（环境科学专业论文）高盐条件下ao工艺短程硝化反硝化脱氮的试验研究.pdf

a b s t r a c t a 0r e a c t o rw a su s e df o r t h et r e a t m e n to fs i m u l a t e dh i g hs a l i n i t yw a s t e w a t e ri nt h i s p a p e r a ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt os t u d yt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e ( 18 - - - 3 0 。c ) o n s h o r t c u tn 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 ni nt h eh i 【曲s a l i n i t yc o n d i t i o n e s p e c i a l l y ，t h ew a yt o r e a l i z es h o r t c u tn 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 na n dm e c h a n i s m a n a l y s i s u n d e rl o w t e m p e r a t u r e ( 和l5 ) c o n d i t i o n 1 h ee f f e c to fd i f f e r e n ts a l i n i t y , p hv a l u e ，f l e ea m m o n i a , d i s s o l v e do x y g e n , s l u d g ea g eo nn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y t h i se x p e r i m e n tw a s c o n d u c t e dt os t u d yt h ep h e n o m e n o no fs i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o ni nt h e s y s t e mp o s s i b l ya p p e a r sa sw e l la s 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei n f l u e n c e so fo n l yt h ec h a n g et e m p e r a t u r e o na c c u m u l a t i o no fn i t r i t ew a sl i t t l eu n d e r3 0 s e a w a t e rs a l i n i t yc o n d i t i o n , i nt h en o r m a l t e m p e r a t u r e ( 1 8 2 2 。c ) s c o p e w h e nt h et e m p e r a t u r ee x c e e d e d2 5 c ，t h et e m p e r a t u r ew a s h i g h e rm o r ef a v o r st h en i t r i t et h ea c c u m u l a t i o n t h et e m p e r a t u r e2 5 ，2 8 ，3 0 ，t h e r a t eo fn i t r o s a t i o nr e s p e c t i v e l yw a s5 0 ，9 0 ，a b o v e9 5 ，n l es y s t e mo fs h o r t c u t n 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 nh a ds t a b l eo p e r a t i o n u n d e rt h el o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n , a l o n gw i t ht e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g ，t h e a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ed r o p p e dg r a d u a l l y w h e nt h et e m p e r a t u r ef r o m15 r e d u c e dt ol0 a b o u t , t h ea m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ef r o m7 0 t o5 5 a b o u t t h e n i t r i f y i n gb a c t e r i ac o m p a r e st h en i t r o s a t i o nf u n g u sa c t i v e n e s st oc o m eu n d e ram o r e s e r i o u ss u p p r e s s i o n ，t h r o u g ht h ee x t e n s i o ns l u d g ea g e ，t h ee x p e r i m e n ta p p e a r sc e r t a i n d e g r e et h en i t r o s a t i o np h e n o m e n o n s h o r t c u tn i t r o g e nr e m o v a lc o u l db ea c h i e v e da t2 64 - 1 b yc o n t r o l l i n gt h ep ha t 7 5 8 5 i nt h er e a c t o r ，t h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ew a sm o r et h a n9 0 w h e np hw a s 8 5 w h e nt h ef r e ea m m o n i ao fi n f l u e n tw a so 7 9 9 3 6 5 m g l ，t h en i t r i t ea c c u m u l a t i o n r a t ec o u l db e9 3 i m p r o v i n gp hv a l u ei ni n f l u e n tw a sf a v o r a b l et oa c h i e v es h o r t c u t n 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 nw i lc o n t r o l l i n gc o n c e n t r a t i o no ff r e ea m m o n i a 1 1 1 ei n h i b i t i o n o fs a l i n i t yt ot h ea c t i v i t yo fn i t r a t eb a c t e r i aw a sh i g h e rt h a nt h eg r o w t ho fn i t r o s o m o n a s w h e nt h ep r o p o r t i o no fs e a w a t e re x c e e d3 0 ，i nt h es y s t e mo fa c t i v i t ys l u d g eb i o f a c i e s w a sr i c ha n ds h o r 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 nh a ds t a b l eo p e r a t i o n s h o r t - c u tn i t r o g e nr e m o v a lc o u l db er e a l i z e du n d e rt h el o wo x y g e nl e v e lo ft h e d i s s o l v e do x y g e nd o ( 0 6 - - , 1 0 m g l ) a f t e re n h a n c i n gt h ed od e n s i t y ( 1 5 - 1 8 m g l ) 1 0 d a y s ，t h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t i ow a sd e c r e a s e df r o m7 5 3 6 t o2 5 7 5 e v e ni f k e e p i n gt h ed od e n s i t yi nl o wl e v e lo n c em o r e ，t h en i t r o s a t i o nr a t ei n c r e a s e ds l o w l y t h e e x p e r i m e n ti n d i c a t e di fs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nw a sd e s t r o i e d i tw o u l dt a k el o n gt i m et o r e c o v e r y t h es e r i o u ss l u d g eb u l k i n gd i dn o tn e c e s s a r i l yo c c u r r e du n d e rt h el o wd o c o n c e n t r a t i o n t h en i t r o s o m o n a sh a du s e dt h el i m i t e dd i s s o l v e do x y g e nf u l l yf o ral o n g t i m eo ft h el o wd od e n s i t y , a n dp r e v a i l e di n c o m p e t i t i o nw i t hf i l a m e n t o u sb a c t e r i a s i m u l t a n e o u s l yc e r t a i ns e a w a t e rp r o p o r t i o n ( 3 0 ) c o u l de n h a n c et h es l u d g es e t t l i n g p r o p e r t y , t h e r e f o r e , i td i dn o th a v et h es e r i o u ss l u d g eb u l k i n g w h e n s a l i n i t yc e r t a i n , a l o n gw i t l lt h ei n c r e a s i n go fs l u d g ea g e ，t h es t r u c t u r eo fs l u d g e f l o eb e c a m el o o s e ri nt h es y s t e ma n ds e d i m e n t a t i o no fs l u d g ed e c r e a s e d i ns y s t e r mt h e n i t r i t ea c c u m u l a t i o n o b v i o u s l yo c c u r r e d ，w h e ns l u d g ea g e w a s 15 d ，s e a w a t e r p r o p o r t i o n ，3 0 1 1 1 ea c c u m u l a t i o nr a t ea c h i e v e da b o u t9 0 ，w h e ns l u d g ea g ew a s18 d w h e nt h es e a w a t e rp r o p o r t i o nr e s p e c t i v e l yw a s3 0 ，5 0 ，t h es y s t e mb e s ts l u d g ea g e w a s1 8 d 2 0 d s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o na p p e a r e di nt h eb e g i n n i n go fc o n t r o l l i n g d i s s o l v e do x y g e n t h et o t a ln i t r o g e nl o s sw a ss e n s i t i v et ot h ec h a n g eo fd i s s o l v e do x y g e n i nt h es y s t e mt h ed i s s o l v e do x y g e nw a sl o w e r ( 0 1 1 m g l ) ，t h es l u d g ef l o cs l u d g eg r a i n s i z ew a sl a r g e ( 15 0 2 5 0 p m ) ，i tc o u l di n f e r e dt h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e r t i t r i f i e a t i o n w a sc a u s e db yt h er e s t r i c t i o no fd i s s o l v e do x y g e nd i f f u s i o n ，p r o d u c t i o nt h ed i s s o l v e d o x y g e ng r a d i e n ti nt h es l u d g ef l o e k e yw o r d s ：a o ；s e a w a t e rs a l i n i t y ； n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i n c a t j o n ： b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ；s h o r t c u t s i n l u i t a n e o u sn i n i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n 学位论文独创性声明学位论文知识产权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他入的成集，均忍做出明确标注或得到许可。论文内容来包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此弓l 发的一切责任和磊果。 论文作者签名： 灵祥劳日期：川镐伽，圜 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位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、借阅以及申请专剩等权利。本入离校 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 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密z ( 请在以上方框内打“0 ”) 论文作者签名： 哭黻 网期：刀哆年护钿；己目 导师签名： 园期：五，形年口月，z 日 | ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使朋) 青岛人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 高盐废水的概述 近年来，为缓解淡水资源日益紧缺的局面，许多沿海城市开始推行海水直接利 用，如用于工业冷却水、工业生产用水以及城市生活用水。随着工业的发展，高盐 度工业废水排放量在迅速增加。 高盐度废水属于极难处理的废水之一。目前对于高盐度废水采用的处理方法有 电解法、膜分离法、焚烧法或深井灌注法，但这些方法因处理费用高而难于在实际 中推广。生物处理技术因经济、高效而被广泛地应用于污水处理中，但盐度过高时， 会破坏微生物的细胞膜和菌体内的酶，对微生物的生长产生抑制作用，从而使废水 无法达到理想的处理效果。一些企业采用将进水稀释的方法，使盐度降低到微生物 能够承受的范围，这种方法简单，易于操作和管理；但会增加处理规模、基建投资 以及运行费用，同时造成大量水资源的浪费。 环境中盐浓度发生改变后，微生物会通过自身的渗透压调节机制来平衡细胞内 的渗透压，调节自身新陈代谢，以适应相应盐度环境。微生物在含盐环境中经过驯 化后，将具有一定的耐盐能力，并且可以进行正常新陈代谢。目前研究人员对高盐 度废水中有机污染物的降解己进行了大量的研究，研究结果表明污泥经过驯化后， 在一定盐度范围内可对污水中的有机物进行有效地去除。但是对高盐度废水中氮和 磷去除规律的研究还较少。 1 1 1 高盐度废水的来源 高盐度废水是指总含盐( 以n a c i 含量计) 质量分数至少为1 的废水。高盐度 废水主要有以下几个来源【i - 3 】： ( 1 ) 海水直接利用过程中排出的废水 为缓解淡水资源日益紧缺的局面，近年来许多沿海城市开始推行海水直接利用。 海水可直接利用于很多方面： 1 用作工业冷却水，广泛应用于电力、钢铁、化工、纺织、机械等行业；海水 用作工业冷却水己有几十年的历史，其中日本、美国、前苏联及西欧的一些国家， 是海水用量较大、应用历史较长的国家，西欧六国到2 0 0 0 年海水用量已达到 2 5 0 0 x l o s m 3 。 2 用作工业生产用水，主要用于建材、印染、化工、海产品加工等行业的某些 生产工艺中，海水可直接用作生产用水。 3 用作城市生活刖水，主要用于冲洗厕所、冲洗道路、消防及游泳娱乐等方面， 其中以海水冲劂膨川埘f 一：乔港童法规定必须采用海水冲厕，至1 9 9 5 年，冲厕海水 第一章绪论 量已达4 3 x 1 0 4 m 3 d ，约占全港淡水用量2 2 5 x 1 0 4 m 3 d 的1 7 。目前天津、青岛、厦 门、深圳等城市已开始进行利用海水冲厕的试点工作，其中青岛成为大生活用海水 技术示范城市，预计到2 0 1 0 年，青岛利用海水冲厕的建筑物总面积达到2 0 0 x 1 0 4 m 2 左右。 2 0 0 3 年，我国海水直接利用量仅为3 3 0 x 1 0 8 m 3 , 而美国工业用水的1 3 为海水， 日本沿海大多数企业海水用量占总用水量的4 0 - - - 5 0 。我国海岸线较长，沿海城市 发展较快，并且也是主要缺水地区。利用丰富的海水资源，将是解决沿海地区淡水 资源紧缺问题的重要途径之一。根据国家制定的海水利用规划，预计到2 0 1 0 年，我 国海水直接利用量增加将导致高盐度废水排放量的增加；海水含盐浓度一般在2 5 3 5 9 l 左右，由此产生的废水含盐浓度一般在1 5 - - 4 5 9 l 之间。 ( 2 ) 工业废水 一些工业行业在生产过程中排放出高含盐的有机废水，如石油、印染、造纸、 化工、农药等行业。这些行业属于重污染行业，废水排放量大，且废水中含有高浓 度无机盐和难降解或有毒有机污染物。 ( 3 ) 其它含盐废水 如大型船舰上生产的污水；沿海地区海水深入城市下水道会增加城市污水的盐 度；工厂生产过程中为减少排放量，会导致废水中有机物及无机盐浓度增加。 1 1 2 高盐度对常规生物处理法的影响 生物处理中微生物生长对环境的渗透压有一定的要求，环境中的渗透压应在微 生物细胞质膜所能承受的压力范围内；而渗透压的大小与溶液浓度成j 下比，溶液中 无机盐浓度越高，则渗透压越高。微生物在低渗透压溶液( 含0 0 1 n a c i ) 中，溶液中 水分子大量渗入微生物体内，使微生物细胞发生膨胀，严重者破裂；而在高渗透压 环境中，微生物体内水分子大量渗到体外环境中，结果导致细胞发生质壁分离使生 长受到抑制，严重者死亡。1 9 3 1 年，微生物学家w i n s l o w 和h a y w o o d 研究发现氯 化钠浓度为0 2 9 1 4 6 1 9 l 时能促进水中大肠杆菌的生长，但当水中含盐浓度增加 到5 8 9 l 时，大肠杆菌因受到氯化钠的毒害作用而全部死亡【4 】。 国内外许多学者研究了高盐度对常规生物处理的影响，研究结果表明：适应于淡 水环境的微生物在高盐环境下参与新陈代谢的酶活性受阻，微生物增长减慢、活性 降低，从而导致废水中有机物去除率降低。于德爽等人采用a o 工艺处理含海水污 水的中试研究时发现，当处理废水中只含有3 0 海水时，生物处理几乎不受影响； 但海水比例大于7 0 时，有机物及氨氮去除率均明显下降【5 】。张延青、谢经良、沈 晓南等对沿海城市海水利用后含海水污水对城市污水处理厂生物处理系统可能造成 的影响进行了试验研究。结果表明：当海水比例超过4 5 ( 氯离子浓度约为8 5 0 0 m g l ) 2 青岛大学硕士学位论文 时，生物处理系统受到明显影响，生物活性受到抑制，且较难恢复正常，c o d c r 、 n h 3 - n 的去除率明显降低，出水水质己不能满足城市污水厂二级出水水质要求【6 j 。 据s h i m s h o nb e l k i n 以含高浓度卤代有机物废水进行的试验表明：b o d 去除率随盐 度的增加而降低，并且出水悬浮物浓度增高 7 1 。许多研究人员发现快速增加盐度负 荷后，系统中原生动物和丝状微生物数量骤减，出水悬浮物浓度一般高于 1 0 0 m g l 8 挖】。k u g e l m a n 和m c c a r t y 研究表明，当废水中n a + 浓度达到4 6 0 0 m g l 时 即对厌氧微生物产生明显的抑制作用【l3 1 。厌氧消化过程在受到盐度冲击时，产气量 下降，出水中有机物浓度上升，固液分离性能变差；并且受到破坏的厌氧处理系统 的恢复时间比同等条件下好氧处理系统的恢复时间长。 总结国内外在高盐度废水生物处理方面的研究结果可知，高盐度会对系统中微 生物的正常代谢产生不利的影响。高盐度对常规活性污泥法的影响主要有以下几方 面：渗透压升高，引起淡水微生物细胞质壁分离；微生物代谢酶活性受阻，生物增 长减慢，产率系数降低，致使去除污染物的能力降低；高盐条件下水体密度增加， 影响污泥絮凝性。于德爽在对含海水污水的短程硝化反硝化的研究中表明，海水比 例能改变污泥的沉降性能，其沉降性能随海水比例的提高越来越好，高盐度下很少 发生污泥膨胀现象l l 引。 1 1 3 高盐度废水生物处理的可行性 适应于淡水环境的微生物在受到高盐度废水冲击时，其正常新陈代谢功能会受 到抑制。但在高盐环境中，微生物会通过自身的渗透压调节机制来平衡细胞内的渗 透压或保护细胞内的原生质，因此通过选择培养可以驯化出耐高盐度的菌种【l5 1 。研 究人员发现活性污泥在高盐环境中经过适当的驯化后，系统可获得较好的处理效果。 随着污泥驯化时间的延长，微生物处理有机物和氨氮的能力增强6 j 。 另外，在自然界高盐环境如盐湖、死海、盐场和海洋中，广泛生存着耐极高盐 度的嗜盐菌。嗜盐菌具有特殊的蛋白质和细胞壁结构，其上含有大量的带负电菏的 氨基酸和脂类物质，使细菌在细胞内能积累大量带正电荷的物质( 如n a + ，k + 等) 。一 些研究表明将嗜盐菌接种到污水处理构筑物中，能有效地去除高盐废水中的有机污 染物。如e s t r e l l aa s p e 等人用海洋底泥接种可有效处理渔场废水【1 7 】。耐盐微生物和 嗜盐微生物的广泛存在为高含盐废水的生物处理提供了保证。 1 2 水体中氮的来源和危害 1 2 1 水体中氮的来源 进入水体的氮主要有无机氮和有机氮两类。无机氮包括氨态氮( 简称氨氮) 和硝态 氮。氨氮包括游离态氮( n h 3 n ) 和氨态氮州h 4 + - n ) ，硝态氮包括硝酸盐态氮( n 0 3 n ) 3 第一章绪论 和亚硝酸盐态氮( n 0 2 。加，亚硝酸盐态氮不稳定很易被还原成氨氮或氧化为硝酸盐 态氮。有机性氮有氨基酸、蛋白质、核酸、尿素等含氮有机物。在好氧和厌氧的条 件下有机氮均可矿化为氨氮。水体中的氮的来源是多方面，主要有城市生活污水、 工厂工业废水和农业退水三方面带入。此外自然界的天然固氮也是一个方面，通过 雷电固定大气中的氮占天然固氮的1 5 。大气中的氮化物，通过降雨进入水体，水 体本身尚有许多固氮微生物如某些固氮菌和蓝绿菌，在光照充足的情况下能将大气 中的氮固定下来并进入水体【l 引。 1 城市生活污水中的氮 城市生活污水中含有的有机氮和氨氮，主要来自厨房洗涤、厕所冲洗、淋浴、 洗衣等带入水中，采用生物法处理城市生活污水，二级处理后如若没有硝化作用， 排放的污水中氮主要是氨氮。 2 工业废水中的氮 产生含氮废水的工厂主要分成两类，一类是含氮产品的生产厂，另一类是含氮 产品的使用厂和加工厂。这些工厂主要有合成氨厂及系列氮肥厂、复合肥厂、硝酸 生产厂、炼焦厂、己内酰胺厂、玻璃及玻璃制品厂，半导体印刷电路板生产厂、石 化厂、炼油厂、屠宰厂、肉制品加工厂、酒厂等。 3 农业污水中的氮 农业生产过程的氮污染主要来自化肥和农药的使用。目前我国化肥消费及需求 在数量位居世界第一。每年农业生产需要大量的化肥，氮肥施入土壤以后并不是全 部被植物所吸收，一般认为当季作物所吸收的量不超过5 0 ；剩下残留于土壤之中， 后季作物利用的量达到2 5 - 3 5 ；而损失到大气或水流是的部分可达总量的2 0 以 上。我国目前平均使用农药量为1 0 8 k g h m 2 仅有1 0 - - - 2 0 的农药吸附在农作物上， 而8 0 - - - 9 0 的农药会流失在土壤里，会随着雨水冲淋、农业排水进入河流。此外农 村的家禽的废弃物和排泄物也是农业废水中氮的一个来源。 1 2 2 水体中氮的危害 大量未经处理或处理不当的含氮废水被排入江河等天然水体，降低了水体质量， 给生态环境造成了严重的潜在危害。因此，水体中氮污染的问题正同益受到人们的 关注。氮污染的主要危害为【眇1 ： 1 消耗水体中的溶解氧。氨氮随着污水进入水体，可在硝化菌的作用下被氧化 为硝酸盐，氧化过程需要消耗水体中溶解氧。 2 增加水处理成本。当含有较高氨氮的水作为水源，或对氨氮量较高的污水厂 出流进行消毒时，使加氯量大大增加，并且腐蚀设备。 3 对人和生物产生毒害作用。游离氨会影响鱼鳃的氧传递，对多数f r t 类i f i j 言， 4 青岛人学硕士学位论文 水中游离氨超过i m g l ，会使鱼类死亡。氨可转化为硝酸盐，硝酸盐和亚硝酸盐有 可能转化为亚硝酸胺，亚硝酸胺是致癌、致畸物质，对人体有潜在的危害。 4 造成水体的富营养化现象。氮素随污水持续进入流动性较差的受纳水体，可 引起水体富营养化。在光照等适宜条件下是水体藻类等浮游生物过度繁殖，微生物 代谢旺盛，消耗水体中大量的溶解氧，对水生生物造成危害，破坏水生态平衡。 1 3 污水生物脱氮技术研究现状 目前含氨氮污水的处理技术可分为物理法、化学法、物理化学法和生物脱氮法。 其中物理法主要指蒸汽汽提、空气吹脱法，该法一般只用于对高浓度氨氮废水的预 处理。由于化学法与物理化学法操作复杂、运行成本高、容易造成二次污染，在实 际工程运用中受到一定的限制。生物脱氮技术由于成本低廉、处理过程可靠、不存 在二次污染等优点，成为当今水污染控制领域中的一个重要研究方向，已引起世界 各国的普遍关注。我国从8 0 年代初开始，也进行了大量的这方面研究。 1 3 1 传统生物脱氮原理 污水生物脱氮的原理是通过微生物的硝化和反硝化作用，将污水中含氮化合物 转化为氮气的过程。 硝化反应是由一群自养好氧微生物完成的，它分为两个阶段，分别由亚硝酸菌 和硝酸菌完成。第一步是由亚硝酸菌将n h 4 + - n 氧化为n 0 2 - n ，亚硝酸菌包括亚硝 酸盐单胞菌属和硝酸盐球菌属；第二步是由硝酸菌将n 0 2 。- n 进一步氧化为n 0 3 - n ， 硝酸菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋菌属和球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌， 这类细菌的生理活动不需要有机性营养物质，主要从c 0 2 获取碳源，从无机物的氧 化中获取能量。两类菌的特征如表1 i t 2 0 。 表1 1 亚硝酸菌和硝酸菌的特征 反硝化是由一群异养型兼r l ；砭，r ：徽卜物究成的，它的主要作用是在无氧或低氧 第一章绪论 条件下，将n 0 3 - - n 或n 0 2 。n 还原为氮的其它气态氧化物或n 2 。生物反硝化包括同 化还原和异化还原。在溶解氧浓度极低的环境中，反硝化菌( 如变形杆菌、假单胞菌、 小球菌、芽抱杆菌、无色杆菌、嗜气杆菌和产碱杆菌) 可利用n 0 3 - n 和n 0 2 - - n 中的 氧作为电子受体，同时有机物作为电子供体被氧化而提供能量，将n 0 3 - n 或n 0 2 n 还原为氮。 反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体，但是，当反应体系中缺乏有机物 时，无机物如h 2 、h 2 s 等也可作为反硝化反应的电子供体，微生物还可以通过消耗 自身细胞进行内源反硝化。 生物脱氮过程本身是一个矛盾统一体，一方面，硝化反应需要氧气，硝化菌是 一类严格好氧菌；另一方面，反硝化反应需要在缺氧环境中进行，反硝化菌是一类 兼性厌氧菌。同时，二者对有机物的存在也是矛盾的，一方面自养硝化菌在大量有 机物存在时，对氧气和营养物的竞争不如好氧异养菌，从而到导致反应器内异养菌 占优势；另一方面，反硝化反应又需要有机物充当电子供体完成脱氮过程。因此， 硝化菌和反硝化菌性质的差异导致了生物脱氮反应器的不同组合，如硝化与反硝化 由同一污泥完成的单一污泥工艺和由不同污泥完成的双污泥工艺。前者通过交替的 好氧区和厌氧区来实现，后者则通过使用分离的硝化和反硝化反应器来完成。如果 硝化在后，需要将硝化废水进行回流；如果硝化在前，反硝化时需要外加碳源作为 电子供体，这就给传统生物脱氮工艺在实际运行时带来许多问趔列】。 1 3 2 生物脱氮新技术研究 近年来，随着科技工作者对生物脱氮工艺的进一步研究，发现了一些超出传统 认识的新现象，如硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与完成硝化作用； 某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用；特别是发现了在缺氧条件下，氨 氮减少的现象。这些发现为探索研究生物脱氮新工艺提供了新思路。目前研究较多 的生物脱氮新工艺主要有短程硝化反硝化脱氮工艺( s h o r t c u t n 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 ) 、同步硝化反硝化脱氮工艺( s i m u l t a n e o u s n 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 ) 等。 1 3 2 1 短程硝化反硝化生物脱氮工艺的研究现状 长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直认为要实现 废水生物脱氮就必须使氨经历典型的硝化和反硝化过程才能被除去，这条途径也可 称之为全程( 或完全) 硝化反硝化生物脱氮。然而，在生化反应过程中，从氨的微生 物转化过程来看，氨氧化与亚硝酸盐氧化是由两类独立的细菌催化完成的，可以根 据】c n ：牛雕代谢方面的差异，通过控制各种条件使两个反应分别发生。人们把经历 n h 一( ) 二。一n ! 这样的途径进行脱氮的技术定义为短程硝化反硝化脱氮工艺【2 2 】。从 6 青岛人学硕七学位论文 反应历程来看，短程硝化反硝化比全程硝化反硝化减少两步，因而它节省了能源和 反硝化所需要的碳源，对于实际工程应用非常有意义。 早在1 9 7 5 年v o e t s 等在进行高浓度氨氮废水处理研究中，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f 2 3 】。随后国内外许多学 者对此进行了研究，同时发现n 0 2 不稳定，极易氧化成n 0 3 。因此，寻求各种方法 维持稳定的n 0 2 积累己成为众多学者研究开发的目标。国内外学者对短程硝化的研 究主要集中在三个方面：通过巧妙控制反应器温度和泥龄，淘汰硝酸菌实现h n 0 2 积累( s h a r o n ) ：控制p h 值及游离氨造成的h n 0 2 积累；降低反应器内的溶解 氧浓度实现h n 0 2 积累。 ( 1 ) 控制温度 生物硝化反应在4 4 5 1 2 内均可进行，适宜温度为2 0 - 3 5 1 2 ，一般低于1 5 硝 化速率将降低。低温不仅影响硝化产物的种类而且降低两类硝化菌的活性。 荷兰d e l t t 技术大学于1 9 9 7 年开发的s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rf o rh i g ha c t i v i t y a m m o n i ar e m o v e lo v e rn i t r i t e ) i 艺就是通过控制温度和污泥停留时间来实现短程 硝化反硝化生物脱氮工艺的【2 4 】。s h a r o n 工艺的基本原理是将在高温下生长速率较 慢的硝酸菌从反应器中冲洗出去，使亚硝酸菌在反应器中占优势，从而将氨氧化控 制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。用s h a r o n 工艺来处理城市污水二级处理系统 中污泥消化上清液和垃圾滤出液等高氨废水，可使硝化系统中的亚硝酸积累达 1 0 0 。该工艺的成功之处在于巧妙的利用了硝酸菌和亚硝酸菌生长速率的差异，即 在较高温度下( 3 0 , - - - , 3 5 c ) 下，亚硝酸菌的增长速率明显高于硝酸菌，在完全混合反 应器中，使污泥停留时间( s l 玎) 等于系统的水力停留时间( h r t ) ，控制h r t 使 其介于硝酸菌和亚硝酸菌最小停留时间之间，从反应器中“淘洗出硝酸菌，使亚 硝酸菌成为优势菌种，从而维持亚硝酸积累，实现了稳定的短程硝化反硝化。 由于在一定的较高温度下，硝化菌对氨有较高的转化率，所以该工艺无需特别 的污泥停留，缩短了h r t ，反应器的容积相应也就可以减小。另外，硝化和反硝化 在同一个反应器中完成，减少了投碱量，也简化了工艺流程。目前，s h a r o n 工艺 己经在荷兰r o t t e r d a m 和u t r e c h 两座城市污水处理厂成功运行【2 5 矧，脱氮效果良好。 但s h a r o n 工艺仅适用于自身水温较高的废水的脱氮处理，对于原废水温度很低或 秋冬温度低的季节，废水高昂的升温费用限制其应用。 此外国内对利用高温下硝酸菌和亚硝酸菌的生长速率不同结合排泥实现短程硝 化也展开了一些研究。于德爽等【1 4 】研究高盐废水时发现升高温度有利于提高短程硝 化脱氮效率，当温度从2 0 升高到3 0 ，亚硝化比增长速率增加1 倍。王淑莹等【2 7 , 2 8 】 通过控制反应器内水温在3 0 - - - 3 2 成功实现了短程硝化反硝化生物脱氮工艺，并在 试验中系统考察了温度变化对短程硝化反硝化的影响。结果表明，温度维持在3 0 7 第一章绪论 得到的短程硝化，当在常温下( 1 9 5 2 3 5 ) 运行5 0 + 周期时，硝化类型发生逆转， 由短程硝化完全转化为全程硝化。而后，逐渐升温，硝化类型又逐渐转变为短程硝 化。当温度达到2 8 2 9 时，硝化类型为稳定的亚硝酸型硝化硝化反应结束时亚硝 态氮积累率平均维持在8 2 2 - - 8 3 5 ，并且得出短程硝化的临界温度为2 8 - - 2 9 。 曾榭2 9 】在研究两段s b r 处理有机物和氨氮含量较高的有机废水时，通过控制温度在 3 0 c 左右并控制p h 值，实现了稳定的短程硝化。 目前在短程硝化反硝化生物脱氮工艺中，国内外学者对于最佳温度持有不同的 看法。h y u n g s e o k 等【3 0 】认为实现短程硝化的最佳温度为2 2 2 7 ，或者至少不能低 于1 5 。他们观点的理论根据是在该温度范围内亚硝酸菌的活性最强，而在1 5 以 下硝酸菌的活性变为最强。另外，b a m e l l e 等的研究结果与h y u n g s e o k 的一致，同样 认为实现短程硝化的最佳温度为2 5 c t 3 1 】。这一结果与上面谈到的s h a r o n i 艺和国 内学者提出的临界温度相距甚远。 ( 2 ) 控制p h 值一选择抑制理论 p h 值对短程硝化的影响主要表现为两方面：一方面是亚硝酸菌、硝酸菌本身生 长需要求有合适的p h 值环境；普遍认为：硝酸菌适宜的p h 为6 0 - - - 7 5 ，而亚硝酸 菌适宜的p h 为7 0 8 5 【3 2 】。另一方面p h 值对游离氨浓度有很大影响，因为废水中 的氨氮随p h 值不同分别以分子态和离子态形式存在，分子态游离氨对硝酸菌的抑 制要强于亚硝酸菌。因此，控制p h 值大小将有利于实现短程硝化反硝化生物脱氮 工艺。 j o a n n a 等【3 3 】通过抑制硝酸菌活性实现了短程硝化，并得出引起硝酸菌抑制的物 质是游离氨，硝酸菌对游离氨较亚硝酸菌更敏感。试验中通过控制反应器p h 值为8 ， 使混合液中游离氨浓度保持在l - - - 6 m g l ，同时游离亚硝酸h n 0 2 浓度不超过 0 0 4 m g l ，在此条件下，实现了短程硝化并且积累了3 0 0 m g l 以上的亚硝酸盐氮， 硝化速率大约为0 0 6 9 1 n ( g m l s s m 。因此，较高的进水氨氮浓度和p h 值是造成游 离氨存在的主要原因，其中p h 值是引起硝酸菌活性抑制的决定因素。同时，他们 还根据分析分别监测硝化菌属的好氧速率( o u r ) 来控制短程硝化。 f z d p o l a n c o 等【3 4 筇】应用上向流生物曝气滤池研究了亚硝酸盐积累现象，尤其是 在没有游离氨抑制条件下，开展了温度、p h 值和氨氮浓度对亚硝酸盐积累的影响。 试验结果表明游离氨抑制效果极大的依赖于反应体系内的p h 值、温度和氨氮浓度。 在相同的比游离氨浓度下，不同的温度、p h 值和氨氮浓度产生不同的亚硝酸盐积累 量。当不存在游离氨抑制、p h 值和温度较低时，高氨浓度对亚硝酸菌的活性有促进 作用，使得系统内产生亚硝酸盐积累。 应用p h 值和游离氨抑制实现短程硝化反硝化国内学者也进行了相关研究。- ：! ：；i 人 文掣3 6 1 采用序批式活性污泥法，通过控制反应器内初始p h 为7 8 8 7 开发了+ 神 8 青岛大学硕士学位论文 新型短程硝化生物脱氮工艺。试验结果表明，控制p h 实现短程硝化反硝化生物脱 氮工艺的机理是利用反应体系内的高p h 和高游离氨浓度对硝酸菌产生抑制，从而 在硝化过程中产生亚硝酸盐积累。马勇，彭永臻应用d o 、p h 和o r p 传感器在线控 制a o 工艺硝化过程的实验研究表明，好氧区首、末端p h 差值与进水氨氮浓度具 有较好的相关性1 3 ”。 f a 对亚硝酸菌和硝酸菌的活性都会产生抑制作用，但硝酸菌比亚硝酸菌更敏 感。游离氨对硝化菌活性的抑制可以用选择性抑制机理来解释，目前学术界关于f a 影响h n 0 2 积累的界限浓度说法很不统一。a n t h o n i s e n 的试验结果认为f a 对亚硝酸 菌的抑制浓度为5 - - - 4 0 m g l ，而对硝酸菌的抑制浓度为0 1 1 0 m g l t 3 8 】。高浓度游 离氨在反应初期对系统的硝化有抑制作用，尤其是对硝酸菌活性抑制作用明显，使 氨不能彻底氧化，产生亚硝酸积累。但这种积累是不稳定，硝酸菌对高f a 可产生 适应性，使得高浓度氨条件下选择性抑制所获得的亚硝酸积累丧失。 于德爽，彭永臻等【1 4 j 采用s b r i 艺通过控制游离氨( f a ) 浓度，实现了含海水 污水的短程硝化反硝化脱氮。试验结果表明，当控s u f a 浓度大于5 m g l 时，保持温 度在2 0 - 3 0 范围内，可以获得较高且稳定的亚硝化率( 9 0 以上) 。当f a 浓度小 于0 5 m g l 时，亚硝化率很快降低( 小于1 0 ) 进而转化为全程硝化。不同的海水盐 度情况下的n h 3 - n 的去除率与n h 3 n 负荷有关，随着海水比例的增加，n h 3 n 负荷应 逐渐降低，当n h 3 - n 负荷小于0 1 5 k g ( k g d ) 时，n h 3 n 的去除率仍可达到9 0 以上。 魏琛，罗固源【3 9 j 采用活性污泥法s b r - v 艺研究低c n 含氮污水实现亚硝化要求 适宜p h 值和游离氨浓度。结果表明：低c n 含氮污水可实现稳定的亚硝化，其亚硝 化率最高可达9 0 ；p h 值为6 5 8 5 适宜亚硝化细菌的生长；当游离氨刚升高时，亚 硝化菌对游离氨的抑制反应迅速，而硝化菌对游离氨的抑制反应滞后，经过一段时 间适应之后，亚硝化菌逐渐赢得了生长或和活性上的竞争优势，而硝化菌处于劣势， 导致亚硝化现象出现，即处于较高f a 环境有利于亚硝化菌的优势竞争；试验得出亚 硝化系统适宜的f a 浓度为7 1 0 m g l 。 陈韬，王淑莹等j 采用a o i 艺处理模拟生活污水，考察t p h 值、游离氨( f a ) 、 d o 、h r t 等因素的影响。试验结果表明，a o t 艺在常温( 1 8