（模式识别与智能系统专业论文）复合铁酶促活性污泥生物脱氮除磷反应机理研究.pdf

c i a s s i f i e dl n d e x ：x 7 0 3 1 u d c ： d i s s e r t a l i o nf o rl h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo nf e 脚ce n z y m a t i c a c t i v a t e ds l u d g eb i o l o g i c a l n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lm e c h a n i s m c a n d i d a t e ： s u p e n ，i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p i i e df o r ： s p e c i a l 够： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t 、，： y u a nl e l p r o z h a n gb o p r o b ix u e j u n m a s t e ro fe n g i n e e 血g m 吼i c i p a le n g i l l e e r i n g j u n e 2 0 1 0 q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s 埘 硕士学位论文 复合铁酶促活性污泥生物脱氮除磷 反应机理研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 青璺理工大学工学硕学位论文 目录 摘要i a b s 打a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 我国的水环境现状及氮、磷污染物的危害1 1 1 1 我国的水环境现状1 1 1 2 氮、磷污染物来源及危害2 1 2 生物脱氮除磷技术发展现状5 1 2 1 生物脱氮除磷原理5 1 2 2 生物脱氮除磷工艺8 1 2 3 生物脱氮除磷工艺中存在的矛盾与亟待解决的问题1 2 1 2 4 低温条件对生物脱氮除磷工艺的影响1 4 1 3 强化活性污泥法处理技术研究现状1 5 1 3 1 强化活性污泥的方法原理1 5 1 3 2 强化活性污泥法技术研究进展1 7 1 4 复合铁酶促活性污泥法生物脱氮除磷技术的提出1 9 1 4 1 铁盐强化活性污泥生化功能原理1 9 1 4 2 复合铁酶促活性污泥法生物脱氮除磷技术研究2 0 第2 章本课题研究内容及方法：2 l 2 1 课题来源2 1 2 2 研究目的及意义2 1 2 3 研究内容2 2 2 4 水质指标、微生物活性指标及分析方法2 2 2 4 1 水质指标及分析方法一2 2 2 4 2 脱氢酶活性与电子传递体系活性指标分析方法2 3 2 4 3s o u r 指标分析方法2 6 第3 章 复合铁酶促活性污泥微生物活性及其污泥特性研究2 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 1 试验装置与试验方法2 7 3 。1 1 试验装置2 7 3 1 2 试验方法2 8 3 1 3 试验用污水水质2 9 3 2 试验结果与讨论2 9 3 2 1 复合铁酶促活性污泥形成过程污泥特性与微生物活性研究2 9 3 2 2 复合铁酶促活性污泥稳定形成后微生物活性研究4 0 3 3 本章小结4 5 第4 章低温条件下复合铁酶促活性污泥脱氮除磷效能研究4 7 4 1 反应温度变化对微生物活性及脱氮除磷处理效果的影响4 7 4 1 1 试验方法4 8 4 1 2 试验结果与讨论4 8 4 2 低温对不同活性污泥生物硝化过程的影响5 3 4 2 1 试验方法5 3 4 2 2 试验结果与讨论5 4 4 3 低温对不同活性污泥沉降性能的影响5 9 4 3 1 试验方法5 9 4 3 2 试验结果与讨论6 0 4 4 本章小结6 2 第5 章复合铁酶促活性污泥微生物群落代谢特征研究6 4 5 1b i o l o g 技术简介6 4 5 1 1b i o l o g 方法原理6 4 5 1 2b i o l o g 方法在环境微生物群落中的应用6 5 5 1 3b i o l o g 系统组成。6 6 5 2 试验材料与方法6 6 5 2 1 试验材料6 6 5 2 2 试验方法6 9 5 2 3 数据分析方法6 9 5 3 试验结果与讨论- 7 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 5 3 1a w c d 变化曲线7 0 5 3 2 活性污泥对不同类碳源的利用7 2 5 3 3 活性污泥微生物群落代谢特性的主成分分析( p c a ) 7 6 5 4 本章小结7 9 第6 章结论与建议8 1 6 1 结论8 1 6 2 建议8 2 参考文献- 8 3 攻读硕士学位期间发表的论文9 1 致谢9 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 水环境污染与水体富营养化问题己成为备受瞩目的全球性问题，近年来我 国水环境污染状况与水体富营养化问题也日趋严重，并已成为限制我国经济与社 会快速稳定发展的瓶颈问题。水体富营养化发生的根本原因是水体中氮、磷等营 养性物质含量过高，因此，有效控制城镇污水氮、磷等营养性物质排放是解决富 营养化问题的重要途径之一。 现有各种污水生物脱氮除磷技术普遍存在脱氮除磷效率不高、运行稳定性较 差及低温硝化等技术难题。本研究提出的复合铁酶促活性污泥生物脱氮除磷技术 的创新性在于，通过铁离子介入微生物生化反应与能量代谢过程，强化铁离子参 与电子传递作用与酶促反应激活剂作用，提高生物脱氮除磷效率，从源头上解决 生物脱氮除磷系统存在的诸多固有矛盾与瓶颈问题，为污水高效深度脱氮除磷技 术开发提供一种的新思路和方法。因此，在前期已有研究成果基础上，本研究以 实际城镇污水为研究对象，通过现场对比试验研究，从微观结构、微生物活性、 群落代谢特性角度等分析复合铁酶促活性污泥生物脱氮除磷作用原理，揭示其生 物脱氮除磷反应机制，为复合铁酶促活性污泥生物脱氮除磷技术开发奠定理论基 础。 研究结果表明：( 1 ) 复合铁酶促活性污泥形成过程中，污泥浓度明显提高， 微生物活性得到大幅度增长，形成了大而结实的絮体结构，微生物相更加丰富， 细菌的种类有所增加，不但有短杆菌、球菌，还出现了少量的弧菌。( 2 ) 与普通 活性污泥对比，复合铁酶促活性污泥的脱氢酶活性、电子传递体系活性及好氧呼 吸速率分别提高3 7 1 、6 4 8 与3 2 o ，且微生物活性愈高，系统处理效果愈 好。( 3 ) 抗温度影响试验中( 反应温度由2 1 剧降至8 1 8 ) ，复合铁酶促活性 污泥与普通活性污泥微生物活性及处理能力均受到不同幅度的影响，但对比结果 显示，复合铁酶促活性污泥具有显著的抗温度变化能力，其系统微生物活性以及 处理能力与效率明显优于普通活性污泥，特别对系统硝化功能而言，在1 2 、 1 0 及8 低温条件下，复合铁酶促活性污泥较普通活性污泥对n h 3 - n 的硝化率 分别提高1 9 2 、1 4 6 、2 3 9 。( 4 ) 低温对复合铁酶促活性污泥与普通活性污 泥的性能均产生不同程度的影响，但对比结果显示复合铁酶促活性污泥在沉降性 青岛理工大学工学硕士学位论文 能、污泥絮体结构与微生物相等方面均优于普通活性污泥。( 5 ) 复合铁酶促活性 污泥系统中微生物种群活性较强，其微生物群落较普通活性污泥更加多样化，同 时两活性污泥在微生物群落结构方面存在微小差异。 关键词：活性污泥；微生物活性；铁；酶促反应；生物脱氮；生物除磷 i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rp o l l m i o na 1 1 de u t r o p l l i c a t i o nl 谢v eb e c o m e1 1 i 曲- p r o f l l eg l o b a li s s u e s ，m e s i t u a t i o no fw a t e rp o l l u t i o na 1 1 de u 舡o p l l i c a t i o ni i lc l l i l l aa r ei n c r e a s i n g l ys e r i o u si i l r e c e n ty e a r s ，a i l dh a v eb e c o m e 吐l eb o n l e n e c kp r o b i e m st 1 1 a tl m tar 印i da n ds t e a d y d e v e l o p m e n to fo u rc o 咖se c o n o m ya i l ds o c i e t ) ，h i 曲c o n t e n to f1 1 i t l o g e n a n d p h o s p h o m sn u t r i e n ts u b s t a i l c e si nw a t e rb o d yi st h e r o o tc a u s eo fe u 舡o p k c a t i o n 1 1 1 e r e f o r e ，e 疵c t i v ec o n 仃o lo fu r b a ns e 、v a g ei l i 仃0 9 e n a 1 1 dp h o s p h o m sa 1 1 do t h e r m 嘶e n ts u b s t a l l c e sd i s c h a r g ei s 肌i i i l p 删w a yt os o l v e 也ee u ：t r o p l l i c a t i o np r o b l e m t h ee x i s 咖gw a s t e w a t e r b i o l o g i c a ln i 昀g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c l u l o l o g y h a s 也ep r o b l e m so fl o w e r1 1 i 仃0 9 e na i l 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 ，p o o r e r o p e r a t i o n a ls i a b i l 时a i l d m o r ed i 伍c u l ti l i t r i f i c a t i o ni i ll o wt e n 叩e r a n 腓t h e i i m o v a t i v e n e s so ff e r r i c e m ! y m a t i c a c t i v a t e d s l u d g eb i o l o g i c a li l i t r o g e n a 1 1 d p h o s p h o m sr e l ：i l o v a lt e c h n o l o g yi s 恤o p 曲f e r r i ci o ng 舐n g i n v 0 1 v e di n t om i c r o b i a l b i o c h e i l l i c a lr e a c t i o n sa 1 1 de n e r g ym e t a b o l i s m ，s t r e n g m e nf e r r i ci o np a r t i c i p a t ei nt h e e l e c 仃o n 乜m s f e ra 1 1 dt h er o l eo fe m 猡m a t i cr e a c t i o na c t i v a t o rt 0e i l l l 缸l c eb i 0 1 0 9 i c a l 1 1 i 扛o g e na n dp h o s p h o m sr e m o v a le m c i e n c y ，a i l dr e s 0 1 v et l l ei 1 1 l l e r e mc o n 订a d i c t i o n s a i l db o t t l e n e c k so fb i o l o g i c a li l i 协d g e na l l dp h o s p h o m sr e m o v a ls y s t e m sf 如mm e s o u r c e ，p r o v i d ean e wi d e af o rt h ed e v e l o p m e mo fe f 五c i e n td e e pm t r o g e n a 1 1 d p h o s p h o m sr e m o v 猷t e c l l i l 0 1 0 9 y o nt h eb a s eo fp r e - e x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s ，i i lt h i s s t u d y ，u r b a l ls e w a g ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，b yc o n v e m i o n ma c t i v a t e ds l u d g ec o 删 t e s t ，a n m y s et h ep r i n c i p l eo ff e r r i ce n z y m a t i ca “v a t e ds l u d g eb i o l o g i c a ln i t r o g e n 锄d p h o s p h o m sr e m o v a 】丘- o mm ev i e wp o 血so f 仕l er i l i c r 0 一s 臼m c t u r e ，m i c r o b i a la c t i v 时 a r l dc 0 衄证t ) ，m e t a b o l i s mt or e v e a li t sr e a c t i o nm e c m u l i s mo fb i o l o g i c a ln i 仃1 0 9 e n a n dp h o s p h o m sr e m o v a l 锄dl a yat h e o r e t i c a lf 0 吼枷o nf o r 也ed e v e l o p m e n to ff e r r i c 唧a t i c a c t i v a t e ds l u d g eb i 0 1 0 西c a li l i 仃o g e na i l dp h o s p h o m sr 锄o v a lt e c h n o l o g y 1 1 l er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e d ：( 1 ) w 1 1 e n 也ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ew a s 伊砌j a l l y f b m i n g ， i t s s l u d g ec o n c e 】撒a t i o n 、懈o b v i o u s l y 岫p r o v e d ， n l i c r o b i a j a c t i v 时、a ss u b s t a r l t i a l l ym r e a s e d ，f o 衄e dl a r g e 锄dd e n s en o cs 咖c t u r e ，m i c r o b e s w e r em o r ea b u n d a n ta 1 1 db a c t e r i at ) r p e si n c r e a u s e d ，吐l e r ew e r en o t0 1 1 l yb r e v i b a c t e r i 眦 i i i a n dc o c c u s ，b u ta l s o e m e r g e df e wv i b r i oi n 吐l es l u d g e ( 2 ) c o n l p a r e dw i mm e c o n v e n t i o n a j 剃v a t e ds l u d g e ，d e h y d r o g e n a s e a c t i v i 锣，e l e c t r o n 位m s p o r ts y s t e m a c t i v 毋a l l da e r o b i cr e s p i r a t i o nr a t eo ff e 仃i ce n z 舯a t i ca c t i v a t e ds l u d g ew e r e r e s p e c t i v e l y 洫c r e a s e db y3 7 1 ，6 4 8 a n d3 2 o m i c r o b i a la c t i v 时w a s1 1 i g h e r ， a 1 1 d 也e 仃e a ：c i i l e n te 船c t 郴b 雏e r ( 3 ) i nt l l er e s i s t a n c et e m p e r a t u r ee x p e r i i n e m ( b ya s u d d e nd r o pi nt e m p e r a t u r e 舶m2 1 t o8 2 1 ) ，m i c r o b i a l 删v 毋a i l d 仃e a ：唿l e n t a b i l i 够o ff 锄ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ea n dc o n v e n t i o n ma c t i v a t e ds l u d g ea l l s u f j f ；胃e dt h ei m p a c t 、) ，i t hd i f f e r e n tm a g i 讥d e s ，b u tt h ec o n 缸邪tr e s u l ts h o w e d f e r r i c e n z ) ，1 1 1 a t i ca c t i v a t e ds l u 起eh a dc o n s p i c u o u sr e s i s t a l l c et 锄p e r a t l 鹏c h 趾g e sa b i l i t ) ， a 1 1 di t sm i c r o b i a la c t i v i t ) ，a 1 1 dt r e a t m e n ta b i l i 够w e r es u p e r i o rt om o s eo fc o n v e n t i o n a l 2 u c t i v a t l 耐s l u d g e ，e s p e c i a l l yt o1 1 i t r i f i c a t i o n ，a tm e1 0 wt e m p e r a n 】r eo f12 ，l0 a 1 1 d 8 ，t 1 1 en h 3 - ni l i 仃a t i n ge m c i e n c yo ff e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ei n c r e a s e d 19 2 ，14 6 趾d2 3 9 t h a nc o n v e n t i o 删枷v a t e ds l u d g e ( 4 ) l o wt e m p e r 栅eh a d i m p a c t so fd i f l e r e md e g r e e so nt ：h ep r o p e r 眵o ff e r r i ce n z ) ，m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ea n d c o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g e ，b u tt 1 1 ec o n t l 船tr e s u l ts h o w e d ，f - e r r i ce n z v m a t i c a c t i v a t e ds l u d g ew a ss u p 谢o rt oc o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g eo n 协e2 l s p e c t so f s e d i m e n 谢o np e 响m 锄c e ，s l u d g en o c ss 伽蛐l r e 觚di i l i c r o b e s ( 5 ) 1 1 1 ea c t i v ho f m i c r o b i a lp o p u l a t i o l l si nm ef e r r i ce m 唧a t i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e mw a ss 廿0 n g e r ， t 1 1 e 面c r o b i a lc o m m u n 匆w 龉m o r ed i v e r s et h a nt 1 1 a to ft h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g e ，t l l e r ew e r es m a l ld i 矗e r e n c e sb e t w e e n 咖t ) ，p e sa c t i v a t e ds l u d g ei n1 i l i c r o b i a l c o 瑚m l 】i 】i 锣 1 ( 舒w o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e ；m i c r o b i a la c t i v i 够；f e 玎i c ；e n z ) ，m a t i cr e a c t i o n ；b i o l o g i c a l 1 1 i 臼o g e nr e m o v a l ；b i o l o g i c a lp h o s p h o m sr e m o v a l 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国的水环境现状及氮、磷污染物的危害 1 1 1 我国的水环境现状 水资源是基础自然资源，系生态环境的控制性要素，同时又是战略性经济资 源，为综合国力的有机组成部分。联合国世界水资源综合评价报告指出：水 问题将严重制约2 1 世纪全球经济与社会发展。2 0 0 0 2 0 0 9 年平均，我国人均淡水 资源为2 1 6 0 m 3 ，扣除不能利用的淡水资源，可供利用的人均淡水资源仅为9 0 0 m 3 ， 已成为世界严重缺水国家之一。上世纪8 0 年代以来，我国工业与城市生活用水 的持续增长与有限供水之间的矛盾造成水资源的短缺，水资源问题已经成为当前 影响我国社会发展的瓶颈，其主要表现在以下几个方面：一是干旱缺水，水资源 供需矛盾尖锐；二是洪涝灾害频繁；三是水污染严重，导致污染性缺水；四是生 态环境恶化；五是水资源管理亟待加强。 从我国水环境状况来看，2 0 0 8 年中国环境状况公报【l j 显示，全国地表水污 染依然严重。七大水系水质总体为中度污染，浙闽区河流水质为轻度污染，西北 诸河水质为优，西南诸河水质良好，湖泊( 水库) 富营养化问题突出。长江、黄河、 珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系水质总体与上年持平。2 0 0 条河流4 0 9 个断面中，i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 5 o 、2 4 2 和2 0 8 。其中，珠江、长江水质总体良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、 辽河为中度污染，海河为重度污染；2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的4 个，占1 4 3 ；类的2 个，占7 1 ；类的6 个，占2 1 4 ；v 类的5 个，占 1 7 9 ；劣v 类的1 1 个，占3 9 3 。主要污染指标为总氮和总磷。在监测营养状 态的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的5 个，占1 9 2 ； 轻度富营养的6 个，占2 3 o 。太湖水质总体为劣v 类，湖体处于中度富营养状 态，主要污染指标为总氮和总磷；滇池水质总体为劣v 类，主要污染指标为氨氮、 总磷和总氮；巢湖水质总体为v 类，主要污染指标为总磷、总氮和石油类。9 座 大型水库均为中营养状态，主要污染指标为总氮。全国近岸海域水质总体为轻度 污染。近岸海域一、二类海水比例为7 0 4 、三类海水占1 1 3 、四类和劣四类 青岛理工大学工学硕士学位论文 海水占1 8 3 。四大海区近岸海域中，黄海、南海近岸海域水质良好，渤海水质 一般，东海水质较差。2 0 0 8 年，全海域共发生赤潮6 8 次，累计面积1 3 7 3 8 2 ， 其中，渤海1 次，面积3 0 时；黄海1 2 次，累计面积1 5 7 8k m 2 ；东海4 7 次， 累计面积1 2 0 7 0k m 2 ；南海8 次，累计面积6 0k m 2 。其中有毒、有害赤潮生物引 发的赤潮1 1 次，累计面积约6 1 0k m 2 ，分别占赤潮发生次数和累计面积的1 6 2 和4 4 ，比上年度分别减少1 5 o 和1 2 0 。2 0 0 8 年，全海域共发生1 0 0k m 2 以上的赤潮2 4 次，累计面积为1 2 4 3 8k m 2 ，其中面积1 0 0 0k m 2 以上的赤潮3 次， 累计面积5 8 5 0 姘。东海仍为中国赤潮的高发区，其赤潮发生次数和累计面积分 别占全海域的6 9 1 和8 7 9 。 上述数据显示，我国水环境污染状况比较严重，特别水体富营养化问题比较 突出，水体富营养化问题已成为当前水污染防治工作的重点。水体富营养化现象 发生的机理虽然复杂，但其根本原因是水体中氮、磷等营养性物质含量过高造成 的，因此，控制氮、磷等营养性物质进入水体是解决富营养化问题的根本途径。 2 0 0 8 年我国城镇生活污水排放量为3 3 0 1 亿i n 3 ，生活污水主要污染物c o d 、 氨氮排放量分别为8 6 3 1 万t 、9 7 3 万t ，其分别占排放总量的比例为5 7 7 、6 5 4 、 7 6 6 。截至2 0 0 8 年底，全国6 6 1 个设市城市已建污水处理厂1 5 0 0 余座，设计 处理能力达到9 0 9 2 万m 3 d ( 处理率为5 8 ) ，但实际处理率仅为4 2 左右，由于 多种原因导致目前己建成城镇污水处理厂脱氮除磷能力与效率较低，大量未经处 理或未得到有效处理的城镇污水排放所带来的氮、磷等营养性物质是造成水环境 富营养化的重要原因之一。 1 1 2 氮、磷污染物来源及危害 1 1 2 1 氮、磷污染物的来源 ( 1 ) 农业面源污染 农业面源污染是由于在农业生产中大量使用的化肥经流失造成的。有关资料 表明，美国河流污染只有9 来源于工业，而大约近6 5 来源于农业及非产业活 动。而在欧洲的一些乡村，由于农业活动造成的氮、磷污染分别占总的污染负荷 的7 0 8 5 和3 0 以上。我国是一个农业大国，农用化肥的消耗量每年已超过1 亿 吨，施用化肥水平比世界平均水平高出2 6 倍，但化肥有效利用率仅有3 0 5 0 左 右，由此导致大量磷、氮营养物质流失并通过各种途径进入水体。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 气载污染物污染 气载污染物的污染主要来源于工业废气及烟尘排放后通过降雨或降尘途径 进入水体。在日本，气载污染物进入水体的的磷、氮负荷量分别达到3 0 0 k 鼬2 d ) 和o 1 k ( k m 2 d ) 。波托马克河流域气载污染物引起的磷、氮污染占全部磷、氮污 染负荷的2 0 3 0 和7 9 9 0 。同时有关研究表明，我国武汉东湖每年通过降雨产 生的氮污染入湖量占湖泊总氮量的6 0 左右；而太湖通过降雨或降尘途径进入水 体的磷、氮污染负荷量分别占湖泊总量的8 和7 。因此，气载污染物是人们应 引起重视的一个水体污染源。 ( 3 ) 水土流失及水产养殖原因造成的污染 水土流失不仅使土壤肥力下降，而且使大量土壤营养物质进入水体。我国是 水土流失十分严重的国家之一，仅黄土高原每年因水土流失损失的磷、氮等养分 就高达3 8 0 0 万吨，相当于全国每年化肥的总产量。湖泊水库养鱼过程中的残饵及 鱼类排泄物是磷污染的另一来源。污染程度根据养殖的鱼种、密度、饵料的种类 及投量而有所不同。在太湖流域，水产养殖对磷、氮污染的贡献率分别达到2 2 和1 7 。 ( 4 ) 点源污染 点源污染主要包括工业废水和城市生活污水污染，通常有固定的排污口集中 排放。而各种污水的直接排放或经处理后的尾水排放是主要的磷、氮点污染源。 在这些污水中，只有很少部分经过了处理。就算经过二级常规处理，其对磷、氮 的去除率也只有1 0 3 0 和2 0 5 0 左右，出水浓度远远高于产生水体富营养化的 临界浓度。城市废水中的磷主要有三个来源：人类粪便、洗涤剂和某些工业废水。 表1 1 某些工业废水中氮、磷含量( m g ，l ) i h b l e l - 1n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n t so fc e r t a i ni n d u s t r i a lw a s t e l a t e r ( m g ，l ) 1 。1 2 2 废水中氮磷的存在形式 ( 1 ) 氮在废水中的存在形式 在污水中，氮的存在形式有：( 1 ) 有机氮( 主要有蛋白质、氨基酸、尿素、胺 类、硝基化合物等) ( 2 ) 氨氮( 3 ) 亚硝酸氮( 4 ) 硝酸氮，四者合称总氮( t n ) 。而在未 青岛理工大学工学硕士学位论文 经处理的新鲜污水中，含氮化合物主要以有机氮和氨氮的形式存在，称为凯氏氮 ( t k n ) ，这是衡量污水进行生化处理时氮营养是否充足的依据。一般情况下，对 于常规生活污水的t n = n 矾，亚硝酸盐氮，硝酸盐氮可视为0 。 ( 2 ) 磷在废水中的存在形式 废水中的磷主要来源于洗涤剂、粪便和磷化肥等工业废水，其形态有正磷酸 盐( p 0 4 p ) 、聚磷酸盐( p o l y p ) 和有机磷，其中以正磷酸盐和聚磷酸盐占绝大多数， 磷可以在有机磷和无机磷、可溶性磷和不可溶性磷之间相互转换，但价态不发生 变化。 1 1 2 3 氮、磷污染物的危害 。 ( 1 ) 水体中含氮化合物对人和生物造成严重的危害 如果饮用水中n 0 3 和n 0 2 。的含量过高，在自然条件下有可能转化为亚硝胺， 这是一种强致癌、致变和致畸物质，可增加肝癌、食管癌、胃癌的发病率；还损 伤人体心血管系统，并会干扰机体对维生素a 的利用，导致维生素a 缺乏症 2 】。 ( 2 ) 影响水源水质，增加水处理成本【2 】 当以含有较高浓度氨氮的水体作为水源时，由于氨氮会与氯作用生成氯胺， 从而会增加氯消耗量，并且加氯消毒过程中会生成三氯甲烷等有毒和致突变物 质，加氯量越多，生成的致突变物质愈多。 ( 3 ) 导致受纳水体富营养化 水体富营养化是世界性问题，它破坏了水体原有的生态系统的平衡。若水体 中光合作用生成有机物的速度与呼吸消耗有机物的速度基本相等时，藻类在水体 中有机物的生长远大于其消耗，使有机物发生积蓄。其导致：促进细菌类微生 物的繁殖，一系列异养生物的食物链都会有所发展，水体中耗氧量将大大增加； 藻类只在水体表层能接受阳光的范围内生长，并排出氧气，在深层的水中无法 进行光合作用而出现耗氧。藻类的死亡和沉淀把有机物转入深层或底层水中，底 层大量待分解的有机物没有足够的溶解氧供应，变为厌氧分解状态，使大量的厌 氧细菌繁殖起来；在底层将出现呼吸消耗有机物速度远远快于光合作用生成有 机物速度的腐化污染状态，并逐步向表层发展，严重时可使一部分水体完全变为 腐化区。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 生物脱氮除磷技术发展现状 1 2 1 生物脱氮除磷原理 1 2 1 1 生物脱氮原理 污水生物处理过程中氮的转化包括氨化、硝化和反硝化作用以及被微生物同 化利用【2 】。 氨化作用：污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。其中蛋白质 会被水解为氨基酸，而氨基酸进一步通过脱氨基作用产生氨氮。脱氨基方式有氧 化脱氨、还原脱氨、水解脱氨和减饱和脱氨等吲。几乎所有的异养型细菌都具有 氨化功能。在脱氮工艺中，氨化阶段反应效率很高，通常不会成为反应的限速阶 段。 硝化作用：在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，就此分两个阶段进 行，首先在亚硝化菌的作用下，使氨( n h 4 ) 转化为亚硝酸氮，反应式为： 崛+ + 昙d 2 垩塑马2 0 一+ 厶乙d + 2 日+ 一f ( f = 2 7 8 4 2 k j ) ( 1 - 1 ) 继之，亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮，其反应式为： d 2 一+ 妻q 骂d 3 一一竹( 盯= 7 2 2 7 ) ( 1 - 2 ) 硝化反应的总反应式为： a 7 ：乩+ + 2 q 专 亿) 3 一+ 乞d + 2 日+ 一， ( f = 3 5 1 k j )( 1 3 ) 反硝化作用：硝酸氮( n 0 3 。邶和亚硝酸氮( n 0 2 。- n ) 在反硝化菌的作用下，被 还原为气态氮( n 2 ) 的过程。在反硝化反应过程中，硝酸氮通过反硝化菌的代谢活 动，可能有两种转化途径，即：同化反硝化( 合成) ，最终形成有机氮化合物，成 为菌体的有机部分；另一为异化反硝化( 分解) ，最终产物是气态氮。 婀麓：茹巍姜笼薹髫靴 同化作用：污水中的一部分有机氮和氨氮会被同化为微生物细胞的组成成 分。按细胞干重计算，微生物细胞中约含氮1 2 5 【2 】。 1 2 1 2 生物除磷原理 生物除磷是利用聚磷菌一类的微生物，过量地从外部环境摄取磷，并将磷以 毫岛理工大学工学硕士学位论文 聚合的形态存储于菌体内，形成高磷污泥排出系统，达到从污水中除磷的效果。 生物除磷机理较复杂，其基本过程是： 厌氧阶段：聚磷菌处于压抑状态，可将贮存在菌体内的聚磷分解。在此过程 中释放出的能量可供聚磷菌在厌氧压抑环境下存活；另一部分能量可供聚磷菌主 动吸收矿、e 。和乙酸，使之以聚- b - 羟基丁酸( p h b ，p o l y b h y d r o x y b u t y r a t e ) 的 形式贮存在菌体内，并使发酵产酸过程得以继续进行。聚磷分解后的无机磷酸盐 释放至溶液中，即观察到聚磷菌厌氧释磷现象。 好氧阶段：聚磷菌以氧为电子受体，分解储存的p h b 和外源基质以提供能 量供细胞生长、繁殖，同耐一部分能量可供聚磷菌主动吸收超出生长需求的磷酸 盐，并以聚磷的形式贮积在体内，此即为聚磷菌的好氧吸磷现象，磷酸盐从液相 中去除。 援氧段好氧段 污笼隧! 躏【富磷 图l - l 聚磷菌的作用机理 f i g u i e 1 1i u e c h a n i s mo fp o l y p h o s p h a t ea c c u m u i a t i n go r g a n i s m s 1 2 1 3 生物脱氮除磷技术研究进展 ( 1 ) 短程硝化反硝化技术 1 9 7 5 年v o e t 发现在硝化过程中h n 0 3 积累的现象，首次提出了短程硝化 反硝化生物脱氮( s h o t c u tn i t r i f i c a t i o n d e 血i f i c a t i o n ) f 4 】，随后国内外许多学者对此 进行了试验研究。短程反硝化即n h 4 + 一n 0 2 。一n 2 ，是相对全程( 或完全) 硝化反 硝化而言的。这种方法就是将硝化过程控制在n 0 2 。阶段而终止，随后进行反硝 化。从氨的微生物转化过程来看，氨被氧化成n 0 3 。是由两类独立的细菌完成的 两个不同反应，且两类细菌的特征也有明显差异。对于反硝化菌而言，无论是 n 0 2 还是n 0 3 均可以作为最终受氢体，故将硝化反应控制在亚硝酸型硝化阶段 6 青岛理工大学工学硕士学位论又 是可行的。短程反硝化中亚硝酸盐积累受温度、氨浓度、p h 、氮负荷、有害物 质、d o 、泥龄等的影响。短程生物脱氮具有以下特点：对于活性污泥法，可节 省供氧量约2 5 ，降低能耗；减少污泥生成量达5 0 ；节省反硝化所需碳源4 0 ， 在c n 比一定的情况下提高t n 去除率；减少投碱量；缩短反应时间，减少相应 反应器容积。 ( 2 ) 同步硝化反硝化技术 同步硝化反硝化机理包括：a 宏观环境理论。由于充氧装置充氧不均或反应 器的构造原因，导致生物器内形成缺氧厌氧区，此种情况又称为宏观环境理论【5 j 。 例如在曝气生物膜反应器中，生物膜内部可能存在缺氧区，使硝化过程和反硝化 过程能在膜外层和内层同时发生。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，即为同步硝 化反硝化现象。b 微环境理论。由于氧扩散受到一定的限制，在微生物絮体内形 成溶解氧梯度，在絮体内部则可能产生缺氧区甚至厌氧区，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 ) 、搅拌程度有关。 ( 3 ) 厌氧氨氧化技术 厌氧氨氧化是在厌氧条件下，以n h 4 + 为电子供体，以n 0 3 。或n 0 2 。为电子受 体，将加f 、n 0 3 。或n 0 2 转变成n 2 的生物氧化过程。参与厌氧氨氧化的细菌是 自养菌，不需要添加有机物来维持反硝化。能开发利用厌氧氨氧百分比进行生物 脱氮，不仅可以大幅度降低硝化反应的充氧能耗，免去反硝化反应的外源电子供 体，而且还可以改善硝化反应产酸、反硝化反应产碱而均需中和的状况。 ( 4 ) 反硝化聚磷技术 1 9 9 3 年荷兰d e l 金大学的k 曲a 在试验中观察到【6 】：在厌氧缺氧交替的运行 条件下，易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能 利用0 2 或硝酸盐氮作为电子受体，其基于胞内p h b 和糖原质的生物代谢作用与 传统o 法中的聚磷菌相似。该类兼性厌氧微生物被称为反硝化聚磷菌 ( d e i l i 仃i 驰gp h o s p h o m sr e l n o v i n gb a c t e 血，d p b ) 。反硝化聚磷菌是兼性反硝化菌 的一种，它能够在厌氧过程中释放磷，并在缺氧的情况下，利用硝酸盐作为电子 受体，在完成过量吸磷的同时，将硝酸盐氮还原成氮气，从而使生物除磷与反硝 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 化脱氮有机地合二为一【7 m 】。反硝化聚磷方式在节省碳源和节省曝气能源方面具 有双重优势，而且减少了剩余污泥量，因此被誉为“可持续生物脱氮除磷工艺 【1 4 l7 】 1 2