（环境工程专业论文）bict工艺处理城市污水的特性及运行控制研究.pdf

苏州科技学院硕 ：论文 摘要 摘要 目前应用较多的生物脱氮除磷工艺均为单一污泥悬浮生长系统，其微生物的混合 培养导致了脱氮除磷难以达到高效、稳定。b i c t ( b i c y c l i ct w o p h a s eb i o l o g i c a l p r o c e s s ) 工艺的提出有效解决了上述问题：该工艺以序批式活性污泥法为基础，通过 增设独立的生物膜反应器，使自养的硝化细菌与反硝化细菌、聚磷菌等异养菌分相培 养，在不影响脱氮效果的基础上，缩短了系统的泥龄，提高了系统的除磷效果，增强 了系统运行的稳定性和可靠性。 本试验在苏州新区污水处理厂，利用城市污水现场对b i c t 工艺进行中试规模的 研究，系统探讨了b i c t 工艺在推荐的运行条件下去除c o d 、脱氮除磷的性能和处 理效果。重点围绕b i c t 工艺主反应器脱氮除磷的特性和效率问题，进一步系统深入 地探讨了主反应区的不同运行条件对微生物转化过程以及系统去除效率的影响和控 制对策，并且运用基本理论结合试验研究方法，分析了该工艺系统特性原理和途径。 试验主要得出了以下结论： b i c t 工艺在平均温度1 5 和2 5 对于c o d 、氮和磷均有较好的去除效果。工 况条件：主反应器泥龄5 d 、充水比1 2 、硝化液回流比1 5 0 。主反应器运行模式： 前曝气3 0 m i n ，缺氧搅拌6 0 m i n ，后曝气6 0m i n ，沉淀撇水9 0 m i n ，前曝气阶段( 3 0 m i n ) 和缺氧搅拌阶段前3 0 m i n 同时进水。此条件下，c o d 的平均去除率可达8 0 ，t n 平均去除率可达8 5 ，系统对磷的去除率保持在9 0 以上。 通过极差分析得出主反应区运行模式、硝化液回流比、泥龄对c o d 去除影响不 大，前两者对系统脱氮有较大影响，后者对除磷影响较大。 通过物料平衡计算得出c o d 的各阶段平均转化率分别为前曝气阶段6 2 2 5 、 缺氧搅拌前3 0 m i n ( 有进水) 2 8 3 2 、缺氧搅拌后3 0 m i n ( 无进水) 6 4 3 ；硝化反 应两段曝气中前曝气阶段占硝化总量的7 5 2 2 ，后曝气阶段占硝化总量的2 4 7 8 ： 缺氧搅拌阶段硝酸盐在主反应器3 0 6 0 m i n 平均的反硝化率有5 7 2 2 ，6 0 9 0 m i n 平均 的反硝化率有4 2 7 8 ；前曝气阶段发生了吸磷反应，大约为8 6 2 2 ，在缺氧条件下 主反应器中存在反硝化除磷作用，但所占比例很小，平均只占总量的1 3 7 8 。 污泥转移特征是本工艺的一个重要特点。试验中研究了不同硝化液回流比条件下 系统内污泥转移特征，表明回流比的高低影响污泥在系统中转移的速度，也影响污泥 的活性与沉降性能，同时对有机物去除及脱氮除磷也有影响。 试验和分析结果表明：在运行的工况设置条件下，硝化液回流比对b i c t 系统磷 的去除没有影响，对脱氮影响较大。 关键词：b i c t 工艺，城市污水，脱氮除磷 m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ab s t r a c t a b s t r a c t t h es i n g l e s l u d g es u s p e n d e d g r o w t hs y s t e m a sm o s tw i d e l ya p p l i e db 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 sr e m o v a lp r o c e s s ，h a sm e tc e r t a i np r o b l e m sw h i c hr e s p e c tt ot h e l o wt r e a t m e n te f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t y , d u et ot h es a m em i x e d c u l t u r em i c r o o r g a n i s mi nt h e s y s t e m t h eb i c t ( b i c y c l i ct w o p h a s e ) b i o l o g i c a lp r o c e s si sp r o p o s e dt oe f f e c t i v e l y r e s o l v et h e s ep r o b l e m s i tb a s e do nas b rp r o c e s s a d d i n ga l li n d e p e n d e n tb i o f i l mr e a c t o r , s e p a r a t i n ga u t o t r o p h i ca n dh e t e r o t r o p h i cm i c r o o r g a n i s m si n t ot w od i f f e r e n tg r o w t hp h a s e s t h i sp r o c e s sh a ss h o r t e n e dt h es r t , i m p r o v e dt h ee f r e c to fp h o s p h o r u sr e m o v a la n d e n h a n c e do p e r a t i o n a ls t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , w h i l eh a v i n gn oe f f e c to nt h en i t r o g e n r e m o v a l t h ep i l o t s c a l ee x p e r i m e n to fb i c tb i o l o g i c a lp r o c e s sl o c a t e di nt h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n to fs u z h o un e wd i s t r i c tw a su s i n gd o m e s t i cw a s t e w a t e r t h er e m o v i n go f c o d n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h ep r o c e s su n d e rd if f e r e n to p e r a t i o n a lc o n t r o l c o n d i t i o n sw e r ed i s c u s s e d i tf o c u s e do np h o s p h a t er e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c sa n de f f i c i e n c y , f u r t h e rd i s c u s s e dr u l e so fp h o s p h a t er e l e a s ei nt h es e l e c t o r , t h ei n f l u e n c ea n do p e r a t i o n c o n t r o lo fp h o s p h a t er e m o v a li nt h em a i nr e a c t o r su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s i t a n a l y s e dt h em a i np r i n c i p l eo fp h o s p h a t er e m o v a li nb i c tb i o l o g i c a lp r o c e s sa c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa sf o l l o w s ： t h eb i c t ( b i c y c l i ct w o p h a s e ) b i o l o g i c a lp r o c e s sb o t hh a sg o o de f f e c to nt h ec o d ， n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a la ta v e r a g e l5 a n d2 5 u n d e rt h ec o n t r o l l e d c o n d i t i o n s ： f i l l i n g a e r a t i o n ( 3 0 m i n ) ， a n o x i c s t i r r i n g ( 6 0 m i n ) ，r e a e r a t i o n ( 6 0 m i n ) ， s e d i m e n t a t i o n d e c a n t i n g ( 6 0 m i n ) r e c y c l i n gr a t eo fc l a r i f i e do v e r f l o wi s l5 0 t h e a v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o di su pt o8 0 t h er e m o v a le 筋c i e n c yo f1 nc a nr e a c h8 5 t i l er e m o r a le f f i c i e n c yo ft pi so v e r9 0 i ti sf o u n dt h a tt h eo p e r a t i o n a ip a t t e r no fm a i nr e a c t o r , r e c y c l i n gr a t eo fc l a r i f i e d o v e r f l o wa n ds r th a v el i t t l ee f f e c to nc o dr e m o v a l b u tt h ef i r s tt w of a c t o r sh a sab i g i n f l u e n c eo nn i t r o g e nr e m o v a la n dt h el a t t e ro n eh a sa ni m p o r t a n te f f e c to np h o s p h o r u s r e m o v a lb ym e a n so fr a n g ea n a l y s i su n d e rt h eo p t i m a lo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s t h ee v e r a g ep e c e n tc o n v e r s i o n so fc o da td i f f e r e n ts t a g e sg o tt h r o u g hm a t e r i e l b a l a n c i n gc a l c u l a t i o n sw e r ea sf o l l o w i n g s ：f r o n ta e r a t i o ns t a g e6 2 2 5 t h ef r o n t3 0 m i n u t e so fa n o x i cs t i r r i n gs t a g e2 8 3 2 ( w i t hi n l e t ) t h ei a t e r3 0m i n u t e so fa n o x i cs t i r r i n g s t a g e6 4 3 ( w i t h o u ti n l e t ) ；n i t r a t i o nr a t ew a s7 5 2 2 a tf r o n ta e r a t i o ns t a g ew h i l ei tw a s 2 4 7 8 a tr e a e r a t i o n ；t h ea v e r a g ed e n i t r i f i c a t i o nr a t e so fn i t r a t ei nt h em a i nr e a c t o ra tt h e 3 0 6 0 m i no fa n o x i cs t i r r i n gs t a g ew a s5 7 2 2 w h i l ei tw a s4 2 7 8 a tt h e6 0 - 9 0 m i n ；a b o u t 8 6 2 2 o fp h o s p h o r u sw a sa b s o r p t e da tf r o n ta e r a t i o ns t a g e ，a n dt h e r ew a sl3 7 8 d e n i t r i f i c a t i o np h o s p h o r u sr e m o v a li nt h em a i nr e a c t o ra ta n o x i cc o n d i t i o n ，w h i c hw a sa s m a l ls e a ii nt h ew h o l ep h o s p h o r u sr e m o v a l t h es l u d g ec a l lb et r a n s f e r r e di nt h eb i c tp r o c e s s ，w h i c hc a no b t a i nt h eh i g hn u t r i t i o n d e g r a d a t i o nr a t ed u et ot h eg r e a tm l s si nt h er e a c t e ds t a g e i ta l s oi m p r o v e ss e d i m e n t a t i o n a n ds e p a r a t i o no fs l u d g ei nt h em a i nr e a c t o r , i n c r e a s i n gt h ef i l l i n gr a t e ，e n h a n c i n gt h e c a p a c i t yo ft r e a t m e n ti nt h ep r o c e s s t h et e s ta n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e t u r n e df l o wr a t i oh a dl i t t l ee f f e c to nt h e p h o s p h o r u sr e m o v a lo fb i c ta tt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n b u ti ta f f e c t e dn i t r o g e nr e m o v a i h e a v i l y k e y w o r d s ：b i c t ( b i c y c l i ct w o p h a s e ) b i o l o g i c a lp r o c e s s ， w a s t e w a t e rb i o l o g i c a l t r e a t m e n t ， o p t i m u mo p e r a t i o n ，s l u d g et r a n s f e r e n c e 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人矛担。 论文作者签名： i 虹 日期：掷土月二生日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文 的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于 收集、保存、使用学位论文的规琏，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意 学校在不以赢利为目的的前提下，辟j 不i 司方式在不同媒体上公布论文的部分或全 部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 重盘日期? 丝堕年生月一堡曰 将教师虢雄蹴避年上月堕日 苏州科技学院硕十学何论文 第章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着经济的飞速发展，城市范围不断扩大，城镇人口急剧增加，而城市配套设施 不完善和相对滞后，导致污染不断加剧。目前我国有9 0 以上的城市水域污染严重， 近5 0 的重点城镇水源水质不符合标准，城市地下水5 0 以上受到严重污染。水污 染j 下从东部向西部发展，从支流向干流延伸，从城市向农村蔓延，从地表向地下渗透， 从区域向流域扩散。 据报道【i 】，2 0 0 6 年七大水系的4 1 2 个水质监测断面中，i i i i 类、i v - v 类和劣v 类水质断面比例分别为4 1 8 ，3 0 3 和2 7 9 0 。海河水系污染严重，辽河、黄河水 系总体水质较差，黄河支流污染普遍严重，淮河干流和松花江水系以v 类水体为主， 支流及省界河段水质仍然较差：只有珠江水系、长江干流及主要一级支流水质相对较 好。湖泊污染也很严重，多数湖泊的水体富营养化。滇池、太湖、巢湖水质均为劣v 类，达赉湖中度富营养化，鄱阳湖、洪泽湖和南四湖轻度富营养化。2 7 个重点湖库 中，满足i i 类水质的湖库仅有2 个，v 类及劣i i 类水质湖库则共有1 6 个，占5 9 2 。 氮、磷等植物营养型污染物的排放会导致水体的富营养化1 2 】。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 ) 1 3 1 对所有排放污水中的氮、磷含量都做出了明确的 规定，其中总磷( 以p 计) 的排放要严格控制在0 5 m g l ( 一级a 标准) 和lm g l ( 一级b 标准) 以下，因此今后新建的城市污水处理厂都要考虑采用除磷脱氮的技术措施。出 于保护水源的需要，一些老的城市污水处理厂也要部分改造采取除磷脱氮工艺。生物 脱氮除磷技术由于具有同时脱除c ，n ，p 且处理成本低等优点而得到广泛应用。各国 学者根据厌氧、缺氧、好氧等池子的大小、排列、数量增减以及混合液循环和回流方 式的变化，开发出了一系列生物除磷工艺和技术，在多年的实际运用过程和研究的不 断深入以及新的微生物的种类的发现，传统的生物法技术得到很好的完善，出现了一 系列的在除磷脱氮方面有独特效果的处理技术和工艺。 城市污水中氮的一个重要来源是工业废水排放，特别是化肥、焦化、洗毛、制革、 印染、食品、肉类加工、石油精炼及煤加工工业废水等，含氮量较高：另一个来源是 生活污水，生活污水中氮含量中有6 0 有机氮、4 0 无机氮，一般情况下，生活污 水中亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的含量很低，不超过含氮总量的l 。美国统计资料显示， 每人每同排入污水中的氮量约1 6 9 ，生活污水中氮量在2 1 - 4 2 m g l ，美国一些城市污 水实际含氮量在2 0 8 5 m g l 。由于生活方式和工业结构不同，我国城市污水中含氮量 苏州科技学院硕_ = 学位论文第一章绪沦 平均值低于美囤统计资料，但不同的地区差异较大i 引。 磷主要通过人体排泄物、食物残渣、洗涤剂中增强剂缩合无机磷酸盐化合物、农 药和化肥等途径进入城市污水中。污水中磷的存在形态取决于污水的类型，最常见的 有磷酸盐( h 2 p o 舢、h p 0 4 2 。、p 0 4 3 - ) 、聚磷酸盐( p o l y p ) 和有机磷。聚磷酸盐或有机 磷在水溶液中经过水解或生物降解，最后都会转化为正磷酸盐。正磷酸盐在污水中呈 溶解状态，在接近中性的p h 值条件下，主要以h p 0 4 2 的形式存在。生活污水中含磷 量在0 - 2 0 m g l 左右，其中约7 0 是可溶性的1 引。 “富营养化”是湖泊分类与演化方面的概念。湖泊学家认为天然富营养化是水体衰 老的一种表现。过量的植物性营养元素氮、磷排入水体会加速水体的富营养化过程。 在光照和其他环境条件适宜的情况下，水中所富含的磷酸盐和某些形式的氮素足以使 水体中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水 体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏，这就是服胃 的水体富营养化现象。藻类所需要的无机营养与植物相同，需求量大的元素包括碳、 氮、磷、氢、氧。c 0 2 是最主要的碳源，氮源是氨氮和硝酸盐，磷源是溶解性磷酸盐 类，氢和氧由水提供。藻类生长的限制因素是氮和磷。其含量通常决定藻类的收获量， 所以水体中氮、磷浓度增高会导致水体的富营养化。事实上，现在氮磷污染所造成的 水体富营养化问题己经越来越严重。新颁布实施的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 ) t 6 l 中对所有排放污水中的氮磷含量都作出了明确的规定。尤其是 磷酸盐( 以p 计) 的排放严格控制在o 5 m g l ( 一级标准) 和1 0 m g l 。氮磷是造成水体富 营养化( e n t r o p h i c a t i o n ) 的主要元素。目前我国的某些湖泊，例如太湖、巢湖、西湖和 滇池等，都出现了富营养化的现象，有些还比较严重。所以从研究废水中去除氮和磷 元素，减少和避免富营养化，具有重要的现实意义。就水体的富营养化而言，当水体 中磷的含量高于0 s m g l 时，会加速水体的富营养化；当水体中磷的含量低于0 5 m g l 时，则能控制藻类的生长；当水体中磷的含量低于0 0 5 m g l 时，藻类几乎停止生长1 7 i 。 过量的氮除了会引起水质富营养化以外，还对水环境有其它的危害： ( 1 ) 氨氮进入水体后被硝化细菌氧化而消耗水体中的溶解氧； ( 2 ) 游离氨由于会影响鱼腮中氧的传递而成为鱼类的有毒物质( 对大部分鱼类而 言，水体中游离氨对鱼的致死量为l m l ) ； ( 3 ) 氨氮被氧化为硝酸哉后进入人体会形成亚硝酸盐和亚硝胺等，从而导致变性 血红蛋白血劣色及致变、致畸、致癌。 污水的再生利用往往离不开除磷脱氮技术，这是因为传统的污水二级生物处理技 术氮磷去除能力低，氮磷含量较高的再生污水回用于城市水体、工业冷却水、工业生 产用水或市政杂用水时将造成以下危害1 8 1 1 9 1 ( 1 ) 氮和磷是藻类和水生植物的营养源，会造成城市水体的富营养化。 2 苏州科技学院硕十学位论文第一章绪论 i i 二 - - iii = 。=ii ! ! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! 曼! ! ! ! ! 皇 ( 2 ) 回用水中的氮磷可导致输水管道、用水设备繁飧生垢、霉菌以及藻类等微生 物，形成的生物群体中掺加着黏土、会属氧化物等杂物形成污泥状的粘性物质，附着 在输水管道和热交换器表面上，易造成堵塞或影响效率。 ( 3 ) 氨氮的氧化会造成水体中溶解氧浓度的降低和碱度的消耗。 ( 4 ) 氨氮会增加消毒所需的投氯量，向含有氨的水中加办、氯气时氨氮能与氯反 应生成氯胺，增加氯的用量。 ( 5 ) 氨对铜具有腐蚀性，若用含一定浓度氨氮的再生水作为冷却水回用时，对以 铜为主要材料的冷却设备有腐蚀损害作用。 因此，当城市污水作为城市第二水源开发时，对于某些回用对象，必须对氮和磷 的含量加以控制。 1 2 生物脱氨除磷技术工艺的研究与发展 1 2 1 生物脱氮除磷技术基本原理与发展 1 2 1 1 生物脱氮基本原理和发展 废水生物脱氮系统中，氮的去除有两条途径：同化脱氮和异化脱氮。 ( 1 )同化作用 在污水生物处理中，活性污泥中的微生物能够以有机物、氮、磷及其它微量元素 进行自身的新陈代谢活动，一般认为其适宜的营养比为c ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：l 【l0 1 ，这 样污水中的一部分氮被同化为异养微生物细胞的组成部分。微生物细胞采用 c 6 0 h 8 7 0 2 3 n 1 2 p 1 1 0 l 来表示，按细胞的干重计算，微生物细胞中氮的含量约为1 2 5 。虽 然微生物的内源呼吸和溶菌作用会使部分细胞中的氮又以有机氮和氨氮的形式回 到污水中，但仍存在于微生物细胞及内源呼吸残留物中的氮可以在二沉池中通过排泥 而得以从污水中去除。在保证定的c n 的条件下，同化脱氮效率随泥龄的降低而 一3 苏州科技学院硕十。学位论文第章绪论 ! 曼曼曼ili：1 i ibib 苎! 曼曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼! 曼! 升高，在泥龄缩短为5 d 时，同化脱氮效率可以接近3 0 i 。但是同化脱氮的效率毕 竟有限，实际工程中单靠同化作用还是不能满足出水t n 的要求，因此在实际污水处 理中要使出水t n 达标还需结合异化作用。 ( 2 ) 传统生物脱氮机理 污水中存在着有机氮，氨氮，硝态氮等形态的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要 形式。在生物处理过程中，脱氮包括氨化、硝化、反硝化三个过程。有机氮被异养型 微生物氧化分解，即通过氨化作用转化成氨氮，而后经硝化过程转变为n 0 3 - n 和 n 0 2 - n ，最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气。氨化反应速度很快，在一般污水 处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。 硝化作用 硝化作用是指n h 3 氧化成n 0 2 n ，然后再氧化成n 0 3 - n 的过程。硝化作用由两 类细菌参与：亚硝化菌和硝化细菌，两者都为化能自养菌，它们利用c 0 2 、h c 0 3 。、 h 2 c 0 3 等作为碳源，通过与n h 3 、n i - 1 4 + 或n 0 2 的氧化还原获得能量。硝化反应需在 好氧条件下进行，并以氧作为电子受体。其反应过程可表述为1 1 2 】： 亚硝化反应：n h 4 + + h c 0 3 + 0 2一h 2 c 0 3 + n 0 2 。+ h 2 0 + 亚硝酸菌 ( 1 - 1 ) 硝化反应：n 0 2 + 0 2 + h c 0 3 。+ h 2 c 0 3 一n 0 3 + h 2 0 + 硝酸菌 ( 1 - 2 ) 总反应为：n h 4 + + 0 2 + h c 0 3 。一n 0 3 。+ 2 旷+ h 2 0 + 微生物细胞 ( 1 3 ) 由以上反应式可以看出：硝化作用要耗去大量的氧，故硝化时要提供足够的溶解 氧；生成氢离子，使环境的酸性增强，消耗碱度：由于硝化菌是自养菌，故有机质的 浓度并不是它的限制因子。 反硝化作用 反硝化作用是指硝酸盐和亚硝酸盐被还原为气态氮的过程。参与这一过程的细菌 是反硝化菌，它们主要是异养的兼性细菌，主要包括无色杆菌属( a c h r o m o b a c t e r ) 、 气杆菌属( a e r o b a c t e r ) 、产碱杆菌属妇，丘妒门p 5 ) 和假单胞菌属( 风p “如坍d 刀嬲) 等【1 3 j 。它 们在缺氧条件下，利用硝酸盐和亚硝酸盐代替氧作为最终的电子受体，进行无氧呼吸， 氧化有机物( 即以有机物作为电子供体) ，进行反硝化。主要反应如下所示【1 2 】： 电子受体： 氧： 硝酸盐： 硝酸盐： n 0 3 - n 或n 0 2 - - n e 。+ 1 4 0 2 + h + _ 5 0 h 2 0 e 。+ 1 5n 0 3 - + 5 6h + - - - 1 1 0n 2 + 3 5h 2 0 e + l 3n 0 3 。+ 4 5h + _ l 6 n 2 + h 2 0 一4 一 ( 1 - 4 ) ( 卜5 ) ( 1 - 6 ) 苏州科技学院硕+ 学何论文第一章绪论 由此可见，在发生反硝化作用时应具备以下条件：硝酸盐( 亚硝酸盐) 的存在； 不能含有溶解氧，防止溶解氧作为电子受体而竞争性的阻碍硝酸盐的还原；要含有 兼性菌团；要有合适的电子供体( 能源) 存在。此外，还应控制好合适的温度及p h 值，并且还受毒物的影响。 ( 3 ) 脱氮机理的研究进展 同步硝化一反硝化 同步硝化一反硝化是i s h i g u r o i l 4 j 等人l9 7 8 年在用单一生物转盘( r b c ) 处理垃圾 渗滤液时首次发现的。 同步硝化反硝化就是在有氧条件下同时存在硝化作用和反硝化作用，与原有脱 氮机制明显不同的是实现了在好氧条件下的反硝化现象【l5 1 。其机理：一是宏观环境( 混 合形态) 理论，就是由于充氧装置的充氧不均和反应器的构造原因，造成生物反应器 形态不均，在反应器内形成缺氧厌氧段而形成s n d 作用：二是微环境理论，就是在 活性污泥菌胶团和生物膜内部存在多种多样的微环境类型，从而形成微观的缺氧厌 氧环境，造成s n d 反应的发生；三是从微生物的角度认为好氧条件下同时存在好氧反 硝化菌和异养硝化菌，从而导致s n d 反应的发生， 活性污泥絮体能否为硝化细菌和反硝化 细菌创造各自适宜的环境成为能否在系统中 实现同步硝化一反硝化的关键所在。其主要 作用机理是利用活性污泥絮体内存在溶解氧 的浓度梯度实现同时硝化和反硝化。图1 一l 表 示了生物絮体内的反应区分布及底物浓度的 变化。由图1 1 看出，在活性污泥絮体表层由 于氧的存在而进行氨的氧化反应，从外向内， 溶解氧浓度逐渐降低，内层因缺氧而进行反 硝化。 实现同步硝化一反硝化( s n d ) 具有以下 优点：完全脱氮，降低曝气需求，节省能耗 并增加设备的处理负荷，减少碱度的消耗， 简化系统的设计和操作。 这种理论也称为好氧反硝化机理。 缺好扩主 图1 1 生物絮体内反应区的分布 和底物浓度的变化f 1 5 】 在间歇式活性污泥法中如s b r 工艺、c a s s 工艺等，同步硝化一反硝化原理是 脱氮的重要机理1 1 6 】。在采用生物膜法的废水处理工艺中亦存在同步硝化一反硝化f 1 7 】。 这主要是由于生物膜的厚度影响着氧向生物膜内部的传递，形成一个微氧区 ( m i c r o - - a e r o b i c ) 从而使得硝化茵与反硝化菌在各自适宜的环境中生长。 5 一 苏州科技学院硕十学位论文 第一章绪论 短程硝化一反硝化 早在1 9 7 5 年，v o e t s 等提出了 短程硝化反硝化的概念( 图1 2 ) i i s l 。 短程硝化反硝化又称亚硝化反硝化， 将硝化反应控制在氨氧化产生n 0 2 的阶段，阻止n 0 2 - 进一步氧化，直接 以n 0 2 - 进行反硝化。短程硝化反硝化 与传统的生物脱氮相比具有以下特 点【1 9 1 ：对于活性污泥法，可以节 n h 4 + + 0 2n h 2 0 h + h 2 0 n a d h 2 + n a d + n a d h 2 +n a d + h n 0 2 - - 0 3 3 n 2 + 1 3 3h 2 0 - i - 0 3 3n 0 2 图1 2 氮被去除的可能途径【1 8 l 省2 5 的供氧量，降低能耗；节省反硝化所需碳源4 0 ，在c n 一定的情况下可 提高t n 的去除率：减少的污泥产量可达5 0 0 6 ；减少碱耗：提高反应速率， 缩短反应时间，减少反应器容积。 实现短程硝化与反硝化的关键是抑制硝化菌的活性而使n 0 2 - 得到累积。影响亚 硝酸盐积累的因素有温度、d o 、p h 值、氨浓度、氮负荷、有害物质及泥龄1 2 0 1 。由于 废水生物处理反应器均为开放的非纯培养系统，因此如何控制硝化停止在h n 0 2 阶段 是实现短程生物脱氮的关键。 1 9 9 4 年，h a o l 2 1 1 在研究中发现，同步硝化反硝化常伴随着硝化过程中第二步反 应( n 0 2 - 被氧化成n 0 3 ) 的抑制现象，即在完成硝化过程中硝化杆菌的活性降低， 而使得亚硝化单胞菌属成为优势菌种。这说明这两种脱氮机制并不是截然独立、互不 相干的，而是有着某种联系的。 高大文，彭永臻掣2 2 j 采用序批式活性污泥法( s b r ) 处理实际豆制品废水，系统 研究了温度和曝气时间对短程硝化反硝化生物脱氮工艺稳定性的影响。结果表明，反 应器内温度只有超过2 8 ( 2 时，利用控制温度实现的短程硝化反硝化生物脱氮工艺才能 稳定地运行。另外，首次发现过度曝气对短程硝化影响较大，在过度曝气条件下运行 1 2 d ，硝化类型就由n 0 2 。- n 累积率为9 6 的短程硝化转变为n 0 2 - n 累积率为3 9 3 的 全程硝化。因此，为使短程硝化反硝化生物脱氮工艺稳定、持久地运行必须实现该工 艺的实时控制。 荷兰d e l f t 技术大学开发的s h a r o n 工艺就是利用了短程硝化反硝化的原理1 2 引。 该工艺的核心是应用硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率，即在3 0 3 5 c 温度下亚硝酸 茵的生长速率明显高于硝酸菌这一固有特性，控制系统的水力停留时间和反应温度， 使硝酸菌被自然淘汰，亚硝酸菌占据优势。 s h a r o n 工艺缩短了泥龄和硝化反应时问，缩小了反应器的容积，节省了基建投 资。s h a r o n 工艺的成功之处在于：应用硝化菌和亚硝化菌在不同温度条件下具 有不同的生长速率的特性来提高亚硝化菌的竞争能力；控s f j h r t 大于亚硝化菌的 6 苏州科技学院硕十学何论文第一章绪论 ! ii i 一一一 =： 一 ：i i ： 一。 i l l ；= l ! 曼! 曼! 曼曼! 曼! ! 世代时问，小于硝化菌的世代时间，将硝化菌从反应器中“冲沈”出去，使反应器中亚 硝化菌占绝对优势，从而实现短程硝化反硝化。 其它脱氮机理 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 在厌氧条件下，以硝酸盐或亚硝酸盐为电子供体，将氨氮氧化成氮气。由于n 0 2 。 是一个关键的电子受体，所以厌氧氨氧化也划归为亚硝酸型生物脱氮技术。由于参与 厌氧氨氧化的细菌是自养菌，因此不需要添加有机物来维持反硝化。 影响a n a m m o x 工艺的因素主要有：基质浓度和p h 值1 2 4 l 。a n a m m o x 工艺的优 点是脱氮效率高，其污泥活性和反应器能力都远远高于活性污泥法中的硝似反硝化； 其缺点是氨氧化菌生长缓慢，污泥龄长。 一体化完全自养脱氮系统( c a n o n ) 由d i j k m a n 等开发，利用了好氧和厌氧氨氧化菌的共生系统，是在限氧条件下的 一步除氮工艺。实质上是通过控制生物膜内溶解氧的浓度实现短程硝化反硝化，使生 物膜内聚集的亚硝化菌和厌氧氨氧化细菌能同时生长，满足生物膜内一体化完全自养 脱氮工艺实现的条件。环境中的氨氮与溶解氧是两个关键因素【2 5 1 。 好氧反氨化( a e r o b i cd e a m m o n i f i c a t i o n ) 好氧反氨化【2 6 1 1 2 7 】的原理目前还不 十分清楚，其被发现是由于氨转化为 氮气的过程不需要按化学计量式消耗 电子供体而引起注意的。一些报道中 假设其可能的机理为：n h 4 + 氧化产生 的n 0 2 被n a d + 还原而最终转化为 n 2 ，如图1 3 所示。实现好氧反氨化的 关键是控制供氧。 1 2 1 2 生物除磷基本原理和发展 h + x 2 0 3 3 h 】o + 0 3 3 】 图i 3 好氧反氨化的可能途径【2 6 l 【2 7 i 厌氧一好氧循环可对能积累磷的微生物进行选择，具有过量摄取超出正常细胞生 理水平的磷的细胞，通常被称作聚磷菌( p a o s ) 。生物除磷是通过除磷菌过量摄取废 水中的磷，以聚合磷的形式积累于胞内转化为细胞物质，然后排出剩余污泥，从而达 到除磷目的。 在厌氧条件下，聚磷菌将体内储藏的聚磷分解，产生的可溶性磷酸吉 ；：进入液体中 ( 释磷) ，同时产生的能量可供聚磷菌在厌氧压抑条件下生理活动之需，还可用于主 一7 苏州科技学院硕十学何论文第一章绪论 动吸收外界环境中的营养物，如脂肪酸等，特别是乙酸，在菌体内以聚轻基烷酸( p h a ) 的形式储存。细胞外的乙酸转移到细胞内生成乙酞辅酶a 的过程需要耗能，这部分 能量来自菌体内聚磷的分解。聚磷菌将底物转化成p h a 还需要n a d h 或n a d p h 形 式的还原力，其由t c a 循环中氧化乙酸或糖元生成。通常认为，在厌氧状态下由于 琥珀酸脱氢酶因不能再生成f a d 而失效，使t c a 循环不能进行。但c a m e a u 等人1 2 8 1 指出了t c a 循环在厌氧条件下仍有可能进行。在其它研究中，m i n o 和m a t s u 0 【2 9 1 认 为，厌氧时通过酵解产生还原力与乙酸的吸收相耦合。后来的发现：在厌氧时胞内糖 元减少，证实了此种说法。b o r e d a c s 和c h i e s a i 如i 报导，在厌氧时标记，1 4 c 的乙酸不 能转化成c 0 2 。这表明，在此条件下，乙酸不能通过t c a 循环而降解。而降解糖元 每产生i t o o l 葡萄糖，可产生4 m o i n a d h 和2 或3 m o l a r p ( 图1 4 ) 。因此，糖元是作 为能量与还原力而储藏的，其可用以吸收乙酸合成p h a 。 在好氧条件下，聚磷菌体内的p h a 分解成乙酞辅酶a ，一部分用于细胞合成， 大部分进入三羧酸循环和乙醛酸循环，产生氢离子和电子；从分解过程中也产生氢离 子和电子，这两部分氢离子和电子经过电子传递产生能量，同时消耗氧。好氧分解胞 内p h a 产生的能量，使磷的摄取和a t p 的形成很快( 图1 4 ) 。其中一部分供聚磷菌 正常的生长繁殖，另一部分a t p 由磷酸激酶转化成聚磷以平衡胞内a t p a d p 的比例， 同时使能量储存在聚磷酸盐的高能磷酸键中，这就导致菌体从外界吸收可溶性的磷酸 盐进入体内。由于p h a 可用以再生成聚合磷，因此，通过控制聚磷菌的代谢，影响 p h a 的生物合成途径，生物除磷过程就可被强化。 早在2 0 世纪8 0 年代中期，h a s c o e t 、c o m e a u 和g e r b e r 等都发现聚磷菌能够在缺 氧环境中以硝态氮作为电子受体进行吸磷的现象【3 i 】【3 2 】1 3 3 j 。p o l a c h 和w a n n e r 等利用 小试和中试试验也证实，在e b p r 系统的缺氧条件下活性污泥具有同步吸磷和反硝化 作用【3 4 j 【3 5 l 。1 9 9 3 年，荷兰d e l f t 科技大学的k u b a 等在试验中亦观察到：在厌氧缺氧 交替运行的条件下，易富集一类兼有反硝化及除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物 能利用0 2 或者n 0 3 - 作为电子受体，其基于对胞内p h b 和糖原质上的生物代谢作用 与传统a o 法中的p a o 相似，人们将此类微生物称为反硝化聚磷菌( d p b ：d e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a ) t 3 6 1 。 反硝化除磷机理和传统a o 法除磷机理极为相似。厌氧段，d p b 释磷过程和传 统除磷工艺中p a o 基本是一致的；而在缺氧段，不同于p a o 以0 2 作为电子受体， d p b 是以n 0 3 作为氧化胞内p h b 的电子受体，它利用降解厌氧段储存于体内的p h b 产生的能量a t p ，大部分供给自身细胞的合成( 糖原的合成) 和维持生命活动，一 部分则用于过量摄取水中的无机磷酸盐，并以p o l y p 的形式储存在细胞体内；同时 n 0 3 被还原为n 2 1 3 7 1 1 3 引。如此在厌氧缺氧交替运行条件下，通过d p b 的新陈代谢作 用即可同步实现反硝化和除磷效果。就硝酸盐离子是否可作为生物除磷过程的电子受 8 一 苏州科技- “? f - i 曲兀硕+ 学位论文第一章绪论 体，v l e k k e 3 9 1 和t a k a b i r 0 【4 0 1 分别利用厌氧一缺氧s b r ( a 2 s b r ) 系统和固定生物膜反 应器进行了可行性试验研究。结果表明：作为氧化剂，n 0 3 一和0 2 在除磷系统中起着 j ，一零 。、- 、亨卧，气 ， 7 e - 能 吣7 、7 。v 夕万尹 、p h a ，7 ， l + 姒亨畸7 ) 、( 丫p o l y - p 、多乡， 、 下一7 、彳 一一 厌氧环境：释磷、贮碳好( 缺氧) 环境：摄磷、耗碳 图1 4 聚磷菌的代谢示意图2 3 1 相同的作用，而且通过创造厌氧、缺氧交替的环境确实可以筛选出以n 0 3 - 作为电子 受体的聚磷菌优势菌属即d p b 。类似的实验室和生产性规模的生物除磷和除氮试验 研究测试也表明：当微生物依次经过厌氧、缺氧和好氧三个阶段后，约占5 0 的聚磷 菌既能利用氧气又能利用硝酸盐作为电子受体来聚集磷，即d p b 的除磷效果相当于 总聚磷菌的5 0 左右1 4 1 i 1 4 2 胂】。上述试验结果，一方面说明除了氧气可作为电子受体 外，硝酸盐亦可作为某些微