（环境科学专业论文）膜生物反应器同步硝化与反硝化的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 两种系统( 活性污泥系统和膜生物器系统中) 是一致的。 ( 4 ) 污泥有机负荷是影响同步硝化反硝化效果的另一关键因素。不同溶 解氧浓度下，发生同步硝化反硝化现象的污泥有机负荷也是不一样的。通 过本实验发现，膜生物反应器系统中，当d o 为o 8 m g l 时，污泥有机负荷 在o 15 o 3 6 k g c o d k g m l s s d 之问时能发生比较好的同步硝化反硝化现 象。 关键词：膜生物反应器，同步硝化反硝化，溶解氧，碳氮比 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e s t u d yo n s i m u l t a n e o u sn i 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 ni n m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) a bs t r a c t t h es u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，ac o m b i n e dp r o c e s so f b i o l o g i c a lt r e a t m e n tw i t ha d v a n c e dm e m b r a n es e p a r a t i o n ，i san e wt e c h n o l o g y f o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n dr e u s e b ye x p e r i m e n ti na o r t h o g o n a ld e s i g n ， p r o c e s sc o n d i t i o n so f t r e a t i n g s e w a g e ，a sw e l la sr e l e v a n tp r o c e s sp l a n n i n gw e r e i n v e s t i g a t e d o p t i m i z a t i o n a lp r o c e s sc o n d i t i o n so fm b r t r e a t i n gs e w a g ew e r e m a d ec e r t a i ni nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ef o l l o w i n gr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d ： b yal o n g t e r mr u n n i n gt e s t ，s t e a d yo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c eo fm b r t r e a t i n g d o m e s t i cw a s t e w a t e rw a sd i s c u s s e di no p t i m i z e dc o n d i t i o n s d u r i n gt h e w h o l en m n i n g ，t h er e s u l t so fr e m o v i n go r g a n i c sw a ss t e a d y , c o dr e m a i n e d b e l o w30 m g l ，a n do t h e ri n d e xc o u l dr e a c hc r i t e r i ao fr e u s ew a t e r a l t h o u g ht h e s y s t e mh a dg r e a tr e s i s t a n c et oi m p a c tl o a d ，s op o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nn e e d c o n t r 0 1 c o n t r o l l i n gm a x i m u mp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nw a sa n a l y z e df r o mt h e t h e o r yf o rt h ef i r s tt i m e d e s i g nd i s c i p l i n e ，w a ya n dp r o c e d u r ew e r er a i s e di n s u b m e r g e dm b r ，a sw e l la sc o o p e r a t i o no fv a r i o u sp o w e r si no p t i m i z e d c o n d i t i o n s r u n n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n df i x e di n v e s t m e n tw e r ea l s o e v a l u a t e d ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si na c t i v a t e ds l u d g es y s t e ma n dm b r s h o w e dt h a td oi sa l i m i t i n g f a c t o rt os i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) ，c ni s ak e yf a c t o rt os i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) ，a n dp hi sa ni m p o r t a n tf a c t o rt os i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) a c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e e f f i c i e n c y o fs i m u l t a n e o u s n i 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 ni st h eb e s t i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 w h e nd oc o n c e n t r m i o ni so 8 m g l 一1 0m g la n dp hi sn e u t r a lt oa l k a l e s c e n t w i t hr e d u c t i o no fc o d t n ，t h et nr e m o v a le f f i c i e n c yb e c o m e sl o w e r b u tt h e t nr e m o v a le f f i c i e n c yi n c r e a s i n gw i t he n h a n c i n gf m ( 2 ) t h ei d u e n c em e c h a n i s mo nt h ee f f i c i e n c yo fn i t r o g e nb ys n di n a c t i v a t e ds l u d g es y s t e ma n dm b rw a sd i s c u s s e d t h ee f f e c t so fd i f f e r e n t f a c t o r so nt h ee f f i c i e n c yo fn i t r o g e nb ys n di na c t i v a t e ds l u d g es y s t e ma n d m b rc o u l db e e x p l a i n e db y t h e t h e o r y w h i c h i n c l u d i n gm i c r o s c o p i c e n v i r o n m e n tt h e o r ya n dm i c r o b i o l o g yt h e o r y ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c em e c h a n i s mw h i c h d oa n dc na f f e c to ns n di sc o n s i s t e n ti na c t i v a t e ds l u d g es y s t e ma n dm b r ( 4 ) f mi sa n o t h e rk e yf a c t o ri m p a c t i n go nt h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) f o r t h eb e s t e f f 五c i e n c y o fs i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o n ，f mi s n o ts a m ei nt h ed i f f e r e n td o c o n c e n t r a t i o n i nt h i se x p e r i m e n t ，f mi s0 15 o 3 6 k g c o d k g m l s s df o r b e s te f f i c i e n c yo fs i m u l t a n e o u sn i 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 ni nm b rw h e n d oc o n c e n t r a t i o ni so 8 m g l k e y w o r d s ：m e m b r a n e b i o r e a c t o r ( m b r ) ，s i m u l t a n e o u sn 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 ( s n d ) ，d i s s o l v e do x y g e n ，b o d ：t n i v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰2 墨日期：! 二兰：至2论文作者签名：兰2 皇日期：竺：三：12 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 日期：鲨：望：鱼： 名 名签币“y 签 导 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 水资源概述 第一章绪论 水资源短期已经成为个世界性问题、目前已知的地球总水量为1 3 8 6 1 0 8 k i n 3 ， 其中淡水的储量仅o 3 5 1 0 8 k i n 3 ，占总储量的2 5 3 。在现在的技术条件下，海水、深 层地下水、冰川固态水等还难以被人类直接利用；可以被人类利用的主要是河流、湖泊、 浅层地下水的淡水资源，他们经常得到降雨和降雪的补充和更新，可以持续使用。这部 分人类可以利用淡水资源仅为o 1 1 0 8 k m 3 ，只是地球上水的很小一部分，约占全球水 量的0 0 0 7 。且这些可利用的水资源在全球的分配极不均匀。据联合国人居中心提供 的资料，目前在全球范围内，面临缺水问题的人数已占全球总人数的2 0 ，即为1 2 亿 人左右。水资源问题将成为2 l 世纪全球资源环境的首要问题。水危机己是全人类面临 的重大环境问题。随着水资源危机的加剧和水环境质量不断恶化，水资源短缺己演变成 世界备受关注的资源环境问题之一。 袁1 - 1 全球各种水体的水储量 t a b l e l g l o b a lw a t e rs t o r a g ef o rd i f f e r e n tw a t e r s 分布面积水储量 占全球水比例占全球淡水比例 水的类型 ，( x1 0 k i n 2 )( x1 0 4 k i n ) 海洋水 3 6 13 0 13 3 8 0 09 6 5 3 地下水 1 3 4 8 02 3 4 01 6 9 其中淡水 1 0 5 3o ，7 63 0 q 6 土壤水8 2 0 1 6 50 0 0 1o 0 5 冰川与永久积雪 1 6 2 2 7 52 4 0 6 4 1 1 7 46 8 7 0 永久冻土底冰 2 1 0 0 3 0 0 00 0 2 2o ，8 5 湖泊水2 0 6 ，8 7 17 6 40 0 1 3 其中淡水 1 23 6 49 1 0q 0 0 7 o 2 6 沼泽水2 6 8 2 61 1 4 70 0 0 0 8 o 0 3 河川水1 4 8 8 0o 2 12 0 0 0 0 15o 0 0 6 生物水5 1 0 0 o 11 2o 0 0 0 1o 0 0 3 大气水 5 1 0 0 01 2 9 00 0 0 10 0 0 4 总计水储量 5 1 i ) 0 0 13 8 5 9 8 4 6 11d o 其中淡水 1 4 8 8 03 5 0 2 。9 2 1 2 。5 3l0 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 我国水资源概述 我国也是一个水资源极度缺乏的国家，虽然水资源总量约为2 8 x 1 0 1 2m 3 ，位于世 界第6 位，但由于我国人口众多，人均占有量仅为2 3 0 0 m 3 ，位于世界1 2 1 位，已被联 合国列为1 3 个水资源缺乏的国家之一。预计到2 0 3 0 年，我国总人口将达到1 6 亿顶峰。 届时，居民需水量将由1 9 9 5 年的3 1 0 亿m 3 增加到1 3 4 0 亿1 3 ，工业用水将由5 2 0 亿m 增加到6 6 5 0 亿m 3 。水资资源危机将是2 l 世纪影响我国经济可持续增长的第一制约因 素。 水资源一方面存在短缺，另一方面水体却遭受着日益严重的污染。国外水体污染曾 相当严重，许多河流、湖泊受到污染，例如日本的琵琶湖、美加边境的五大湖、欧洲的 莱茵河和多瑙河、英国的泰晤士河等。 我国的水污染和水资源浪费现象十分严峻。1 9 9 7 年我国废水总量为4 1 6 亿吨，其 中工业废水为2 2 7 亿吨，生活污水为1 8 9 亿吨。工业废水的处理率为7 8 9 ，达标率 为5 4 4 ，生活污水的处理率只有2 0 。全国约有l 3 的工业废水和4 5 的生活污水 未经处理就直接排入江、河、湖和海，使水环境遭到严重的污染。例如长江流域面积1 8 0 。 万k m 2 ，年径流量1 万亿吨，但每年向它排放的污水多达1 3 0 多亿吨，形成了8 0 0 k m 的污染带。长江的污染物有酚和氰化物1 8 0 0 万吨，重金属( 砷、汞、福、铬、铅) 1 6 3 0 吨， 石油类污染物近万吨。淮河，每年排入污水近2 1 吨，在枯水期，中上游部分几乎成为 死水，污染严重河区水的色度近1 0 0 ，氨氮超过饮用水标准数十倍。松花江流域、海河 流域污染也相当严重。我国的湖泊污染和营养化也相当严重，太湖、洞庭湖、白洋淀、 滇池尤为突出【l 】。另外，我国自来水浪费现象十分严重，给水管网漏水率达2 0 左右， 太原地区达2 5 。浪费的水资源变成污水，增大了污水量，增大了污水处理难度。 1 3 水资源中的氮的危害 氮是蛋白质不可缺少的组成部分，因此广泛存在于生活污水中。在原污水中，氮以 n i t 3 n 及有机氮的形式存在，这两种形式的氮合在一起称为凯氏氮，用t k n 表示。而 豫污水中的n 0 2 - n 和n 0 3 - - n 量很少。 氮素进入水体后，会造成水生系统紊乱，主要有以下危害：1 6 、7 一 ( 1 ) 加速水体的富营养化过程。富营养化状态对水体功能和水质有一定的影响和危 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 害。如使水昧变得腥臭难闻；降低水体透明度；向水体释放有毒物质等。( 2 ) 消耗水体中的 溶解氧，导致水体缺氧。( 3 ) 影响鱼鳃的氧的传递，使鱼类死亡。( 4 ) 对人有毒害作用。 氨转化为硝酸、亚硝酸可由饮水而诱发婴儿的高铁血红蛋白症；进一步转化为亚硝胺则具 有严重的致癌、致畸作用： 1 3 我国中水回用技术概述 亚硝胺 中水的概念最先来源于日本，主要指城市污水( 不含粪便和厨房排水) 经处理后达到 一定的水质标准，可以重复使用的非饮用水杂用水，。因其水质指标低于城市给水中饮 用水水质标准，但又高于污水允许排入地面水体排放标准，故其水质居于生活饮用水水 质和允许排放污水水质标准之间，取名为“中水”。大型公用建筑、机关和学校排放的 生活污水，进行就地处理，并就地回用于厕所冲洗、地面和路面冲洗、庭院绿化等用途， 这种分散、小规是污水回用的重要形式之一，也是城市生活节水的重要方式。中水工程 具有灵活、易于建设、勿需长距离输水、运行管理方便等优点，是一种较有前途的污水 直接再生利用方式，尤其是对于大型公共建筑、宾馆和新建高层住宅区。 我国于1 9 5 8 年就将城市污水处理于利用列入国家科研项目，2 0 实际8 0 年代初，在 青岛、大连、太原、北京、天津、西安等缺水大城市展开了污水处理的实验研究，其中 有些城市也建成了污水回用实验点工程，并取得了积极的成果。从1 9 8 4 年起，北京市 环境保护研究所和北京市政设计研究院先后在机关大院和住宅小区开展了建筑中水回 用的设施研究。截止目前为止，北京已有2 0 多座中水回用设施在运转。并且我国在总 结国内外成功经验的基础上，制定出建筑中水设计规范( c e c s 3 0 9 1 ) ，生活杂用水 水质标准( c j 2 5 1 8 9 ) 。北京市也结合地方特点制定了北京市中水水质标准。中水 系统的水源水二般选择清洁的生活杂排水，如盟洗水、厨房污水、洗衣水、沐浴水、冷 却水和城市污水处理厂出水。经上述工艺流程处理后，出水水质完全可满足有关生活杂 3 d i l 一 ， 叫 凹 一 一 r 足 专瑚r+ 太原理工大学硕士研究生学位论文 用水水质标准的要求。处理后的出水基本上用来冲洗厕所、喷洒道路、绿化、洗车和作 为冷却水的补充水。尽管对于中水回用建设单位来讲，在目前的水价政策下，中水回用 工程的直接经济效益尚不尽如人意，但从宏观角度来看，中水回用的经济效益和社会效 益却十分显著。 中水处理的关键是污水处理技术，污水处理技术种类繁多，通常污水回用技术需多 种污水处理技术的合理组合，即各种水处理方法结合起来深度处理污水。中水回用和污 水集中处理回用工艺中常用方法大致分为3 类。( 1 ) 生物处理法：利用微生物氧化分解 污水中有机物的处理方法，包括好养微生物和厌氧微生物。由于生活污水水质较好，有 机物浓度低，且厌氧处理过程中有臭气产生，所以很少采用厌氧微生物处理法。通常采 用好氧微生物法，常用的有活性污泥法和生物膜法，其中生物膜法以接触氧化法居多。 ( 2 ) 物理处理法；利用物理作用，分离污水中主要呈悬浮状态的污染物，常用的方法有沉 淀、筛选、气浮等。( 3 ) 物化处理法；向污水中投加化学物质，主要是混凝剂，利用化 学反应来分离污水中的污染物，常用的方法有混凝、沉淀、过滤。该方法不仅能去除污 水中悬浮状态的污染物，而且能去除溶解性的污染物。所以出水水质较好，可达到中水 回用的水质标准。除此之外还有、精密过滤、臭氧氧化、活性碳吸附等岭j 。 1 4 水处理中氮的去除方法 近半个世纪来，随着公众环境意识的提高和国内外对氮、磷排放的限制标准越来越 严格，研究开发经济、高效的脱氮、除磷的污水处理技术已成为水污染控制工程领域的 研究重点。目前去除污水中氮的主要方法有： i 、物化学法 1 ) 吹脱法：是在碱性条件下去除水中的氨氮。吹脱法最为经济且操作简便，容易控制， 除氮效果稳定。但当气温低时除氮效果不高，若以石灰调整污水的p h 易在吹脱塔内形 成水垢，大量游氮的逸出会造成二次污染。 2 ) 折点加氯法：利用游氯与污水中的氨作用，生成氮气来去除污水中的氮。这种方法 在除氮的同时可以起到杀菌的作用，并使一部分有机物无机化，但出水中残留有氯，必 须附设去除余氯的工艺设施，运行费用较高，操作复杂。 3 1 选择离子交换法：常规的离子交换树脂不具备对氨离子的选择性，故不能用以从污 水中去除氮。目前常用斜发沸石作为除氮的离子交换体。这种方法具有较高的交换容量， 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 操作简单，价格便宜，用过的再生液脱氮后可回收作为肥料。但是此法处理的废水水量 不能太大，要求有澄清或过滤等预处理设型6 7 】 n 、生物法脱氮： 是污水中的含氮物质在微生物作用下逐步转化为氮气的方法。1 4 j 基本原理是：在传统二级生物处理中，将有机氮转化为氨氮，通过硝化和反硝化茵的 作用，将氨氮通过硝化转化为硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气，从而达 到从废水中脱氮的目的。【7 】其优点是处理效果好，过程稳定、可靠，操作管理方便。普 遍认为生物脱氮法晟为经济有效。i s 根据污水处理系统的类别不同可将生物脱氮系统分 为活性污泥脱氮系统和生物膜脱氮系统【9 1 活性污泥脱氮系统：是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机废水的一类好氧生物处 理方法。它将系统分为两部分，即好氧段和厌氧段。好氧段，污水中的有机碳得到生物 氧化降解，有机氮转变为n h 4 + - n ，在硝化茵的作用下被硝化。厌氧段，在反硝化菌的 作用下，利用水中的b o d 5 为碳源，将n 0 2 n 还原成氮气，实现脱氮。应用较多的是 a 0 工艺、a a 0 工艺、s b r 工艺等【l o 】 ( 1 ) a 0 工艺( 缺氧好氧工艺) ：该工艺中缺氧区、好氧区分别在同一构筑物中被分隔 的两个部分或两个独立的构筑物中( 见图1 1 ) ，反硝化在厌氧条件下完成，含氮有机物的 氨化和氨氮的硝化在好氧条件下运行。该工艺流程简单、占地少、不需外加碳源，能充 分反硝化且易于控制污泥膨胀，但脱氮效率较低，易受冲击【l l 】 硝化液回流 图1 - 1a 0 工艺流程图 f i gi 一1f l o wc h a r to f a o 5 剩余污泥 出水 ； 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) a a 0 工艺：是由厌氧、缺氧、好氧工艺组成的脱氮工艺。在a 0 工艺中增加了 厌氧区，可以促进菌胶团细菌的繁殖并抑制丝状菌在缺氧池和好氧池中繁殖，从而有利 于生物脱氮效果的提高。但该工艺流程复杂，投资和运行费用较甜1 2 1 硝化液回流 出水 j 剩余污泥 图1 - 2a 2 0 工艺流程图 f i g1 2f l o wc h a r to f a 2 o ( 3 ) s b r 工艺( 连续流间歇曝气活性污泥工艺) ：是在传统活性污泥工艺系统改造实践 中发展起来的，它是在曝气池内按时间顺序进水、曝气、沉淀、出水等操作。由于这种 工艺的间歇曝气运行本身就是一个好氧与厌氧的交替过程，因此它能够很自然地满足生 物脱氮的环境条件，具有较好的脱氮效果。实验证明，在好氧曝气7 小时，氨氮下降9 3 ； 在反硝化阶段，以甲醇作为碳源用磁力搅拌器搅拌6 小时后反硝化率达9 5 以上。该工 艺实用性强、改造简便、运行成本低成为生物脱氮领域内一个新热点。【1 3 1 4 】 生物膜脱氮系统：是采用被固定在载体上的微生物来处理污水的一种生物方法。1 1 5 j 它利用固着的微生物与废水中的氨氮进行固、液相的物质交换。通过氧气在生物膜内扩 散和传质阻力形成好氧、缺氧微环境，实现脱氮。常用的有：生物滤池、生物转盘、生物 流化床等，这种方法能有效发挥菌种活性，提高处理效率。1 1 6 j 目前的脱氮技术中硝化和反硝化过程是在两个分隔的单元，条件控制复杂；且硝化菌 易受环境变化的影响，生长缓慢，在混合培养时，难以取得优势，使得生物脱氮这一多 步骤生物催化反应易受底物和产物的抑制等限制，速率难以提高。 因此，开发一种新型、高效地脱氮技术己成为一个热点，并取得一定的进展了【1 7 1 8 1 9 2 0 1 ，主要有： ( 1 ) 电化学生物反应器：是由s a k a k i b a r a 等研制而成的一种新方法。它是将酶或生 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 物膜固定于电化学反应器的阴性表面，通以电流。由水电解产生的氢作为脱氮的电子供 体，使n 0 3 n 还原为n 2 ，反应式如下： 2 h + + 2 e 。- h 22 h 2 0 + 2 e 一h 2 + 2 0 h 2 n 0 s + 5h 2 + 2 h + - n 2 + 6 h 2 0 这种方法可使反应器中保持高浓度的脱氮微生物，提高处理效率，不必投加有机物 作为电子供体，也不存在废水中残留有机物问题，是一种具有开发前景的生物脱氮技术。 ( 2 ) 固定化细胞脱氮技术：是利用海藻酸钠或聚乙烯醇一硼酸等其它载体包埋固定 硝化菌、反硝化菌，利用扩散阻力在颗粒内部产生的氧浓度梯度所形成的好氧区、缺氧 区和厌氧区，使硝化、反硝化两个过程在好氧条件下能同时进行2 。国内外学者研究发 现【2 2 2 32 4 1 ，利用固定化细胞可在较低p h 值、较低温度和较高溶解氧的条件下获得较好 的处理效果，能增加脱氮处理对寒冷气候、入水条件的适应性，可获得较高的微生物浓 度，提高处理效果。 ( 3 ) 同步硝化反硝化( s n d ) ：传统的脱氮理论认为硝化与反硝化反应不能同时发生， 只有顺序式的硝化、反硝化工艺( s q n d ) 才能达到脱氮的目的。然而，最近几年国外有 不少试验和报道证明有同步硝化、反硝化现象存在于各种不同的生物处理系统中【2 5 2 6 2 刀这些现象及理论的发现使得同步硝化、反硝化工艺成为现实。这一工艺具有优于顺序 式硝化反硝化的特点，可节省反应器体积，缩短反应时间，无需酸碱中和等。但这些工 艺多局限于实验室内的理论研究，水处理实用工艺研究较少【2 8 】 总体看来，在生物脱氮领域内寻求一种新型、高效、廉价的处理工艺是当今科研工 作者追求的目标。 1 5 脱氮基本理论 1 5 1 硝化过程基本理论 硝化反应是将n h 。n 转化为n 0 3 - n 的过程。它是由两组自养型好氧微生物通过 两个过程来完成的。第一步，先由亚硝酸菌( n it r o s o m o n a s ) 将n h 4 + 转化为亚硝酸盐n 0 2 第二步，由硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 将n 0 2 氧化成硝酸盐( n 0 3 - ) 。反应过程如下【2 9 】 1 亚硝化单细胞 一 阜 n h + 二d 2 寸n o + 2 h 。+ h 2 0 + f 5 8 一- - 8 4 ) 千卡 硝化杆菌 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 n o 一十! d 2 一n o 一+ ( 1 5 4 2 0 6 ) 千卡 223 。 埘+ + 昙d 2 一n o - + 2 h + + 日2 d + ( 5 8 8 4 ) 千卡 422 、 。 上述反应中释放的能量可供细菌菌体合成所用。硝化过程中n h 4 十一n 消耗在异化 氧化和同化合成的经典公式为【3 0 l n h + + 1 8 3 0 2 + 1 9 8 h c 0 3 寸0 9 8 n o 一+ 0 0 2 1 c 5 h 7 n 0 2 + 1 8 8 h 2 c 0 3 + 1 0 4 h 2 0 43 通过化学计算表明，在硝化作用中每去除1g 时一n 约耗去4 3 3 90 2 ，生成0 1 5 9 新细胞，减少7 1 4 9 碱度( 按c a c 0 3 计) ，耗去0 0 8 9 无机碳。进行硝化作用的两类细菌 都是革兰氏阴性无芽抱杆菌。它们属于好氧化能自养菌，利用无机化合物如c 0 3 二，h c 0 3 ， c 0 2 作为碳源，从n h 3 、n 】旷、n 0 2 - 的氧化中获得能量。不同之处在于亚硝酸菌能利用 氨作为能源，而硝酸茵只能利用亚硝酸作为能源。两类细菌部分种的形态特征见1 - 2 1 3 1 1 。 ； 表1 - 2 硝化菌各属特征比较( b e r g e y 氏细菌学鉴定手册，第八版) t a b l e1 - 2t h ec o m p a r i s o no f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f n i t r i f y i n gb a c t e r i a 硝化细菌属名产物 菌体大小( u r n )合适温度( o c ) 生境特征 ：爆浓度影响硝化速率外，硝化过程还受环境因素的影咿，主要有i ，一： ( 1 ) 溶解氧( d o ) ：环境中溶解氧浓度的大小会极大地影响硝化反应的速度及硝化菌的 生长速率。大多数学者认为d o 应控制在1 5 2 0 m e , l ，低于0 5 m g l 则硝化作用趋于 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 停止。( 2 ) 温度：大多数硝化菌合适生长温度在2 5 3 0 之间，低于1 5 c 或高于3 0 c 生长 减慢，1 0 。c 以下硝化菌生长及硝化作用明显减慢。( 3 ) p h ：中性或微碱性下，硝化过程 迅速。在酸性环境下，当p h 6 0 ，硝化速度减慢；p h 5 0 ，硝化速率接近零。一般认为， 亚硝化菌的最佳p h 范围为8 0 ，8 4 ，此时硝化速率达到最大值。( 4 ) 毒物：多种有机物对硝 化作用有抑制。表1 3 列举了部分对硝化有抑制的有机物及浓度【3 2 】 1 5 2 反硝化过程基本理论 反硝化过程是将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态氮：n 2 0 和n 0 2 的过程，可表示为： 2 n 0 3 + 5 h 2 a n 2 + 2 0 h + 4 h 2 0 + 5 a 在这个过程中，反硝化菌以有机基质作为碳源及电子供体，利用硝酸盐作为电子受体 进行缺氧呼吸例这一过程的完成主要有同化反硝化和异化反硝化两种途径： n o ； n o ；专n h z o h 专有机体同化反硝化 n o ；专n 。0 专n 。异化反硝化 其中n 0 3 还原为n 2 的过程分一系列连续的四步反应完成： n of 专n o ；专n o 2j n 20 寸2 l2 34 ( 1 ) 硝酸盐还原酶。( 2 ) 亚硝酸盐还原酶。( 3 ) 氧化氮还原酶。( 4 ) 氧化亚氮还原酶 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 3 毒物对硝化作用抑制程度的影响 1 ：a b l el - 3p o i s o ne f i e c to i ln j t r i f i c a t i o n 在所示浓度( m g l ) 下的抑制程度，3 l5 0 抑制浓度 化舍物 1 0 0 5 01 0 m g l 十二烷胺 9 69 5 l l 一蔡胺 8 18 14 5 1 0 0 时胺基苯酸乙酷 3 02 7o 1 0 0 以甲醇为反硝化碳源为例，则细胞合成的经典反应式为1 3 习： n 0 3 + 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4h 2 c 0 3 0 0 6 c s h 7 n 0 2 + 0 4 7 n 2 + 1 6 8 h 2 0 + h c 0 3 。 可以看出，每1gn 0 3 。- n 被反硝化，消耗2 4 7 9 甲醇( 约合3 7 9 c o d ) ，产生0 4 5 9 新细胞，3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 当污水中缺乏有机物时，无机物( 如，氢、n 0 3 - ，n a 2 s 等) 也可作为反应的电子供体，反硝化菌通过消耗自身的原生质进行内源反硝化【3 4 j c 2 h t n 0 2 + 4 6 n 0 3 - 1 5 c 0 2 + 2 8 n 2 + 4 6 0 h - + 1 2 h 2 0 反硝化菌一般为兼性化能异养菌。目前反硝化理论认为【3 5 1 在溶解氧存在的条件下， 反硝化菌利用分子氧作为电子受体，进行呼吸；当水中没有溶解氧，同时又存在n 0 3 _ i n 时，反硝化菌以n 0 3 _ n 作为最终电子受体，进行呼吸。当0 2 与n 0 3 乙- n 共同存在时， 反硝化菌首先以0 2 作为电子受体。n 0 2 - n 作为反硝化过程的中间产物，其降解与n 0 3 一 n 类似。表1 - 4 列出了部分反硝化菌属名1 3 6 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 4 部分反硝化菌属 t a b l e1 - 4d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a 1 5 3 脱氮过程中微生物的组成及相互关系 生物脱氮过程中的微生物主要是硝化菌( 包括亚硝酸菌和硝酸菌) 和反硝化菌。硝化 细菌几乎生活在所有污水处理过程中，他们都是革兰氏染色阴性，具有强烈的好氧性， 不能在酸性条件下生长。由于这两类细菌不需要有机物作为养料，且是通过氧化无机的 氮化合物得到所需的能量，故它们是化能自养型的细菌1 4 8 】污水生物处理系统中，微生物 在无氧条件下大多具有反硝化能力( 各菌属名见表1 2 、表1 4 ) 。在所有的反硝化菌中， 有些是专性好氧菌，有些是兼性厌氧菌。它们在好氧、厌氧或缺氧条件下，即使利用相 同的有机质，但通过不同的呼吸途径，产生的能量不同，同时细胞产量也不同。此外， 还有少数专性和兼性自养菌也能还原硝酸盐。 一般来说，微生物之间主要表现为互生、共生、拮抗、竞争等关系。生物脱氮系统 中，由于硝化菌和反硝化菌各自的生长条件不同，因此二者之间存在有一定的不利关系； 但在化学水平的协作方面，各种微生物之间又表现为有利的互生关系，即微生物间相互 提供生长因子、代谢刺激物或降解对方的代谢抑制物，平衡p h ，维持适当的氧化还原 电位或消除中间产物的累积。在氮素转化过程中，氨化细菌分解有机氮化合物产生氨， 为亚硝酸菌创造了必需的生活条件，对氨化细菌则无害也无利。亚硝酸菌氧化氨，生成 亚硝酸，又为硝酸菌创造了必要的生活条件。c h a i s u n g g e e 【4 9 】等得出：硝化杆菌的活性 依赖于硝化杆菌对亚硝化单胞菌的数量比例，而亚硝化单胞菌的活性则不受两者之间数 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 量比例的影响。可以断定这两个种群之间必然存在着酶促共栖或生物化学的能量转移。 反硝化菌则能将硝化产生的n 0 3 。、n 0 2 , 还原为n 2 气体，从污水中排出，为亚硝化菌 和硝化菌排除抑制因子；同时反硝化还提高了反应器内的碱度，部分补充了硝化过程所消 耗的碱度，有利于反应器内p h 稳定在硝化菌活性较大的范围内【5 0 】由于目前各类脱氮工 艺大部分是分段的，硝化、反硝化在不同的反应器内，因此微生物间的关系主要是不紧 密的互生关系。 1 6 同步硝化反硝化( s n d ) 基本理论 传统水处理理论认为：氨氮的去除是通过硝化和反硝化两个相互独立的过程实现的。 由于对环境条件的要求不同，这两个过程不能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反 应发生在好氧条件下，反硝化反应则发生在严格的缺氧或厌氧条件下。在这种理论指导 下，传统的生物脱氮工艺都是将缺氧区( 或厌氧区) 与好氧区分隔开，如a 0 系统【3 。7 】然而 近年来，国内外的不少研究和报道己能充分证明，反硝化可发生在有氧条件下，即好氧 反硝化的存在【3 8 3 9 4 0 “1 1 。而在许多实际运行中的好氧硝化池中也常常发现有3 0 的总 氮损失4 2 1 。目前国内外认同的同步硝化反硝化理论有【4 3 】 1 6 1 宏观环境理论( 混合形态) 由于充氧装置充氧不均和反应器的构造原因，造成生物器内形成缺氧厌氧区，此种 情况又称为宏观环境理论。例如在曝气生物膜反应器中，生物膜内部可能存在缺氧区， 使得硝化过程和反硝化过程能在膜外层和内层同时发生。事实上，在生产规模的生物反 应器中，整个反应器均处于完全均匀混合状态的情况并不存在，故s n d 也就有可能发 生。在采用点源曝气的活性污泥系统中，局部缺氧区域的比例更大，因此即使在曝气阶 段也会出现某种程度的反硝化或称为同时石肖化反硝化现象。 1 6 2 微环境理论( 菌胶团或生物膜) 由于微生物个体形态微小，一般属啪级，而宏观环境的变化往往导致微环境的变 化或不均匀分布，从而影响微生物群体或类型的活动状态，并在某种程度上出现所谓的 表里不一的现象。事实上，由于微生物种群结构、基质分布代谢活动和生物化学反应的 不均匀性，以及物质传递的变化等因素的相互作用，在活性污泥菌胶团和生物膜内部会 12 太原理工大学硕士研究生学位论文 存在多种多样的微环境类型，而每一种微环境往往只适合某一类微生物的活动，而不适 合其他微生物的活动微环境理论从物理学角度解释同步硝化反硝化现象，是目前已 被普遍接受的观点。微环境理论研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质( 如d o 、有 机物等) 传递的变化，各类微生物的代谢活动及其相互作用，从而导致微环境的物理、 化学和生物条件或状态的改变。该理论认为，由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生 d o 梯度，如图1 3 所示。 i 7 绸鏖敷 ， 一l 藿l 藿i 嫠l 籍 ：一瓢 图卜3 污泥絮凝体体内反应区划分 微生物絮体的外表面d o 较高，以好氧茵、硝化菌为主：深入絮体内部，氧传递受阻 及外部氧的大量消耗，产生缺氧微区，反硝化菌占优势：正是由于微生物絮体内缺氧微环 境的存在，导致了同步硝化反硝化的发生。 由于缺氧微环境的形成有赖于系统中d o 的浓度以及微生物的絮体结构特征，因此， 控制系统中的d o 浓度及微生物的絮体结构对能否进行同步硝化反硝化及其发生的程度 至关重要。 微环境理论中的活性污泥絮体双氧区模型 9 5 1 己经成为好氧状态下同步硝化反硝化 生物脱氮的理论基础，不过，该模型也存在着一个重大的缺陷，即有机碳源问题。有机 碳源既是异养反硝化的电子供体，又是硝化过程的抑制物质，而在双氧区模型中，污水 中的有机碳源在穿过好氧层时，首先被好氧氧化，处于厌氧区的反硝化菌由于得不到电 子供体，反硝化速率就降低，同步硝化反硝化的脱氮效率也就不会很高。 该理论的缺陷则需要用新的概念和理论( 如非平衡增长概念) 来迸一步完善。非平衡 增长( u n b a l a n c e dg r o w t h ) 是指微生物在环境条件瞬时变化时在增殖方面所表现的一种生 一r i ： ：，o ， 理适应。微生物在非平衡增长下的“超量”合成主要表现在：大分子储存( p o l y m e rs t o r a g e ) 、 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 原始基质积t 累( a c c u m u l a t i o n ) 、吸附( s o r p t i o n ) 等。根据非平衡增长的概念，如果控制适 当的条件，污水中的有机碳源可在很短的时间内大部分储存于细胞中，即可消除有机碳 源对硝化过程的抑制，又可用于反硝化的电子供体，因此同步脱氮的速率和效率均可大 幅度提高。 一般而论，即使在好氧型微环境占主导地位的活性污泥系统中，也常常同时存在少 量微氧、缺氧和厌氧的微环境，s n d 反应通常发生在好氧区和兼性厌氧区的分界区内。 生物絮体内部的微环境状态，除了受d o 等环境因素的影响外，还和有机负荷( f m 比) 、 搅拌程度有关。 1 6 3 好氧反硝化解释 最初认为，反硝化过程是一个严格的厌氧过程，因为反硝化菌是一种兼性菌，在有 氧的条件下优先进行有氧呼吸，分解有机物获得能量进行生长，进行的是异养生长，这 限制了使用硝酸盐和亚硝酸盐作为最终电子受体。但这只是针对专性厌氧反硝化菌而 言。实际上，自然界还存在好氧反硝化现象。 ( 1 ) 生物学理论 8 0 年代发现了好氧反硝化菌，使得好氧反硝化现象有了生物学依据。已知的好氧反 硝化菌有荧光假单胞菌( p s e u d o m o n a sf l u r e s c e n s ) 、粪产碱菌( a l c a l i g e n e s f a e e a l i s ) 、铜绿 假单胞菌( p s e u d o m o n a sa e r u g i n o s ) 、致金色假单胞菌( p s e u d o m o n a s a u r e o f a c i e n a ) 等。这 些好氧反硝化茵同时也是异氧硝化菌，所以好氧反硝化菌能在有氧的条件下直接将氨转 化成最终气态产物。与自养型硝化菌相比较，异养型硝化菌的生长速率快、细胞产量高， 要求的溶解氧浓度低，能忍受更酸性的生长环