（模式识别与智能系统专业论文）短程硝化厌氧氨氧化工艺处理高氮废水的研究.pdf

武汉理l ：人学硕十学位论文 摘要 短程硝化厌氧氨氧化脱氮技术是根据短程硝化反应及厌氧氨氧化反应开发 的新型脱氮技术，具有不需外加碳源、运行费用低、节省供氧量及能耗等优点， 国内外学者曾对其进行大量的实验、理论分析和应用研究，取得一些研究成果。 本研究在总结前人研究成果的基础上，利用模拟废水启动短程硝化和厌氧氨氧化 反应器，对短程硝化和厌氧氨氧化反应过程影响因素及其适宜的控制范围进行了 研究，其中相关因素有氨氮负荷、p h 、有机物、溶解氧( d o ) 和污泥龄等，同 时评估了短程硝化反应器与厌氧氨氧化反应器组合成新型脱氮系统的可行性、得 出该系统的脱氮效率，最后研究了该工艺处理污泥压滤液的脱氮情况。主要研究 结果如下： 1 ) 采用完全混合悬浮生长活性污泥法工艺，进水为自配模拟废水，控制温 度为3 0 o 5 ，p h 值为7 8 8 2 ，d o 浓度为1 0 1 5m g l ，h r t = i 2 5d ，每隔 1d 回流部分活性污泥，在进水n h 4 + n 浓度为2 1 0m g l ，c o d 浓度为3 0 0m g l 条件下，经过8 0d 运行成功实现了短程硝化，亚硝化积累率达9 5 以上。 2 ) d o 宜控制在1 0 - 1 5m g l 之内，过高或过低都不利于实现稳定的短程 硝化反应。本试验的进水水质条件下，污泥龄( s r t ) 宜控制在2 - 3d ；同时p h 值维持在8 - 9 时，有利于实现稳定的短程硝化。试验过程中，提高n h 4 + n 浓度 至4 2 0m g l 时，反应器仍然保持较高的亚硝化积累率，出水n 0 3 - - n 很低或几乎 检测不到，说明较高n h 4 + - n 负荷对亚硝化菌的影响不大，但是会严重影响硝化 菌的活性和数量。 3 ) 为实现匹配后续厌氧氨氧化的短程硝化反应，将反应器内d o 控制在 0 5 1 0m g l 以内，适当减少回流污泥量，同时增大进水流速，将h r t 提高至1 d ，加快反应器内污泥更新程度。经过2 0 多天运行，成功实现了稳定的匹配厌氧 氨氧化反应的短程硝化反应，出水n h 4 + n 和n 0 2 - - n 浓度平均值分别为7 1 2 9 m g l 和8 9 0 1m g l ，n 0 2 - n 浓度与n h 4 + - n 浓度的比值一直维持在1 2 5 左右。 4 ) 将硝化污泥接种到上流式厌氧生物膜反应器，采用含氮模拟废水，在进 水p h 值为8 o 、温度为3 0 0 5 的条件下运行1 2 0d ，成功启动了实验室规模 的a n a m m o x 反应器，总氮容积负荷为0 1 0 9k g ( m 3 d ) ，n h 4 + - n 和n 0 2 - - n 去除率分别为8 6 6 8 和9 6 0 4 ，n h 4 + n 去除量、n 0 2 - - n 去除量及n 0 3 - - n 的生成量比值为1 ：1 1 6 ：0 3 0 。 5 ) a n a m m o x 反应器启动成功后具有较强的处理高氮废水的能力。进水 n h 4 + - n 和n 0 2 - n 浓度升高至2 5 0m g l ，即总氮浓度为5 0 0m g l 时，n h 4 + - n 、 n 0 2 - - n 的去除率以及总氮去除率平均值可达7 4 8 4 、8 6 3 3 和6 9 7 4 。当 武汉理。i ：人学硕 ：学化论文 进水n h 4 + n 和n 0 2 - n 浓度升高至3 0 0m g l ，即总氮浓度为6 0 0m g l 时， n h 4 + - n 、n 0 2 - - n 去除率的平均值分别下降至6 6 9 0 、7 7 2 2 ，总氮去除率平 均值下降至6 2 1 ，初步判断是由于氨氮负荷过大引起反应器内n 0 2 - - n 积累而 导致厌氧氨氧化反应受到抑制。 6 ) a n a m m o x 反应器的h r t 不宜过低，要保证反应器出水n h 4 + - n 满足 污水排放一级标准，h r t 不宜低于1 0h 。h r t 保持在2 0 2 5h 以内时，能使反应 器出水取得较好效果，总氮去除率能保证在8 0 以上，各基质去除率达到9 0 以上。 7 ) 当采用模拟废水对短程硝化厌氧氨氧化工艺进行研究时。在进水c o d 为3 0 0m g l ，n h 4 + - n 浓度为2 1 0m g l 的情况下，c o d 总去除率的平均值为8 4 2 5 ，n h 4 + - n 、总氮的平均去除率分别为9 3 2 3 、8 7 0 6 ，整个过程运行稳定。 当采用污泥压滤液作为整个工艺的进水时，也取得较好的去除效果。经过约2 9d 的运行，整个工艺脱氮效果达到稳定，总氮去除率平均值为8 7 1 6 ，出水中 n h 4 + - n 、n 0 2 。n 、n 0 3 n 平均浓度分别为1 3 8 6m g l 、8 9 5m g l 、2 5 5m g l ， 氨氮含量完全可以达到国家排放标准，表明该脱氮工艺在技术上是可行的。 关键词：短程硝化；厌氧氨氧化；影响因素；污泥压滤液；高氮废水 n 武汉理l ：人学硕f ：学位论文 a b s t r a c t t h e p a r t i a ln i t r i f i c a t i o n - a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n ( a n a m m o x ) i sas o r to f n e w n i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sb a s e do nt h eb i o l o g i c a lr e a c t i o no fp a r t i a ln i t r i f i c a t i o n a n da n a m m o x ，a n dh a sa d v a n t a g e so fn oo r g a n i cc a r b o na d d i t i o n ，l o wo p e r a t i n g c o s t ，l o wo x y g e nc o n s u m p t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o n p l e n t yo fe x p e r i m e n t s ， t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nt h i so b j e c th a v eb e e np e r f o r m e d ，a n d h a v eb o u g h ta b o u tal o to fr e s u l t sb ym a n yi n v e s t i g a t o r s o nt h eb a s s i so f s u m m a r i z i n gt h er e s u l t s ，p a r t i a ln i t r i f i c a t i o nr e a c t o ra n da n a m m o xr e a c t o rw e r e s t a r t e du pb ys y n t h e t i cw a s t e w a t e r ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r ss u c ha s a m m o n i al o a d i n gr a t e ，t e m p e r m e n t 、p h 、o r g a n i cs u b s t r a t e ，d oa n ds r tw e r es t u d i e d t h e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mf o rp a r t i a ln i t r i f i c a t i o n - a n a m m o xw a ss t u d i e d w i t hs y n t h e t i cw a s t r w a t e ra n ds l u d g e d e w a t e r i n ge f f l u e n t ，r e s p e c t i v e l y t h em a i n r e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 ) w h e nt e m p e r a t u r ea t3 0 _ + 0 5 、i n f l u e n tp ha t7 8 8 2 、d oc o n c e n t r a t i o na t 1 0 - 1 5m g la n dh r ta t1 2 5d ，p a r t i a ln i t r i f i c a t i o nr e a c t o rw a ss u c c e s s f u l l ys t a r t e d u pi n8 0dw i t hi n f l u e n tn h 4 + - nc o n c e n t r a t i o na t2 1 0m g la n dc o d c o n c e n t r a t i o na t 3 0 0m g l t h er e s u l t ss h o w e d ，n 0 2 - - na c c u m u l a t i o nr a t ew a sa b o v e9 5 2 ) l o wd oc o n d i t i o ni sb e n e f i c i a lt on i t r o s o b a c t e r i at og a i na d v a n t a g e si n c o m p e t i t i o n i fd o i st o ol o wo rt w o h i g h ，i tc o u l d n o tf a v o r a b l et op a r t i a ln i t r i f i c a t i o n t h en h 4 + - nr e m o v a lr a t ea n dn 0 2 na c c u m u l a t i o nr a t ew a sk e p ti nah i g hl e v e l w h e nd oc o n t r o l l e da tt h er a n g eo f1 0 - 1 5m g l o nt h i st e s t ，s r ta t2 - 3da n dp h v a l u ea th i g hl e v e l ( p h = 8 - 9 ) w a sb e n e f i c i a lf o rt h ef o r m a t i o no fp a r t i a ln i t r i f i c a t i o n t h ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o nr e a c t o rc a np e r f o r mw e l lw h e nc o n c e n t r a t i o no fn h 4 + - n i n c r e a s et o4 2 0m 叽t h et e s t si n d i c a t e dt h a ta m m o n i al o a d i n gr a t eh a sl i t t l ee f f e c to n n i t r o s o b a c t e r i a ，b u ti th a sg r e a te f f e c to nt h ea c t i v i t yo fn i t r o b a c t e r i a 3 ) w h e nt h ed oc o n c e n t r a t i o nc o n t r o l l e da t0 5 - 1 0m g l 、s e w a g es l u d g er e t u r n f l o wr a t ep r o p e r l yr e d u c e da n dh r tc o n t r o l l e da tl d ，t h ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o nm a t c h i n g w i t ha n a m m o xw a ss u c c e s s f u l l ya c h i e v e di na b o u t2 0d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tn h 4 + - n 、n 0 2 - - nw e r e7 1 2 9m g la n d8 9 0 1 m g l ，r e s p e c t i v e l y a n d t h er a t i oo fe f f l u e n t n i - 1 4 + - n a n dn 0 2 - - nw e r es t i l l m a i n t a i n e di na b o u t1 2 5 4 ) w h e ni n f l u e n tp hk e p ta t8 0a n dt h et e m p e r a t u r ek e p ta t3 0 _ + 0 5 ，t h e a n a m m o xb i o r e a c t o rw a ss u c c e s s f u l l ys t a r t e du pi n1 2 0 dw i t ht h en i t r i f i c a t i o n 1 1 1 武汉理 ：人学硕 学位论文 b i o f i l ma si n o c u l u m t h er e s u l t ss h o w e d ，t h ev o l u m e t r i ct o t a ln i t r o g e nl o a d i n gr a t e w a s0 1 0 9k g ( m 3 d ) ，t h er e m o v a lr a t eo fn h 4 + - n 、n 0 2 - - na n dt o t a ln i t r o g e nw e r e 8 6 6 8 、9 6 0 4 a n d8 1 0 5 ，i n d i v i d u a l l y t 1 l er a t i oo fn h 4 + - nr e m o v a l ，n 0 2 - - n r e m o v a la n dn 0 3 - np r o d u c t i o nw a s1 ：1 16 ：0 3 0 5 ) t h ea n a m m o xr e a c t o rh a v eh i g ha b i l i t yi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n to fh i g h c o n c e n t r a t i o nn i t r o g e n t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fn h 4 + - n 、n 0 2 - - na n dt o t a l n i t r o g e nw e r e7 4 8 4 、8 6 3 3 a n d6 9 7 4 w h e ni n f l u e n tn i - h + nc o n c e n t r a t i o n a n dn 0 2 - nc o n c e n t r a t i o na t2 5 0m g 乙a n dt o t a ln i t r o g e nc o n c e n t r a t i o na t5 0 0m l w h e ni n f l u e n tn h 4 + - nc o n c e n t r a t i o na n dn 0 2 。- nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dt o3 0 0 m g 乙a n dt o t a ln i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dt o6 0 0m g ：l ，t h ea v e r a g er e m o v a l r a t eo ft o t a ln i t r o g e nw a sr e d u c e dt o6 2 1 0 n er e a s o ni st h a tt h ea n a m m o x r e a c t i o nw a si n h i b i t e db yt h eh i g hn 0 2 - - nc o n c e n t r a t i o ni nt h ea n a m m o xr e a c t o r i n d u c e db yh i g hn i t r o g e nl o a d 6 ) i no r d e rt ok e e pt h ee f f l u e n ta m m o n i am e e tt h en a t i o n a ld i s c h a r g es t a n d a r di ， t h eh r ts h o u l dn o tb ek e p tl o w e rt h a n1 0h n er e m o v a lr a t eo ft o t a ln i t r o g e nw a s a b o v e8 0 ，a n dt h er e m o v a lr a t eo fo t h e rs u b s t r a t e sw e r ea b o v e9 0 w h i l eh r ta t t h er a n g eo f 2 0 - 2 5h 7 ) t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mf o rp a r t i a ln i t r i f i c a t i o n a n a m m o xw a s s t u d i e dw i t hs y n t h e t i cw a s t r w a t e r w h e ni n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o na t3 0 0m e a n d n h 4 + - nc o n c e n t r a t i o na t2 1 0m g lc o da v e r a g er e m o v a lr a t eo ft h ew h o l en i t r o g e n r e m o v a ls y s t e mw a s8 4 2 5 ，a v e r a g er e m o v a lr a t eo fn h 4 + 一na n dt o t a ln i t r o g e nw e r e 9 3 2 3 a n d8 7 0 6 ，r e s p e c t i v e l y t h e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mf o rp a r t i a l n i t r i f i c a t i o n - a n a m m o xw a ss t u d i e dw i t hs l u d g ed e w a t e r i n ge f f l u e n t t h ew h o l e n i t r o g e nr e m o v a ls y s t e mr e a c hs t a b l ei n2 9d t h ea v e r a g et o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr a t e w a s8 7 1 6 1 1 h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tn h 4 + - n 、n 0 2 - - n 、n 0 3 - - nw e r e 1 3 8 6m g l 、8 9 5m e l 、2 5 5m g 几r e s p e c t i v e l y t h ee f f l u e n ta m m o n i ac a nm e e tt h e d i s c h a r g es t a n d a r do fn a t i o n ，a n di ts h o w e dt h a tt h i sn i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g yi s f e a s i b l ei nt e c h n o l o g y k e y w o r d ：p a r t i a ln i t r i f i c a t i o n ；a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ( a n a m m o x ) ； i n f l u e n c ef a c t o r s ；s l u d g ed e w a t e r i n ge f f l u e n t ；a m m o n i u m r i c hw a s t e w a t e r l v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表的和撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学关于保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩影或其 他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒壑蔓导师签名：之臣幽期：继：立 武汉理一i ：人学硕十学何论文 第1 章绪论 氮是维持生态系统营养物质循环的一种重要元素，然而由于人类活动对自然 生态系统中氮素循环的扰和破坏，使之成为引起水质恶化、生物多样性降低和生 态系统失衡的主要因素之一，已经严重影响了人类正常的生产生活。 对于氮素的污染控制己经受到了人们广泛的重视。在废水脱氮技术的研发应 用中，各种行之有效的脱氮处理工艺得到了发展，构成了废水脱氮处理的技术体 系。物化法除氮以其较为宽泛的适用性在工业废水脱氮中得到广泛发展，而生物 法脱氮以低廉的成本、运行的简便等优点受到人们的青睐。近十几年来，国内外 学者加强了对新型生物脱氮的理论和技术的研究，涌现了一大批废水生物脱氮的 新思路、新理论和新工艺。 1 1 水体中氮素的形态及来源 1 1 1 水体中氮素的形态 废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等四种形态存在。 有机氮包括蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等，无机氮包括氨态氮( 简称氨氮) 和 硝态氮。氨氮包括游离氨态氮( n h 3 n ) 和铵态盐( n h a + - n ) 。硝态氮包括硝酸 盐氮( n 0 3 - - n ) 和亚硝酸盐氮( n 0 2 - n ) 。亚硝态氮不稳定可以还原为氨氮，或 氧化成硝态氮。废水中能被测定的有机氮和氨氮的总量称为总凯氏氮( t o t a l k i e l d a h in i t r o g e n ) ，常用t k n 来表示：废水中一切含氮化合物以氮计量的总和 称为总氮( t o t a ln i t r o g e n ) ，常用t n 来表示。 氮的几种形态的相互关系可以用图1 - 1 来表示。 武汉理jj ：人学硕士学位论文 动态平衡时 k = 并 ( 1 2 ) 式中：k 一离解常数； 【n h 3 】一氨的浓度，( m o l l ) ； 【n h 4 + 】铵离子浓度，( m o l l ) ； 【h + 卜氢离子浓度，( m o l l ) 。 水中总的氨氮物料平衡式可写为： 总的氨氮浓度= 【n h 3 - b n i 1 4 + 】 ( 1 3 ) 根据以上平衡式可以知道，n h 4 + 在总的氨氮中所占的比例可用下式来表示： n h 4 + 】( ) = 器x 1 0 0 = 丽丽1 0 0 丽 4 ) 将式( 1 2 ) 代人式( 1 4 ) 可得： n h 4 + 】( ) = 鼎 ( 1 5 ) 由式( 1 - 5 ) 可以看出，水中的氨氮主要以何种形式存在与污水的p h 相关。 例如，氨在2 5 时的离解常数l ( a = 5 8 x1 0 1 0 ，当水的p h = 8 时，用式( 1 5 ) 计算可以知道，此时n h 4 + 所占比例为9 4 6 。若水的p h = 7 ，n h 4 + 所占比例为 9 9 4 。可见，在大部分污水生物处理设备中，氨氮主要是以n h 4 + 的形式存在。 1 1 2 水体中氮素污染的来源 水体中的氮素来源主要有：大气干湿氮沉降，农田土壤流失，降雨径流、点 源及其他面源污染以及水体内部沉积物释放等1 2 1 。水体氮素污染来源可以分为点 源和面源两类： ( 1 ) 点源污染 煤加压气化工业、焦化工业、氮肥工业、味精工业、畜禽养殖业等都排放含 大量氮素的废水。在排放的废水中除含有大量的无机形态的氮素，还含有多肽、 氨基酸和尿素等形态的有机氮。 生活污水中也含有一定浓度的氮素，总氮在2 0 一8 5m g l ，直接排放到受纳水 体中会造成氮素污染。而大量处理后的生活污水中，氮素的形态发生了变化，总 氮含量仍较高。 ( 2 ) 面源污染 农田所施肥料中的氮素一般仅有2 0 6 0 被利用，其余部分则通过淋洗、 地表径流、土壤渗透等方式进入到水体中，形成氮素的面源污染。人类活动所产 生的垃圾在填埋后亦会产生高浓度的含氨渗滤液，随地下径流、地表径流进入水 2 武汉理【：人学硕十学位论文 体，产生严重污染。 大气中氮的干湿沉降也会对水体产生氮素污染，而人类生产活动如工业、汽 车尾气等不同程度的增加了大气中氮素的干湿沉降作用。 1 2 水体中氮素污染的危害 随着社会经济的发展，大量未经适当处理或处理不当的各种含氮废水排入到 江河等受纳水体，破坏了自然生态系统中正常的氮素迁移转化的平衡，给生态环 境造成了严重的和潜在的危害，主要表现在如下几方面【3 ，4 l ： ( 1 ) 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，造成水 生植物和藻类的过度生长，死亡藻体的分解以及氨氮的硝化作用消耗水中大量溶 解氧，进而对水生动物造成危害，形成恶性循环，破坏水生生态系统。 ( 2 ) 增加给水处理的困难 被氮素严重污染的水体，引起水体富营养化，藻类及其代谢产物导致水体浑 浊，并产生潜在的毒性物质，会给水的净化处理带来许多困难，进而严重影响饮 用水水质。 ( 3 ) 对水生生物产生毒害 氨是水生植物和藻类的营养物质，同时也是鱼类和其他水生动物的毒性物 质。夏季，在一些富营养化程度高水体中，光合作用引起的水中c 0 2 大量消耗， 使p h 上升，游离氨的浓度增加，极易诱发水生生物的氨中毒。 ( 4 ) 对人体健康的危害 水体中较高浓度的硝酸盐和亚硝酸盐可以直接对人体健康造成危害，而由于 氮素过高所形成的水华和赤潮中，许多藻类能分泌出有毒的代谢产物，存在于水 体中及水生动物体内，人食用后可引起间接的中毒现象。 由于氮素污染的种种危害，世界各国都制订了严格的氮素排放标准。我国污 水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 1 5 】中规定，氨氮一级排放标准为1 5m g l 。 面对日益加剧的氮素污染和不断提高的环境质量要求，自然净化已杯水车薪，无 济于事；工程治理则是众望所归，大势所趋。 1 3 废水物化脱氮技术 废水脱氮技术可以分为物化处理法与生物处理法。物化处理法在工业废水中 应用广泛，对各种浓度的含氮废水都有相应的脱除技术，适应范围广泛。物化脱 氮技术主要包括：空气吹脱法、选择性离子交换法、折点加氯法、化学沉淀法及 乳化液膜分离法等。 3 武汉理l ：人学硕十学何论文 1 3 1 空气吹脱法 空气吹脱法是使水作为不连续相与空气接触，利用水中组分的实际浓度与平 衡浓度之间的差异，使氨氮转移至气相而去除。废水中的氨氮通常以铵离子 ( n h 4 + ) 和游离氨( n h 3 ) 的状态保持平衡而存在( n h 4 + + o h 。一n h 3 + h 2 0 ) 。 将废水p h 值调节至碱性时，离子态铵转化为分子态氨，然后通入空气将氨吹脱 出( 如图卜2 ) 。 空气栅强 排泥 空气 图1 - 2 空气吹脱法除氨工艺 该法适合于高氨氮废水的预处理，脱氮率高且操作灵活、占地小，但n h 3 n 仅从溶解状态转化为气态，并没有彻底除去。当温度降低时，脱氮率急剧下降， 因此不适合在寒冷的冬季使用；同时沉淀效果容易受吹脱装置的大小及长径比 例、气液接触效率的影响；装置及管道用的时间长，易积累c a c 0 3 ；且该法需不 断鼓气、加碱，出水需再加酸调低p h ，因此处理费用比较高【1 2 l 。 1 3 2 选择性离子交换法 选择性离子交换是指在固体颗粒和液体的界面上发生的离子交换过程。离子 交换法采用无机离子交换剂沸石作为交换树脂，沸石具有对非离子氨的吸附作用 和与离子氨的离子交换作用，它是一类硅质的阳离子交换剂，成本低，对n h 4 + 有很强的选择性。p h = 4 - 8 是沸石离子交换的最佳范围，当p h 8 时，n h 4 + 变为n h 3 而失去离子交换性能【1 3 】。选择性离子交换 工艺主要由离子交换柱、再生贮液槽和吹脱塔三部分组成，其工艺流程如图卜3 所示。 离子交换法具有投资省、工艺简单、占地小、操作较为方便、温度和毒物对 脱氮率影响小等优点，适用于中低浓度的氨氮废水( 5 0 0m g l ) ，对于高浓度 的氨氮废水，会因树脂再生频繁而造成操作困难。离子交换法去除率高，但再生 液为高浓度氨氮废水，仍需进一步处理。常用的离子交换系统有三种类型：固定 床、混合床、移动床。 4 武汉理l ：人学硕十学位论文 空气和赋： 出水 图1 - 3选择性离子交换法除氨工艺 1 3 3 折点氯化法 利用氯气或次氯酸钠将废水中的氨氧化成氮气的化学脱氮技术，称为折点氯 化法，其反应式如式( 1 - 6 ) ： n h 4 + + 1 5 h o c i 一0 5 n 2 + 1 5 h 2 0 + 2 5 h + + 1 5 c 1 。 ( 1 6 ) 在折点氯化法中，余氯浓度和残留氨氮浓度与氯氨氮重量之比有关，氯投 加量与氨氮重量比为7 6 ：1 时，化合余氯量最小，称为折点。越过折点后，所 投加氯产生自由余氯，为了保证反应进行完全，实际投氯量往往超过理论值，通 常为8 ：1 1 0 ：1 。折点氯化法的主要产物为氮气，其它少量副产物为n 0 3 。和 n c l 3 ，出水氨氮可小于0 1m g l ，但出水排放前需采用活性碳吸附脱氯或投加 s 0 2 脱氯。 此法用于废水的深度处理，脱氮率高、设备投资少、反应迅速完全，并有消 毒作用。但液氯安全使用和贮存要求高，对p h 要求也很高，产生的水需加碱中 和，因此处理成本高。另外副产物氯胺和氯代有机物会造成二次污染【1 2 】。 1 3 4 化学沉淀法 化学沉淀法是通过向废水中投加某种化学药剂，使之与废水中的某些溶解性 污染物质发生反应，形成难溶盐沉淀下来，从而降低水中溶解性污染物浓度的方 法【1 3 】。整个反应p h 值的适宜范围为：9 - 1 1 。 此法可去除氨氮、重金属及某些大分子有机物，常与其它处理技术组合，既 适用于反渗透、活性炭吸附等深度处理的预处理，也可用于生化处理或深度处理。 絮凝剂常用f e c l 3 、a 1 2 ( s 0 4 ) 3 和阴阳非离子型聚合物。此法对氨氮的去除率很高， 可达9 0 以上，但费用比吹脱法高，产生的污泥对环境造成二次污染，但当其 用于脱氮预处理时，也可采用p 0 4 孓类物质，污泥可作肥料使用，故有很大的灵 活性，但药剂费用比较贵。 5 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 3 5 乳化液膜分离法 乳化液膜是以乳液形式存在的液膜，具有选择透过性，可用于液一液分离。 液膜法去除氨氮的机理是：氨态氮( n h 3 n ) 易溶于膜相( 油相) ，它从膜相外 高浓度的外侧，通过膜相的扩散迁移，到达膜相内侧与内相界面，与膜内相中的 酸发生解脱反应如下： n h 3 + h + 呻n h 4 + ( 卜7 ) 生成的n i - 1 4 + 不溶于膜相而被稳定在膜内相中。同时，膜内外两侧浓度差的 推动下，氨分子不断通过膜表面吸附，渗透扩散迁移至膜相内侧解吸成n h 4 + 并 富集，从而达到从废水中去除氨氮的目的。富集n h 4 + 的液膜乳化液可以在破乳 器中重新补加酸液而得以回收。 影响乳状液膜法去除废水中氨氮的主要因素包括废水中p h 值、表面活性剂 的种类、膜增强剂的使用、油内比的大小( 乳状液的油相和膜内相的体积比) 、 膜内相酸的浓度及乳水比等【1 4 】。 1 4 废水的传统生物脱氮技术 在处理中低浓度含氮废水方面，生物脱氮技术与物化法相比具有工艺简单， 成本低廉，较易推广等特点，得到了深远的发展。传统生物脱氮技术，其理论基 础是微生物的硝化作用与反硝化作用。自2 0 世纪上半叶诞生以来，随着研究的 深入和应用的普及，传统生物脱氮工艺类型不断增加，在工艺流程上发展为单级 硝化反硝化工艺和分级硝化反硝化工艺；在微生物生长方面发展为悬浮活性污泥 脱氮工艺和附着膜脱氮工艺等。 1 4 1 传统生物脱氮机理 传统生物脱氮主要利用氨化菌将含氮有机物氧化分解，转化为n h 4 + ；然后 由白养型硝化细菌将其转化为n 0 3 ；最后再由反硝化细菌将n 0 3 - 还原转化为n 2 ， 从而达到脱氮目的。传统生物脱氮一般要经历硝化反硝化两个阶段( 如图1 4 ) 。 第一阶段( 硝化反应) ：硝化反应是由一类自养好氧微生物完成的，包括两 个步骤：第一步为亚硝化过程，由亚硝化细菌将氨氮转化为亚硝酸氮，第二步为 硝化过程，由硝化细菌将亚硝酸氮进一步转化为硝酸氮。 第二阶段( 反硝化反应) ：反硝化反应是由一群异养微生物完成，它是在溶 解氧浓度极低的环境下，利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作为碳源及电 子供体，最终将硝酸氮或亚硝酸氮还原成n 2 或n 2 0 。 6 武汉理l ：人学硕十学位论文 好、厌氧状态好氧状态 厂 厂 d o碱度增人d o碱度增大d o uuu 有机氮n h 4 + n ( 脱氮反应)( 亚硝化反应) 异养型细菌亚硝酸菌 有 碱度 厌 氧 状 态 n 2 、n 2 0 图1 - 4 传统生物脱氮机理 1 4 2 三级生物脱氮系统 该系统是将b o d 的氧化、硝化和反硝化三类不同的生物反应在三个各自独 立的反应器内依次完成，并具有独立的沉淀池与污泥回流系统。反应流程图如图 1 5 所示。 图1 5 三级生物脱氮系统 该系统中第一反应器进行b o d 的降解，其中起作用的微生物类型为好氧异 养菌；第二反应器进行硝化反应，起作用的微生物为硝化菌，由于该过程中产生 h + ，故要消耗一定的碱剂；第三反应器进行反硝化，作用微生物是反硝化菌，这 类细菌是异养菌，需要消耗一定的有机物，因此必须外加有机碳源。 在该系统中有机物降解菌、硝化菌和反硝化菌分别在各自适宜的反应器内生 长，而且各自沉淀分离污泥，各自回流污泥，反应快且比较彻底；但设备多，造 价高，管理不便。 1 4 3 二级生物脱氮系统 在三级生物脱氮系统的基础上，将除碳和硝化置于同一个反应器内进行，即 构成两级生物脱氮系统。起作用的污泥种类可分为两大类，并且各自反应器具有 7 武汉理i ：人学硕十学位论文 各自的沉淀池和污泥回流系统。 其工艺流程如图1 - 6 所示，污水先进行b o d 降解和硝化，再进行反硝化脱 氮。由于硝化菌的增长速率较慢，在低氨氮浓度下，单独进行硝化时，由于污泥 流失，反应器内很难维持足够量的硝化菌。实践证明，在此条件下，将氧化和硝 化合在一个反应器中进行，系统的稳定性反而有所增加，两段脱氮工艺与三段法 相比，虽缩短了流程，运行费用基本相当。 原水 图1 - 6 两级生物脱氮系统 图1 7合建式缺氧一好氧脱氮工艺 如果将反硝化反应器置于系统之首，则构成目前应用较为广泛的a a 法脱 氮工艺，又称为前置反硝化生物脱氮系统。本工艺还可建成合建式( 图1 7 ) ， 即反硝化、硝化和除碳都在同一座反应器内实施，反应器中间隔以挡板( 类似单 级生物脱氮系统) 。 a a 法生物脱氮系统流程简单，能以原水中的有机物为碳源，不需外加碳源； 反硝化所产生的碱度可补偿硝化反应所耗碱度的一半左右，因此对含氮浓度不高 的废水可不投碱调p h 值；反硝化残留的有机物经好氧处理后进一步去除，提高 了处理水水质。但存在以下缺点：出水来自硝化反应器( 或硝化区) ，含有一定浓 度的硝酸盐，在沉淀池内易发生反硝化反应，引起污泥上浮；反硝化段难于保持 理想的缺氧状态，脱氮效率难达到9 0 以上。 8 出水 武汉理j ：人学硕十学佗论文 1 4 4 单级生物脱氮系统 将除碳、硝化和反硝化置于同一个反应器内进行，即构成单级生物脱氮系统。 典型的反应器形式为s b r 和氧化沟。s b r 采用限制曝气和半限制曝气的操作方 式，即可以具有脱氮功能，脱氮率可达9 0 。其运行分五阶段：进水期( 不曝 气可搅拌) ；反应期( 混合也可曝气) ：沉降期；排水期；闲置期。脱氮过程可 分三个阶段完成：进水期，以含碳有机物为碳源进行反硝化；利用微生物的贮存 性碳源进行反硝化；沉降期和排水期，以死亡微生物细胞为碳源进行反硝化。氧 化沟工艺的脱氮率可达6 0 9 7 。其典型的工作过程是污水由缺氧区正上游进入， 为反硝化提供碳源，处理水由氧化沟好氧区未端排出，二沉池回流污泥也进入缺 氧区起端。 1 4 5 传统生物脱氮工艺存在的不足 传统生物脱氮工艺即硝化反硝化工艺主要存在如下不足之处【1 5 】： 1 ) 硝化菌群生长较慢，反应器内难以维持较高的生物浓度，造成系统水力 停留时间长，容积负荷率低，基建投资大； 2 ) 硝化过程产酸，反硝化过程产碱，均需酸碱中和，易造成二次污染，这 在高氨氮废水脱氮时表现得更为明显； 3 ) 反硝化反应需要电子供体，特别是对于低c n 比废水，则常需加额外 碳源物质，外加有机碳源会增加运行费用； 4 ) 传统的生物脱氮工艺在处理高氨氮废水时由于高的游离氨浓度抑制了硝 化细菌的活性，导致出水难以达标排放。 1 5 废水新型生物脱氮技术 传统生物脱氮包括硝化和反硝化是两个相互对立的过程，硝化反应借助硝化 细菌的作用，要在有氧环境下进行；反硝化反应则借助于反硝化菌的作用，只有 在无氧条件下，该反应才能顺利进行【8 j ；而且该工艺还需要大量的有机碳源作为 电子供体，如果c n 2 5 ，没有外加有机碳源，反硝化就无法有效地进行【6 1 ，而 如果c n 4 ，反硝化容器体积要提高1 5 - 1 7 倍；因此在处理低( 超低) 洲比、 高浓度含氮废水如垃圾渗滤液、消化污泥脱水液、动物养殖场排出液等时该工艺 表现出了极大的局限性l 引。 近年来生物脱氮技术的新发展突破了传统理论的认识，为解决传统硝化反硝 化工艺存在的问题找到了方法和出路。最近的研究成果主要包括短程硝化反硝 化( s h a r o n ，s i n g l er e a c t o rh i g ha c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 、同 步硝化反硝化( s n d ，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 n ) 、好氧反硝 9 武汉理j ：人学硕十学位论文 化( a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) 、异养硝化( h e t e t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) 及厌氧氨氧化 ( a n a m m o x ，a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ) 等。对应于这些新的氮转化途 径又研究出了多种新型生物脱氮工艺，这些工艺都力求缩短n 的转化过程。本 小节将概述近年来生物脱氮的新技术和新发展。 1 5 1 短程硝化一反硝化脱氮技术( s h a r o n ) 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n h 4 + - n 经硝化和反硝化过程才能被除去。实际上从氮 的微生物转化过程来看，氨被氧化成硝酸是由两类独立的细菌催化完成的两个不 同反应。对于反硝化菌，n 0 2 - - n 和n 0 3 - n 均可以作为最终受氢体，因而整个生 物脱氮过程也可以经n h 4 + 一h n 0 2 一n 2 途径完成【1 6 j 。 早在1 9 7 5