（环境科学专业论文）补充碳源生物脱氮除磷研究.pdf

摘要 啤酒废水浓度为8 5 m g c o d l 和垃圾渗滤液浓度为1 0 0 m g c o d l 时，a 2 o 系统 可以达到较好的脱氮除磷效果，因此认为以上浓度为各种碳源的较佳补充浓度。 以乙酸钠、甲醇废液和啤酒废水为碳源进行生物滤池深度脱氮除磷试验，结 果表明，当补充乙酸钠浓度为3 9 m g c o d l 时，生物滤池出水中t n 和t p 浓度 分别低于1 5 m g l 和0 3 4 m g l ：当补充甲醇废液浓度为3 0 m g c o d l 时，生物滤 池出水中t n 和1 1 p 浓度分别低于1 2 m g l 和0 1 3 m g l ；当补充啤酒废水浓度为 7 0 m g c o d l 时，生物滤池出水中t n 和耶浓度均低于2 6 0 m g l 和0 1 3 m g l ， 可见补充以上碳源生物滤池均可以达到较好的脱氮除磷效果，因此将以上浓度作 为各种碳源的较佳补充浓度。以乙酸钠、甲醇废液和啤酒废水为碳源时，通过多 重比较，生物滤池滤速在3 8 m h 间发生变化时，陶粒生物滤池脱氮除磷效果相 差不显著；陶粒生物滤池的脱氮除磷效果稍好于砂滤池。 通过技术经济分析，乙酸钠作为碳源时系统的脱氮除磷效果明显，但成本过 高，在工程上不太适用：甲醇废液作为碳源时，所增加的运行费用为o 0 5 元t ， 可见以甲醇废液为碳源时成本低廉，且具有良好的可生化性，因此可以作为乙酸 钠的替代品；垃圾渗滤液也是一种低成本的碳源品种，具有较大的开发潜力，然 而，由于其本身含有重金属和有机毒物，可能对活性污泥造成毒害，所以应特别 注意控制其补充浓度；以啤酒废水为碳源时，系统脱氮除磷效果明显，高于其他 碳源，同时啤酒废水是一种无毒废水，可生化性良好，因而啤酒废水是一种低成 本、环境友好型碳源。 关键词：反硝化碳源，碳源浓度，反硝化动力学，秸秆，a 2 o ，生物滤池，碳源 经济分析 h a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a st h ew a t e re u t r o p h i c a i o nb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，m a n y c o u n t r y si m p r o v e dt h es t a n d a r d so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sd i s c h a r g e b u tc a r b o n c o n t e n ti ns e w a g ew a so b s e r v e dt ob el o wa n db e c o m et h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n g b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t h e r e f o r e ，t h i ss t u d y c o n c e n t r a t e do nd e n i t r i f i c a t i o nc h a r a c t e r i z a t i o no fv a r i o u sc a r b o ns o u r c e sa n d i m p r o v e dn e wt y p e so fc a r b o ns o u r c e s c o m p a r i s o na n dc h o o s e no fv a r i o u sc a r b o n s o u r c e sw e r es t u d i e db yl a bs c a l et e s t ，a n dp r o c e s so fo p t i m i z a t i o no fn e wt y p e so f c a r b o ns o u r c e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e ns e l e c t i v ec a r b o ns o u r c e sw e r ea p p l i e dt op i l o t c o n t i n u e s 醚| qr e a c t o r sa n db i o l o g i c a lf i l t e ro ns i t et oe x p l o r et h e i rn i t r o g e na n d p h o s p h o r e sr e m o v a l o nr e a lc o n d i t i o n i no r d e rt o p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m a ls e l e c t i o no fc a r b o ns o u r c e ， d e n i t r i f i c a t i o n p r o c e s sw i t hs e v e r a lc a r b o ns o u r c e ，i e s o d i u ma c e t a t e ，l e a c h a t e ， h y d r o l y z e ds l u d g e ，w a s t em e t h a n o l ，b r e w e r yw a s t e w a t e ra n ds t a r c hs o l u t i o n ，w e r e s t u d i e di ns b rb a t c hr e a c t o r s ，d e n i t r i f i c a t i o nr a t ea n dc a r b o ns o u r c ec o n s u m p t i o nr a t e w e r ec a l c u l a t e da n dk i n e t i c so fd e n i t r i f i c a t i o nw e r ea n a l y z e d i tw a so b s e r v e dt h a t d e g r a d a t i o no fn i t r a t ea n dc a r b o ns o u r c eu n d e r w e n ts t e p w i s ep r o c e s s d u r i n gt h e i n i t i a lp h a s e i ，c o n c e n t r a t i o no fn i t r a t ed e c r e a s e l ys h a r p l yw i t hh i g hr e m o v a l 6 1 6 9 9 1 7 9 ，a n d c o n c e n t r a t i o no fn i t r i t ea c c u m u l a t e dc o n t i n u s o u l y u pt o 5 2 2 - 1 9 4 0m g 几d u i n gt h ef o l l o w i n gp h a s ei i ，d e g r a d a t i o nr a t eo fn i t r a t ed e c l i n e d l a r g e l y , a n dc o n c e n t r a t i o no fn i t r i t eb e c a m ed e c r e a s i n gu n t i ln i t r a t ea n dn i t r i t ew e r e d e g r a d e dd r a s t i c a l l y b ya n a l y z i n gd e g r a d a t i o np r o c e s so fd e n i t r i f i c a t i o nt h r o u g h p i e c e w i s ez e r o - o r d e rk i n e t i cm o d e l ，r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e n i t r i f i c a t i o nr a t eo f p h a s e1w i t hs o d i u ma c e t a t ea sc a r b o ns o u r c ew a st h eh i g h e s t ，w h i c hw a s0 8 3 5g n g v s s d ，c a r b o ns o u r c ec o n s u m p t i o nr a t eo fi n i t i a lp h a s ew i t hf l e s hl e a c h a t ea sc a r b o n s o u r c ew a st h eh i g h e s t ，w h i c hw a s5 8 5 3g t o c g v s s d 。f o rd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s w i t h e a c hc a r b o ns o u r c e ，d e n i t r i f i c a t i o nr a t ea n dc a r b o nc o n s u m p t i o nr a t eo f p h a s e1w e r eh i g h e rt h a nt h a to fp h a s ei i ，a n dd u r i n gp h a s ei it h ed e m a n do fc a r b o n s o u r c ew a sl a r g e r a d d i t i o n a l l y , v a r i a t i o n so fn i t r a t ea n dn i t r i t ed u r i n gd e n i t r i f i c a t i o n p r o c e s sw i t he x t e r n a lc a r b o ns o u r c ec o u l db ew e l ld e s c r i b e db yd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s m o d e lb a s e do nm o n o d e q u a t i o n s t h eo b t a i n e dk i n e t i c sp a r a m e t e r sc o u l dd e t e r m i n e t h ee f f i c i e n c yo fc a r b o ns o u r c e ，n i t r a t ea n dn i t r i t ed e g r a d a t i o nr a t eo fw i t hs o d i u m a c e t a t ea sc a r b o ns o u r c ew a st h eh i g h e s t ，w h i c hw a s l 3 3 0g n g v s s da n d1 1 2 0g i i i a b s t r a c t n g v s s 。dr e s p e c t i v e l y d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s sw i t hs t r a w a sc a r b o ns o u r c ew e r e s t u d i e di np l u gf l o wb i o f i l mr e a c t o ra n dm i x e df l o ws u s p e n d e dr e a c t o rr e s p e c t i v e l y t h ed e n i t r i f i c a t i o ne f f e c to fp l u gf l o wb i o f i l mr e a c t o ra p p e a r e db e t t e r b a s e do nr e s e a r c hi nt h el a b ，c o n t i n u e sa 2 or e a c t o rw i t he x t e r n a lc a r b o ns o u r c e o fs o d i u ma c e t a t e ，w a s t em e t h a n o l ，b r e w e r yw a s t e w a t e ra n dl e a c h a t eo ns i t ew a s o p e r a t e dt oc h e c kt h ee f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l b yc o m p a r i s o n n i t r a t ed e g r a d a t i o na n dc a r b o ns o u r c ec o n s u m p t i o nr a t ew i t hd i f f e r e n t d o s i n g q u a n t i t i e so fv a r i o u sc a r b o ns o u r c e s ，n i t r a t ed e g r a d a t i o nr a t ew a st h eh j 曲e s tw h i l et h e d o s eo fb r e w e r yw a s t e w a t e ri s8 5c o d m g 化w h i c hi s0 0 1 8 1m g t n m g m l v s s d ， a n dt h el o w e s tn i t r a t ed e g r a d a t i o nr a t ep r e s e n t e di nc o n t r o l l e de x p e r i m e n t ，w h i c hw a s 0 0 1 3 5m g t n m g m l v s s d t h em a x i m u mr a t eo f c a r b o nc o n s u m p t i o nw a sh a p p e n e d i nc o n t r o l l e de x p e r i m e n t ，w h i c hw a s0 2 7 9 1m g c o d m g m l v s s d ，a n dt h el o w e s t w a so 1 4 4 5m g c o d m g m l v s s 。dw h e nd o s eo fs o d i u ma c e t a t ew a s3 1c o d m 以i t w a so b s e r v e dt h a tt h et nr e m o v a lo fs y s t e mw i t he x t e r n a lc a r b o ns o u r c ew a s i m p r o v e db y1 8 2 2 a v e r a g e l y , w h i l et pr e m o v a lr a t ew a sd e c r e a s e d3 9 8 t na n d t po fe f f l u e n td e c r e a s e db e l o w1 0m g la n d0 3 5m g lw h i c hm e e tt h es t a n d a r do f il e v e l - ao fd i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t ( g b1 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) w h e na d d i n gs o d i u ma c e t a t ec o n c e n t r a t i o no f3 1m g c o d l , w a s t em e t h a n o lc o n c e n t r a t i o no f3 0m g c o d l , b r e w e r yw a s t e w a t e rc o n c e n t r a t i o n w e r e8 5m g c o d l , a n dl e a c h a t ec o n c e n t r a t i o no f1 0 0m g c o d l , a 2 os y s t e mc a n a c h i e v et h eb e t t e re f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t h ec o n c e n t r a t i o no f c a r b o ns o u r c e sc a nb ca si d e a lc h e m i c a ld o s a g e b i o l o g i c a lf i l t e rw i t he x t e r n a lc a r b o ns o u r c eo fs o d i u ma c e t a t e ，w a s t em e t h a n o l a n db r e w e r yw a s t e w a t e ro ns i t ew a so p e r a t e dt oc h e c kt h ee f f e c to fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l w h e ns o d i u ma c e t a t ec o n c e n t r a t i o no f3 9m g c o d kt h e s e w a g et na n dt pc o n c e n t r a t i o nw e r el o w e rt h a n1 5m g la n d0 3 4m g 几w h e n w a s t em e t h a n o lc o n c e n t r a t i o no f 3 0m g c o d l , t h es e w a g et i na n dt pc o n c e n t r a t i o n s w e r el o w e rt h a n1 2m 彩la n d0 1 3m g 化w h e nb r e w e r yw a s t e w a t e rc o n c e n t r a t i o no f 7 0m g c o d l , t h es e w a g et na n dt pc o n c e n t r a t i o nw e r el o w e rt h a n2 6 0m g la n d 0 1 3m g l t h ef i l t e rc a na c h i e v et h eb e t t e re f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l i tc a nb ec o n s i d e r e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fc a r b o ns o u r c e sc a nb ea si d e a lc h e m i c a l d o s a g e w h e nt h ep e r m e a t er a t eo fc e r a m s i t ef i l t e rw a sb e t w e e n3 - 8 m h ，t h e e f f i c i e n c yo fb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a lw a ss i m i l a r , a n dt h ee f f i c i e n c yo fb i o l o g i c a l n u t r i e n tr e m o v a lw a sb e t t e ri nt h ec e r a m s i t ef i l t e rt h a nt h eg r a n u l a t e df i l t e r i v a b s t r a c t b yt e c h n i c a la n de c o n o m i ca n a l y s i s ，u s i n gs o d i u ma c e t a t ea sc a r b o ns o u r c e ， n i t r o g e nr e m o v a lw a se f f e c t i v e ，b u tc o s tw a s t o oh i 曲，t h ea c t u a le n g i n e e r i n gw a sn o t a p p l i c a b l e w a s t em e t h a n o la sc a r b o ns o u r c e ，o p e r a t i n gc o s t sw a sf o r0 0 5y u a n t ， u s i n gw a s t em e t h a n o ld e n i t r i f y i n gf a s t ，c a nb eu s e da sas u b s t i t u t ef o rt h es o d i u m a c e t a t e l e a c h a t ew a sal o w - c o s tc a r b o ns o u r c e ，w i t hg r e a tp o t e n t i a lf o rd e v e l o p m e n t ， h o w e v e r , b e c a u s et h e i rc o n t a i n i n gh e a v ym e t a l sa n do r g a n i cm a t t e rw i l lb ea c t i v a t e d s l u d g em a y c a u s ep o i s o n i n g , a n ds p e c i a la t t e n t i o ns h o u l db ep a i df o rc o n c e n t r a t i o n a d d i n gb r e w e r yw a s t e w a t e r 鹬c a r b o ns o u r c e ，t h ee f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lw a se f f e c t i v e ，a n db r e w e r yw a s t e w a t e rw a san o n t o x i ca n db i o d e g r a d a b i l i t y w a s t e w a t e re f f l u e n t t h u sb r e w e r yw a s t e w a t e rw a sc o n s i d e r e dt ob eal o w c o s t ， e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc a r b o ns o u r c e k e yw o r d s ：c a r b o ns o u r c e o fd e n i t r i f i c a t i o n ，c a r b o ns o u r c e c o n c e n t r a t i o n ， d e n i t r i f i c a t i o n k i n e t i c s ，s t r a w , a 2 o ，b i o l o g i c a lf i l t e r , e c o n o m i c a n a l y s i so fc a r b o ns o u r c e v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：袁参q 7 妒彩年7 月e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 菇旋 2 。口需年7 月f 日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 根据( 2 0 0 6 中国环境状况公报，公报【1 】显示，滇池草海和外海水质均为劣 v 类，属重度污染，且有继续下降的趋势。由于滇池地处昆明城市下游，随着滇 池流域内经济发展和城市化进程加快，昆明的生产生活垃圾、污水量不断增加， 大量的污染物顺着入滇河道进入滇池。自上世纪8 0 年代开始，其水质以无法阻 挡的趋势迅速恶化，蓝藻大面积出现，水功能逐渐丧失。从2 0 0 0 年至2 0 0 4 年的 4 年间，滇池流域的c o d 增加了3 8 4 ，平均年增长率为9 6 ；a n ( 总氮| ) 共增 加1 9 7 ，平均年增长率为4 9 ；r p ( 总磷) 增加了5 6 ，平均年增长率为1 4 。由数据可知，滇池入湖的氮、磷增长率十分惊人，导致滇池的主要污染问题 为草海的异常富营养化和外海的严重富营养化。富营养化对于水体带来的危害是 非常之大的，其主要危害如下l 明j ：( 1 ) 刺激地表水中植物和藻类的过度生长。 植物和藻类的生长受氮和磷的限制，当氮、磷随污水持续进入水体，可造成水生 植物和藻类过度生长，引起水质恶化使水变得腥臭难闻；藻类所含的蛋白质毒素 会富集在水生生物体内，并通过食物链影响人体的健康，甚至使人中毒；水生植 物和藻类大量繁殖，覆盖水面，影响江河湖泊的观赏价值；以富营养化水体作为 水源时，藻类可堵塞滤池而影响水厂生产，所含毒素则影响饮用水的质量。( 2 ) 消耗水体的溶解氧。由于表层有密集的藻类，阳光在穿射水层的过程中，被藻类 吸收而衰竭，因而使得阳光难以透射进入湖泊等水体的深层，造成溶解氧的来源 减少。( 3 ) 破坏水生生态的平衡。一旦水体受到污染而呈现富营养状态，水体的 正常生态平衡就会被扰乱，生物种群量就会显示剧烈的波动，某些生物种类明显 减少，而另一些生物种类则显著增加破坏了湖泊等水体的生态平衡。从技术上说， 控制湖泊富营养化的关键在于削减湖泊水体及底泥中的氮磷负荷，以消除藻类疯 长的基础，达到降低水体中藻类生物量、提高水体透明度的目的1 4 1 。然而绝大多 数水体富营养化主要是外界输入的氮磷等营养物质在水体中富集造成的，如能减 少或者截断外部输入的营养物质，就使水体失去了营养物质富集的可能性。因此 减少排入水体的污水中的氮磷浓度，控制外源性营养物质的输入，是防治水体富 营养化的重要手段。 滇池本身是一个半封闭的宽浅型湖泊，缺乏充足的洁净水对湖泊水体进行置 换，自净能力低，因而控制污水处理厂尾水的氮、磷排放量可有效提升水质，避 免水体的富营养化。目前昆明城市污水处理厂污水尾水排放虽满足级b 标准， 第1 章绪论 但处理深度不够，节水与再生水潜力未充分发挥，大量污水处理厂出水的水质没 有得到根本的扭转。其主要原因是污水处理厂进水中普遍存在碳源不足，可生化 性不好的问题，v f a 含量更低，只有每升几十个毫克，从而脱氮除磷效率都不 高。所以，外加碳源是必须的，现在的研究热点为优化传统碳源，提高原污水可 生化性和利用率，引进含高碳低磷低氮的工业废水或生活污水、工业有机化学产 品作为选择的对象，并分析可能投加的碳源；开发非传统碳源，各种廉价、高效 的过程副产物和废物，比如固废处理处置过程沥液、粪便处理厂的粪便、污水处 理厂污泥处理废液、植物秸秆堆肥沥液、沉淀污泥水解产物等都成为可选择的碳 源。同时加强补充碳源不同脱氮除磷工艺的比较研究，优选出技术上先进、可靠， 经济上合理、适应污水水质的反硝化外源性补充碳源，能有效提高污水处理厂出 水尾水的水质，避免水体的富营养化。下面就生物脱氮除磷机理与处理工艺以及 动力学的研究现状，补充碳源的选择与优化进行讨论，为试验研究提供理论基础。 1 2 生物脱氮除磷机理 1 2 1 生物脱氮机理 生物硝化是由两组自养型硝化细菌亚硝酸细菌和硝酸细菌，将氨态氮转 化为硝态氮的生化反应过程【5 1 。亚硝酸菌包括亚硝酸单胞菌属( n i t r o s o m o n a s ) ， 亚硝酸螺杆菌属( n i t r o s o s p i r a ) ，亚硝酸叶菌属( n i t r o s o l o b u s ) ，亚硝酸弧菌属 ( n i t r o s o v i b r i o ) 和亚硝酸球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) ：其中常见的是亚硝酸单胞菌 属，将n h 3 氧化成n 0 2 一；硝酸菌包括硝酸杆菌属( n i t r o b a c t e r ) ，硝酸刺菌属 ( n i t r o s p i n a ) ，硝酸球菌属( n i t r o c o c c u s ) 和硝酸螺菌属( n i t r o s p i r a ) ，将n 0 2 一 氧化为n 0 3 一。 生物硝化过程，首先是亚硝酸细菌将氨氮转化为亚硝酸氮，然后由硝酸细菌 将亚硝酸氮进一步氧化硝酸氮，反应式如下： 5 5 n h + 7 6 0 2 + 1 0 c g 墅蛆c 5 h 7 0 2 n + 5 4 n 0 互+ 5 7 h 0 2 + 1 0 4 - 2 c 0 3 ( 1 - 1 ) 4 0 ( i v o f 2 + 唧+ 4 h 2 c 0 3 + 日c q + 1 9 觋j 灶c 5 日7 0 2 n + 3 h 2 0 + 4 0 0 , v o w 3 ( 1 2 ) 将两式合并得： n i l 4 + 1 8 6 0 2 + 1 9 8 h c 0 ；虬 0 0 1 8 1 + 0 0 0 2 5 c 5 h 7 0 2 n + 1 0 4 h 2 0 + 0 9 8 n 0 ；+ 1 8 8 h 2 c 0 3 2 第1 章绪论 ( 1 - 3 ) 式中的c 5 h 7 0 2 n 为硝酸细菌和亚硝酸细菌的细胞。 如果不考虑硝化过程中硝化细菌的增殖，用以下式子表示硝化过程。 n h ：+ 2 d 2 j 业k 婀+ 2 h + + 日2 0 仃4 、 生物反硝化是指污水中的硝态氮n 0 3 n 和亚硝态氮n o n ，在无氧或低氧 条件下被微生物还原转化为气态氮的过程。参与这一生化反应的微生物是反硝化 细菌，反硝化细菌是大量存在于污水处理系统的异养型兼性细菌，如变形杆菌属 ( p r o t e u s ) 、假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、小球菌属( m i c r o c o c c u s ) 、芽孢杆菌属 ( b a c i l l u s ) 、五色杆菌属( a c h r o m o b a c t e r ) 、嗜气杆菌属( a e r o b a c t e r ) 、产碱杆菌属 ( a l c a l i g e n e s ) 等 6 1 。自然界中最普遍的反硝化细菌所属的菌属是假单胞菌属 ( p s e u d o m o n a s ) ，其次是产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) ，相对与这两个属而言，其他菌 属的出现频率较低。 在反硝化菌代谢活动中，硝酸盐氮有同化反硝化和异化反硝化两种转化途 径。同化反硝化是利用硝酸盐还原产物进行细胞合成，最终转化成有机氮化合物 成为菌体的一部分，异化反硝化是将硝酸盐最终分解成氮气。异化反硝化是废水 生物处理中去除硝酸盐的理论基础。在缺氧条件下，部分有机物质能够利用硝酸 盐或亚硝酸盐作为电子受体，进行生物氧化反应。当缺少溶解氧时，微生物呼吸 作用电子传递链上的硝酸盐还原酶被激活，促使氢和电子转移给最终电子受体一 硝酸盐【。硝酸盐还原过程包括以下步骤： n q 呻旭- n o - - n 2 d 一鸩 ( 1 5 ) 生物脱氮过程中，电子供体通常来源于：( 1 ) 废水中可生物降解的溶解性有 机物；( 2 ) 内源代谢过程中产生的可生物降解的溶解性有机物；( 3 ) 外源物质如 甲醇或醋酸盐等。以乙醇为例，其反硝化过程反应方程式如式( 1 6 ) 所示。 5 c 2 h s o h + 1 2 n o ；+ 1 2 h + - 1 0 c 0 2 + 2 1 t 2 0 + 6 2 ( 1 6 ) 在实际生物脱氮工艺中，系统中常因可生物降解有机物含量低而导致电子供 体相对不足。在大多数城市污水厂，进水水质决定了其反硝化反应的速率和效率， 工程运行中，提供充足碳源成为重要的运行控制因素。反硝化菌在利用不同的碳 源时，通过不同的呼吸途径，不仅产生的能量不同，而且细胞的产率也大不相同， 即有机物质并非全部发生氧化，还要部分转化成为细胞物质。若有机物质转化成 细胞的百分比越大，对其需求量就会越大。反硝化菌的细胞产率与所采用碳源的 性质问的关系非常密切。在反硝化过程中应采用低生长量( 即细胞产率低) 的有 机物质作为碳源。一般来说，单碳有机化合物( 如甲醇) 的生长量比较低，是因 为利用其合成细胞组分所需的能量大，这种阻力阻止了细胞的生长。 3 第1 章绪论 生物脱氮系统的反硝化能力主要是可利用碳源的函数，c o d n 或b o d n 。 是重要的设计参数，它表征了去除硝酸盐所需要的可利用的有机物量。璩w q l 号模型提出计算公式【s j ： c o d n o a n 焉 ( 1 - 7 ) 式中y h 为缺氧微生物生长因子，( c o d 生物体产量c o d 底物) ，假定值为0 6 7 。那么 去除l m g n 0 3 - n 从理论上所需可降解有机底物c o d 为8 6 7 m g ，而去除 l m g n 0 2 n 理论上需要有机物底物5 2 0 m g 。 但是，根据文献报道的结果，满足完全反硝化的c o d n 差别很大，范围为 4 1 5 【9 j 。这是因为进水中可生物降解c o d n = 8 6 7 时并不能进行彻底反硝化。进 水中可生物降解有机物部分转化为生物量，部分缓慢降解有机物不足以在缺氧条 件下被迅速代谢利用，而且系统构型不同利用可生物降解有机物的效率也不同。 单一的c o d 指标不能完全表征污水内部各种复杂的组分。实际上，获得满意的 去除效率所需的c o d n ，与c o d 是否单独作为反硝化碳源、进水中可生物降解 c o d 的比例、y h 值、污水处理厂工艺特征以及污泥特性等有关。m w q l 号和2 号模型1 8 j 将污水的总c o d 分成四种不同的组分：可溶性易生物降解有机物、可 溶性不易生物降解有机物、颗粒性易生物降解有机物、颗粒性不易生物降解有机 物。在反硝化脱氮过程中，能够直接被反硝化菌利用的只有可溶性易生物降解有 机物，如乙酸，甲酸，丙酸等低分子有机酸等，其他大分子的有机物和不易生物 降解的有机物必须先转化成低分子有机酸才能被微生物利用。例如，不同的碳源 作为电子供体，其最优的c n 比值各不相同l l 。以甲醇为碳源时，适宜c n 比 为2 8 2 ( 以甲醇计) ：乙酸为碳源时，最适c n 比为1 4 5 ( 以乙酸计) ；而以 葡萄糖为碳源，最佳c n 比在6 - 7 ( 以葡萄糖计) 之间。不同地区不同污水背景的 处理系统最佳c n 比值也相差很大。国外文献报道的最佳c o d n 值较低，范围 在3 4 4 【l l l ，这是因为国外城市污水的有机物含量c o d 在6 0 0 - - - 8 0 0 m g l 之间， 至少也有3 0 0 - - - 4 0 0 m g l ，污水的可生化性好。而国内的报道中最佳c o d n 值都 偏高，在5 1 0 之间【1 2 】，主要原因是反硝化可利用的碳源浓度不高或品质不好。 从传统生物脱氮过程中可以看到，传统生物脱氮技术普遍存在如下一些问 题：( 1 ) 自养硝化菌在大量有机物存在的条件下，对氧气和营养物的竞争不如 好氧异养菌，从而导致异养菌占优势；反硝化需要提供适当的电子供体，通常为 有机物；硝化反应与反硝化反应对d o 浓度需求差别很大。上述硝化菌和反硝化 菌的不同要求导致了硝化和反硝化两个过程在时间和空间上难以统一；( 2 ) 硝 化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，特别是在低温冬季。因此造成系 统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用；( 3 ) 为 4 第1 章绪论 维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和硝化液回 流，增加了动力消耗及运行费用；( 4 ) 硝化过程中产生的酸度需要投加碱中和， 不仅增加了处理费用，而且还可能造成二次污染i l 引。 随着近代生物学的发展和人们对生物技术的掌握，脱氮技术由单纯工艺改革 向着以生物学特性促进工艺改革的发展方向，以达到高效低耗。近年来，国内外 学者对污水生物脱氮工程实践中暴露出的问题和现象进行了大量理论和试验研 究，力求缩短氮素的转化过程，并提出了一些突破传统理论的新认识和新发现： ( 1 ) 硝化反应不仅可以由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用，一些 硝化细菌除了能进行正常的硝化作用外，还能进行反硝化作用；( 2 ) 反硝化不只 在缺氧条件下进行，某些细菌在好氧条件下也可以进行反硝化，而且，一些好氧 反硝化菌同时也是异养硝化菌( 如t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a ) ，并能把n h 4 + - n 氧 化成n 0 2 - - n 后直接进行反硝化反应；( 3 ) 在厌氧条件下，某些细菌在反应中能 利用n 0 2 - 或n 0 3 一作电子受体将n h 4 + 氧化成n 2 和气态产物。 在生物脱氮理论取得新突破的基础上，废水生物脱氮新技术也取得了快速的 发展。涌现了一批具有创新意义的生物脱氮工艺，其主要工艺类型有：厌氧氨氧 化( a n a e r o b i ca m m o m u mo x i d a t i o n ) 1 1 4 l 、短程( 或简捷) 硝化反硝化( s h o t c u t 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 n ) 和同步硝化反硝化( 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 d d e n i t r i f i c a t i o n ) 等。 ( 1 ) 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，微生物直接以n h 4 + 为电子供体，以n 0 3 一 或n 0 2 - 为电子受体，将n i - 1 4 + 、n 0 3 - 或n 0 2 一转变成n 2 的生物氧化过型1 5 1 6 l 。 厌氧氨氧化是一个全新的生物反应，与硝化作用相比，它以亚硝酸盐取代氧，改 变了末端电子受体；与反硝化作用相比，它以氨取代有机物，改变了电子供体。 这一脱氮过程不需要外加碳源，其微生物学性质已被证实，明显区别于传统的硝 化反硝化脱氮过程，大大缩短了传统的氮循环过程。 ( 2 ) 短程硝化反硝化 硝化过程的两步反应是由两类菌分别完成的，这两类菌在生理特征上也有明 显的差别，是可以分开的。对于反硝化过程，无论是n 0 2 一还是n 0 3 一都可以作电 子最终受体。因而整个生物脱氮过程可以通过n i - h + 一n 0 2 一_ n 2 这样的途径完 成。所谓短程生物脱氮是将硝化过程控制在n 0 2 - 阶段而终止，随后进行反硝化。 早在1 9 7 5 年，v o e t s 等【1 7 l 就发现硝化过程中n 0 2 - 积累的现象，并首次提出 了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。随后有学者经小试研究证实了经n 0 2 一途径 进行生物脱氮的可能性，并对推流前置反硝化活性污泥脱氮系统也进行了经n 0 2 一途径进行生物脱氮的研究并取得了成功。可以看出短程硝化反硝化的关键在于 第1 章绪论 将n h 4 + 氧化控制在n 0 2 - 阶段，阻止n 0 2 - 的进一步氧化，然后直接进行反硝化。 ( 3 ) 同步硝化反硝化 同步硝化反硝化( 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