（环境工程专业论文）bict工艺脱氮特性与运行控制中试研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文 摘要 为了解决现有生物脱氮除磷工艺存在脱氮与除磷难以同时达到高效的问题，本论 文对新型的污水处理工艺一一双循环两相生物处理工艺( 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 ，简称b i c t 工艺) 进行了中试规模的研究。该工艺通过设置两套污 泥系统，实现不同种群微生物的分相强化培养，减小因对生长条件的不同需求对工艺 性能产生的影响，从而达到对氮、磷的高效稳定去除。 本研究所采用的原水为苏州新区污水厂的实际城市污水，b i c t 的中试处理规模 为4 s m 3 d ( 充水比1 3 ) 7 2 m 3 d ( 充水比1 2 ) 主要研究内容为：确定独立硝化区 的运行参数( 停留时间、温度等) 和硝化速率以及探讨该设置对提高工艺性能所起的 作用；确定系统的反硝化效果与速率并研究影响反硝化的各种因素；确定b i c t 工艺 适宜的运行控制条件，如主反应器泥龄、充水比、上清液回流比、主反应器运行模式 等 研究结果表明，中试条件下，b i c t 系统主要通过三种途径完成脱氮：序列硝化 反硝化、同步硝化反硝化和同化脱氮。其中序列硝化反硝化是脱氮的主要途径，在本 研究的条件下约占氮总去除量的7 0 0 6 ：而同步硝化反硝化和同化脱氮所占的比例分别 在1 0 、2 0 左右独立硝化区的设置强化了硝化作用，硝化速率常数达到0 3 9 h 1 主反应器由于合理控制了运行模式及硝化液回流比，实现了较好的反硝化效果，平均 反硝化速率常数为o 0 1 1 6 n a g t n ( m g v s 8 h ) 一硝化过程受温度、有机负荷、硝化液 回流比的影响较大反硝化过程受d o 、碳源的数量和构成形式以及异养菌数量的影 响较大 研究也表明，在本研究的条件下，b i c t 工艺适宜的控制条件为：主反应器泥龄 5 d 、充水比1 2 、硝化液回流比1 5 0 0 6 、主反应器运行模式为前曝气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 ，其中进水6 0 m i n ，分布在前曝气阶段和缺氧搅 拌阶段的前3 0 m i n 内。在此控制条件下，系统运行稳定高效，c o d 、 i n ，t p 的去除 率都达到8 0 以上，出水效果都接近或优于一级排放标准 关键词；废水生物处理，脱氮除磷，b i c t 工艺，双泥系统 苏州科技学院硕士学位论文a b s t m c t a b s t r a c t n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s 锄n o tb ee f f e c t i v e l yr e m o v e ds i m u l t a n e o u s l yi nc u r r e n t b n r ( b i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ) p r o c e s s e s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h ep i l o t - s c a l e s t u d yo nn e ww a s t e w a t a t r e a t m e n tp r o c e s s - - - b i c tp r o c e s si nt h ed i s s e r t a t i o ni sc a r r i e do i l i nt h eb i c tp r o c e s s , d i f f e r e n tm i c r o - o r g a n i s m sa r ei n t e n s i f i e di nd i f f e r e n tr e a c t o r sw i t h t w os l u d g es y s t e r m , s ot h ec o n f l i c t sb e “v e e nt h e mc a u s e db yd i f f e r e n tm e t a b o l i s m c o n d i t i o n sa r er e d u c e d , t h e r e b yt h en 、pc a nb er e m o v e de f f e c t i v e l ya n ds t e a d i l y t h ew a s t e w a t e ro fs u z h o nn e wd i u - i c tw a s t e w a t e rt 触e n tp l a n ti su s e da n dt h e t h ec a p a b i l i t yo f t h e # l o t - s c a l eb i c tp r o c e s si s4 s m 3 d ( w a t e ri n p u tr a t i oi 3 ) 、7 2 m 3 d ( w a t e ri n p u tr a t i o1 2 ) i nt h es t u d y t h em a i nc o n t e n to ft h es t u d yi s ：e s t a b l i s ht h e o p e r a t i o ni n d e xo f s e p a r a t eb i o f i l mz o n e ( h r t 、t e m p e r a t u r ee t c ) 、t h en i t r i f i c a t i o nr a t ea n d r u c t i o no ft h ep a r tt oi m p r o v et h eb i c t sr e m o v a le f f e c t ；e s t a b l i s ht h ed e n i t r i f i c a t i o nr a t e a n ds t u d yt h ev a r i o u si n f l u e n c i n gf a c t o r st od e n i t r i f i c a t i o n ；e s t a b l i s ht h ef e a s i b l eo i 删o b c o n t r o lc o u d i t o no f t h ep r e c e s s ( m a i n 托钮c 觚s r t 、w a t e ri n p u tr a t i o 、r e t u r n e df l o wr a t i o 、 m a i nr e a c t o r so p e r a t i o n a lm o d ee t e ) e x p e r i m e n ti n d i c a t e s , n i t r o g e ni sr e m o v e dm a i n l yt h r o u g ht h r e em e t h o d si nt h e s y s t e m ：n 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 i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na a dd e n i t r i f i c a f i o n ( s n d ) 、a s s i m i l a t i o n t h em a i nf o r mi sn i u i t i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n , a n dt h ee f f i c i e n c y o fs e v e r a lm e c h a n i s mr e s p e c t i v ei sa b o u t7 0 、1 0 、2 0 i nt h ec o n d i t i o no ft h e p i l o t - s c a l es t u d y n i t r i f i c a t i o ni s e n h a n c e dd u et o t h es e p a r a t eb i o f i l mz 0 1 e , a n dt h e a v e r a g en i t r i f i c a t i o nr a t ec o n s t a n to f0 3 9 h - i so b t a i n e db y 越t h es a m et i m e f a v o r a b l e d e n i t f i f i c a t i o ni so b t a 砌i nt h em a i nr e a c t o rb e c a u s et h em a i nr e a c t o r so p e r a t i o nm o d e a n dt h er e t u r n e df l o wr a t i oa r as e tu p 辄蝴a n dt h ea v e r a g ed e n i 伍f i c a t i o nr a t ec o n s t a n t i so 0 1 1 6m g t n ( m g v s s h ) 1 t h en i t r i f i c a t i o ni si n f l u e n c e dr e m a r k a b l yb yt e m p e r a t u r e 、 o r g a n i cl o a d 、r e t u r n e df l o wr a t i o t h ed e n i t r i f i c a t i o ni si n f l u e n c e dr e m a r k a b l yb yd o 、 o f g a m s m $ m o u n ta n df o r m 、d 洲f y i n gb 删a t $ a m o u n t s t u d ya l s oi n d i c a t e s , t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o nr e c o m m e n d e df o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h ep i l o t - s c a l es t u d yi s ：m a i nr e a c t o r ss r t5 d 、w a t e ri n p u tr a t i o l 2 、r e t u r n e df l o wr a t i o 1 5 0 0 6 、m a i nr e a c t o r so p e r a t i o n a lm o d e ：f i r s ta e r a t i o n ( 3 0 m i n ) a n o x i cm i x i n g ( 6 0 m i n ) ， s e c o n da e r a t i o n ( 6 0 m i n ) s e t t l i n g - d i s c h a r g e - i d i e ( 9 0 m i n ) a n dt h ef e e d i n gt i m ei s6 0 m i n ， d i s t r i b u t i n gi nt h ew h o l ef i r s ta e r a t i o np h a s ea n dt h ef i r s t3 0 m i no fa n o x i cm i x i n gp h a s e t h es y s t e m sr e m o v a le f f i c i e n c yi nt h er e c o m m e n dc o n d i t i o ni ss t e a d ya n de f f e c t i v e , t h e n 苏州科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo f c o d 、t n 、t pi sa l la b o v e8 0 ，a n dt h ee f f i u n ti sn e a ro r b e t t e rt h a nt h ef i r s tg r a d ed i s c h a r g es t a n d a r d k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rb i o l o g i c a lt r e a t m e n t , n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ， b i c t p r o c e s s ，t w o - s l u d g es y s t e m 1 1 | 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 2 1 1 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不舍任何其他个人或 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承担 论文作者签名：幽日期：出三月笪日 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、使用学位论文的规定，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，用不同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) 巧一丛三上 迎学罄 蕊 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 近年来，随着我国污水排放总量的不断增加以及合成洗涤剂、化肥和农药的广泛 使用，氮、磷引起的水体体富营养化问题日益突出，对污水进行脱氮除磷处理已变得 十分迫切和必要 在污水处理领域，生物方法被公认为最经济适用的方法现有的废水生物处理工 艺都具有一定的脱氮除磷功能，但又都存在处理效率不高且稳定性不好的问题l l l ，因 此开发节能、高效稳定的废水生物脱氮除磷技术成为国内外竞相研究的热点。 1 2 课题的立论依据 1 2 1 水体富营养化的加剧与危害 近年来，发生水体富营养化的近海区域及湖泊数量逐年增加，程度逐年加重，其 中浙江中部海域、长江口外海域、渤海湾、海州湾、太湖、滇池及巢湖等水域尤为严 重，主要污染指标为总氮和总磷1 2 j 。 水体富营养化使得水味变得腥臭难闻、透明度明显降低、溶解氧过度被消耗，供 水水质受到影响、水生生态受到破坏1 3 1 。水体富营养化的日益加剧对人民生活和工农 业生产造成了严重的影响 1 2 2 污水中氮、磷排放标准的日趋严格 水体富营养化的日益加剧以及公众环境意识的增强，迫使越来越多的国家和地区 制定更为严格的污水氮、磷排放标准 欧盟早在2 0 世纪9 0 年代就颁布相关法令，规定以 i n 、t p 的形式考察污水处理 厂出水n 、p 的含量，并对具体排放数值进行了严格的规定【4 1 。 我国分别于1 9 9 8 年1 月1 日和2 0 0 3 年7 月1 日实施的污水综合捧放标准 ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 1 5 1 和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 ) 嘲也对n 、 p 的排放进行了严格的限制，氮的考核内容由单一的n h 3 - n 发展到t n 此外，我国 国家环保总局对城市污水中氮、磷的处理制定了相关政策，已于2 0 0 0 年5 月颁布的 城市污水处理及污染防治技术政策 【7 】规定：“受纳水体为封闭或半封闭水体时， 为防治富营养化，需对城市污水应进行二级强化处理，增强脱氮除磷效果。” 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 现有生物脱氮除磷工艺存在的问题 目前广泛应用的工艺包括两大类型的活性污泥法：一是连续流工艺，如a a o 、 p h o r e d o x ，u c t - 1 - 艺等，另一类是间歇流工艺，或称之为序批式工艺，如s b r 系统、 c a s t 工艺等。这些生物脱氦除磷工艺均为单污泥( s i n g l es l u d g e ) 悬浮生长系统，即 利用同一混合微生物种群完成有机物氧化、硝化，反硝化和生物除磷。但现行的多种 生物脱氮除磷工艺由于硝化与反硝化之间、脱氮和除磷之间相互制约，难以同时达到 稳定高效，所以尚需改进和完善 限制现行工艺氮、磷去除难以达到高效稳定的主要原因有： 微生物的混合培荆。 埘现行的各种生物脱氮除磷工艺中，混合培养的污泥 中含自养的硝化和亚硝化细菌、兼性异养细菌、聚磷细菌等不同功能的微生物种群 它们对底物、营养和生长条件的要求十分不同。尤其硝化菌具有不需有机碳源、生长 速率低、世代期长的特性，其生长代谢条件与其他微生物种群有相当大的差异。 泥龄的矛盾【1 1 1 1 1 2 1 硝化菌世代繁殖时间长，要求较长的泥龄，但除磷主要是 通过剩余污泥的捧放，因此要提高除磷效率则要求缩短泥龄。 碳源的限制【1 0 h 瑚城市污水的c n 比普遍比较低，其中还有相当一部分是难 降解和不可降解的，所以实际上可以利用的碳源非常有限。脱氮除磷系统一般在前端 设置厌氧段释磷，在此过程中大量的易降解碳源被耗用，由此导致了后续的反硝化过 程因缺少碳源而难以达到高效 回流污泥的硝酸盐含量对厌氧释磷的限制【1 0 1 良好的释磷效果是保证较高除 磷效率的前提，如厌氧段回流污泥中的硝酸盐浓度过高，则硝态氮的反硝化与磷释菌 的释磷过程竞争小分子有机碳源，导致释磷效率下降，从而吸磷也受到影响。为了充 分释磷一般将硝酸盐浓度控制在0 2m g l 1 以下嘲 硝化和反硝化容量、释磷与吸磷容量问题【1 0 h 闻硝化和反硝化、释磷与吸磷 是完成生物脱氮除磷作用必要的具有承接关系的过程。当硝化和反硝化两种作用实现 充分且两者容量相当时，系统才会达到最经济高效的脱氮效率；同样在释磷与吸磷的 过程中也具有类似的道理。因此，怎样合理配置硝化和反硝化容量、释磷与吸磷容量 是提高脱氮除磷工艺处理效果需解决的一个重要问题。 其中，微生物的混合培养是主要原因。 1 2 4 双泥生物脱氮除磷工艺的出现及存在问题 鉴于以上单种群污泥脱氮除磷工艺存在的一些问题，研究和开发利用多种群污泥 以实现综合处理目标的高效生物处理工艺可能成为解决城市污水和类似的工业废水 脱氮除磷问题的技术关键和突破点 2 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 近年来，利用两种污泥系统( 简称。双泥”) 进行废水的脱氮除磷的研究取得了 很大进展，出现了很多新的工艺，如d e p h a n o x 工艺、a 2 n s b r 工艺、a 2 n 工艺、p a s f 工艺等这些工艺的共同特点都是把不同种群的微生物在不同的反应器中分别培养， 创造各自适宜生长条件，尽量降低不同种群微生物由于新陈代谢习性的不同所产生的 竞争抑制关系，以达到较好的脱氮除磷效果 双泥工艺为提高废水的脱氮除磷效率和稳定性提供了思路，但在现有研究程度下 也存在着一些问题，如流程复杂，占地面积大，影响因素多，脱氮除率效率不够稳定， 如何利用该类型工艺改造现有污水处理厂等，因此解决这些问题成为有效发挥此类工 艺的效能并实现实际工程应用的关钳”j 1 3 生物脱氮领域的研究现状 1 3 1 生物脱氮技术基本原理及研究进展 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 i l 6 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 1 1 7 0 2 3 n 1 2 p 【1 明来表示，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一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捧泥 而得以从污水中去除在保证一定的c n 的条件下，同化脱氮效率随泥龄的降低而 升高，在泥龄缩短为5 d 时，同化脱氮效率可以接近3 0 【l ”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 i n 达标还必须结合异化作用。 ( 3 ) 传统生物脱氦机理 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 o z - 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 3 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 硝化作用 硝化作用是指n h 3 氧化成n o r 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 ：c 0 3 等作为碳源，通过与n h 3 、n i + 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【4 l ： 亚硝化反应：n h 4 + + h c 0 3 。+ 0 2 _ + 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 3 + h c 0 3 + h 2 c 0 3 n 0 3 + h 2 0 + 硝酸菌 ( 1 2 ) 总反应为：n h 4 + + 0 2 + h c 0 3 。_ n 0 3 。+ 2 时+ 壬1 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 ) 、产碱杆菌属似z 峨e ，埘) 和假单胞菌属蚴砌删帐砷等唧它 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。主要反应如下所示川： 电子受体：n 0 3 - n 或n 0 3 - n 氧：c + l 4 0 z + 矿+ 5 0 h 2 0 ( 1 4 ) 硝酸盐： c + 1 5n 0 3 + 5 6 矿- - * 1 1 0n 2 + 3 5h 2 0 ( 1 - 5 ) 亚硝酸盐：e + l 3n q 。+ 4 5i i + - + l 6 n 2 + h 2 0 ( 1 - 6 ) 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 哪【1 9 】等人1 9 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 2 0 l 。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 4 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 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，这种理论也称为好氧反硝化机理。 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 - 1 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 圈1 1 生物絮体内反应区的分布 和底物浓度的变化 2 0 1 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 在问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 脱氮的重要机理叫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 2 2 1 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 ) 从而使得硝化菌与反硝化菌在各自适宜的环境中生长。 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 ) 例。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 _ 迸一步氧 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氦相比 图1 2 氮被去除的可能途径【捌 t 1 2 0 + 0 3 3n 0 2 具有以下特点刚：对于活性污泥法，可以节省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 ；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、有害物质及泥龄圈由于 5 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 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 - 拍 在研究中发现，同步硝化一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 f h ) 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，彭永臻等1 2 1 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i q 2 9 c 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g h n f h - n 累积率为9 6 的短程硝化转变为n o z - 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 n 技术大学开发的s h a r o n i 艺就是利用了短程硝化反硝化的原理网 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 温度下亚硝酸 菌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间，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；控制h r t 大于亚硝化菌的 世代时间，小于硝化菌的世代时问，将硝化菌从反应器中“冲洗”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 f h 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 值网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化，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 ) f l q 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 6 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 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刚。 好氧反氨化( a e r o b i cd e a m m o n i f i e a t i o n ) 好氧反氨化p l 网的原理目前 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 + 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 曝1 3 好氧反氯化的可能途往p 1 1 3 4 ( 4 ) 影响脱氮的因素 溶解氧( d o ) 硝化反应的微生物均是严格好氧菌，因此硝化反应过程要求有足够的溶解氧。当 d o 含量低于0 5m g l 1 时，将严重抑制硝化作用，在进行硝化反应的曝气池中，d o 浓度应不低于2 m g l 1 ，通常控制在2 3m g l 。 泥龄 为使硝化细菌能在连续的反应系统中存活并维持一定的数量，微生物在反应器中 的停留时间即泥龄应大于硝化细菌的最小世代期。如果在生物反应器中的微生物停留 时间小于硝化细菌的最小世代期，硝化细菌来不及大量繁殖就被排出反应器，导致反 应器内没有足够的硝化细菌而不能产生硝化硝化细菌的能量利用率很低，一般只能 利用氧化n h 4 + 蓍i jn 0 2 - 所产生的能量的扣1 4 网，故硝化细菌的比增长速率很低，比 异养细菌的比增长率差一个数量级。在理论上泥龄3 天即可满足硝化的生长条件，但 在实际工程中，实际控制泥龄远大于此。从硝化过程可知，参与硝化作用的亚硝化菌 及硝化菌均是自养型好氧细菌，它们都具有较长的世代期，而亚硝化菌的世代期较硝 化菌为短，控制系统的泥龄在两种细菌的世代期之间，则可使系统中硝化菌的数量越 来越少，从而实现短程硝化一反硝化。 温度 生物硝化反应在4 4 5 c 内均可进行，最适温度为3 0 3 5 c 一般低于1 5 时 硝化速率降低，当温度低于5 c 时，硝化反应几乎停止1 扣1 4 活性污泥中硝化菌 活性受到抑制，出现h n 0 2 积累。温度对亚硝化菌和硝化菌反应速率( r n ) 的影响可 用式1 - 7 、1 - 8 表示1 4 j 。 7 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 亚硝化菌 r 。，= 晨。卿口” ( 1 7 ) 硝化菌 r = 0 7 9 1 a t m ”( 1 - 8 ) 式中：跏f 7 hr s y 邯，分别为温度为t 和1 5 1 2 时的亚硝化菌最大比增长速率 r n x 肿一温度为t 时的硝化菌最大比增长速率 口一常数瑚度 p h 值 不厨的p h 值条件下生物表现出不同的活性，从而影响氮的去除，反过来氨化作 用、硝化作用、反硝化作用又会影响系统的p i t 值硝化菌对p h 值十分敏感，亚硝 化菌最适宜的p h 为7 8 5 ，硝酸菌为6 7 5 柳硝化要消耗废水中的碱度而使p h 值下降；而在反硝化阶段，由于产生一定量的碱度，可使p h 值上升。当反应中的p i - i 低于7 则整个硝化反应将受到抑制1 3 4 1 p h 上升至8 以上，硝化产物以亚硝酸为主， 即出现了亚硝酸的积累因此，应根据原废水中的碱度情况适当调整废水的p i - i 值， 并应保持废水中一定的剩余碱度( 一般为1 0 0 m g l 【c a c 0 3 ) 。 有毒物质 废水中酚、氰及重金属等物质对硝化过程有明显的抑制作用相对于亚硝化菌， 硝化菌对环境的适应性慢，因而在接触有害物质的初期会受到抑制，出现亚硝酸的积 累因此也有人尝试用投加有毒物质的办法来驯化生物膜，使生物膜中的硝化细菌以 亚硝化菌为优势菌种，从而实现短程脱氮 2 5 1 进水有机负荷和t n 的影响 污水中总凯氏氮含量会直接影响硝化生物的活性，而由于其在矿质化过程中使系 统p h 值发生变化，进而影响硝化细菌的活性。原污水中含碳有机物与未氧化的含氮 物质的浓度一般比较高，可生物降解有机物与含氮物质浓度之比是影响生物硝化速率 和过程的重要因素活性污泥中硝化细菌的比例与污水中的c n 比有关，这是因为 产率不同，而且在活性污泥系统中异养细菌与硝化细菌竞争底物和溶解氧m i n e l 3 5 l 等人用模型研究了c o d t k n 对硝化作用的影响，当c o d n 比值下降时，c o d 与n h 3 去除率下降，他们认为是高浓度的亚硝酸盐和自由氨对生物产生了抑制作用。 1 3 2 双泥生物脱氮除磷工艺的研究现状与进展 在对废水处理机制以及存在问题深入理解的基础上，国内外很多研究者致力于把 不同种类的微生物分别培养，减小它们之间的相互影响，让不同的污泥种群分别完成 不同的功能，旨在提高脱氮除磷效率 双泥系统是通过工艺流程的改进和整合从而建立两套相互独立的污泥系统，它们 之间只有上清液交换，并无污泥交换，因此系统之间可以实现不同的运行条件，如不 l 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 同s r t 、h r t 、微生物量、溶解氧等，由此可以实现特定微生物的强化培养，并凭借 种群优势达到增强处理效率的目的 双泥工艺成为国内外研究者研究的热点，k u b a 3 6 1 于1 9 9 6 年进行了双泥系统处理 工艺的小试研究，取得了去除c o d l 0 0 、t p 9 9 、n i g + 8 8 的效果，并且可节省5 0 0 , 4 的碳源和3 0 e 的氧消耗，同时污泥产生量减少5 0 * 4 。 近年来涌现出许多双泥工艺，根据两套污泥系统实现方式的不同，把双泥工艺分 为以下几类： ( 1 ) 两套系统都是悬浮生长系统 d e p h a n o x 脱氮除磷工艺( 图1 4 ) 是k u b a 3 6 1 1 3 7 1 等人提出的具有硝化和反硝化除 磷两套污泥系统的新型生物处理工艺。 在此工艺中，废水和回流污泥在厌氧段完成了磷的释放，初沉池则直接为缺氧段 提供反硝化所需的碳源( 富含p i - i b 的污泥) ，解决了除磷系统反硝化碳源不足的问题， 故适合于c n 较低的污水处理；起硝化作用的好氧段与其它各段之间只有上清液的 交换因此可尽量保证硝化菌泥龄长、溶解氧浓度高的特点，解决了硝化细菌与反硝化 细菌混合培养的矛盾；缺氧段满足了兼性厌氧反硝化除磷细菌( d p b ) 所需环境，同 时完成了反硝化脱氮和除磷 同时供氧仅用于硝化和厌氧后剩余有机物的氧化，从而 节省了曝气能耗。 然而，实际运行的大量研究表明，d p b ( 反硝化除磷菌) 的除磷效率低于p a o s ( 聚磷菌) 这主要是缺氧段硝酸盐的浓度变化起伏大，硝酸盐量不充足时，反硝化 除磷的聚磷作用因缺少电子受体而受到限制；硝酸盐过量时，未被利用的硝氮随回流 污泥进入厌氧段影响释磷 3 s l ，这就给系统的控制提出了较高的要求。 为了保证系统运行的稳定，研究者也对此工艺做了一些改进尝试。 s o r r e l 3 9 1 改进了d e p l m o x 工艺设置，将厌氧段和初沉池合建，证明优化后的系统 能够有效地抑制污泥膨胀并且证实了同时反硝化脱氮除磷现象 b o r t o n e l 柏1 在进水c n 比只有3 8 的条件下，对d e p h a n o x 工艺和j i i b 工艺进行 了对比研究，表明前者在缺氧阶段磷的吸收明显好于后者；同时认为，为稳定出水水 9 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 质，在缺氧段后应增加再曝气池以充分吸收磷。 a 2 n s b r 工艺就是在d e p h a n o x 工艺的缺氧池后加一快速好氧池，这与b o r t o n e 的思路一致 4 0 1 。罗宁等1 4 1 1 对a 2 n s b r 中的微生物进行较系统地分离鉴别，其中假单 胞菌属、莫拉氏菌属、肠杆菌属和气单胞菌属占细菌总数的6 6 6 ，主要起反硝化聚 磷脱氮作用；不动杆菌属占细菌总数的1 2 ，起好氧除磷作用，其微生物的组成结构 满足充分利用有机物进行反硝化脱氮除磷的要求 ( 2 ) 悬浮生长与好氧附着生长结合的双泥工艺 t 图1 5a 2 n 双泥工艺 将a 2 n s b r 中起硝化作用的好氧段和中沉池用好氧生物膜反应器代替就演 变成了a 2 n 反硝化脱氮除磷工艺( 图1 5 改进后的优势有；简化了工艺流 程，基建成本和运行费用都得到降低；附着生长的硝化菌生物浓度高、泥龄 足够长，因此能够保证较高的硝化效率；污泥产量有所降低，减少了污泥处 理费用。 h a 0 1 4 2 1 将u c t 和a 2 n 进行了对比研究，分别运用荷兰d e l f t 新陈代谢模型 研究p 的去除和a s m 2 d 模型研究c o d 和n 的去除，证明a 2 n 工艺对氮的去除 稳定性更高，并且节省了能耗和占地面积，不足之处是污泥产生量比u c t 稍高 王亚宜 4 3 1 1 4 4 1 的研究证明，双泥系统的解决了微生物种群之间的相互抑制竞 争，同时反硝化除磷降低了碳源的需求，因此工艺对c n 比( 4 7 ) 较低的生 活污水脱氮除磷效果较好。 此外，对现有工艺进行流程优化以引入双泥系统来提高处理效率，也是研究 的一个重要方向 邹伟m + a 2 o i 艺的基础上开发的一种新型工艺p a s f - f 艺( 图1 6 ) 该工艺分前后两段，具有两段污泥系统。其中前段采用活性污泥法，类似于a 2 o 工艺，但不同的是：上清液由后段的富含硝态氮的曝气生物滤池回流至缺氧 池；好氧池中采用较高污泥负荷和较短龄，使好氧池内的硝化反应不完全， 强化了反硝化除磷菌的生长后段为微生物呈附着生长的曝气生物滤池网，其 有机负荷低更有利于硝化的进行。 1 0 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 l丝篓! 型丝l 擤 跳 图1 6p a s f 工艺流程图 该工艺继承t a 2 o t 艺的优点，缺氧段优先利用碳源进行脱氮和除磷，减少 了碳源对脱氮除磷的限制，从而提高了易降解有机物利用率。好氧段可以辅助进 一步除磷同时降低曝气生物滤池的有机负荷。此外，此工艺通过流程组合优化可 以实现对现有污水厂的改造 4 6 1 但是，在曝气生物滤池之后出水有可能会导致 出水硝酸盐过高，同时脱落的生物膜会影响出水水质【1 5 1 ( 3 ) 悬浮生长与缺氧附着生长结合的双泥工艺 生物膜大多应用于污水的好 氧处理中，刘俊新【4 7 l 提出了以缺 氧生物膜与活性污泥结合双泥脱 氮除磷工艺( 图1 7 ) 与其它双 泥工艺不同之处在于：工艺缺 氧段采用生物膜法。无需搅拌反 硝化菌就均匀分布在整个缺氧池 内，微生物与废水的接触更加充 图1 7 缺氧生物膜与活性污泥结合脱氮除磷工艺 分，在提高处理效果的同时降低了能耗；原水直接进入缺氧段，充足的碳源 使反硝化更充分，效率更高；除磷采用生物法与化学法相结合的方式二沉 池污泥进入厌氧段释磷，富磷浓缩液被分离出来，并通过化学法除磷，因此泥龄 不再是影响除磷效率的主要因素；厌氧段污泥浓度高，所以受硝酸盐氮的影 响很小；摔放的剩余污泥已经过释磷，减少了污泥处理过程中产生的磷的二 次污染。 该工艺在好氧段完成硝化，这要求该段保持较高的s r t 、d o 、h r t ，所以 不可能实现类似a b 工艺a 段的有机物快速吸附，因此厌氧段磷的释放将会受到 影响，所以本工艺可能受碳源的影响较大 1 5 1 总之，采用双泥系统对废水进行生物脱氮除磷，可以解决现有单污泥工艺存 在的多种问题。从目前的研究情况看，双泥工艺显示出其在脱氮除磷效率以及稳 定性方面的优势但现在众多双泥工艺的研究程度不一，或是实验室研究，或是 中试研究，真正实际工程规模的应用较少。 笔者认为，要使此种工艺进一步成熟，今后主要应在