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太原理工大学硕士研究生学位论文 i 有机物浓度对硝化作用影响的试验研究 摘 要 本课题选用悬浮球形填料作为复合生物反应器的填料研究其 挂膜有机物去除和硝化作用主要包括以下几部复合生物反应 器的启动hrt气水比污泥回流比对复合生物反应器处理效果 的影响ph 值do 和系统优化后高有机物浓度对硝化作用的影响 试验研究结果如下 1 复合生物反应器的启动 温度在 25-27?do 为 4.0-4.8 mg/l 的条件下历时二十五天完成挂膜挂膜成功后对反应器中的微生 物进行驯化培养出耐冲击负荷能力强的处理效率高的微生物驯 化过程历经 40 天当出水的 cod 和 nh3-n 的浓度以及二者的去除 率都能达到稳定水平时驯化工作完成结束驯化 2hrt 和气水比对复合生物反应器运行效果影响试验表明 hrt 为 7h 和 5h 时 cod 和 nh3-n 的去除效果相差不大综合比较 分析复合生物反应器的水力停留时间定为 5h气水比为 251 比 较合适 3有机负荷对复合生物反应器运行效果影响试验表明随着 进水的有机负荷从 2.03kgcod/(m3d)增加到 5.49kgcod/(m3d)反 应 器对 cod 的去除率从 84.36%逐渐增大到 91.63%然后逐渐减少到 80.62%最后又缓慢回升到 81.10%nh3-n 去除率则从 73.72%逐 渐增大到 77.47%然后迅速减少到 60%左右最后又稳定在 55%左 右 4ph 值对硝化作用的影响试验表明在进水 ph 值从 6-9 逐 渐增高的变化的过程中nh3-n 去除率呈先逐渐增大后又逐渐减小 的趋势ph 值在 7.2 以下和 8.6 以上时硝化反应不能正常进行 这两个范围内的 nh3-n 去除率都比较低ph 值在 7.2到 8.6之间时 太原理工大学硕士研究生学位论文 ii 硝化反应明显nh3-n 去除率也比较高都在 60%以上并且在 ph 值为 7.8 时nh3-n 的去除率达到最大值 5do 值对硝化作用的影响试验表明do 在 3.0-5.5mg/l 的 范围内时nh3-n 的去除率在 60%以上这个范围内硝化细菌能 够迅速的生长繁殖和新陈代谢 硝化作用比较明显 当 do 在 3.0mg/l 以下和 5.5mg/l 以上时硝化作用效果又逐渐减小 6系统参数优化后复合生物反应器处理效果试验表明在 hrt=5h有 机 负 荷 =3-4.5kgcod/(m3d)ph=7.2-8.6do=3.0- 5.5mg/l污泥回流比 r=150%t=22-26?的条件下进水水质模拟 生活污水活性污泥和生物膜上的微生物能够达到非常高的活性 系统的整体去除功能达到最优从而使复合生物反应器对 cod 和 nh3-n 的去除都能达到很好的效果当系统运行稳定后cod 的去 除率趋于 92%左右硝化率能够稳定在 78%左右 7系统优化后高有机物浓度对硝化作用的影响试验表明将 进水 cod 浓度从 400mg/l 逐渐增加到 2000mg/l进水 nh3-n 浓度 维持在 30-45mg/l 之间运行 30 天nh3-n 的去除率随着 cod 浓度 的逐渐增高从 80%左右逐渐降低到-25.9%硝化反应能力呈逐渐减 小的总体趋势 关键词复合生物反应器活性污泥法生物膜法硝化 太原理工大学硕士研究生学位论文 iii the study of the influence of organic matter concentration on nitrification abstract this subject chose suspended spherical filler as microbe carrier for the hybrid biological reactor to study the subjects of biofilm culturing, organic matter removal and nitrification. the study concerns about the affection of some factors such as the start-up of the reactor, hrt, ratio of air to water, sludge reflux ratio on the treatment effect of the hybrid biological reactor. however, the focal point is the impact of ph value, do, high concentrations of organic matter in the optimized systems on the nitrification. the results are as follows: (1) the temperature of the start-up period of hybrid biological reactor was 25-27?and the do is 4.0-4.8 mg/l. this period lasted 25 days to form biofilm. then the micro-organisms in the reactor were acclimated to get strong impact resistant capacity and high treatment efficiency. once more, this period lasted 40 days when the concentration and removal efficiency of effluent cod and nh3-n became stable and demonstrated the completion of the acclimation. (2) the influences of hrt and ratio of air to water on the running effect of the reactor show that it has an insignificant difference in the cod removal efficiency whether hrt is 5h or 7h, but it does have a high nh3-n removal efficiency when hrt is 5h. so the decided suitable hrt of the reactor is 5h and ratio of air to water is 25:1 after comprehensive 太原理工大学硕士研究生学位论文 iv comparison. (3)the study of influences of organic load on the operation shows that: with the influent organic load rising from 2.03kgcod/(m3 d) to 5.49kgcod/(m3 d), cod removal rate of the reactor gradually increased from 84.36% to 91.63% , then gradually reduced to 80.62%, finally recovered slowly to 81.10%; nh3-n removal rate increased from 73.72% to 77.47%, and then rapidly reduced to 60% , finally became stable at 55%. (4) the study of influences of ph value on nitrification shows that: when ph value in the influent was gradually increased from 6 to 9, the removal rate of nh3-n was first increasing and then gradually decreased. when ph value was below 7.2 or above 8.6, the nitrification couldnt proceed as usual. the removal rate of nh3-n was relatively low in either scope. when ph value was between 7.2 and 8.6, the nitrification took place significantly. yet the removal rate of nh3-n is also relatively high, which is more than 60%. when the ph value was at 7.8, the removal rate of nh3-n was the maximum. (5) the study of influences of do value on nitrification shows that: when do was between 3.0 and 5.5mg/l, the removal rate of nh3-n was above 60%. within this range, nitrifying bacteria growed rapidly, and metabolism went on fast. so the effect of nitrification was noticeable. but when do was below 3.0mg/l or above 5.5mg/l, the effect of nitrification gradually reduced. (6)after the optimization of system parameters, the effects of reactor show that: with hrt = 5h, organic load = 3-4.5kgcod /(m3 d), ph =7.2-8.6, do = 3.0-5.5mg/l, sludge reflux ratio r=150%, t =22-26?, and the influent water simulating domestic sewage, the bioactivity of the microorganisms of activated sludge and biofilm was high. therefore the purifying function was optimal and the removal effect of cod and nh3- 太原理工大学硕士研究生学位论文 v n were satisfying. when the system is running stablethe removal rate of cod was tended to 92% ,nitrification rate can be stabilized at 78%. (7) after the optimization of system parameters, the study of the influences of high organic matter concentration on nitrification shows that: when the influent cod concentration increased from 400mg/l to 2000mg/l in 30 days, the nh3-n concentration were stable on 30-45 mg/l. but the removal rate of nh3-n was gradually decreased from 80% to 25.9% with the increasing of cod concentration. the overall nitrification capacity was gradually weekened. key wordshybrid biological reactoractivated sludge process biofilm processnitrification 太原理工大学硕士研究生学位论文 iv 符号说明 论文中出现的主要符号及其对应中文含义列于下表中以供参 阅其它符号在论文中的出现处均有说明 符号对应表 the corresponding meaning of the signs 符号中文含义备注 1nh4+-n氨氮也写作nh3-n 2cod化学需氧量单位mg/l 3do溶解氧单位mg/l 4t温度水温单位c 5hrt水力停留时间单位h 6srt泥龄单位天 7phph值无量纲 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1 . 1研究课题的提出 我国的经济一直在稳步发展但很大程度上都是靠牺牲生态环境换来的 尤其是一些化工厂造纸厂和制药厂等排放的废水污染特别严重为治理污水 污染国家出台了很多政策治理水污染取得了不少成效但还有很多处理工艺 需要深入研究和发展 当前我国污水处理的方法主要有物理处理法化学处理法物理化学处理 法和生物处理法 物理处理法是指通过物理作用分离和去除污水中不溶于水的悬浮固体的方 法1主要分为重力分离法筛滤截留法离心分离法等这些方法所用的设 备都比较简单操作也方便使用非常广泛分离效果也比较可观但是物理 处理法在实际的污水处理系统中往往作为预处理工序使用因而这方面的研究 比较单一多数研究的重点在设备的改进 化学处理法是通过化学反应和传质作用来分离去除污水中呈溶解胶体 状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理法以投加药剂产生化学反应 为基础的处理单元有混凝中和氧化还原等以传质作用为基础的处理单元 有萃取汽提吹脱吸附离子交换以及电渗吸和反渗透等处理方法主要 有废水臭氧化处理法废水电解处理法废水化学沉淀处理法废水混凝处理 法废水氧化处理法废水中和处理法等化学处理法最突出的优点是能迅速 有效地去除更多的污染物可作为生物处理后的三级处理措施此法还具有设 备容易操作容易实现自动检测和控制便于回收利用等优点化学处理法能 有效地去除废水中多种剧毒和高毒污染物但是化学处理法处理比较昂贵 不能成为生活污水处理工艺的主流 物理化学处理法是运用物理和化学的综合作用使废水得到净化的方法它 是由物理方法和化学方法组成的水处理系统或是包括物理过程和化学过程的 单项处理方法如浮选吹脱结晶吸附萃取电解电渗析离子交换 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 反渗透等如为去除悬浮的和溶解的污染物而采用的化学混凝 沉淀和活性 炭吸附的两级处理是一种比较典型的物理化学处理系统此法的优点占地 面积少出水水质好且比较稳定对水量水温和浓度变化适应性强可去 除有害的重金属离子除磷脱氮脱色效果好管理操作易于自动检测和自 动控制等但是处理系统的设备费和日常运转费较高 生物处理法主要是利用以有机物为营养物质的微生物将水中可氧化分解的 有机物转化为无机物采用一定的人工措施创造有利于微生物生长繁殖的 环境使微生物大量繁殖通过微生物的代谢作用使废水中呈溶液胶体以 及微细悬浮状态的有机污染物转化为稳定无害的物质的废水处理法根据 作用微生物的不同生物处理法又可分为需氧生物处理和厌氧生物处理两种类 型其中广泛使用的是需氧生物处理法按传统需氧生物处理法又分为活性 污泥法和生物膜法两类活性污泥法本身就是一种处理单元它有多种运行方 式属于生物膜法的处理设备有生物滤池生物转盘生物接触氧化池以及生 物流化床等生物处理法是水处理应用最久最广且相当有效的一种方法各国 的专家对生物处理方法的研究一直以来就没有停止过从而产生了多种多样的 生物处理法仅活性污泥法就包含了 sbr 法氧化沟法ab 法ao 法等传 统的行之有效的方法生物膜法的研究更是层出不穷活性污泥法和生物膜法 的研究推动了污水处理行业的不断发展和进步产生了很多效果显著的处理方 法 近年来将活性污泥法和生物膜法结合起来研究的一种新工艺 复合生物反 应器因其避免了活性污泥法和生物膜法的缺陷发挥了二者的优点被广泛 关注对该法的研究和应用也具有广泛的前景 1 . 2课题研究的目的和意义 1 . 2 . 1课题研究的目的 在污水处理的发展史上最初人们对于污水处理的要求主要是去除悬浮物 和有机物因而 90 年代以前国内修建的城市污水处理厂大都没有脱氮除磷功 能近年来由于氮磷在水中的积累造成的水体富营养化水体缺氧和毒害 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 水中生物等现象引起了国内外的广泛关注从而国内外对废水处理的排放限制 标准也规定了污水排放中的氮磷含量研究开发经济有效的脱氮除磷工艺 合理控制氮磷废水的污染已成为环保领域面临的重要课题基于此环境工作 者经过努力研究出了许多具有脱氮除磷功能的污水处理工艺其中复合生物反 应器工艺在污水处理中的应用格外引人注目人们对它的研究也越来越多 复合生物反应器是活性污泥法和生物膜法的有机结合复合生物反应器水 体中既存在附着生长在各种物体表面的微生物又存在悬浮微生物反应器内 能够保持较高的微生物量提高了系统的有机负荷和效率对于氮磷的去除 效果显著是一种经济高效的污水处理技术 本课题以人工配制的污水为研究对象在复合生物反应器中投加悬浮球型 填料作为生物膜的载体通过培养活性污泥和生物膜研究不同有机物浓度条 件下反应器中的硝化反应 1 . 2 . 2课题研究的意义 随着中国经济的快速发展水体污染现象加重水资源供需矛盾激化为 此我国于 2003 年 7 月 1 日起实施城镇污水处理厂污染物排放标准 (gb18918-2002)与原来的污水综合排放标准(gb8978-1996)相比该标准 不仅提高了对城镇污水处理厂出水氨氮动植物油石油阴离子表面活性剂 等水质指标的要求而且新增了总氮和粪大肠菌群等指标使脱氮技术成为城 镇污水处理厂处理工艺不可或缺的一部分 国内现有的多数城镇污水处理厂主要去除污水中的悬浮物有机物等污染 物设计之初并没有考虑氮的去除因而该指标往往不能满足新标准要求于 是新建城镇污水处理厂或旧厂改造更多的采用了 sbr 及其变种(iceas dat- iatcasscaspcastideaunitankmsbr)a/0a2/0 氧化沟等这些工艺都以传统生物脱氮理论为依据通过硝化-反硝化过程使 nh3-n 转化为 no3-n 并最终转化为 n2释放到大气中尽管其中的一些工艺巧 妙利用硝化液回流循环跑道式的水流方式解决了反硝化过程中有机碳源短缺 的问题但其除氮的理论值却不是 100%(与硝化液的回流比有关)也不可能摆 脱传统脱氮工艺所具有的先天性缺点均为低负荷处理工艺水力停留时间长 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 能耗高曝气池容积及运行费是高中负荷工艺的几倍这些工艺对有机物 氮磷的去除是有效的是欧美等发达国家污水处理的主导技术但不符合我 国国情 因此研究和开发高效经济可行的污水脱氮新技术特别是适用于高 有机物高氨氮浓度工业废水的脱氮技术已成为亟待解决的世界性环保课题 之一 1 . 3课题来源及研究内容 1 . 3 . 1课题来源 本课题为山西高校科技研究开发项目 “生物膜法脱氮技术开发及去除机理 的研究”的部分内容 1 . 3 . 2课题研究的内容 1研究试验装置的设计参数定制适合研究课题的试验装置 2复合反应器的启动试验研究包括启动过程中的活性污泥接种悬浮填 料的挂膜并且考察启动试验期间 cod nh3-n 的去除率和微生物的生长情况 3研究不同 hrt 和气水比有机负荷和污泥回流比条件下 codnh3-n 的去除效果的影响不同 ph 值do 条件对复合生物反应器硝化作用的影响 4研究进水 cod 浓度逐渐增高情况下对硝化反应的影响 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 第二章 文献综述 2 . 1水体中氮的来源及危害 2 . 1 . 1水体中氮的来源 近年来人们的生产和生活过程中氮的产生量越来越大进入水体的氮的来 源也越来越多据估计全球河流溶解氮自然排放量为 1500 万吨全球每年向 河流的人为排放量估计为溶解氮 7003500 万吨这些营养物中有约 44 万吨 的氮进入到深海的悬浮沉积物中综合起来有以下几个渠道2-7 1大气中 大气中化石燃料燃烧和汽车尾气排放的氮氧化物和由雷电产生的 n2o5转而 形成硝酸等含氮化合物一旦受降淋洗就进人地面水体中 2生活污水 生活污水中常含有一定数量的氮大部分是来自人类的排泄物和洗涤剂 生活污水中的氮主要来自人体食物中蛋白质代谢的废弃产物新鲜生活污水 中的有机氮约占 60%氨态氮约占 40%硝酸态氮仅微量陈旧生活污水中有 机氮转变成氨态氮而使氨态氮比例上升 3.工业废水 工业废水也是水中氮的重要来源不少工厂在生产过程中会产生含氮的废 水如焦化厂化肥厂石油化工厂纺织印染厂制药厂等废水中均含有大 量氮而食品加工发酵鱼品加工化肥洗涤剂生产金属抛光等工厂的 废水中也含有大量的氮生活污水和工业废水经生化处理后剩余的大部分氮 随出水排入河道这是城市附近河道中氮的主要来源 4.农业排水 农田中施用的含氮肥料除一部分真正被农作物吸收利用外其余的被土 壤吸附残留和溶于水中相当部分通过雨水冲淋入江河湖泊据巨晓棠等研 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 究专家的统计我国农田中施用的氮肥的利用率只有 30%35%65%70%的 氮肥都跑到水里大气中去了近年来化肥的大量使用以及可耕地土壤质 量的降低导致肥料成分更加容易流失氮大量进入水体这是导致我国水体 氮污染的非常重要的来源 5.家畜排水 大量饲养家畜家禽其废弃物和排泄物中含有大量氮如以单位个体计 牛排泄物的污染量约为人体排泄物污染量的 4 倍随着雨水的冲刷大量地进 入水体 6.水产养殖. 水产养殖业的发展由于残饵悬浮物以及鱼类的排泄物粪便的污染 引起了养殖场和其周围水域的水质底泥的环境恶化及水中氮含量的增加 7.底泥 在底泥表层或其上面的新生沉积物中所含的氮直接或通过底泥粒子间的 间隙水等溶入水中形成二次污染源湖泊和海域底质中所含氮的量能够达 到 l000-10000ppm对水体能够构成很大的污染 2 . 1 . 2水体中氮的危害 随着工农业的迅速发展人口的大量增加和人们生活水平的逐渐提高氮 污染的来源还会越来越多污染的层面越来越广氮污染对水体的危害主要有 以下几个方面8-12 1氮对水体的危害主要体现在引起水体富营养化 富营养化会使水中藻类恶性繁殖大多数种类的蓝藻会使水产生霉味和腥 臭味许多种藻类还会产生毒素可富集在水生生物体内并通过食物链影响 人类的健康藻类死亡腐败后被微生物分解消耗大量溶解氧严重影响鱼类 的生存含有大量藻体可使水流变缓长期下去大量藻类遗体可使河流和湖泊 变浅淤塞,最终成为沼泽地近海水域由于氮污染造成海域营养过剩耗氧藻 类过度繁殖会引起鱼类和无脊椎动物的大量死亡改变底栖生物群落的组成 使珊瑚礁窒息而亡由此引起的赤潮棕潮绿潮依海藻颜色不同而称呼 在世界沿海区都有发现其中包括如波罗的海菏兰瓦登海北海黑海日 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 本赖户内海墨西哥湾美国北卡罗来纳沿海加拿大爱德华王子岛沿海等处 对海洋渔业资源和海洋生态环境带来极大的破坏 2影响给水水源增加了给水处理的成本 在自来水厂加氯处理时原水中少量的氮含量会使加氯量大大增加每克 氨态氮须增加 810 克氯气原水中的藻类会堵塞滤池同时增加脱色除臭 除味所加的化学试剂的量而且滤池的反冲洗用水亦将增加 3还原态氮排入水中会因硝化作用而消耗水中大量的溶解氧 一个氨态氮氧化成硝酸态氮需耗去四个氧其质量为氨态氮的 4.57 倍从 而使水中溶解氧降低实验证明水中溶解氧低于 4mg/l时鱼类就难以生存 溶解氧耗尽后有机物在厌氧条件下分解会放出 h2s 和 nh3的臭气使水质进一 步恶化 4化合态氮对生物和人体具有毒性 水中氨氮含量超过 lmg/l 时即会使水生生物血液结合氧能力降低超过 3mg/l 时可于 2496 小时内使金鱼鳊鱼等死亡若饮用氨态氮含量超过 10mg/l 的水(或硝酸态氮 50mg/l) 可引起高铁血红蛋白症即当亚硝酸盐存 在时它可以把血液中输氧血红蛋白中的二价铁氧化成三价铁变成高铁血红 蛋白从而失去输氧作用严重时会发生窒息现象有机氮化物在水中经微生 物作用可硝化分解为硝酸盐再经还原为亚硝酸盐它们在人体中可与仲胺 作用生成强烈致癌致畸物亚硝胺 2 . 2生物脱氮 2 . 2 . 1生物脱氮的原理 传统的生物脱氮方法指通过微生物的硝化和反硝化来脱除水中的氮11 13 硝化作用是指氨氮氧化为亚硝态氮和硝态氮的生物学反应在好氧条件下由 亚硝酸细菌将 nh4+-n 氧化为 no2-n再由硝酸细菌将no2-n 氧化为 no3-n 至今还没发现能够把氨直接氧化为硝酸的微生物亚硝酸细菌和硝酸细菌统称 为硝化菌其反应历程为 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 亚硝化反应nh4+ o2+hco3-?no2-+ h2o+ h2co3 2-1 硝化反应 2no2-+ o2?2no3- 2-2 比较上面两个式子可知亚硝酸反应产生大量的 h+使系统 ph 值降低 而硝化过程对系统 ph 值无影响亚硝化过程和硝化过程好氧比为 31 亚硝化细菌和硝酸细菌的生理特性大致相似但前者的世代周期短生长 较快因此能适应冲击负荷和不利的环境条件当硝酸菌受到抑制后将出现 no2-积累现象 反硝化作用是指硝态氮亚硝态氮及其它氮氧化物被用作电子受体而还原 为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应这个过程由反硝化细菌完成该 反应历程为 no3-+5h有机电子供体?1/2n2+2h2o+oh- 2-3 no2-+3h有机电子供体?1/2n2+2h2o+oh- 2-4 反硝化菌多数是兼性细菌有分子态氧存在时反硝化菌氧化分解有机物 利用分子氧作为最终电子受体在无分子氧情况下反硝化菌利用硝酸盐和亚 硝酸盐中 n5+和 n3+作为能量代谢中的电子受体被还原o2-作为受氢体生成 h2o 和 oh-碱度有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定 由上述可知亚硝酸细菌和硝酸细菌是化能自养菌硝化反应需在好氧条 件下进行反硝化细菌是化能异养菌反硝化反应需在无氧条件进行 传统的生物脱氮原理具有很多局限性例如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的更为明显反硝化反应需要电子供体特别是对于 低 c/n 比废水则常常需额外碳源物质会增加运行费用这就限制了脱氮工 艺的发展一些新的研究表明自然界中存在着多种新的氮素转化途径如好氧 反硝化异养硝化厌氧氨氧化或者由自养硝化细菌引起的反硝化对这些新 的氮素转化途径的研究又导致了多种新型生物脱氮工艺的产生这为解决传统 生物脱氮工艺中存在的诸多问题开辟了新途径 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 2 . 2 . 2生物脱氮工艺 1同时硝化反硝化 随着检测技术的发展和对微生物生理过程研究的不断深入研究人员在自 然界和污水处理设施中陆续发现好氧反硝化菌和异养硝化菌的存在好氧反硝 化菌和异养硝化菌的发现促进了人们对好氧反硝化异养硝化和自养反硝化过 程的研究当硝化和反硝化在同一反应器中同时进行时则称为同时硝化反硝 化1320 stimultaneous nitrification denitrification简称 snd对于 snd 工艺而言 由于硝化和反硝化在同一反应器中同时进行反硝化产生的 oh-可就地中和硝 化产生的 h+减少了 ph 值的波动可提高反应效率对同时硝化反硝化现象 的解释可以分为两大类一类是从微生物的生理学角度来解释可称之为生物 论一类是从微生物所处环境角度来解释可称之为生境论其中生境论还可 分为宏观生境论和微观生境论生境论的解释来源于近年来微生物学家发现好 氧反硝化菌和异养硝化菌的存在如 thiosphaera 等好氧反硝化菌同时也是异养 硝化菌宏观生境论的解释源于反应器中溶解氧浓度分布的不均匀性而同时 存在缺氧区和好氧区微观生境论认为在好氧条件下活性污泥的外部为好氧 区可进行生物硝化而在污泥内部则可形成缺氧区进行反硝化从而在硝 化时具有一定的反硝化能力 2亚硝酸硝化/反硝化 从氮的微生物转化过程来看氨被氧化为硝酸是由两类独立的细菌催化完 成的两个不同反应应该可以分开亚硝酸菌和硝酸菌这两类细菌的特征也有 明显的差异通过利用这种差异控制反应条件将硝化过程控制在氨氮氧化 到亚硝酸盐氮为止这就是生物亚硝化反应2123其反应式如下 nh4+ 1.5o2?no2-+ 2h+ 2-5 荷兰 delft技术大学根据该原理开发了一种新型的生物脱氮工艺 sharon 工艺在 sharon 工艺中将氨控制在亚硝化过程阶段是关键他们认为 sharon 工艺只适合于处理高浓度的含氨废水与传统生物脱氮工艺相比 sharon 工艺至少具有以下优点1可节省反硝化过程所需的外加碳源即 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 no2反硝化比 no3反硝化可节省 40%的碳源2因为只需将氨氮氧化到亚 硝酸盐可减少 25%的供气量降低能耗 3厌氧氨氧化 对于反硝化菌无论是 no2还是 no3均可以作为最终受电体而电 子供体可以是有机物也可以是还原化合物如硫化物或氢因而生物 脱氮过程也可经 no2no3到 n2这样的途径自养完成到目前为止主 要集中在厌氧氨氧化anammox现象 2426 其反应式为 3no3-+5 nh4+?4n2+9h2o+2h+ 2-6 no2-+ nh4+?n2+2h2o 2-7 该工艺的最大优点不需要消耗有机碳源而达到较好的脱氮效果即 脱氮过程不受废水 c/n 的限制但 anammox 细菌增长速度慢泥龄很 长因此启动耗时长但剩余污泥量少 4sharonanammox工艺 尽管 sharon 工艺以好氧/厌氧的间隙方式运行处理高氨废水取得较 好的效果但由于反硝化需要消耗有机碳源并且出水浓度较高因此 目前很多研究改为以 sharon 工艺作为亚硝化反应器而 anammox 工 艺作为反硝化反应器进行组合工艺的研究 27 新型组合工艺反应式 0.5nh4+0.75o2?0.5no2-+ h+0.5h2o 2-8 0.5nh4+0.50no2?0.5n2+ h2o 2-9 nh4+0.75o2?0.5n2+ h+1.5h2o 2-10 联合的 sharonanammox 工艺具有好氧量少污泥产量少不需外 加碳源等优点 2 . 3活性污泥法概述 2 . 3 . 1活性污泥法的发展历程28 1914 年e.ardern 和 w.t.lockett 在英格兰创立了活性污泥工艺他们发 现通过对污水曝气可以形成絮状悬浮颗粒当这些悬浮颗粒保留在系统当中时 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 有机污染物去除的时间由几天缩短到几个小时他们称这些悬浮颗粒尤其是 由沉淀池当中收集到的颗粒是有“活性”的因此称这种工艺为“活性污泥法” 到了 1917 年曼彻斯特公司已经开始运行一座处理能力为 946m 3/d 的连续流污 水处理厂同年德克萨斯州的休斯顿建起了一座 38000m 3/d 的污水厂 此后 在英国和美国的大城市相继建起了多座污水处理厂 当时虽然已成功的用活性污泥法来处理污水但人们对于工艺运行的机理 却缺乏了解早期的许多文献围绕污染物的去除是通过物理作用还是生物作用 这一问题进行过争论到了 1930 年已经有充分的证据证明活性污泥法是一种 生物处理工艺但尚没有适当的能阐述影响污染物去除机理的理论曝气池 的尺寸的设计一般基于某地经验和一些经验参数如水力停留时间或单位池体 积承担的人口当量负荷等这些经验的方法对于流量和有机物浓度相似的城市 污水处理工艺设计是有效的而对于那些具有特殊性的城市废水却往往会发生 问题比如含工业废水比例较高的城市废水和一些工业废水等因此需要反复 地对工艺进行改进到了 20 世纪 50 年代和 60 年代关于污水处理工艺原理的 理论终于创建和发展起来从而可以根据废水的特性更加合理地进行工艺设计 由于基础设计理论的不断发展活性污泥法迅速得到推广和应用并超过滴滤 池成为了有机废水的主要生物处理工艺 活性污泥法自开创以来已经有九十多年的历史随着在实际生产上的广 泛应用和技术上的不断革新改进特别是近几十年来在对其生物反应和净化 机理进行深入研究探讨的基础上活性污泥法在生物学反应动力学的理论方 面以及在工艺方面都得到了长足的发展出现了多种能够适应各种条件的工艺 流程当前活性污泥法已成为生活污水城市污水以及有机性工业废水的主 体处理技术 2 . 3 . 2活性污泥法的基本原理1 11 活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理技术 向生活污水注入空气进行曝气每天保留沉淀物更换新鲜污水这样 在持续一段时间后在污水中即将形成一种呈黄褐色的絮凝体这种絮凝体主 要是由大量繁殖的微生物群体所构成它易于沉淀与水分离并使污水得到净 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 化澄清这种絮凝体就是称为“活性污泥”的生物污泥活性污泥是以细菌 原生动物和后生动物所组成的活性微生物为主体此外还有一些无机物未被 微生物分解的有机物和微生物自身代谢的残留物活性污泥结构疏松表面积 很大对有机污染物有着强烈的吸附凝聚和氧化分解能力在条件适当的时候 活性污泥还具有良好的自身凝聚和沉降性能大部分絮凝体在 0.020.2mm 范 围内 活性污泥法就是以含有废水中的有机污染物为培养基在有溶解氧的条件 下连续的培养活性污泥再利用其吸附凝聚和氧化分解作用净化废水中有机 污染物普通活性污泥法处理系统由以下几部分组成如图 2-1 1曝气池 在池中使废水中有机污染物与活性污泥充分接触并吸附和氧化分解 有机污染物质 2曝气系统 曝气系统供给曝气池生物反应所必需的氧气并起混合搅拌作用 3二次沉淀池 二次沉淀池用以分离曝气池出水中的活性污泥它是相对初沉池而言 的初沉池设于曝气池之前用以去除废水中粗大的原生悬浮物悬浮物 少时可以不设 4污泥回流系统 这个系统把二次沉淀池中的一部分沉淀污泥再回流到曝气池以供应 曝气池赖以进行生化反应的微生物 5剩余污泥排放系统 曝气池内污泥不断增殖增殖的污泥作为剩余污泥从剩余污泥排放系统排 出 图 2-1 普通活性污泥法处理系统 废水 初沉池曝气池二沉池处理水 回流污泥 剩余污泥 空气 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 fig. 2-1 the common process of activated sludge system 在活性污泥处理系统中有机污染物从污水中去除过程的实质就是有机污 染物作为营养物质被活性污泥微生物摄取代谢与利用的过程也就是所谓“活 性污泥反应”的过程这一过程的结果是污水得到净化微生物获得能量合成新 的细胞使活性污泥得到增长 这一过程是比较复杂的它是由物理化学物理化学以及生物化学等反 应过程所组成 这一过程大致上由初期吸附去除和微生物的代谢两个净化阶段所组成 初期吸附去除主要发生在污水开始与活性污泥接触后的较短时间5 10min内由于活性污泥具有很强的吸附能力污水中的有机污染物在短时间 内即被大量去除出现很高的 bod 去除率这种初期高速去除现象是由物理 吸附和生物吸附交织在一起的吸附作用导致产生的 微生物的代谢是指存活在曝气池内的活性污泥微生物不断地从其周围的 环境中摄取污水中的有机污染物作为营养加以摄取吸收污水中的有机污染 物首先被吸附在有大量微生物栖息的活性污泥表面并与微生物细胞表面接 触在微生物透胞酶的催化作用下透过细胞壁进入微生物细胞内小分子的 有机物能够直接透过细胞壁进入微生物体内而如淀粉蛋白质等大分子有机 物则必须在细胞外酶 水解酶的作用下被水解为小分子后再为微生物摄入 细胞体内被摄入细胞体内的有机污染物在各种胞内酶的催化作用下微生物 对其进行代谢反应微生物对一部分有机物进行氧化分解 最终形成 co2和 h2o 等稳定的无机物质并从中获取合成新细胞物质所需要的能量另一部分有机 污染物为微生物用于合成新细胞即合成代谢所需能量取自分解代谢在曝 气池末端由于营养物质匮乏微生物可能进入内源代谢反应微生物对其自 身的细胞物质进行代谢反应 无论是分解代谢还是合成代谢都能够去除污水中的有机污染物但是产 物却有所不同分解代谢的产物是 co2和 h2o可直接排入环境而合成代谢 的产物则是新生的微生物细胞并以剩余污泥的方式排出污泥处理系统需对 其进行妥善处理 太原理工大学硕士研究生学位论文 14 2 . 3 . 3活性污泥法的工艺类型 自从 1914 年 ardern和 lockett 发明了活性污泥法以来已经出现了许多不 同类型的活性污泥工艺这些工艺是在以克服工艺中的问题为目标而进行的长 期不懈的反复实验过程中发展起来的今天仍在使用的工艺是许多替代和改进 工艺中的幸存者这些工艺在运行方面有了很大的进步每一种工艺都在特定 的条件下具有一些特殊的优点28 一曝气池混合反应的类型 曝气池混合形式有推流式和完全混合式两大类型 推流式为长方形的曝气池废水从一端流入以旋流式推进经与气体 混合并流经整个曝气池后至池末端流出 完全混合式简称全混式是废水与回流污泥一起进入曝气池后就 立即与曝气池其他混合液均匀混合使有机物浓度因稀释而立即降低 二各种活性污泥系统1 1普通活性污泥法 普通活性污泥法系统是以推流式曝气池为核心经初次沉淀池去除粗大悬 浮物的废水在曝气池内与污泥混合呈推流式从池首向池尾流动活性污泥 微生物在此过程中连续完成吸附和代谢的过程其浓度沿池长度逐渐降低曝 气池混合液在二沉池去除活性污泥悬浮固体后澄清液作为净化水流出沉淀 的污泥一部分以回流形式返回曝气池再起净化作用另一部分作为剩余污泥 排出活性污泥在池内也经历了对数增长到减衰增长再到内源代谢期是一个 比较完整的生长周期 2完全混合活性污泥法 混合液在曝气池内充分混合循环流动曝气池内营养和需氧率都是均匀的 微生物接触的是与出水密度一样的废水并已基本完成有机物降解反应是尚 未进行泥水分离的处理水 通过对 f/m 值的调整有可能将完全混合曝气池内的有机物降解反应控制 在最佳状态 本工艺适于处理工业废水特别是高浓度的有机废水 太原理工大学硕士研究生学位论文 15 3渐减曝气法系统和逐步曝气法系统 普通活性污泥法的需氧率沿池长逐渐降低而氧气却沿池长均匀供给造 成了浪费由此产生的沿池长渐减的供气方式以达到供氧与需氧的均衡这 就是渐减曝气法 针对普通活性污泥法的 bod 负荷在池首过高的缺点将废水沿曝气池注 入即形成逐步曝气法这种方法除了能平衡曝气池供气量外还能使微生物 营养供应均匀另一个特点是污泥浓度沿池长是变化的池子前段污泥浓度高 于平均浓度后段低于平均浓度曝气池出流混合液浓度降低对二沉池工作 有利 与普通活性污泥法相比在相同的 bod 负荷条件下逐步曝气法的 bod 容积负荷可明显增大去除一定量的 bod曝气池容积仅为普通法的一半但 逐步曝气法的平均污泥浓度是有一定限度的分散进水的点数一般为 34 处 再若增加污泥浓度并不能按比例增加 4吸附 再生活性污泥法 吸附 再生活性污泥法又称生物吸附法或接触稳定法20 世纪 40 年代后 期首先在美国使用有分建与合建两种形式废水先进入吸附池将基质吸附 于活性污泥再进入二沉池分离出的活性污泥上附着有大量的有机物其中 的回流部分送入再生池继续曝气使其恢复活性然后再返回吸附池 由于再生池仅对回流污泥进行曝气剩余污泥不必再生故节约空气量 且可缩小池容经过再生的活性污泥处于营养不足状态因而吸附活性高再 则再生池的污泥微生物很快在池末端遇到营养不足环境丝状菌不适应这样 的空曝环境所以其繁殖受到限制有利于防止污泥膨胀在使用上吸附 再生法具有很大的灵活性 5延时曝气系统和氧化沟 延时曝气法属于长时间曝气法其特点是负荷低停留时间长16-24h 不但能去除废水中的有机污染物而且还能氧化分解转移到污泥中的有机物质 和合成的细胞物质它的处理效果稳定出水水质好剩余污泥量少 氧化沟工艺又称循环曝气池是 50 年代由荷兰的 pasveer 开发的一种污水 生物处理技术11氧化沟一般呈环形沟渠状平面多为椭圆型或圆形总长可 太原理工大学硕士研究生学位论文 16 超过百米深度为 25 米在流态上氧化沟介于完全混合和推流之间氧化 沟对水质水量的波动有较强的适应性可不设初沉池也可与二沉池合建 采用较低 bod 负荷类似于延时曝气法污泥龄一般为 1530d具有反硝化 脱氮功能污泥量极少且已稳定无需消化氧化沟有多种变型如carrousel 氧化沟orbal氧化沟交替式氧化沟以及曝气 沉淀一体氧化沟等 氧化沟处理技术与其它生物处理技术相比具有以下几个明显的技术经 济特点处理流程简单操作管理方便构造形式多样运行较为灵活出水 水质良好可以实现脱氮基建投资省运行费用低 6短时高效曝气法 短时高效曝气法又称短时曝气活性污泥法或不完全处理活性污泥法 该工艺的主要特点是 bodss 负荷高曝气时间短处理效果较低一 般 bod5的去除率不超过 70%75%因此称之为不完全处理活性污泥法 与此相对bod5去除率在 90%以上处理水的 bod5值在 20mg/l 以下的工艺 则称为完全处理活性污泥法 该工艺在系统和曝气池的构造方面与传统活性污泥法及再生曝气活性污 泥法相同即传统法和再生曝气法都可以按高负荷活性污泥法系统运行 由于以上特点该工艺适用于处理对处理水水要求不高的污水 7ab 法 ab 法即吸附生物降解法是二十世纪七十年代由联邦德国亚琛(aachen) 工业大学的 b.bohnke 教授开发的一种新的污水处理方法整个系统不设初沉 池其第一段a 段和第二段b 段的微生物群落严格分开各自形成独 立的系统a 段以短 hrt短 srt 运行其中以短世代的原核细菌占优势b 段以细菌原生物占优势a 段以很高的污泥负荷26kgbod/kgmlssd 运行而 b 段则以常规负荷0.10.3 kgbod/kgmlssd运行ab 法对水质 变化和冲击负荷的承受能力较强不易发生污泥膨胀且具有一定的脱 n除 p 功能由于 ab 法具有高效稳定经济灵活等优点所以具有广阔的发 展空间 太原理工大学硕士研究生学位论文 17 2 . 3 . 4活性污泥法存在的主要问题 1污泥膨胀 在二次沉淀池或加速曝气池的沉淀区有时出现污泥的膨胀与上浮现象 这时污泥结构松散沉降性差造成污泥