（环境科学专业论文）低溶解氧sbr运行性能及优化控制研究.pdf

摘要 在低d o 条件下，通过p h 、d o 和o r p 在线监测手段对系统进行实时控制，并发 现在系统反应过程中的p h 值出现两次拐点，这两次拐点分别标示着释磷完全与吸磷完 全，吸磷完全时的拐点可以作为除磷完全的实时控制特征点；d o 只出现一次比较明显 的变化点，此时的n h ：- n 刚好去除完全。因此，此点可以作为n h 4 + - n 去除完全的实 时控制点；o r p 的变化情况与系统中c o d 浓度的变化情况有一定的规律，但经过多次 实验发现此点并不十分稳定。因此，此点并不能作为c o d 去除完全的实时控制点，只 能作为系统内有机物去除情况的参考点。 以污水处理量1 0 0 0 0l n 3 d 的某城镇污水处理厂为例，维持曝气池中的d o 为o 5 m g l 时比d o 为2 0m g l 时相对节省了1 7 的曝气量，这对于实际的污水处理厂来 说，节省的运行费用相当可观。本实验小试的s b r 反应器中，低d o 相对于高d o 节 省的曝气量相对较多。平均d o - - 0 5m g l 时与平均d o - - 2m g l 曝气量相比，节省了近 一半的曝气量。 关键词低溶解氧；s n d ；短程硝化；实时控制；节能效果； a b s t r a c t a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si s t h em o s tw i d e l yu s e dm e t h o da m o n gt h e m u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s h o w e v e r , t h e r ea r es o m ep r o b l e m ss u c ha sh i 曲 e n e r g yc o n s u m p t i o no fa e r a t i o na n dl o wt r e a t m e n te f f i c i e n c yd u r i n gr e a lo p e r a t i o n a tt h e c u r r e n ts t a g e ，h o wt os a v et h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fa e r a t i o n ，i m p r o v et h e t r e a t m e n t e f f i c i e n c ya n dc o n t r o ls l u d g eb u l k i n gh a v eb e c o m eah e a t e dt o p i ca n dad i f f i c u l tp o i n to fb o t h d o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d i e s t h i sr e s e a r c ha d o p t st h es b rt e c h n o l o g y , u s et h er e a ld o m e s t i c s e w a g ea st h eo b j e c to ft r e a t m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fl o wd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) a n ds t u d y s y s t e m a t i c a l l yt h ei n i t i a t i n ga n dm a i n t a i n i n g o fl o wd oc o n d i t i o n s ，f a c t o r st h a ta f f e c tt h es t a b l e o p e r a t i o no ft h es y s t e m ，t h er e a l i z a t i o no fs n da n ds h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o na sw e l la st h e d e r i v a t i o no ft h er e a l - t i m ec o n t r o la n de n e r g yc o n s e r v a t i o nt h e o r y d u r i n gt h ei n i t i a t i n gp r o c e s so ft h ee x p e r i m e n t ，w ea d o p tt h ew a yo fg r a d u a l l yd e c r e a s i n g d oa n dm a n a g et ok e e pt h ef i n a la v e r a g ed ob e t w e e n0 5m g l - 旬7m g 几a n dk e e pt h e r e m o v a lr a t eo fc o d m a i n t a i n i n ga t8 5 f r o mt h eb e g i n n i n gt ot h ee n d t h es v iv a l u er i s e s f r o m8 0m u g d u r i n gt h ee a r l yp e r i o do fi n i t i a t i n gp r o c e s sa n ds t a b i l i z e sa ta b o u t1 3 7m l j g a n d t h e e f f l u e n ts sm a i n t a i n sb e t w e e n1m 鲫- 2m 以a l t h o u g hs l i g h t s l u d g eb u l k i n g p h e n o m e n o no c c u r si nt h es y s t e m ，i td o e sn o ta f f e c tt h eo v e r a l ls e t t e a b i l i t ya n de f f l u e n te f f e c t o ft h es y s t e ma n dt h ee f f l u e n ti sc l e a r u n d e rt h ec o n d i t i o no fl o wd o ，w es t u d yt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h es t a b l eo p e r a t i o no ft h e s y s t e ma n dw o r ko u tt h a te v e r ye f f l u e n ti n d e xo ft h ea n o x i c a e r o b i c ( a o ) o p e r a t i o nm e t h o di s b e t t e rt h a nt h a to ft h ea e r o b i c a n o x i c ( o a ) o p e r a t i o nm e t h o d ，a n dt h ea e r o b i c a n o x i c ( o a ) o p e r a t i o nm e t h o di sm o r ec o m p l i c a t e da n dt r i v i a li nt h eo p e r a t i o n a lp r o c e s sa n di t i sn o tg o o d t o b e t t e rc o n t r o lt h ee f f l u e n ti n d e x ；m e a n w h i l e ，w ea l s oe x p l o r et h ei n f l u e n c e so ft h e d i f f e r e n tf mo nt h et r e a t m e n te f f e c t so ft h es y s t e m w ea l s os t u d yt h et r e a t m e n te f f e c t so ft h e s y s t e mw h e nt h ef mi s0 0 5 - 0 0 6k g c o d k g m l s s d ，0 2 加2 5k g c o d k g m l s s da n d 0 4 - 0 5k g c o d k g m l s s 。dr e s p e c t i v e l ya n df i n dt h a ta l le f f l u e n ti n d e xi sg o o dw h e nf mi s 0 2 加2 5k g c o d k g m l s s d ，n os e r i o u ss l u d g eb u l k i n gp h e n o m e n o no c c u r s ，t h es t a b l e o p e r a t i o no ft h es y s t e mc a nb er e a l i z e da n dt h ee f f l u e n tc a nr e a c hd i s c h a r g es t a n d a r d s t h e o t h e rt w of mc a nh a r d l yr e a l i z et h es t a b l eo p e r a t i o no ft h es y s t e ma n dw i l lf i n a l l yr e s u l ti n s e r i o u ss l u d g eb u l k i n gp h e n o m e n a ；t h ee x p e r i m e n ta l s os t u d i e st h ei n f l u e n c e so fs u d d e n t e m p e r a t u r ec h a n g e so nt h es t a b l eo p e r a t i o no ft h es y s t e ma n df i n d so u tt h a td r a s t i cd r o pi n t e m p e r a t u r ec a nt r i g g e rd e t e r i o r a t i o no ft h es l u d g es e t t l e a b i l i t ya n dt h es v ir i s e ss i g n i f i c a n t l y w h e ni tr e s u m e st on o r m a lt e m p e r a t u r e ，t h es v iv a l u ed e c r e a s e st oac e r t a i ne x t e n t ，b u ts t i l l n o tr e s u m et ot h en o r m a lr a n g eb e f o r et h et e m p e r a t u r ed r o p ，a n ds l u d g eb u l k i n gp h e n o m e n o n i i i a b s t r a c t i i i i i o fc e r t a i nd e g r e eo c c u r s 砀ed r a s t i ct e m p e r a t u r ed r o ph a sg r e a t e ri n f l u e n c eo nt h en i t r a t i o n e f f e c to ft h es y s t e m t h er e m o v a lr a t eo fn h 4 + - nd e c l i n e st oa r o u n d2 0 t h en i t r a t i o ne f f e c t c a nr e s u m ew h e nr e s u m i n gn o r m a lt e m p e r a t u r ea n dd r a s t i ct e m p e r a t u r ed r o ph a sl e s si m p a c t 0 nt h er e m o v a le f f e c t so fp 0 4 3 - pa n dc o d t h ec a l c u l a t i o no fn i t r o g e nb a l a n c ep r o v e st h a to b v i o u ss n dp h e n o m e n o no c c u r su n d e r t h ec o n d i t i o no fs l u d g em i c r o s l u d g eo fs b rp r o c e s s a b o u t2 3 11 o f t h et o t a ln i t r o g e nw a s r e m o v e dt h r o u g hs n dp h e n o m e n o n 、胁e l ld oc o n c e n t r a t i o nw a s0 5 m g l ，t h en i t r a t e n i t r o g e ny i e l d s t o - t h ea m m o n i an i t r o g e nd e c r e m e n tr a t i ow a s0 4 5 4 ，a n dt h en i t r a t i o nr a t i o b a l a n c e dt h e d e n i t r i f l c a t i o nr a t i o a tt h i sm o m e n t ，t h ea v e r a g ep a r t i c a ls i z eo ft h es l u d g e z o o g l o e ap a r t i c l e sw a s5 0 2l x m - - 6 8 3i t m ，i n d i c a t i n g t h a ts n di sn o to n l yt h er e s u l to f m i c r o e n v i r o n m e n te f f e c t ” t h eq u i c ks t a r to ft h es h o r tr a n g en i t r a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nc a nb er e a l i z e dw i t ht h e s y n e r g e t i ce f f e c to fd oa n dt h er e a lt i m ec o n t r o lo fp h 觞w e l la st e m p e r a t u r ea n dl o wd o t h es l u d g ew h i c hr e a l i z e s s h o r tr a n g en i t r a t i o np r e l i m i n a r i l ya n do v e r - a e r a t i o nh a v eg r e a t n e g a t i v ee f f e c to nt h ea c c u m u l a t i o no fn i t r on i t r o g e n w ea l l o c a t e da e r a t i o nt i m ep r o p e r l y , a d o p t e dt h er e a lt i m ec o n t r o ls t r a t e g ya n ds t o p p e da e r a t i o nw h e n o rb e f o r ea m m o n i an i t r o g e n f i n i s h e di t so x i d a t i o n t h ec u m u l a t i v ep e r c e n t a g eo fn i t r i t ew a sv e r yh i g h ，a n dt h i sn o to n l y 。m a k es u r et h a tt h ea m m o n i an i t r o g e nw a sc o m p l e t e l yo x i d a t e d ，b u ta l s op r e v e n tt h ef u r t h e r o x i d a t i o no fn i t r i t e t h er e a lt i m ec o n t r o lb o t hr e a l i z e st h es h o r tr a n g en i t r a t i o na n dc a n m a i n t a i nt h es t e a d yo p e r a t i o no fs h o r tr a n g en i t r a t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no f l o wd o ，w ea d o p tt h eo n l i n em o n i t o r i n gm e t h o d so fp h ，d oa n d o r pt ot a k er e a lt i m ec o n t r o lo ft h es y s t e ma n df i n dt h a tt w oi n f l e c t i o np o i n t so c c u rt ot h ep h v a l u ed u r i n gt h es y s t e mr e a c t i o np r o c e s s t h e s et w oi n f l e c t i o np o i n t sm a r k st h ec o m p l e t e p h o s p h o r o u sr e l e a s ea n dc o m p l e t ep h o s p h o r o u su p t a k e ，a n dt h ei n f l e c t i o np o i n to fc o m p l e t e p h o s p h o r o u sr e l e a s ec a nb et a k e na st h ec h a r a c t e r i s t i cp o i n to f r e a lt i m ec o n t r o lf o rc o m p l e t e p h o s p h o r o u sr e m o v a l d oh a so n l yo n er e l a t i v e l yo b v i o u sc h a n g ep o i n ta n da tt h a tm o m e n t n i - h + - ni sj n s tr e m o v e dc o m p l e t e l y t h u s ，t h i sp o i n tc a nb et a k e na st h er e a lt i m ec o n t r o lp o i n t f o rt h ec o m p l e t er e m o v a lo fn i - h + - n ；t h ev a r i a t i o nc o n d i t i o no fo l 冲a n dt h ev a r i a t i o n c o n d i t i o no ft h ec o dc o n c e n t r a t i o ni nt h es y s t e mh a v ec e r t a i nl a w s ，b u tw ef i n dt h a tt h i sp o i n t i sn o tv e r ys t a b l et h r o u g hm a n ye x p e r i m e n t s t h e r e f o r e ，t h i sp o i n tc a n n o tb et a k e na st h er e a l t i m ec o n t r o lp o i n tf o rt h ec o m p l e t er e m o v a lo fc o d ，b u tc a nb et a k e na st h er e f e r e n c ep o i n tf o r t h er e m o v a ls t a t u so fo r g a n i c si nt h es y s t e m t a k ea nu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，t h es e w a g et r e a t m e n tc a p a c i t yo fw h i c hi s 10 0 0 0 m 3 da sa ne x a m p l e i tw i l lr e l a t i v e l ys a v e17 a e r a t i o nw h e nd oi nt h ea e r a t i o nt a n ki s m a i n t a i n e da t0 5m g lc o m p a r e dw i t ht h ec o n d i t i o nw h e nd o i sm a i n t a i n e da t2 0m e r l e t oa r e a ls e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，i tw i l ls a v eac o n s i d e r a b l es h i l lo fo p e r a t i n ge x p e n s e i nt h er e a c t o r i v a b s t r a c t t h a tw a st e s t e di nt h i se x p e r i m e n t ，l o wd os a v e dm o r ea e r a t i o nt h a nh i g hd o i ts a v e sa b o u t h a l fa e r a t i o nw h e na v e r a g ed oi s0 5m g lc o m p a r e dw i t ht h ec o n d i t i o nw h e na v e r a g ed oi s2 m g l k e y w o r d s l o wd o ；s n d ；s h o r tr a n g en i t r a t i o n ；r e a lt i m ec o n t r o l ；t h ee f f e c to f e n e r g yc o n s e r v a t i o n ； v 1 绪论 1 1 课题背景 1 绪论 1 1 。1 水污染现状 水体污染是指进入水体中的污染物在数量上超过该物质在水体中的本底含量和水体 的环境容量，从而导致水体水的物理和化学性质发生变化，使水体固有的生态系统和水 体功能受到破坏【1 1 。水污染的主要原因是生活污水、工业废水不经过处理直接排入河 流，以及农药，固体废物的任意排放1 2 j 。据全球环境监测系统水质监测项目表明，两项 最重要的营养物指标，氮和磷在水体中浓度远高于天然值。 根据2 0 0 7 年中国环境状况公报【3 1 ，中国淡水总体情况如下：全国地表水污染依然 严重。七大水系总体为中度污染，浙闽区河流和西南、西北主和水质良好，湖泊富营养 化问题突出。长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大水系总体水质与上 年持平。1 9 7 条河流4 0 7 个断面中，i i i i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为 4 9 9 、2 6 5 和2 3 6 。其中珠江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮 河为轻度污染，辽河、海河为重度污染。 长江水系总体水质良好，1 0 3 个地表水国控监测断面中，i - i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为8 1 5 、3 9 、6 8 和7 8 。主要污染指标为氨氮、石油类 和五日生化需氧量。 黄河水系总体为中度污染。4 4 个地表水国控监测断面中，i i i i 类、v 类和劣 v 类水质的断面比例分别为6 3 7 、9 1 、4 5 和2 2 7 。主要污染指标为氨氮、石油 类和五日生化需氧量。 珠江水系总体水质良好。3 3 个地表水国控监测断面中，i - i i i 类、和劣v 类水 质的断面比例分别为8 1 8 、1 5 2 、3 。主要污染指标为石油类、溶解氧和氨氮。 松花江水系总体为轻度污染。4 2 个地表水国控监测断面中，i i i i 类、v 类和 劣v 类水质的断面比例分别为2 3 8 、5 2 4 、4 8 和1 9 0 。主要污染指标为高锰酸 盐指数、石油类和五日生化需氧量。 淮河水系总体为中度污染。8 6 个地表水国控监测断面中，i i i 类、v 类和劣 v 类水质的断面比例分别为2 5 6 、3 9 5 、9 3 和2 5 6 。主要污染指标为高锰酸盐 指数、五日生化需氧量和氨氮。 海河水系总体为重度污染。6 2 个地表水国控监测断面中，i i i i 类、v 类和劣 v 类水质的断面比例分别为2 5 9 、9 7 、1 1 3 和5 3 1 。主要污染指标为氨氮、高 锰酸盐指数和五日生化需氧量。 辽河水系总体为重度污染。3 7 个地表水国控监测断面中，i i i i l 类、l v 、v 类和劣 v 类水质的断面比例分别为4 3 2 、1 0 8 、5 5 和4 0 5 。主要污染指标为氨氮、五 东北林业大学硕士学位论文 日生化需氧量和高锰酸盐指数。 浙闽区河流总体水质良好。3 2 个地表水国控监测断面中，i i i i 类、类水质的断 面比例分别为7 8 2 、2 1 8 。主要污染指标为石油类、氨氮和五日生化需氧量。西南 诸河水质总体良好。1 7 个地表水国控监测断面中，i - i i i 类、一v 类水质的断面比例分 别为8 2 4 、1 1 7 和5 9 。主要污染指标为铅、高锰酸盐指数、石油类。西北诸河水 质总体良好。2 8 个地表水国控监测断面中，i i l l 类、类和劣v 类水质的断面比例分 别为8 2 1 、1 4 3 和3 6 。主要污染指标为氨氮。 在2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的2 个，占7 1 ；i i i 类的6 个，占 2 1 4 ；i v 类的4 个，v 类的5 个，占1 7 9 ；劣v 类的1 1 个，占3 9 3 。主要污染物 为总氮和总磷。在监测的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的2 个，占7 1 ；中度富营养 、的3 个，占1 1 5 ；轻度富营养的9 个，占3 4 6 ；具体的内容如表1 - 1 和表1 2 所 示。 表1 - 1 重点大型淡水湖泊水质状况 t a b 1 - 1t h ew a t e rq u a l i t yo fs o m ei m p o r t a n tf r e s h w a t e rl a k e s 表1 - 2 大型水库水质评价结果 t a b 1 - 2t h ee v a l u a t i o nr e s u l t so ft h ew a t e rq u a l i t yo fl a r g er e s e r v o i r s 1 绪论 根据2 0 0 7 年中国环境状况公报可知，我国的江河湖库污染指标中，。氮磷是出现频 率较高的污染指标，是水体富营养化的主要污染物，急需对其进行处理，以保护水环境 的质量。 1 1 2 污水处理过程节能减排的意义 水污染加剧了对污水处理厂的处理要求，污水处理过程的能源消耗也随之增高。而 我国近些年经济快速发展，能源的供给和需求矛盾日益尖锐，并已经成为制约我国一些 地区经济发展和影响地区环境质量的重要因素。 为改善城市环境质量，近几年国家投入了大量资金来解决水污染的问题。截至2 0 0 4 年底，我国6 6 1 个设市城市已建有污水处理厂7 0 8 座，全年城市污水处理量1 6 2 8 亿立 方米，城市污水处理率为4 5 7 。为进一步提高污水处理率，按照“十一五”规划的内 容，从2 0 0 6 年到2 0 1 0 年将有3 0 0 0 多亿资金，用于污水处理设施建设i 射。 而城市污水处理是能源密集的行业之一，在城市污水处理厂的运行成本中( 包括折 旧费等) ，电费大约占三分之一多，污水生物处理系统中曝气电耗占污水处理厂全厂电 耗的4 0 - 5 0 。仅以2 0 0 4 年为例，我国城市污水处理耗电量为4 0 5 亿k w h ( 以 0 2 5 k w h m 3 计) ，占2 0 0 4 年全年发电量的1 9 。随着污水排放标准的提高，能源消耗 将进一步加大，加重了我国现阶段的能源危机。 目前我国的污水处理厂，工艺主要采用活性污泥法，污水处理厂最大的运行费用支 出就是污水曝气供氧所需要的电耗。因为污水处理厂的运行费用问题，很多污水处理厂 建成后不能正常运行，不仅使污水处理设施闲置，造成极大的浪费，而且使原本稀缺的 水资源继续遭受污染。国家环保总局环境监察局在2 0 0 5 年的环保专项行动中，对我国 2 7 个省、自治区、直辖市的5 3 5 家城镇污水处理厂的运行情况进行了专项检查，发现 各地污水处理厂的运行情况不平衡，北京、天津、上海、重庆等直辖市及广东、江苏等 经济发达地区的污水处理设施运行保障情况较好，但其他地区形势十分严峻。检查的污 水处理厂中有1 0 0 余家污水处理厂存在不运行、低负荷运行、出水超标、污泥处理不当 等现象。问题最突出的1 4 家污水处理厂基本上都处于停运状态，主要原因就是运行资 金不足。在污水处理厂的建设中，国家和地方政府投入了大量资金，一般比例都在3 0 左右。这1 4 家污水处理厂使用了国债资金，总额达到5 7 3 亿元。因此开发节能高效的 污水处理新技术，改进活性污泥法的运行方式，降低供氧电耗，节约运行费用十分重要 和紧迫。 1 2 国内外污水生物脱氮除磷的研究进展 1 9 8 3 年国际水污染控制和研究协会( 国际水协会前身) 在哥本哈根举行了第一次 关于氮磷去除的国际会议，这是污水除磷脱氮技术研究和工程应用取得重大进展的标 士 j i 一。 二十世纪九十年代初期，欧州各国开始将氮磷等营养性物质列入排放控制指标。如 德国要求1 9 9 5 年8 5 的污水处理厂应达到三级处理标准，另外还要求到1 9 9 9 年污水 东北林业大学硕j ：学位论文 厂出水每2 小时的混合水样中至少有8 0 满足总无机氮= 5 m g l 的要求，达不到这两项 标准就需要交纳排污费。污水法规的确立推动了污水处理中脱氮除磷技术的发展，同时 也吸引了众多研究学者，使这一研究向着更科学的方向发展。 我国于1 9 9 8 年1 月1 日实施的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 对排放污水中 的氮、磷等营养物质提出了更高的要求。2 0 0 2 年，国家环保局和国家质量监督检验检疫 总局联合发布了城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 并于2 0 0 3 年7 月 1 日起实施。对氨氮、总氮、总磷提出了更加严格的要求因此如何污水处理工艺的脱氮 除磷的效果是当今的研究热点，也是各污水处理厂必须面对的问题。 1 2 1 国内外生物脱氮的研究进展 废水生物脱氮是在硝化和反硝化菌共同参与的反应过程，将氨氮最终转化为氮气而 将其从废水中去除的。硝化和反硝化反应过程中所参与的微生物种类不同、转化的基质 不同、所需要的反应条件也各不相同，如表1 3 所示【5 1 。 表1 3 生物脱氮中生物的生化特性 t a b 1 - 3t h eb i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fo 唱a n i s m si nb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n 传统的生物脱氮技术主要由两个过程组成：氨化硝化反应和反硝化反应。硝化反 应是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程，它包括两个基本的反应步骤：亚硝化菌 ( n i t r o s o m o n a s ) 首先将氨氮转化为亚硝态氮( n 0 2 ) ；然后硝化茵( n i t r o b a c t e r ) 将亚 硝酸盐转化为硝酸盐( n 0 3 ) 。硝化细菌的主要特征是生长速率低，这主要是由于氨氮 和亚硝酸氮氧化过程产能低所致。硝化反应过程需要在好氧条件下进行，并以氧作为电 子受体。 反硝化反应是指硝态氮( n 0 3 - n ) 和亚硝态氮( n 0 2 - - n ) 在反硝化菌作用下，被还 原为气态氮( n 2 ) 的过程。在此过程中，有两种可能的转化途径，即：同化反硝化( 合 成) ，最终形成有机氮化物，成为菌体的组成部分；另一为异化反硝化( 分解) ，最终产 物是气态氮。反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物，其反应需在缺氧的条件下进 行。反硝化反应过程中，反硝化菌需要有机碳源作为电子供体，利用的n o x 中的氧进行 缺氧呼吸。 1 绪论 最近的有关研究表明1 6 j ，生物脱氮过程出现了些超出人们传统认识的新发现。硝 化过程不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以参与硝化作用；某些微生物在好氧条件下 可以同时进行硝化和反硝化作用；氨氧化也可以在厌氧条件下发生等等。这些新发现为 生物脱氮技术的发展提供了新的理论依据和设计思路。目前主要的新技术如下： 1 2 1 1 同步硝化反硝化技术( 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 。s n d ) 同步硝化反硝化就是硝化反应和反硝化反应在同样的运行条件下、同样的反应器中 完成i 邵】。同步硝化反硝化技术为传统连续流工艺节省缺氧池容积提供了条件。t u r k 和 m a v i n i c 发现了关于同步硝化反硝化工艺的许多优点【9 , 1 0 ，例如减小反硝化反应所需的碳 源、降低缺氧池容积等。因此在对进水c n 比值较低的城市污水进行脱氮除磷时运用这 一技术具有明显的优势。 关于同步硝化反硝化的解释可以分为两大类：传统解释理论【1 1 , 1 2 和微生物作用理论 1 3 - 1 5 】。传统的观点解释如下：由于扩散传质的影响溶解氧浓度在菌胶团或生物膜产生浓 度梯度时，硝化菌主要富集于菌胶团外部、溶解氧浓度较高的区域，而反硝化菌主要富 集于菌胶团内部、溶解氧浓度较低的区域。活性污泥菌胶团和微生物膜中存在着溶解氧 浓度梯度的观点已经分别被微生物电极监测【1 1 】和1 5 n 示踪技术所证明f 1 2 l 。 微生物作用的解释原理与传统的“工程上”的概念明显相悖。微生物学家已经发现了 好氧反硝化菌以及异养硝化菌的存在1 1 6 1 7 1 。p a r a c o c c u sd e n i t f i f i c a n s 就是一种典型的好氧 反硝化菌。这种菌甚至能在氧饱和的条件下进行反硝化反应 1 8 ，1 9 】。近期新发现的好氧 反硝化菌， 如m i c r o v i r g u l aa e r o d e n i t r i f i c a n s 1 6 1 和t h a u r e am e c h e m i c h e n s i s l 2 0 】，还具有同 步异养硝化和好氧反硝化的能力。异养硝化菌尽管比较难于从异养菌中分离鉴别出来， 但还是发现了如a l c a l i g e n e ss p ，c o r y n e b a c t e r i u ms p ，a c i n e t o b a c t e rs p ，x a n t h o m o n a s s p 和b a c i l l u ss t r a i n s l l 让1 - 2 4 等异养硝化菌。而且厌氧氨氧化工艺的发展与应用，。为硝化 反应在完全厌氧的条件下进行提供了充足的说明与依据。 由于s n d 的机理尚未十分清晰，不同的学者分别支持上述的两种观点，还有可能 是上述两个原因共同作用的结果【1 5 , 1 8 j ，但是哪种作用占主导还不是很清晰。尽管在许多 文献中均报道了s n d 的发生，但是其作为单一的脱氮技术用于试验和实际工程条件尚 未成熟。 1 2 1 2 短程硝化反硝化技术 传统硝化工艺中将氨氮完全氧化成硝酸盐氮( 全程硝化) 。但是对于生物脱氮工 艺，硝化过程中从n o r n 转化为n 0 3 n 与反硝化过程中n 0 3 - n 转化为n 0 2 - n 这两个 过程，是完全可以避免的弯路，即这阶段反应可以省去。从微生物水平上来说，氨氮被 氧化成硝酸氮是由两类独立的细菌完成，对于反硝化菌无论是硝酸氮还是亚硝酸氮均可 以作为最终受氢体。1 9 7 5 年，v o e t s 等在处理高浓度氨氮废水的研究中，发现了硝化过 程中n 0 2 - - n 积累的现象，首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念f 2 5 1 。其基本原理 是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后通过反硝化作用将亚硝酸氮还原为氮气，是经 n h 4 + n _ n 0 2 n 叶n 2 这样的途径完成，整个过程较全程硝化反硝化大大缩短。短程硝 东北林业大学硕士学位论文 化的标志是有稳定且较高的n 0 2 n 积累，即亚硝酸氮积累率较高。对比于传统的硝化 反硝化技术，短程硝化反硝化具有如下优点【2 6 明： ( 1 ) 在好氧段节省2 5 的供氧量，节省6 0 的能耗： ( 2 ) 可减少投加碱度，降低对外碳源的要求( 达到4 0 ) ，降低运行费用； ( 3 ) 亚硝酸盐反硝化速率以1 5 2 倍的硝酸盐反硝化速率进行； ( 4 ) 减少c 0 2 排放量2 0 ； ( 5 ) 硝化过程中减少3 3 - 4 0 的污泥产量，在反硝化过程中减少5 5 的污泥产 量。 ( 6 ) 反应器的容积可减少3 0 4 0 ； 短程硝化反硝化在经济上和技术上均具有较高的可行性，特别是应用于处理高氨氮 浓度和低c n 比的污水 2 7 , 2 8 。s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rs y s t e mf o rh i g ha m m o n i a r e m o v a lo v e rn i t r i t ep r o c e s s ) 工艺是第一个成功实现短程硝化和反硝化技术并被应用的 工艺，但是s h a r o n 工艺的运行条件，如高温、高氨氮浓度限制了工艺的发展和应用。 目前随着微生物技术的快速发展，研究人员开发了许多种实现短程硝化反硝化的方法： 温度、污泥龄、运行方式、d o 、p h 值、基质浓度与负荷和抑制剂等。主要的目的和方 法是通过不同的活化能、不同的污泥龄、不同的氧半饱和常数、不同的抗毒性物质的能 力来淘洗硝化菌并累积亚硝化菌。 通过对文献中短程硝化反硝化的影响因素进行研究可以发现，要获得稳定的亚硝酸 盐的积累可以通过单纯的控制某一个参数获得。但这些控制参数间具有很强的联系，如 p h 值、基质浓度和游离氨浓度等。在实际应用过程中应该对这些参数进行综合考虑。 目前的研究认为，各种抑制剂抑制原理和抑制作用有所不同。例如游离氨和氯酸盐 均可通过抑制硝酸菌的生长而达到积累亚硝化菌的目的，氯酸盐只是抑制硝酸菌而不抑 制亚硝化菌，并且这种抑制作用是不可逆的，是选择性杀死。而游离氨是选择性抑制， 和抑制剂的作用机理不相同。 一 1 2 1 3 厌氧氨氧化( 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 ) 厌氧氨氧化工艺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 ) 是荷兰d e l f t 工业 大学于2 0 世纪末开始研究，并于2 1 世纪初成功开发的一种新型的废水生物脱氮工艺 【2 9 1 ，现已经开始应用于污泥消化液的脱氮问题【3 0 ，3 1 1 。该工艺是在厌氧条件下由厌氧氨氧 化菌以亚硝酸盐作为电子受体将氨氮直接氧化为氮气的过程，见图1 - 1 。二氧化碳是厌 氧氨氧化菌生长的主要碳源和能源【3 2 】厌氧氨氧化反应过程的化学计量学可由下式表示 【3 3 1 ： n h ：+ i 3 1 n o i + 0 0 6 6 h c 0 ；+ o 1 3 + 一，、 1 0 2 n 24 0 2 6 n o ；+ 0 0 6 6 c h 2 0 0 jn o 1 5 + 2 0 3 h 2 0