（环境工程专业论文）低碳高氮磷城市污水脱氮除磷研究.pdf

摘要 摘要 我国许多南方城市污水c o d 浓度普遍偏低( c o d 在2 0 0 m g l 左右) 。对于 低浓度城市污水，其生物处理主要停留在对有机污染物的去除阶段，部分好氧 生物处理工艺考虑了氨氮的去除，个别采用化学混凝除磷，基本上没有涉及到 脱氮处理。针对低浓度城市污水，本论文研究了进水c o d 浓度以及c n 对处理 效果的影响；测定了污水中的碳源组份：研究了各种工艺参数对脱氮效果的影 响，得出最佳的工艺参数；采用厌氧缺氧一好氧和缺氧厌氧好氧两种工艺进行 了同步脱氮除磷试验；确定出了适宜的除磷混凝剂。 以葡萄糖作为碳源，研究了进水c o d 分别在1 0 0 m g l 、1 5 0 m g l 和2 0 0 m g l 左右时，不同碳氮比对脱氮除磷效果的影响，并比较了相同c n 条件下进水c o d 浓度对脱氮除磷效果的影响。当进水c o d 浓度比较低时( 2 0 0 m g l 以下) ，系 统对氮、磷的去除效果不仅同c n 有关，也同进水c o d 浓度相关，相同c n 条 件下，c o d 浓度增加，对总氮和总磷的去除率也提高，这时需要以进水c o d 浓 度及碳氮比共同来表示系统的脱氮除磷能力。 碳源的种类对反硝化的影响较大，本论文测定了低浓度城市污水中的碳源 组份，以对其反硝化机理有更深入的了解。污水中生物可利用的碳源可以分为 快速生物降解物质和慢速可生物降解物质。试验研究结果表明：快速生物降解 物质占总c o d 的1 1 2 - - 1 9 8 ，慢速可生物降解物质占3 4 8 - - 3 7 8 。污 水的反硝化脱氮能力主要由慢速生物降解碳源的含量来决定，占总硝氮去除量 的一半左右；快速生物降解碳源反硝化的硝氮占2 0 左右，内源代谢碳源占3 0 左右。 充水比、反硝化反应时间等因素都会影响系统的反硝化脱氮效果。研究了 不同充水比及缺氧反硝化时间对脱氮效果的影响，确定出了最佳的脱氮工况。 短时间的内源反硝化可以提高对总氮的去除效果，但如果内源反硝化时间过长， 反硝化速率降低，反而使得总氮去除率降低，同时增加了反应器的容积，增加 建设费用。充水比4 0 、每周期8 h ，其中缺氧4 h ( 进水0 5 h ) 、好氧1 5 h 、沉 淀1 h 、排水0 5 h 、闲置1 h 时脱氮效率最高，可以达到6 0 以上，出水总氮满 足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 ) 的一级a 排放标准。 摘要 低氧条件下，可以发生同步硝化反硝化，研究了不同的溶解氧浓度和h r t 对脱氮效果的影响。低氧段的溶解氧浓度对系统的脱氮效果有很大的影响，本 研究中污泥负荷较低，溶解氧的穿透力比较强，而且反硝化速率主要由慢速生 物降解物质的水解速率来控制，溶解氧浓度高时好氧分解的碳源数量增多，反 硝化菌可利用的碳源数量减少，因此为提高脱氮率，系统需要的溶解氧浓度较 低，为0 2 0 3 m g l ；延长低氧段的水力停留时间，水解产生的易生物降解碳源 也增加，因而脱氮率提高，h r t 为1 2 h 时系统的脱氮效率最高，可以达到5 0 。 不同泥龄条件下厌氧缺氧好氧和缺氧厌氧好氧两种工艺的脱氮除磷效果 表明：由于可被微生物利用的碳源数量有限，两种工艺的脱氮除磷效果都较差， 反硝化作用较弱，对磷的去除主要的微生物生长利用，去除率不超过3 5 ，因 此对于c o d 浓度较低的城市污水，因碳源有限，不可能同时兼顾脱氮和除磷。 比较了聚合硅酸铁和聚合硅酸铝两种混凝剂对氮、磷和c o d 的去除效果。 聚合硅酸铁对t k n 、c o d 和t p 的去除效果都好于聚合硅酸铝。将聚合硅酸铝 投加到生物反应器中对于除磷没有生物协同作用；好氧条件下，聚合硅酸铁的 投加量在4 0 m g l 以下时对除磷具有生物协同作用，且3 0 m g l 时协同作用最明 显。 聚合硅酸铁的投加量为1 0 9 m g l ( 以f e 计1 2 m g l ) 时，出水中的t p 在 0 5 m g l 以下，可以满足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 ) 的一 级a 排放标准。聚合硅酸铁的投加量( 以f e 计) 与进水中t p 的摩尔比同出水 t p 之间有很好的相关性。进水p h 在7 5 左右，进水t p 在2 5 - - , 6 6 m g l 时，出 水t p 和f e ：p 摩尔比之间的关系可以表示为：t p = 3 7 3 0 5 e 。揣h ，r 2 - - 0 9 9 8 5 。 关键词：低浓度，城市污水，反硝化动力学，脱氮，化学除磷 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o do fm u n i c i p a lw a s t e w a t e ri sa r o u n d2 0 0 m g , li ns o u t h e r nc h i n aa r e a f o rl o wc a r b o nm u n i c i p a lw a s t e w a t e r ，t h et r e a t i n gp r o c e s s e sm a i n l yc o n c e n t r a t e df o r c a r b o nr e m o v a l ，s o m ef o ra m m o n i ar e m o v a l ，al i t t l ef o rc h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ， b u tl i t t t l ef o rn i t r o g e nr e m o v a l t h ei n f l u e n c eo fi n f l u e n tc o da n dc no nn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw a ss t u d i e d t h ec a r b o nc o m p o n e n t si ni n f u l e n tw e r e m e a s u r e d t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sp a r a m e t e r so nn i t r o g e nr e m o v a lw a ss t u d i e d ，a n d t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t so fs i m u l t a n e o u s d e n i t r i f i c a t i o na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw e r ec o n d u c t e dw i t ha n a e r o b i c - a n o x i c - o x i c a n da n o x i c a n a e r o b i c - o x i cp r o c e s s e su n d e rd i f f e r e n ts r t c o n d i t i o n s a l s o ，t h e s u i t a b l ec o a g u l a n tf o rp h o s p h o r u sr e m o v a lw a sd e t e r m i n e d t h ei n f u l u e n c eo fc no nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw e r es t u d i e dw h e n i n f l u e n tc o di sa b o u t1 0 0 m g l ，1 5 0 m g la n d2 0 0 m g lr e s p e c t i v e l y ，a tt h es a m e t i m e ，t h ei n f u l u e n c eo fi n f l u e n tc o do nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw a s c o m p a r e du n d e rs a m ec nc o n d i t i o n w h e nt h ei n f l u e n tc o d w a sl o w ( b e l o w 2 0 0 r a g l ) ，t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c tw a sr e l a t e dn o to n l yt oc n b u ti n f l u e n tc o d t h em o r eh i g hi n f l u e n tc o dw a s ，t h em o r eh i g ht na n dt p r e m o v a le f f i c i e n c yb e c a m eu n d e rs a m ec nc o n d i t i o n t h u si n f l u e n tc o da n dc n s h o u l db es y n c h r o n o u s l yu s e dt oe x p r e s st h ec a p a c i t yo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a l t h et y p eo fc a r b o ns h o w e dg r e a ti n f l u e n c eo nd e n i t r i f i c a t i o n ，s ot h ec o m p o n e n t s i nl o wc o n c e n t r a t i o nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rw a sm e n s u r a t e di nt h i ss t u d yt of u r t h e r u n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fd e n i t r i f i c a t i o n t h eb i o d e g r a d a b l ec a r b o ns o u r c ei n s e w a g ec a nb ed e v i d e di n t or e a d i l yb i o d e g r a d a b l ec o d ( s s ) a n ds l o w l yb i o d e g r a d a b l e c o d ( x s ) i tw a so b s e r v e dt h a ts so c c o u n t e df o r1 1 2 - 1 9 8 o ft o t a lc o d a n dx s 3 4 8 3 7 8 t h ed e n i t r i f i c a t i o np o t e n t i a lo fw a s t e w a t e rw a sm a i n l yd e t e r m i n e db y t h ec o n t e n to fx s t h ed e n i t r i f i e da m o u n to fn i t r a t eb ys s ，x sa n d e n d o g e n o u s m e t a b o l i s mc a r b o ns o u r c ew a sa b o u t2 0 ，5 0 a n d3 0 r e s p e c t i v e l y d i s c h a r g er a t i oa n dr e c a t i o nt i m ei na n o x i ca r e ah a v ee v i d e n ti n f l u e n c eo i l a b s t r a c t n i t r o g e nr e m o v a l t h ei n f u l u e n c eo fd i s c h a r g er a t i oa n dh r t o fd e n i t r i f i c a t i o np h a s e o nd e n i t r i f i c a t i o nw a ss t u d i e da n do p t i m a ln i t r o g e nr e m o v a lc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d e n d o g e n o u sd e n i t r i f i c a t i o no fs h o r th r t c o u l di m p r o v er e m o v a le f f e c to ft n ，b u ti f t h eh r tw a st o ol o n g ，t h er a t eo fd e n i t r i f i c a t i o nf a i l e d ，r e s u l t i n gr e d u c e dr e m o v a l e f f i c i e n c yo ft n ，i n c r e a s e dv o l u m eo fr e a c t o r sa n dc a p i t a le x p e n d i t u r e t h en i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yw a sb e s ta n du pt oa b o v e6 0 w h e nd i s c h a r g er a t i ow a s4 0 w i t h 8 hp e rc y c l e ，w h i c hi n c l u d e da n o x i cr e a c t i o n4 h ( f i l l i n g0 s h ) ，a e r o b i cr e a c t i o n1 5 h ， s e t t l e m e n tl h d i s c h a r g eo 5 ha n di d l el h t h ee f f l u e n tt nc o u l dm e e tt h ef i r s tg r a d e a d i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t u n d e rl o wd oc o n c e n t r a t i o nc o n d i t i o n ，s i m u t a n r o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) o c c u r r e d t h ei n f l u e n c eo fd o c o n c e n t r a t i o na n dh r to n n i t r o g e nr e m o v a le f f e c tw a ss t u d i e d d oc o n c e n t r a t i o ni nl o wo x y g e nc o n c e n t r a t i o n a r e ah a de v i d e n ti n f l u e n c eo nn i t r o g e nr e m o v a le f f i c e n c y l o ws l u d g el o a dr e s u l t e di n p o w e r f u lo x y g e np e n e t r a b i l i t yf o rs l u d g ef l o c t h ed e n i t r i f i c a t i o nr a t ew a s c o n t r o l l e d b yt h eh y d r o l y t i cr a t eo fs l o w l yb i o d e g r a d a b l ec o d w h e n d oc o n c e n t r a t i o ni sh i g h ， t h ea m o u n to fo x i d i z e dc a r b o ni n c r e a s e d ，s ot h ea m o u n to fc a r b o nw h i c hc o u l db e u s e db yd e n i t r f i e r sr e d u c e d t h e r e f o r e ，d oc o n c e n t r a t i o ni sl o w ( 0 2 - 0 3 m g l ) i n r e a c t o rf o ri m p r o v i n g n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y i fh r t i nl o wd oc o n c e n t r a t i o n a r e ae x t e n d e d ，t h ea m o u n to fr e a d i l yb i o d e g r a d a b l ec o di n c r e a s e d ，s on i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yi m p r o v e d w h e nh r ti s1 2 h ，t h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a s t h eb e s t ，u pt o5 0 o rs o i nt h ea n a e r o b i c a n o x i c o x i ca n da n o x i c - a n a e r o b i c o x i cp r o c e s s e su n d e r d i f f e r e n ts r t ，f u r t h e rs t u d i e ss h o w e dt h a tf o rl o wc a r b o nm u n i c i p a lw a s t e w a t e r ，t h e n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c t sw e r eb a d d e n i t r i f i c a t i o nw a s w e a ka n d p h o s p h o r u sr e m o v a lw a sm a i n l yd e p e n d e do i lu t i l i z a t i o no fm i c r o o r g a n i s m s ，s oi t i s i m p o s s i b l et oe n s u r en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l e f f e c ts i m u l t a n e o u s l yb e c a u s e o fl i m i t e dc a r b o ns o u r c e t h er e m o v a le f f e c t sf o rt k n ，c o da n dt pw e r es t u d i e db ya d d i n gp o l y - f e r r i c s i l i c a t ea n dp o l y - a l u m i n u ms i l i c a t er e s p e c t i v e l y t h er e m o v a le f f e c t sf o rt k n ，c o d a n dt pa d d i n gp o l y f e r r i cs i l i c a t ew a sb e t t e rt h a nt h a to fp o l y a l u m i n u ms i l i c a t e s y n e r g e t i ce f f e c tw a s n o te x i s t e db ya d d i n gp o l y - a l u m i n u ms i l i c a t ei n t ob i o r e a c t o r s a b s t r a c t f o rp o l y f e r r i cs i l i c a t e ，t h e r ew a ss y n e r g e t i ce f f e c t su n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n sw h e n d o s a g ew a sl e s st h a n4 0 m g l m o r e o v e r ，s y n e r g e t i ce f f e c tw a sm o s tp r o m i n e n tw h e n d o s a g ei s3 0 m g l w h e nt h ed o s a g eo fp o l y f e r r i cs i l i c a t ew a s1 0 9 m g l ( 1 2 m g la sf e ) ，e f f u l u e n t t pw a sl e s st h a n0 5 m g l ，w h i c hc o u l dm e e tt h ef i r s tg r a d ea d i s c h a r g es t a n d a r do f p o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h e r ew a sv e r yw e l lr e l a t i v i t y b e t w e e ne f f l u e n tt pa n dt h em o l a rr a t i oo ft h ed o s a g eo fp o l y - f e r r i cs i l i c a t e ( a sf e ) t o i n f l u e n tt p w h e np hw a sa b o u t7 5a n di n f l u e n tt pw a s2 5 - 6 6 m g l ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne f f l u e n tt pa n df e ：p ( m o l a rr a t i o ) c a nb ee x p r e s s e da sf o l l o w s ： t p 。3 7 3 0 5 e 一1 2 拍h r 2 = o 9 9 8 5 k e y w o r d s ：l o wc o n c e n t r a t i o n ，m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ，k i n e t i c so fd e n i t r i f i c a t i o n ， n i t r o g e nr e m o v a l ，c h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：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，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 很彳多却a 剜年弓月乒门 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在立年解密后适用 本授权书。 指导教师硌同掳学僦姚者虢f 幻a 另口旷年多月驴日硝年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：衣彳 每a 形上年弓月多e t 第1 章绪论 第1 章绪论 我国水资源的总量为2 8 万亿m 3 ，位居世界第四，但人均水量仅为世界水 量的1 4 ，属于贫水的国家之一，再加上水资源在不同地区的不同季节分布极不 均匀，以及主要河流、湖泊的水体污染，更加剧了我国的水资源危机。 2 0 0 3 年中国环境状况公报报道，2 0 0 3 年度七大水系4 0 7 个重点监测断面中， 3 8 1 的断面满足i i i i 类水质要求，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的 断面属劣v 类水质。主要污染指标为氨氮、石油类和生化需氧量。2 0 0 3 年度监 测的2 8 个重点湖库中，满足i i 类水质的湖库有1 个，占3 6 ；i i i 类水质湖库 有6 个，占2 1 4 ；i v 类水质湖库有7 个，占2 5 0 ；v 类水质湖库有4 个， 占1 4 3 ；劣v 类水质湖库有1 0 个，占3 5 。7 。“三湖”水质均为劣v 类，其中 太湖为轻度富营养化、巢湖为中度富营养化，滇池为重度富营养化：城市内湖 水质较差，北京昆明湖和杭州西湖水质为类，南京玄武湖水质为v 类，武汉 东湖和济南大明湖水质为劣v 类。湖泊的主要污染指标是总磷和总氮【。 2 0 0 3 年，我国近岸海域污染依然严重，海水中的主要污染物依然是无机氮、 活性磷酸盐和铅。2 0 0 3 年全海域共发现赤潮1 1 9 次，累计面积约1 45 5 0 平方公 里。全海域共发生1 0 0 平方公里以上的赤潮2 7 次。其中，5 0 0 平方公里以上的 赤潮8 次，赤潮频繁发生海域多为受无机氮和磷酸盐污染较重的海域【2 l 。 大量的工业废水和生活污水未达到排放标准而排入水体是造成海洋、河流 和湖泊严重污染的重要原因之一。2 0 0 3 年，全国工业和城镇生活废水排放总量 为4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 7 。其中工业废水排放量2 1 2 4 亿吨，比上年增加 2 5 ；城镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨，比上年增加6 6 。废水中化学需氧量 ( c o d ) 排放总量1 3 3 3 6 万吨，比上年减少2 4 。其中工业废水中c o d 排放 量5 1 1 9 万吨，比上年减少1 2 3 ；城镇生活污水中c o d 排放量8 2 1 7 万吨，比 上年增加5 0 。废水中氨氮排放总量1 2 9 7 万吨，比上年增加0 7 。其中工业 废水中氨氮排放量4 0 4 万吨，比上年减少4 0 ：城镇生活污水中氨氮排放量8 9 3 万吨，比上年增加3 0 t 。可以看出，工业废水排放的污染物总量略有下降， 而城镇生活污水排放的污染物总量呈上升趋势。 与欧、美各国8 0 9 0 的污水处理率相比，我国污水处理率极低，仅有 第1 章绪论 2 5 左右，大量的污水未经处理直接排入江河，流域污染加剧。城市污水处理 相对薄弱，城市污水处理率远低于工业废水p j 。 城市污水处理目前国内外主要以生化处理工艺为主。由于富营养化问题的 日趋严重，污水处理工艺从过去只考虑去除有机物和悬浮颗粒为主要水质目标 转化为有机物和氮磷联合去除。处理工艺也朝着注重生物处理、物化处理相结 合等方向发展。 1 1 脱氮除磷原理及工艺 生物处理技术有很多种，主要是根据微生物的生长条件和供氧方式的不同 状况进行分类。生物处理一般均以不同形式实现厌氧一好氧除磷、缺氧一好氧 脱氮。 一般来说，只要污水中没有大量的难降解有机物，c o d 的去除是比较容易 的。而脱氮除磷则比较复杂，需要涉及硝化、反硝化、微生物释磷和吸磷等过 程。 。 1 1 1 生物脱氮 1 ) 生物脱氮原理 城市污水一般采用生物处理脱氮。生物脱氮法从反应类型分类，可分为氨 的硝化作用和硝酸( 或亚硝酸) 的反硝化作用两种。好氧条件下自养茵以氨为 电子供体，以分子氧为电子受体，使氮从负三价( n h 4 + ) 转变为正三价( n 0 2 一) 和正五价( n 0 3 一) ，从而完成硝化作用，其反应式分别为： 亚硝化菌 n i - - h + + 要0 2 l n 0 2 一+ h 2 0 + 2 h + f ( 1 1 ) 二 ( f = 2 7 8 4 2 k j ) 硝酸菌 n 0 2 + 丢。：上n 。，一缸 2 ) ( 舒= 7 2 2 7 4 2 k j ) 2 第1 章绪论 硝化反应的总反应式为： n 地+ + 2 0 2 - n 0 3 4 - h 2 0 + 2 h + 一a f ( 1 - 3 ) ( 舡= 3 5 1 k j ) 硝化作用是由两类不同的硝化细菌分工负责，分两步完成的。亚硝酸菌负 责氧化氨为亚硝酸，硝酸菌负责将亚硝酸氧化为硝酸，亚硝酸菌和硝酸菌分别 。以m t r o s o m o n a s 和n i t r o b a c t e r 代表【引。亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌 属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属。亚硝酸菌和硝酸 菌统称为硝化菌。硝化菌属专性好氧菌，它们利用无机物如c 0 3 、h c 0 3 和c 0 2 作为碳源，从n h 4 + 或n 0 2 - 的氧化反应中获得能量。在生理浓度条件下，n h 4 + 氧 化为n 0 2 - 的产生能量为2 4 2 8 - - 一3 5 1 7 k j m o l ，产生的能量亚硝酸菌可以利用5 1 4 ；n o z - 氧化为n 0 3 - 产生的能量约为6 4 5 8 7 5 k j m o l ，硝酸菌的能量利用率为 5 1 0 。 但硝化作用下只是改变了氮在水中的化合态，并没有降低水中氮的含量， 这对于防止水体富养化，并没有解决根本问题。 反硝化作用则是在缺氧条件下，异养菌以硝酸盐为电子受体，以其它有机 物( 碳源) 为电子供体，使硝酸盐中的氮逐渐从正五价降到零价，形成气态氮 ( n 2 和n 2 0 ) 从废水中释放出来，使得出水中总氮的浓度降低，其反应过程如图 1 1 所示。 h n 0 3 ihn02hno一n，2hzo ho 2 h 2 0 一 ， 。 7 凰言n ，o + 乏。 图i i 反硝化反应过程 f i g 1 1 p r o c e s so fd e n i t r i f i c a t i o nr e a c t i o n 参与这一反应的微生物是反硝化菌。反硝化菌属兼性菌，在自然环境中几 乎无处不在，在污水处理系统中许多常见的微生物都是反硝化菌。如变形杆菌 ( p r o t e u s ) 、微球菌属( m i c r o c o c c u s ) 、假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、芽孢杆菌 属( b a c i l l u s ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 、黄杆菌属( f l a v o b a c t e r ) 等，它们都 是兼性细菌。有分子态溶解氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧 3 第1 章绪论 作为电子受体；无分子态氧情况下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的n 5 + 和 n 3 + 作为能量代谢中的电子受体( 被还原) ，0 2 一作为受氢体生成h 2 0 和o h 一碱度， 有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定吲。 2 ) 生物脱氮工艺 ( i ) 活性污泥法传统脱氮工艺 活性污泥法脱氮的传统工艺是由巴茨( b a r t h ) 开创的所谓三级活性污泥法 流程，它是以氨化、硝化和反硝化3 项反应过程为基础建立的。其工艺流程图示 之于图1 2 。 r 一。一一一。 原 剩余污泥剩余污泥 剩余污泥 注：虚线表示为可实施的另一方案，投加原污水作为碳源 图1 2 传统活性污泥法脱氮工艺( 三级活性污泥法流程) f i g 1 2t y p i c a la c t i v a t e ds l u d g ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s ( t h r e e s t a g ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 该系统的优点是有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌分别在各自反应器内生 长增殖，环境条件适宜，而且污泥在各自的沉淀池回流、分离，反应速度快而 且比较彻底，但处理设备多，造价高，管理不够方便，一般应用不多。 除上述三级生物脱氮系统外，在实践中还适用两级生物脱氮系统，即将b o d 去除和硝化两道反应过程放在同个反应器中进行，如图1 3 所示。 4 第1 章绪论 原 c h 3 0 h 污水 i 去除b o dl 。嚣釜_ ? 、l 阪硝化l 瓦 j| - l 硝化氮化广1 i r i 反应器l 7 l 兰兰 污泥回流 污泥回流 剩余污泥 剩余污泥 注：虚线表示为可能实施的另一方案沉淀池i 也可以考虑不设 图1 - 3 两级生物脱氮系统 f i g 1 3t w o - s t a g eb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s ( 2 ) 缺氧一好氧活性污泥法脱氮工艺 即o 脱氮工艺，是在8 0 年代初开创的工艺流程，其主要特点是将反硝化反 应器放置在系统之首，故又称前置反硝化生物脱氮系统，是目前采用比较广泛 的一种脱氮工艺，流程图参见图1 4 。 硝化液回流( 内循环) 厂一一1 剩余污泥 图1 4 缺氧一好氧( , a d o ) 活性污泥脱氮系统 f i g 1 4 a n o x i c o x i cd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s 该系统将硝化反应器内己进行充分反应的硝化液的一部分回流至反硝化反 应器中，反硝化反应器中的脱氮菌以污水中的有机物作为碳源，以回流液中的 硝酸盐作为电子受体，将硝态氮还原为气态氮( n 2 ) ，不需外加碳源；反硝化反 应所产生的碱度可以补充硝化反应所消耗碱度的一半左右，因此对于含氮浓度 不高的废水( 如生活污水、城市污水) 可以不必另行投加碱度以调节p h 值；本 系统硝化曝气池在后，使反硝化残留的有机污染物得以进一步去除，提高了处 理水水质，而且无需增建后曝气池；由于流程比较简单，装置少，勿需外加碳 第1 章绪论 源，因此本工艺建设费用和运行费用较低。 本工艺的不足之处是该流程的处理水来自硝化反应器，因此处理水中含有 一定浓度的硝酸盐，如果沉淀池运行不当，在沉淀池内也会发生反硝化反应， 使污泥上浮，导致处理水水质恶化；此外欲提高脱氮率，必须加大内循环比， 这样势必使运行费用增高，而且内循环液来自曝气池，含有一定的溶解氧，使 反硝化段难以保持理想的缺氧状态，影响反硝化进程，一般脱氮率很难达到9 0 列6 1 。 ( 3 ) 其它生物脱氮工艺 其它生物脱氮工艺还包括氧化沟、序批式活性污泥法( s b r ) 等。氧化沟是 活性污泥法的一种改型，它把连续式反应器作为生化反应器，混合液在其中连 续循环流动。通常氧化沟采用的泥龄很长，污泥负荷比较低，适合于脱氮，可 以达至u 6 0 - - - 9 7 的脱氮率。s b r 工艺中，生化反应和泥水分离在同一反应池中进 行，污水分批次进入反应池，然后按顺序进行反应、沉淀、排水以及闲置过程 完成一个运行操作周期。在进水期和反应期可以通过搅拌或曝气方便地实现缺 氧、好氧，从而达到脱氮的目的，据报道，t n 的去除率可以达到9 0 ，s b r 工 艺一般适合于中小水量的污水处理。 3 ) 生物脱氮的影响因素 生物脱氮包括硝化和反硝化两个过程，任何对硝化反应及反硝化反应造成 影响的因素都会影响最终的脱氮效果。 对硝化反应的影响因素主要包括【5j ： ( 1 ) 温度 生物硝化反应可以在4 - - 4 5 的温度范围内进行，亚硝酸菌最佳生长温度为 3 5 ，硝酸菌的最佳生长温度为3 5 - - - - 4 2 。温度不但影响硝化茵的比增长速率， 而且影响硝化菌的活性。硝化菌的最大比增长速率姒与温度的关系遵从 a r r h e n i u s 方程，温度每升高1 0 ，队增加一倍。在5 - - - 3 0 范围内，随着温度 升高，硝化反应速率也增加。超过3 0 时，硝化反应速率降低，这是因为超过 3 0 时蛋白质的变性降低了硝化菌的活性。当温度低于4 时，硝化菌的活动几 乎停止。对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于1 5 即发现硝 化速度急剧降低。低温对硝酸菌的抑制更为强烈，因此在低温条件下( 1 2 - - 1 4 6 第1 章绪论 ) 常会出现亚硝酸盐的积累。 ( 2 ) 溶解氧 硝化反应必须在好氧条件下进行，溶解氧浓度也会影响硝化反应速率，一 般建议硝化反应中d o 2 m g , l 。对于同时去除有机物和进行硝化反硝化的系统， 硝化菌在活性污泥中约占5 ，大部分硝化茵处于生物絮体内部。低泥龄条件下， 由于含碳有机物氧化速率的增加使耗氧速率也增加，因而减少了溶解氧对生物 絮体的穿透力，使硝化反应速率减小。相反，在长泥龄条件下，由于耗氧速率 较低，丑j 使溶解氧浓度较低，也可保证溶解氧对生物絮体的穿透力。从而维持 较高的硝化速率。因此，为了维持较高的硝化速率，泥龄降低时应提高溶解氧 浓度。 ( 3 ) p h 硝化反应中每氧化1 9 氨氮要消耗7 1 4 9 ( 以c a c 0 3 计) 碱度。一般污水对于硝 化反应来说碱度往往是不充足的。因此在硝化反应中如不补充碱度，就会使p h 急剧下降。硝化菌对p h 十分敏感，分别当p h 在7 0 7 8 和7 7 8 1 时亚硝化 菌和硝化菌的活性最强，p h 超出这个范围，活性就大大减小。但在硝化反硝化 的处理系统中，反硝化会补充一部分碱度。在p h 7 0 - 8 0 范围内，p h 变化对活 性污泥硝化速率的影响很小。 ( 4 ) c n 可生物降解含碳物质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。有人认为，只有b o d 5 低于2 0 m g l 时硝化反应才能完成。一般认为 处理系统的b o d 负荷小于0 1 5 9 b o d s g m l s s d 时，处理系统的硝化反应才能正 常进行。 对反硝化的影响因素主要包括以下几方面【5 1 ： ( 1 ) 温度 温度对反硝化速率的影响遵从a r r h e n i u s 方程。温度对反硝化速率的影响与 反硝化设备的类型( 悬浮生长型与附着生长型) 及硝酸盐负荷有关。研究表明 温度对生物流化床反硝化的影响比生物转盘和悬浮活性污泥明显小得多。当温 度从2 0 降到5 时，达到同样的反硝化效果，生物流化床的停留时间为2 0 7 第1 章绪论 运行条件下的2 1 倍，而生物转盘和悬浮活性污泥系统分别为4 6 和4 3 倍。 ( 2 ) p h 反硝化过程的最适宜p h 为7 o 7 5 ，不适宜的p h 影响反硝化菌的增殖和 酶的活性。当p h 低于6 0 或高于8 0 时，反硝化反应受到强烈抑制。反硝化过 程中会产生碱度，这有助于把p h 控制在所需范围内。美国环保局推荐工程设计 中可以采用每还原l g n 0 3 一n 可产生3 0 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 。 ( 3 ) 溶解氧 溶解氧对反硝化过程有抑制作用，这主要是因为氧会与硝酸盐竞争电子供 体，同时分子态氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性。对比试验结果表明， 当溶解氧为0 时硝酸盐的去除率为1 0 0 ，而当溶解氧为2 m g l 时，贝0 无明显的 反硝化作用。一般认为活性污泥系统中溶解氧应保持在0 5 m g l 以下，才能使反 硝化反应正常进行。 ( 4 ) 碳源有机物 碳源物质不同，其反硝化速率也不同。甲醇是一种较为理想的碳源物质， 2 5 c 时其反硝化速率为o 2 1 - - 一0 3 2 9 n 0 3 - - n g m l v s s d ，城市污水作为碳源物质 时的反硝化速率比使用甲醇作为碳源时的反硝化速率低得多。 ( 5 ) c n 理论上将1 9 还原为n 2 需要2 8 6 9 碳源( 以b o d 5 计) 。一般认为当反硝化 反