱氦除磷理论及工艺现状 1 1 1 生物脱氮除磷原理 日常污水中，氮以有机氮、氨氮、亚硝态氮、硝态氮以及气态氮的形式存在， 并在一定的条件下相互转化【6 1 。传统的生物脱氮方法经济、可靠，包括氨化、硝化 和反硝化三个过程，基本原理是通过生物化学反应将污水中的有机氮转化为氨氮， 然后在好氧条件下通过硝化作用将氨氮氧化为硝态氮或亚硝态氮，最后通过缺氧 条件下的反硝化作用将硝化过程产生的硝态氮和亚硝态氮转化为氮气等气体形式 6扬州大学硕士毕业论文 排入大气，从而达到废水脱氮的目的，同时部分氨氮通过同化作用合成新细胞并 最终以剩余污泥形式排放【6 】，具体反应方程如式1 1 、1 2 、1 3 所示。 氨化反应： 2 - 堑塑型笃r c o o h + c 0 2 + n3( 式1 - 1 ) r c h n h 2 c o o h + o h 2 j2 + n3( 式 亚硝化硝化反应： n h 4 + + 3 2 0 2 硅幽bn 0 2 + h 2 0 + 2 h + n 0 2 + 1 2 0 2 吗n 0 3 。( 式1 2 ) 反硝化反应： n 0 3 。一n 0 2 。- - n 2 0 n 2 ( 式1 3 ) 去除残留磷素是污水处理的另一个重要部分，对于生物除磷理论，研究至今， 国内外普遍认同的是聚磷菌( p a o s ) 的释磷吸磷原理： 厌氧条件下，p a o s 通过分解体内贮存的聚磷和糖原产生能量，将污水中易降 解有机物( 如挥发性脂肪酸认) 摄入细胞，并以p h b 的形式储存于细胞中，聚 磷分解产生的多余磷酸盐通过主动扩散的方式排出细胞外，使污水中磷酸盐浓度 升高 7 1 。厌氧释磷的反应方程式如式l - 4 所示： a t p + h 2 0 - - a d p + h 3 p 0 4 + 能量( 式l - 4 ) 好氧缺氧条件下，p a o s 以溶解氧或硝酸盐为电子受体，以贮存的p h b 为电 子供体，通过氧化或p h b 释放产生的能量从污水中过量摄取磷酸盐并合成高能物 质三磷酸腺苷( a 1 1 p ) ，其中一部分合成聚磷作为能量物质储存于细胞内。好氧 缺氧吸磷的反应方程式如式1 5 所示： a d p + h 3 p 0 4 + 能量寸a t p + h 2 0( 式1 5 ) 般来说，细菌增殖过程中，好氧缺氧条件下摄取的磷比厌氧条件下释放的 多，废水的生物除磷正是利用排放富磷污泥这一过程来达到高效除磷目的【7 8 1 。 1 1 2 生物脱氮除磷工艺现状 目前，废水生物脱氮主要通过硝化反硝化过程来实现，而生物除磷则主要通 过聚磷菌过量摄磷和排泥来实现。最初脱氮和除磷是通过不同的生物处理工艺来 刘艳萍：反硝化除磷系统的驯化及其n 2 0 排放研究 7 实现的，随着世界各国对氮磷排放标准的曰益提高，单独的脱氮或除磷工艺已逐 渐向组合工艺方向发展。从机理来看，生物脱氮除磷组合工艺均包含了厌氧、好 氧和缺氧三种基本状态【9 1 。 1 1 3 生物脱氦除磷系统存在的矛盾和竞争 脱氮除磷组合工艺发展至今仍在不断改善，然而传统脱氮除磷组合工艺在实 际运行中经常出现无法同时取得良好的脱氮和除磷效果的问题 1 0 1 。这种现象表明 了传统生物脱氮除磷工艺存在难以协调的矛盾和竞争，这从脱氮和除磷的机理上 主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 微生物的混合培养 脱氮和除磷的实现由许多过程构成，需要不同的微生物参与。这些不同的微 生物对营养物质和环境的需求都不尽相同，而目前生物脱氮除磷工艺中一般都采 用单一的污泥悬浮生长系统，各种微生物很难同时处于最佳生长条件下【l l 】，因此 各自的功能都受到限制，无法同时达到高效运行。 ( 2 ) 泥龄彼此矛盾 不同微生物的最适泥龄不同，而且系统中磷的去除主要是通过剩余污泥的排 放来实现的，为了保证系统的除磷效果必须维持一定浓度的污泥量。若泥龄太低， 污泥排放量大使得系统污泥浓度较低，降低除磷效率；若泥龄太长，会影响聚磷 菌对磷的吸收，使得除磷效率下降 1 2 】。因此，硝化菌和聚磷菌在泥龄问题上存在 不可协调的矛盾。 ( 3 ) 碳源的竞争 首先好氧段的硝化菌是自养菌，过多碳源存在会抑制其生长，而缺氧段的反 硝化菌则是异养菌，需要充足碳源来充当电子供体；其次，p a o s 厌氧释磷需要消 耗水中易降解有机物，而通常城市污水中所含易降解c o d 很少。因此，释磷和反 硝化过程存在对碳源的竞争。由于反硝化速度快于释磷速度，反硝化会优先利用 水中易降解有机物，如v f a 等，因此聚磷菌在竞争中往往处于劣势。厌氧环境下 磷释放的程度和生成的p h b 量是好氧缺氧环境下过量摄磷的必要条件和决定性 8扬州大学硕士毕业论文 因素，要达到完全脱氮除磷的目的，城市污水的c n 至少要大于4 5 1 3 】。在传统 的a 2 0 工艺中，有机物的去除主要是通过好氧降解的，而且反硝化菌和聚磷菌混 合生长，反硝化细菌脱氮和聚磷菌释磷都需要有机物作为碳源，由于反硝化细菌 可先于聚磷细菌吸收和利用水中的v f a 进行反硝化脱氮，因而当废水中v i a 含量 过低时，必然会影响聚磷菌对p h b 的合成，并导致聚磷菌释磷程度降低，最终抑 制聚磷菌在好氧条件下的吸磷作用，由此可见，传统的a 2 0 工艺中反硝化菌与聚 磷菌对有机碳源中v f a 的竞争矛盾非常突出。而o 系统中，利用反硝化聚磷 菌的“一碳两用 ，摄磷和脱氮过程的结合提高了碳源利用率，并节省了曝气量 1 4 】。 ( 4 ) 硝酸盐问题 传统a 2 o 工艺中回流污泥中的硝酸盐会破坏厌氧段的厌氧环境，此时反硝化 菌会和聚磷菌竞争水中的v f a 进行脱氮，使得聚磷菌难以获得充足的有机物，从 而影响其释磷，尤其当进水中v f a 较少、污泥含磷量又不高时，硝酸盐的存在甚 至会诱导聚磷菌直接缺氧吸磷，严重抑制了厌氧释磷过程的进行，从而影响系统 的除磷效梨1 5 】。 综上所述，随着人们对传统脱氮除磷工艺中存在的矛盾认识的更加深入时， 我们得知传统脱氮除磷工艺难以同时取得高效的脱氮除磷效果的缺陷是无法从根 本上进行解决的，因而研究新的生物脱氮除磷方法十分重要。 1 2 反硝化脱氮除磷工艺研究现状 人们过去曾发现有些污水厂的缺氧池内会出现聚磷现象，随着研究的深入， 人们发现了一类具有反硝化脱氮机能的聚磷菌，这类菌统称为反硝化聚磷菌 1 6 1 。 这类细菌可以在厌氧条件下，利用有机物合成p h b 储存在细胞内，同时释放正磷 酸盐，在缺氧条件下能以p h b 为碳源、n o x 。为电子受体进行反硝化的同时超量聚 磷 1 7 1 。以d p b 为目标菌群研究开发的同步反硝化除磷技术，可一碳两用，使得 反硝化脱氮时无需再投加碳源，成功解决了传统污水脱氮除磷工艺中碳源争夺等 矛盾，此外该技术还具有摄磷阶段不需曝气，污泥减排量较少等优点。该技术以 其独特的低能耗高效生物脱氮除磷优势，在废水处理领域中表现出良好的应用价 值和市场前景，是近年来，国内外学者对污水生物脱氮除磷中暴露出的问题和现 刘艳萍：反硝化除磷系统的驯化及其n 2 0 排放研究 9 象进行深入研究后，提出的当前污水脱氮除磷领域最新技术之一【1 引。 1 2 1 反硝化脱氮除磷理论 反硝化脱氮除磷理论的发展起源于1 9 7 7 年o s b o r n 和n i c h o l l s 在硝酸盐异化还 原过程中发现的磷的快速吸收现象，这表明某些反硝化菌也能超量吸磷【1 9 - 2 0 ，此 后越来越多的研究也证实了这点。d p b 的理论依据是d p b 在厌氧条件下吸收有机 物合成细胞内储能物质p h b 并释放正磷酸盐，而在缺氧环境下利用n o x 作为最终 电子受体，进行反硝化作用的同时超量聚磷，使得聚磷和反硝化脱氮这两个生物 过程在缺氧环境下由同一类微生物一并完成 1 8 】。正是因为有了这个特点，新型反 硝化除磷技术较好地克服了传统污水脱氮除磷实践过程中所暴露的诸多问题，如 节省占地面积和基建费用( 缺氧反硝化和好氧摄磷反应器并在一起) 、降低能耗( 耗 氧摄磷改为缺氧摄磷) 、提高碳源利用率( 一碳两用) 、减少污泥产量等，在今后 污水处理领域中表现出广阔的应用前景 1 8 】。 1 9 9 3 年荷兰k u b a 等人研究发现，尽管d p b 和目前水处理领域中广泛应用的 以氧气为最终电子受体的好氧聚磷菌p a o s 相比，最终电子受体不同，对摄磷环境 要求也有所区别，但d p b 作为聚磷微生物，其释磷机理和p a o s 相似，具体释磷、 吸磷机理如图1 1 所示【2 1 1 。d p b 在厌氧条件下吸收有机物转化成v f a 和能量、合 成细胞内储能物质p h b 并释放正磷酸盐，而在缺氧环境下利用n o x 作为最终电子 受体，进行反硝化，同时超量聚磷，p h b 分解释放能量供给细胞生长。 厌氧环境：贮碳释磷好氧缺氧环境；耗碳吸磷 c o , e - 释放的能量；g - 糖原；m 维持细胞生存的能量；g - 细胞繁殖生长 图1 1p a o s 和d p b 生物释磷、吸磷机理图 f i g u r e1 - 1 m e c h a n i s mo nr e l e a s i n ga n du p t a k i n gp h o s p h o r u so fp a o sa n dd p b 1 0扬少h 大学硕士毕业论文 近年来，学术上对p a o s 的研究出现了三种说法：两类菌属假说，即p a o s 分为两类，其中一类只能以0 2 为电子受体，另一类既能以0 2 为电子受体又能以 n 0 3 - 为电子受体，具有同步反硝化吸磷的功能 冽；一类菌属假说，即只存在一 类p a o s ，它们在一定程度上都具有反硝化能力，关键在于厌氧缺氧交替运行的环 境条件是否得到了强化 2 3 】；三类菌属假说，h uj y 等试验发现除了上述两类菌 属假说外，还存在一类即能以0 2 和n 0 3 为电子受体又能以n 0 2 为电子受体的聚 磷微生物【2 4 】。我国的赵璐等研究表明亚硝酸盐在定程度上可以充当生物除磷的 最终电子受体【2 5 1 。蒋轶锋等也分别对0 2 、n 0 3 、n 0 2 作为生物除磷电子受体的效 能进行了比较，n 0 2 不会对经驯化后d p b 缺氧吸磷造成抑制，但其作为电子受体 时的除磷效能远低于n 0 3 - 2 6 1 。袁林江等利用厌氧好氧培养出聚磷菌，在进行静态 反硝化聚磷试验中也证明了聚磷菌能以n 0 2 为电子受体【2 丌。目前三种说法各有支 持者，仍需要深入的研究来证实。 1 2 2 反硝化除磷与好氧除磷的比较 d p b 和p a o s 厌氧条件释磷的代谢机理相同，主要区别在于吸磷时的电子受 体不同。反硝化除磷技术中d p b 能够在厌氧释磷的同时，吸收原水中的碳以p h b 形式储存在细胞内，在缺氧条件下以硝酸盐为电子受体，不需提供外碳源而是利 用厌氧段存储于体内的p h b 在反硝化脱氮的同时实现磷的去除，不仅解决反硝化 碳源问题，还解决了除磷所需的碳源，具有。“一碳两用的优势。与好氧除磷相 比，摄磷和脱氮过程的结合提高了碳源利用率，使得c o d 消耗量节省5 0 ，吸磷 过程由缺氧环境代替了好氧环境，氧的消耗仅用于硝化过程，节省了曝气量约 3 0 ，相应的污泥产量则减少了约5 0 ，同时还可以避免c o d 单一的氧化稳定至 c 0 2 ，使释放到大气的c 0 2 量降低了2 0 左右 2 8 2 9 1 。尽管具有这些明显优势，但 由于反硝化除磷以硝酸盐为最终电子受体，而好氧除磷以氧气为最终电子受体， 两者进行电子传递时氧化磷酸化的水平不同，即产生a t p 不一样多，如式1 - 6 所 示【3 0 1 。研究表明反硝化吸磷时产生的a t p 量要比好氧吸磷少4 0 ，因此需要消耗 更多的p h b ，从而使缺氧吸磷速率比好氧吸磷速率低4 0 左右【3 1 1 。 刘艳萍：反硝化除磷系统的驯化及其n 2 0 排放研究 1 l a e r o b i c ：n a d h 2 + 0 5 0 2 一1 8 5 a t p + h 2 0 a n o x i c ：n a d h 2 + 0 4 h n 0 3 1 0 a t p + i 2 h 2 0 + 0 2 n 2( 式1 6 ) 对于m 系统是否需要加设后置曝气池来辅助吸磷的问题，k u b a 曾指出缺 氧池后的再曝气段不是必须的，1 9 9 6 年他在d e p h a n o x 工艺基础上提出的a 2 n 双 污泥脱氮除磷系统就省去了再曝气段【2 l 】。但是试验中我们发现再曝气段对于a 2 n 工艺达到完全脱氮除磷是不可或缺的，这在进水c n 较低时尤为明显。大量文献 也表明，在缺氧段后设置快速曝气池是必须的【2 9 ，3 2 3 3 舯】。快速曝气池里能通过好氧 吸收缺氧段残留的8 5 以上的磷，使得系统出水的总磷达到国家一级综合排放标 准，保持系统稳定的除磷效掣蚓。 鉴于反硝化除磷技术具有以上诸多优点，尤其是它从根本上解决了传统工艺 中脱氮和除磷过程存在的矛盾，因此该技术被认为是一种可持续、节能、高效的 水处理技术【3 5 1 。作为水处理领域的热点，各国专家学者对其开发和运行效果稳定 性相关参数的优化展开了长期的系统性研究。 1 2 3 反硝化脱氮除磷影晌因素的研究 影响反硝化除磷的因素有很多，包括溶解氧，硝酸盐浓度，氧化还原电位 ( o r p ) ，p h 值，碳源种类，营养比，s r t ，污泥浓度( m l s s ) 等。以下就c n 、 硝酸盐浓度、温度、m l s s 、p h 和d o 对其影响做简要介绍。 ( 1 ) c n 值 c 、n 、p 作为微生物生长的基本营养元素，其比值对水处理中的生物反应效 果有着重要影响【6 】。c n 实际上就是控制了反硝化菌和d p b 的优势生长，对于反 硝化脱氮除磷系统的稳定运行有着重要影响。 c n 过低，厌氧段因缺乏足够碳源而影响磷的释放及p h b 的合成，同时缺氧 段的硝态氮会因厌氧段生成的p h b 不足而无法通过反硝化吸磷高效去除，双污泥 工艺中此阶段残留的硝态氮随污泥回流到厌氧段，会使反硝化菌和d p b 竞争有机 底物而抑制厌氧释磷，如此恶性循环系统会丧失应有的功能f 3 6 】；反之c n 过高， 缺氧段会因过多有机物的存在，使得反硝化菌和d p b 竞争硝态氮，影响反硝化吸 1 2扬州大学硕士毕业论文 磷的效果，一般反硝化菌在竞争中更有优势，因此会严重破坏系统的反硝化除磷 能力3 7 1 。 对此，各国学者对反硝化除磷系统中的c n 值做了深入研究。k u b a 等研究 a 2 n s b r 工艺中最佳c n 值为3 4 时，氮和磷都获得较高的去除率，除磷率可接近 1 0 0 3 8 】。王亚宜等的研究表明d e p h a n o x 工艺适合于处理c o d t n 为4 7 的生活 污水，该比值较为符合我国生活污水的c n 值【3 9 1 。郭海娟等在厌氧缺氧( a e ) s b r 反应器中研究得到了系统最佳运行效果时c o d ：n 0 3 ：p 的质量比为2 5 0 ：6 0 ：8 t 删。 李勇智、张杰等对a 2 n s b r 工艺的研究得到最佳c n 比为5 o 4 1 4 2 1 。杨欢等人 的研究也表明，在污泥驯化过程中，提高进水c n 有利于加速反硝化除磷系统的 启动。 ( 2 ) n 0 3 。和n 0 2 。 反硝化除磷工艺缺氧段的吸磷量和硝酸盐投加量有关，在碳源充足的前提下， n 0 3 浓度是决定缺氧吸磷能否完全的限制性因素 删。文献报道，硝态氮浓度与磷 的吸收量之间存在线性关系，各国学者对此进行研究所得到的比例关系有所不同 【4 5 】。李勇智等采用厌氧缺氧s b r 反应器对反硝化除磷过程进行了研究，得到的线 性关系为：p 0 4 3 p 吸收_ o 8 9n 0 3 - n 消耗+ 1 4 9 ( r 2 = o 9 9 6 6 ) 4 6 】。刘建广等研究结果表 明：在缺氧段有充足的n 0 3 电子受体时，d p b 的缺氧吸磷速率几乎不受n 0 3 - 浓度 的影响，单位n o a - 吸收的磷约为1 0 m g t 4 7 1 。 n 0 2 - 作为反硝化过程的中间产物是否对d p b 缺氧吸磷产生抑制作用，目前在 学术上并未达到共识，有研究表明n 0 2 。的积累对抑制除磷效果，但也有报道指出， 只要n 0 2 浓度控制在适宜范围内，不仅不会抑制缺氧吸磷，还可作为电子受体来 吸磷，不过这个浓度范围尚无定论 4 8 5 0 1 。 ( 3 ) 温度 通过生物反应处理污水的实质是利用微生物细胞内的酶促反应。而细胞酶的 主要成分蛋白质的活性受温度影响很大，因此污水生物处理要想取得良好的效果 必须在定的温度范围内运行 5 1 】。各国学者因此对不同水温下的反硝化除磷系统 的脱氮除磷效能进行了研究。h a ox d 等【5 2 】研究发现5 。c 低温对p a o s 的生长有抑 刘艳萍：反硝化除磷系统的驯化及其n 2 0 排放研究 1 3 制作用，且与单污泥系统相比，这种抑制作用对a a o 双污泥系统的影响更明显。 王亚宜等研究了正常温度( 2 5 2 6 c ) 和低温( 8 1 0 4 c ) 两种水温下d p b 的反硝化 吸磷情况，结果表明低温下厌氧释磷和缺氧吸磷的速率将降低，但对a a o 系统 整体来说吸磷效果所受的负面影响不大。李勇智等5 3 1 对连续流反硝化脱氮除磷系 统的研究表明，d p b 属于低温耐冷菌，低温冲击对d p b 缺氧吸磷的影响并不大， 这和王亚宜的结果一致。吉芳英、李捷与曹长青等的研究得出，不同工艺反硝化 除磷的适宜温度不同，但在适宜温度范围内厌氧释磷、反硝化吸磷和脱氮速率均 随温度升高而加快【6 1 。 总之，反硝化除磷工艺对温度的适应范围较大，在低温下所受负面影响也较 小。 ( 4 ) 污泥浓度( m l s s ) 活性污泥作为污水生物处理的反应主体，其污泥浓度对于工艺运行控制和设 计等有很大影响。通常m l s s 高，污泥中所含的d p b 也多，厌氧释磷速率随着 d p b 数量的增长而呈指数增长，最终释磷量也会提高，同时缺氧段反硝化吸磷速 率也随之加快 5 7 5 8 1 。 王亚宜、李勇智、曹长青等5 0 , 5 3 , 5 6 】的研究也证实了上述观点，同时研究也表明： 污泥浓度并不是越大越好，虽然较高的m l s s 缩短了厌氧放磷和缺氧吸磷的反应 时间，适当减少了反应器的体积，但是单位污泥的吸磷速率却是下降的，过高的 污泥浓度会增大污泥回流量，不易沉淀分离并加大二沉池的污泥负荷和污泥处理 成本，同时缺氧吸磷过程还有可能发生“二次释磷”现象，因此，必须根据实际 污水处理中的情况来选择一个适宜的浓度。王亚宜等进行的a a o 系统研究中， m l s s 一般维持在3 9 0 0 , - - 5 0 0 0m g l 1 3 9 】。 ( 5 ) p h 和o r p p h 对d p b 厌氧吸磷影响较大。随着p h 值增大，消耗单位乙酸所释放的磷( p c ) 也会随之提高，但当p h 值过高时，由于发生磷酸盐的化学沉淀，p c 会开始降低 5 3 1 口 王亚宜等利用d p b 污泥进行的s b r 试验表明：在p h 在乱8 范围内，随着p h l 彳扬州大学硕士毕业论文 值的升高则厌氧释磷量也增加，但当p h 值升高到8 以上时发生了磷酸盐沉淀，影 响到了磷的正常释放 3 9 1 。任南琪等利用厌氧缺氧s b r 静态反应得出结论：在缺氧 段p h 为7 0 i 0 1 ，厌氧段p h 在7 肌8 0 时，随着p h 值增大脱氮除磷效果越好【5 9 】。 同时，当采用o r p 值来定量反映d p b 的生化性能特征时认为，厌氧段o r p 值控制在2 0 0 - - 3 0 0 m y 为宜【5 9 1 。 1 2 4 反硝化脱氮除磷工艺现状 根据反硝化聚磷菌、硝化菌和及非聚磷异养菌等微生物是否共存于同一个反 应器中，反硝化脱氮除磷工艺分为单污泥工艺和双污泥工艺。单污泥工艺主要有 u c t 、m u c t 、b c f s 工艺，双污泥工艺主要有d e p h a n o x 和a 2 n s b r 工艺。双污 泥工艺能够使d p b 和硝化菌在各自适宜的环境下生长，满足不同的泥龄需求，因 此双污泥工艺比单污泥工艺更具优势【删。 ( 1 ) u c t 和m u c t 工艺 虽然u c t 是基于对p a o s 所需环境条件进行强化而改良的a 2 0 工艺，但 o t g a a r d 等发现该工艺中存在着不少的d p b ，约有3 0 左右的磷酸盐是在缺氧段中 被去除的【6 1 1 。而m u c t 作为u c t 的改良工艺，更利于d p b 的生长，研究表明 m u c t 中d p b 数量已占总p a o s 的一半，系统除磷效果很好，出水的总磷浓度为 0 1m g l 1 【6 2 1 。 ( 2 ) b c f s 工艺 目前代表性的b c f s 工艺，出水可实现t n 5m g - l - 1 ，t p 0 2m g l ，出水水 质较为稳赳6 3 1 。 ( 3 ) d e p h a n o x 工艺 d e p h a n o x 工艺雏形最早于1 9 9 2 年由捷克的w a n n e r 提出，k u b a 和国内学者 王亚宜、李相昆等对其进行了深入研究 2 l 洲】。该工艺将d p b 和硝化菌置于不同 的系统中，满足了各自生长的适宜环境，解决了碳源不足和泥龄矛盾等问题，“一 碳两用”可实现利用最少的c o d 消耗量，获得最大的脱氮除磷效率，具有低能耗、 低污泥产量的特点，特别是对c o d t n 很低的污水，除磷效果依旧很好。 刘艳萍：反硝化除磷系统的驯化及其n 2 0 排放研究 1 5 ( 4 ) a 2 n s b r 工艺 a e n s b r 工艺与d e p h a n o x 工艺原理大同小异，区别在于该工艺是序批式工艺， 而d e p h a n o x 工艺是连续流式。a 2 n s b r 系统由两个独立的s b r 反应器构成，一个 s b r 依次经历厌氧缺氧环境，从而强化了适宜d p b 生长的环境，筛选优势菌种； 另一个是好氧s b r ，用来培养硝化菌，为厌氧缺氧s b r 提供充足的硝化液。两个 反应器之间只有上清液的交换而没有污泥交换。k u b a 和我国的罗固源、李勇智等 的研究证实了该工艺可以取得高效稳定的脱氮除磷效果，同时它还具有s b r 反应 器所具有的控制方便、构筑物少等优点 2 1 , 5 3 , 6 7 。 1 2 5 国内外已有研究成果及目前研究动向 目前各国学者对反硝化除磷的机理和影响因素都做了深入研究，而且相关工 艺条件的优化和控制研究也在积极进行中，其中b c f s 和d e p h a n o x 工艺在荷兰等 地已经成功的用于实践中【6 8 1 。 近年来对反硝化除磷反应中除磷菌的优势菌种问题也展开了深入的探讨，结