（环境工程专业论文）厌氧低氧序批式反应器处理城市污水的研究.pdf

摘要 摘要 在厌氧低氧序批式反应器( s b r ) 中，研究了不同丙酸乙酸比例对除磷 脱氮效果及对过程中的微生物代谢物聚羟基烷酸( p h a ) 和糖原生物转化的影 响。研究结果表明：不论碳源为纯乙酸还是丙酸和乙酸的混合酸，系统中都发 生了同时生物除磷脱氮现象，且在低氧阶段没有亚硝酸盐的大量积累；随着进 水丙酸乙酸碳摩尔比的增加，系统中厌氧末磷的释放量减少、p h a 的合成量降 低，p i - i v 和p h 2 m v 的代谢量占p h a 的比例增大、p h b 的代谢量占p h a 的比 例逐渐减小，低氧末出水磷含量降低、硝态氮的累积减少，胞内糖原的代谢量 减少。提高进水中丙酸乙酸比例，有助于提高厌氧低氧生物除磷脱氮效果。 对厌氧低氧生物除磷脱氮s b r 反应器充水比的研究结果显示：随着充水 比的增加，系统中厌氧末磷的释放量逐渐增加，p h v 的合成量减少，p h a 和 p h 2 m v 的合成量增加，糖原的代谢量增加；低氧末磷的剩余量减少，硝态氮 的累积增加。充水比大则除磷效果较好，充水比小则脱氮效果较好。通过技术 经济比较，充水比为o 5 较适合厌氧低氧生物除磷脱氮系统，且能获得较佳的 除磷脱氮效果。 3 个厌氧低氧s b r 中分别以单一城市污水( s b r - a ) 、城市污水和乙酸钠 ( s b r b ) 、城市污水和剩余污泥发酵后产生的短链脂肪酸( s b r c ) 为碳源 的研究结果表明：采用厌氧低氧s b r 工艺处理城市污水是可行的。通过比较3 个s b r 反应器的除磷脱氮效果发现，外加发酵液作为补充碳源的s b r c 系统 t n 、总磷( 口) 、c o d 去除效果最佳，无外加碳源的s b r a 系统t n 、t p 、 c o d 去除效果略差。通过对3 个s b r s 中个厌氧和低氧反应周期内反硝化产 生的温室气体n 2 0 的初步研究发现，在厌氧段3 个反应器中均无n 2 0 产生；在 低氧段，3 个反应器中n 2 0 产生速率的顺序为s b r b s b r - a s b r c 。由本 研究得出，厌氧低氧除磷脱氮s b r 工艺比厌氧好氧除磷脱氮s b r 工艺可节省 约2 5 的曝气量，发酵后的污泥比未发酵污泥脱水后的泥饼含水率约降低 1 8 ，剩余污泥经过厌氧发酵后约减量2 2 。因此，用污水处理厂剩余污泥碱 性条件下产生的短链脂肪酸能够代替化学合成的乙酸钠，作为城市污水厌氧低 氧高效生物除磷脱氮的补充碳源。 摘要 在丙酸和乙酸作为混合碳源的人工合成污水中，随着丙酸乙酸比例的增 加，系统中反硝化聚磷菌在与反硝化聚糖菌的竞争过程中成为了优势菌群。通 过动力学的研究发现：p h v 是一种更加慢速氧化的内碳源，减慢碳源被氧气直 接氧化的速率，使其更接近于低氧氨氧化速率，从而有利于低氧段反硝化的持 续进行。因此，提高厌氧段p h v 的合成量可能是提高厌氧低氧同时除磷脱氮系 统中除磷脱氮效果的一个重要途径。 关键词：厌氧低氧，生物除磷脱氮，丙酸，乙酸，充水比，污泥发酵液， 一氧化二氮 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ea n a e r o b i c l o wd i s s o l v e do x y g e ns e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) ，t h e e f f e c t so fd i f f e r e n tr a t i o so fp r o p i o n i ct oa c e t i ca c i d so nt h ee f f i c i e n c yo f p h o s p h o r u s a n dn i t r o g e nr e m o v a la n dt h et r a n s f o r m a t i o n so fp o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ( p h a ) a n d g l y c o g e nw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t s i m u l t a n e o u sb 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 lo c c u r r e di nf o u rs b r s ，a n da m m o n i u mw a s c o m p l e t e l yo x i d i z e dd u r i n gl o wd op e r i o dw i t h o u ts u b s t a n t i v en i t r i t ea c c u m u l a t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fp r o p i o n i ct oa c e t i ca c i dr a t i o ，l o w e ra n a e r o b i cp h o s p h o r u s r e l e a s e ，l e s sa n a e r o b i cs y n t h e s e so fp h a w e r eo b s e r v e d t h ef r a c t i o no fp h va n d p h 2 m vm e t a b o l i s ma c c o u n t i n gf o rp h ai n c r e a s e d ，a n dt h a to fp h bm e t a b o l i s m d e c r e a s e d w h i l el o wd oe n dp h o s p h o r u sa n dn i t r a t ec o n c e n t r m i o ni nt h ee f f l u e n t ， a n dg l y c o g e nm e t a b o l i s mw e r el o w e r i n c r e a s i n gt h er a t i oo fp r o p i o n i c a c e t i ca c i di n t h ei n f l u e n tw o u l db eh e l p f u lt oe n h a n c eb i o l o g i c a ln 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 t t h r e el a b s c a l ea n a e r o b i c l o wd os b r sw e r ea l lc u l t u r e dw i t hd i f f e r e n tf i l l i n g r a t i o ( f r ) ，a n dt h er e s u l t s r e v e a l e dt h a ts i m u l t a n e o u sb i o l o g i c a ln i t r o g e na n d p h o s p h o r u s r e m o v a lo c c u n e di nt h r e e s y s t e m s w i t h o u ts u b s t a n t i v en i t r i t e a c c u m u l a t i o n ；w i t ht h ei n c r e a s eo ff i l l i n gr a t i o ，m o r ea n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s e ， p h aa n dp h 2 m vs y n t h e s e s ，g l y c o g e nm e t a b o l i s ma n dn i t r a t ea c c u m u l a t i o nw e r e o b s e r v e d ，l e s sp h vs y n t h e s e sa n dl o wd op h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o nw e r ee m e r g e d i nt h es y s t e m h i g h e rf rr e s u l t e di nb e t t e rp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c t ，w h i l el o w e r f rl e dt og r e a t e rn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y f i l l i n gr a t i oo f0 5w a ss u i t a b l ef o r a n a e r o b i c l o wd ob i o l o g i c a lp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a ls y s t e mb yt e c h n i q u e a n de c o n o m i cc o m p a r i s o n s b r 八s b r - ba n ds b r co p e r a t e dw i t ha n a e r o b i c l o wd oc o n f i g u r a t i o nw e r c l o n g - t e r mc u l t u r e d ，r e s p e c t i v e l yw i t hs i n g l er e a lw a s t e w a t e r ，s o d i u ma c e t a t ea n dt h e f e r m e n t a t i v es c f ap r o d u c e df r o mw a sa se x t e r n a lc a r b o ns o u r c eo fr e a lw a s t e w a t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt r e a t i n gr e a lw a s t e w a t e rw i t ha n a e r o b i c l o wd op r o c e s sw a s a b s t r a c t f e a s i b l e b yt h ec o m p a r i s o n so ft o t a lp h o s p h o r u s ( 哪a n dt nr e m o v a le f f i c i e n c yi n t h r e es b r s ，i tw a so b s e r v e dt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft n ，t pa n dc o dw a s b e t t e rt h a nt h eo t h e r s o f f - g a sa n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e r ei sn on 2 0 p r o d u c t i o ni nt h e a n a e r o b i cp h a s e ，a n dt h ed e n i t r i f i c a t i o ng a sb i - p r o d u c td u r i n gt h el o wd op e r i o di n t h r e es b r sw a sp r i m a r i l yn 2 0 ，a n dt h eo r d e ro fn 2 0p r o d u c t i o nr a t ew a ss b r - b s b r a s b r c t h i ss t u d yi n d i c a t e dt h a ta n a e r o b i c l o wd os b r p r o c e s sw o u l d s a v ea b o u t2 5 a i rf l u xt h a na n a e r o b i c a e r o b i cs b rt e c h n o l o g y ；c o n t a i n i n gw a t e r r a t i oi ns l u d g ec a k eo ff e r m e n t a t i v es l u d g ed e c r e a s e da r o u n d1 8 a f t e rd e w a t e r i n g t h a na c t i v a t e ds l u d g ew i t h o u tf e r m e n t a t i o n ；a b o u t2 2 o fs l u d g er e d u c t i o nw a s o b t a i n e da f t e re x c e s ss l u d g ew a sa n a e r o b i cf e r m e n t e d i tw a sc o n c l u d e dt h a ts l u d g e f e r m e n t a t i o n l i q u i dc o u l db eu s e d a ss u p p l e m e n t a r yc a r b o ns o u r c ei n s t e a do f c h e m i c a ls y n t h e s i z e ds o d i u ma c e t a t ei nt h et r e a t m e n to fr e a lw a s t e w a t e rw i t h a n a e r o b i c l o wd ob i o l o g i c a ln 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 t h er e s e a r c ho na n a e r o b i c l o wd ob i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l m e c h a n i s ms h o w e dt h a td e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( d p a o ) b e c a m ep r e p o n d e r a n to r g a n i s m sc o m p e t e dw i t hd e n i t r i f y i n gg l y c o g e na c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s ( d g a o ) w i t ht h ei n c r e a s eo fp r o p i o n i c a c e t i ca c i d sr a t i oi ns y n t h e t i c a l w a s t e w a t e r b yt h es t u d i e sf o rp h aa n da m m o n i an i t r o g e nl o wd od e g r a d a t i o n k i n e t i c s ，i td i s p l a y e dt h a tp h vw a sak i n do fm o f cs l o w l yo x i d a t i o ni n n e rc a r b o n s o u r c e ，a n ds l o w e ro x i d a t i o nr a t eo fc a r b o ns o u r c ed i r e c t l y ，w h i c hw a sc l o s et ol o w d oa m m o n i ao x i d a t i o nr a t e ，a c c o r d i n g l yd e n i t r i f i c a t i o nw a sp r o g r e s s e dc o n s t a n t l yi n l o wd o p e r i o d c o n s e q u e n t l y ，i n c r e a s i n gp h vs y n t h e s e sw a sp r o b a b l ya ni m p o r t a n t m e t h o dt o i m p r o v en i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s r e m o v a le f f i c i e n c i e si nt h e a n a e r o b i c l o wd os i m u l t a n e o u sp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a ls y s t e m k e yw o r d s ：a n a e r o b i c l o wd i s s o l v e do x y g e n ，b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e n r e m o v a l ，p r o i o n i ca c i d ，a c e t i ca c i d ，f i l l i n gr a t i o ( f r ) ，s l u d g ef e r m e n t a t i o nl i q u i d ， n i t r o u so x i d e ( n 2 0 ) 1 1 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、数字化或其他手段保存论文；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：俐 莎嘶钾肛日一 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。 学位论文作者签名：抑备 。哪年7 月日j 第1 章课题研究背景和依据 第1 章课题研究背景和依据 水体富营养化是当前政府和公众最为关注的环境问题之一，而氮和磷是引 起水体富营养化的主要物质，因此如何更有效地从城市污水中除磷脱氮成为广 大科研工作者的研究课题之一。目前常用的污水除磷脱氮的方法有物理法、化 学法和生物处理法等。生物处理法由于投资少、运行操作简单、二次污染小、 节省运行费用而在世界上的许多国家得到了广泛的应用。 1 1 生物脱氦除磷的机理 1 1 1 生物脱氦机理 生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨氮转化为n 2 和n x o 的过 程。脱氮过程由有机氮氨化、硝化、反硝化和微生物的同化作用来完成。 氨化作用是指有机氮化合物在氨化细菌的作用下氧化为氨氮的生物稳定过 程。污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在，蛋白质在水解酶的催 化作用下水解为氨基酸，氨基酸在脱氨基酶作用下发生脱氨基作用使有机氮转 化为氨氮。 硝化作用是由自养型好氧微生物一亚硝化菌( n i t r o s o m o n a s ) 和硝化菌 ( n i t r o b a c t o r ) 完成的，即由亚硝化菌首先将氨氮转化为亚硝酸盐氮，接着硝 化菌进一步将亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮。 反硝化作用是指异养兼性微生物在缺氧条件下，将好氧硝化产物亚硝酸 盐、硝酸盐还原为气态产物n 2 、n 2 0 或n o 等，实现从废水中脱氮的生化过 程。 同化作用是指在生物处理过程中，污水中的一部分氨氮或有机氮被同化为 微生物细胞的组成部分。 传统的生物脱氮理论认为，脱氮是由两阶段处理完成的，以氨氮形式存在 的无机氮通过好氧硝化反应( n h 4 + _ n 0 2 - i i n 0 3 。) ，继之以缺氧反硝化反应 ( n 0 3 - - n 0 2 - _ n 2 ) 从而被去除1 1 1 。其生物脱氮理论认为：两个过程不能同时 发生，且硝化作用的最终产物是硝酸盐氮，反硝化作用以硝酸盐氮为电子受体 第1 章课题研究背景和依据 【2 】。传统生物脱氮的主要不足表现在：硝化过程要把氨氮完全氧化成硝酸盐需 要消耗较多的氧，而反硝化过程还原硝酸盐到氮气需要提供足够的有机碳源。 生物脱氮过程受到很多因素的影响。硝化反应的适宜温度是2 0 - 3 0 ， 1 5 时硝化速率下降，5 时完全停止。反硝化反应的最适温度为2 0 4 0 。硝化菌属自养菌，生长速率较慢，因此泥龄较长。反硝化反应的顺利进行 需要充足的碳源，一般认为当废水中b o d 厂r n 3 - 5 时，反硝化反应速率较 高。 1 1 2 生物除磷机理 自1 9 5 5 年首次报道生物“超量吸磷 现象以来，生物除磷的废水处理工艺 被应用于世界各国的许多污水处理厂。国内外学者在对增强生物除磷的基本原 理认识的基础上，对生化机理的研究逐渐深入展开。目前对生物除磷的机理虽 然还不清楚，但通过大量的理论和实践研究，人们对生物除磷的基本原理已经 获得初步认识【3 1 。污水除磷技术的发展起源于生物超量吸磷现象的发现。传统 的生物除磷就是利用聚磷菌( p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，p a o s ) 从外部环境超量地摄取磷，并将磷以聚磷的形态储藏在菌体内，形成高磷污 泥，排出系统，达到从污水中除磷的目的。 在生物学上，可以通过增强微生物磷的去除能力来达到废水中磷的去除， 因此增强生物除磷得到了广泛的关注【4 ，5 l 。e b p r 表现为厌氧状态释放磷的活性 污泥在好氧状态下有很强的磷吸收能力，吸收的磷量超过了微生物正常生长所 需要的磷量。一般认为其过程为： ( 1 ) 厌氧段( 无分子氧和硝态氮) ：聚磷菌通过水解细胞中的聚磷为正 磷酸盐( p o 广) 并释放到胞外的过程中获取能量，将污水中易降解的c o d ( 如短链脂肪酸) 合成为聚羟基烷酸( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ，简称p h a ) 等 物质贮于胞内。 ( 2 ) 好氧段：聚磷菌以游离氧为电子受体，氧化胞内贮存的p h a ，并利 用该反应产生的能量，从污水中过量摄取磷酸盐，合成高能物质a t p ，其中一 部分磷酸盐又转化为聚磷，作为能量贮于胞内。好氧吸磷量大于厌氧释磷量， 通过排放过量摄磷的富磷活性污泥可实现高效除磷，这是增强生物除磷的重要 机理【6 l 。 2 第1 章课题研究背景和依据 ( 3 ) 一部分聚磷菌具有脱氮功能，在无游离氧条件下，可利用硝酸盐中 的氧进行呼吸，将硝酸盐还原为n 2 或n 2 0 。同时，在一定条件下，还可大量吸 磷。当厌氧段混入硝酸盐时，一部分易降解碳源被反硝化利用，对聚磷菌释磷 产生不利影响。 1 2 国内外研究现状和发展动态述评 1 2 1 生物除磷脱氮传统工艺 目前，国内外学者根据厌氧、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脱氮工艺和技 术，如a 2 o 工艺、b a r d c n p h o 工艺、p h o r e d o x 工艺、u c t 工艺、m u c t 工艺、 v i p 工艺、s b r 工艺等，其中有很多工艺是由a 2 o 工艺改进而来的。a 2 o 工 艺由于其流程简单，操作方便，在同一系统中能实现脱氮和除磷，因而得到了 广泛的应用。以下介绍几组常用的脱氮除磷工艺。 1 2 1 1a 2 0 工艺 污水首先进入厌氧池，兼性厌氧发酵细菌将污水中可生物降解的有机物转 化为短链脂肪酸。而聚磷菌可将其体内储存的聚磷酸盐分解，所释放的能量可 供好氧的聚磷菌在厌氧环境下维持生存，另一部分能量可供聚磷菌吸收低分子 短链脂肪酸，并以p h a 的形式储存在体内。随后，污水进入缺氧池，反硝化菌 利用好氧池回流上清液带来的硝酸盐，以污水中可生物降解的有机物作碳源进 行反硝化，达到脱氮的目的。接着污水进入好氧池，聚磷菌在吸收利用污水中 残余的可生物降解有机物的同时，主要是通过分解体内储存的p h a 释放能量来 维持其生长繁殖。同时过量的摄取周围环境中的溶解磷，并以聚磷形式在体内 储积起来，使出水中溶解磷浓度达到最低。而有机物经厌氧池、缺氧池分别被 聚磷菌和反硝化细菌利用后，到达好氧池时浓度已相当低，这有利于自养型硝 化菌的生长繁殖，并通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐。 该工艺可达到同时去除有机物、脱氮、除磷的目的，而且这种运行状况丝 状菌不宜生长繁殖，基本不存在污泥膨胀问题。且工艺流程简单，总水力停留 时间少于其他同类工艺，并且无需外加碳源，缺氧、厌氧段只进行缓速搅拌， 3 第1 章课题研究背景和依据 运行费用低。但除磷效果因受到污泥龄、回流污泥中挟带的溶解氧( d o ) 和硝 态氮( n 0 3 - n ) 的限制，而受到一定的影响。同时由于脱氮效果取决于混合液 回流比，而a 2 o 工：艺的混合液回流比不宜太高( - 2 0 0 ) ，脱氮效果不能满足 较高要求。 混合液回流 图1 1a 2 o 工艺流程图 f i & 1 1a 2 op r o c e s sf l o w 1 2 1 2b a r d e n p h o 工艺与p h o r e d o x 工艺 如图1 2 所示，四阶段b a r d e n p h o - f _ 艺主要由两组缺氧好氧池组成。污水首 先进入第一缺氧池主要完成反硝化脱氮，第一好氧池完成含碳有机物氧化、含 氮有机物氨化及硝化。此段除氮可占总去除量的7 0 左右。第二缺氧池反硝化 菌利用混合液中的内源代谢物进一步反硝化脱氮，第二好氧池完成吸磷过程， 并吹脱反硝化产生的氮气从而改善污泥沉降性能。四阶段b a r d e n p h o i 艺脱氮效 率很高( 9 0 9 5 ) ，但缺氧池内释磷受抑制，除磷效果不明显。 混合液刨流 图1 2 四阶段b a r d e n p h o i 艺流程图 f i g 1 2b a r d e n p h op r o c e s sf l o w 改进后的五阶段p h o r e d o x i 艺( 如图1 3 所示) 是在b a r d c n p h o i 艺第一缺氧 池前增加了一个厌氧池，保证了磷的释放，从而保证在好氧条件下聚磷菌有更 强的吸磷能力，提高了除磷效率。污泥回流至厌氧池，混合液回流至第一缺氧 4 第1 章课题研究背景和依据 池，聚磷菌在厌氧池内顺利完成释磷过程。最终好氧段为混合液提供短暂的曝 气时间，会降低沉淀池出现厌氧状态和释磷的可能性。且该工艺的泥龄较长， 从而增加了碳氧化的能力；缺点在于污泥回流携带硝酸盐回到厌氧池会对除磷 有不利影响，且受水质影响较大，对于不同的污水除磷效果不稳定。 混合液回流 图1 3 五阶段p h o r e d o x 工艺流程图 f i g 1 3p h o r e d o xp r o c e s sf l o w 1 2 1 3u c t 工艺与m u c t 工艺 u c t t 艺与a 2 o t 艺类似( 如图1 4 ) ，不同之处在于沉淀池污泥是回流到 缺氧池而不是回流到厌氧池，增加了从缺氧池到厌氧池的缺氧池混合液回流。 由缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的溶解性b o d ，而硝酸盐很少，为 厌氧段释磷提供了最优的条件。 硝化混合液回流 图1 4u c t t 艺流程图 f i g 1 4u c tp r o c e s sf l o w 为使进入厌氧池的硝态氮量尽可能减少，保证污泥具有良好的沉降性能， 开发了改良型m u c t 工艺( 如图1 5 ) 。m u c t 工艺在厌氧池和缺氧池之间又增 5 第1 章课题研究背景和依据 加了一个缺氧池，第一缺氧池以污水中有机物作为碳源对污泥回流带入缺氧池 中的硝酸盐进行反硝化，第二缺氧池对好氧池回流的富含硝酸盐的上清液进行 反硝化。 缺氧混合液回流硝化混合液回流 图1 5m u c t i 艺流程图 f j g 1 jm u c tp r o c e s sf l o w u c t 工艺由于沉淀池污泥回流到缺氧池而不是回流到厌氧池，从而排除了 回流污泥中硝酸盐进入厌氧池对除磷产生的不利影响。改良型m u c t 工艺又最 大限度地消除了回流至厌氧池中的硝酸盐对释磷产生的不利影响，但m u c t 工 艺由于增加了缺氧段向厌氧段的回流，导致其运行费用较高。 1 2 1 4v ip 工艺 v 口工艺与u c t i 艺非常类似，两者的差别在于池型构造和运行参数方 面。v i p 工艺反应池采用分格方式，将一系列体积较小的完全混合式反应格串 联在一起，这种形式形成了有机物的梯度分布，充分发挥了聚磷菌的作用，提 高了厌氧池磷的释放和好氧池磷的吸收速度，因而比单个大体积的完全混合式 反应池具有更好的除磷效果。缺氧反应池的分格使大部分反硝化反应都发生在 前几格，有助于缺氧池的完全反硝化，这样在缺氧池的最后一格硝酸盐的量极 少，基本上没有硝酸盐通过缺氧池的回流液进入厌氧池，保证了厌氧池严格的 厌氧环境。与u c t 工艺相比，此工艺采用高负荷运行，混合液中活性微生物所 占的比例较高，且污泥龄短，因而运行速率高，除磷效果好。 此外，氧化沟工艺和s b r i 艺也能实现良好的生物脱氮除磷效果。具有脱 氮除磷功能的氧化沟是将氧化沟和其它脱氮除磷工艺结合起来，用氧化沟来实 现本应由多个反应器来承担的任务，使工艺更加紧凑，功能更加强大。s b r 工 艺是在同一反应器内完成脱氮除磷。通过对进水、曝气、排泥、沉淀、排水、 6 第1 章课题研究背景和依据 闲置等的操作，在时间序列上实现厌氧、缺氧、好氧的组合。通过改变运行方 式，合理分配曝气和非曝气的时间，创造交替的厌氧、缺氧、好氧条件实现脱 氮除磷。与其他工艺相比，s b r i 艺性能较好，操作灵活。 1 2 2 厌氧氨氧化 早在1 9 7 7 年，b o r d a 就曾预言自然界应存在反硝化氨氧化菌( d e n i t r i f y i n g a m m o n i a - o x i d i z e r s ) 嗍。m u l d e r 等在研究脱氮流化床反应器时发现，氨确实可直 接作为电子供体而进行反硝化反应，并称之为厌氧氨生物氧化( a n a e r o b i c a m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 1 9 1 。v a nd eg r a a f 等进一步证实a n a m m o x 是一个微生物学过程【l o l 。厌氧氨氧化是在严格厌氧条件下，微生物以n i - 1 4 为电 子供体，以n 0 3 或n 0 2 。为电子受体，将n h 4 + 、n 0 3 或n 0 2 。转变成n 2 的生物氧化 还原过程。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。 厌氧氨氧化反应如下式所示： 阍：+ d ；- 2 + 2 h 2 0 ( 1 1 ) 5 n h ：+ 3 n o ；4 2 + 9 h 2 0 + 2 h + ( 1 2 ) 该工艺由于不需投加有机物以维持反硝化，且污泥产率低，还可改善硝化 反应产酸、反硝化反应产碱等均需中和的情况，这对控制化学试剂消耗、防止 可能出现的二次污染具有重要意义。该工艺与传统的硝化反硝化相比，具有明 显的优势：( 1 ) 减少需氧量5 0 - 6 0 ；( 2 ) 无需另加碳源：( 3 ) 污泥产量 低；( 4 ) 高氮转化率。 到目前为止，厌氧氨氧化的反应机理、参与菌种和各项操作参数还不十分 明确。j e t t e n 等提出a n a m m o x 工艺的温度范围是2 0 - - 4 3 ，最佳温度为4 0 1 2 ，p h = 6 7 - - 8 3 ( 最佳p h = 8 ) 时运行得最好【1 1 l 。以厌氧氨氧化为基础的脱氮 工艺主要有c a n o n 工艺。c a n o n 工艺( c o m p l e t e l ya u t o t r o p h i cn i t r o g e n r e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 是在亚硝酸盐存在的条件下全程自养脱氮过程。该工艺 结合了短程硝化和厌氧氨氧化，并使得两者在同一反应器中进行。 7 第1 章课题研究背景和依据 1 2 3 短程硝化反硝化 传统硝化反硝化脱氮途径为：n h 4 + - n 0 2 _ - n 0 3 一n 0 2 - - n 2 ，即硝化过程 是将n h 4 经n 0 2 - 氧化为n 0 3 ，反硝化过程先后以n 0 3 。、n 0 2 作为电子受体最 终还原为n 2 。这一生物脱氮过程中，硝化过程从n 0 2 转化为n 0 3 与反硝化过 程n 0 3 。转化为n 0 2 ，这两个过程是完全可以省去的。从微生物学角度考虑， 氨氮被氧化为硝酸盐氮是由两类独立的细菌催化完成的，对于反硝化菌无论是 硝酸盐氮还是亚硝酸盐氮均可以作为最终电子受体。试验证明，脱氮过程也可 经这样的途径完成：n h 4 + - - n 0 2 _ n 2 ，称之为短程硝化反硝化【1 2 1 3 1 。 短程硝化反硝化生物脱氮( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ) 是近年开 发出的脱氮新工艺。其原理是将m 氧化控制在亚硝化阶段，然后反硝化菌仅 以n 0 2 。为电子受体进行反硝化脱氮。反应方程式可表示为： 2 n h ；+ 3 d ，堑型塑k 2 n o ；+ 3 h ，o + 4 h + ( 1 3 ) 1 n o ；+ 3 h + ( 电子供体有机物) 墅眍塑- 三，4 - h ，0 + o h 一 ( 1 4 ) 2 。 温度对短程硝化反硝化的影响很大。亚硝酸菌和硝酸菌的最适宜温度不相 同，可以通过调节温度抑制硝酸菌的生长而不抑制亚硝酸菌的方法，来实现短 程硝化反硝化过程。有文献报道【1 4 1 ，生物硝化的适宜温度为2 0 - 3 0 ，当温 度超过2 5 ，硝化反应速率降低，而亚硝化反应速率增大。s h a r o nt 艺认 为实现短程硝化反硝化的温度应控制在3 0 c - - 一3 5 c 1 5 l 。高大文等【1 6 】人采用序批 式活性污泥法处理实际豆制品废水，结果表明：只有当反应器温度超过2 8 时，短程硝化反硝化过程才能较稳定地进行。研究表明：亚硝化菌的适宜p h 值在8 o 附近，硝化菌的p h 值在7 o 附近。因此，实现亚硝化菌积累的p h 值 最好在8 o 左右。高大文等【1 7 l 采用序批式活性污泥法，在温度为2 8 l 的条 件下，通过控制反应器内初始p h 为7 8 - - 8 7 开发了一种新型短程生物脱氮工 艺：控制p h 实现短程硝化反硝化生物脱氮。于德爽掣1 8 】通过中温条件下生活 污水的s b r 法短程硝化反硝化试验得出结论：温度为2 0 - 3 0 ，控制进水 的p h 值为7 5 - - - 8 8 可造成硝化过程中亚硝态氮的积累，且平均亚硝化率达 9 5 以上。k e i s u k eh a n g n a k i l l 9 】经过试验研究得出：在2 5 时，当进水氨氮可 为8 0 m g l ，溶解氧为0 s m g l 时，氨氧化细菌的增殖速率加快将近1 倍，使得 氧化到亚硝态氮的过程没有受到明显影响，而硝化细菌的增殖速度在低溶解氧 8 第1 章课题研究背景和依据 ( o 5 m g l ) 没有任何提高，从而导致亚硝态氮的大量积累。此外，r u i z 2 0 j 等利 用以人工配制高氨氮废水作为处理对象进行了试验，结果表明：当d o 从 5 7 m g l 降到1 7 m g l 时，没有出现短程硝化过程；d o 降到1 4 m g l 时开始出 现亚硝酸盐积累；d o 降到0 7 m g l 时，亚硝酸盐积累量达到最大值。氨氮的 硝化速率比亚硝态氮的氧化速率快，而亚硝酸菌的世代周期比硝化菌的世代周 期短，因此可以通过控制h r t 使泥龄在亚硝酸菌和硝酸菌的最小停留时间之 间，使亚硝酸菌成为优势菌种，逐步淘汰硝酸菌。s h a r o n 工艺是控制泥龄实 现亚硝酸盐积累的典型工艺。李春杰等1 2 1 】采用一体化膜序批式生物反应器 s m s b r 处理焦化废水时获得了稳定高效的h n 0 2 积累，并提出短程硝化现象并 非是由p h 和氨氮浓度所引起，而是由于泥龄太长所产生的微生物代谢产物抑 制了硝化菌生长的结果。 与传统硝化反硝化相比，短程硝化反硝化主要具有以下优势：首先，由于 该工艺硝化过程只进行到亚硝化阶段，因而节省了耗氧量，据文献报道【珏2 4 j ， 可以比传统硝化反硝化生物脱氮节省2 5 的耗氧量；同样在后续反硝化段短程 硝化反硝化所需的碳源较少，可比传统硝化反硝化节省4 0 的碳源，同时具有 减少污泥产量和占地面积省等优点。理论上对于低碳源生活污水可以实现短程 硝化反硝化，另外，在好氧过程中短程硝化反硝化生物脱氮比传统硝化反硝化 生物脱氮减少了由n 0 2 。氧化为n 0 3 。的过程，因而缩短了总的反应历程，提高 了脱氮效率。 如何将硝化过程控制在亚硝化阶段是实现短程硝化反硝化的关键。研究者 发现了以下方法瞄l ：( 1 ) 加入抑制亚硝酸盐氧化菌的抑制剂：( 2 ) 控制溶解 氧在较低的水平，以避免亚硝酸盐进一步被氧化为硝酸盐，因为分子氧与氨氧 化菌比与亚硝酸盐氧化菌有着更强的亲和力；( 3 ) 使用纯氨氧化细菌：( 4 ) 通过控制p h 值和液相中氨氮浓度来抑制亚硝酸盐氧化过程；( 5 ) 根据氨氧化 菌和亚硝酸氧化菌不同的生长速率来选择菌种。 1 2 4 同时硝化反硝化 由于硝化菌和反硝化菌各自适宜的生长环境不同，传统脱氮理论对这两个 过程有着严格区分，认为硝化过程是氨通过亚硝酸盐向硝酸盐的自养型转换， 反硝化过程则被认为是在严格厌氧条件下完成的。近年来，关于硝化反硝化的 9 第1 章课题研究背景和依据 理论有了新的突破，许多异养菌也能硝化有机氮和无机氮化合物，甚至在许多 微生态系统中异养菌的作用超过了自养菌。与自养菌相比，异养硝化菌倾向于 快速增长且有较高的产率，可容忍低溶解氧环境和酸性环境，喜欢高c n 比。 另外，也发现了一些好氧反硝化菌，与厌氧反硝化细菌相比，好氧反硝化菌具 有以下特点：( 1 ) 反硝化速率慢些；( 2 ) 喜好某些特定基质，如甲醇； ( 3 ) 随好氧厌氧周期的变化，对小生态环境的适应性好些。由于异养硝化菌 和好氧反硝化菌的发现，使得硝化和反硝化可以在同一个好氧环境中，相同的 操作条件下同时实现，即所谓的同时硝化反硝化( s n d ) 2 6 - 2 9 。 同时硝化反硝化可以从微环境理论和生物学理论方面加以解释。微环境理 论认为：由于氧扩散的限制，在微生物絮体或生物膜内产生d o 梯度，微生物 絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度较高，以好氧硝化菌及氨化菌为主；深入絮 体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗产生缺氧区，反硝化菌占优势，从而 形成有利于实现同时硝化反硝化的微环境。将曝气池内溶解氧控制在较低水 平，将可能提高缺氧或厌氧微环境所占比例，从而促进反硝化作用。实际上， 由于微生物种群结构、基质分布代谢活动和生物化学反应的不均匀性，以及物 质传递的变化等因素的相互作用，在微生物絮体和生物膜内部会存在多种多样 的微环境。不同微环境的共同存在引起了同时硝化反硝化现象。 生物硝化反应的适宜温度为2 0 - 3 5 。亚硝酸菌与硝酸菌生长的适宜温 度各不相同，通过调节温度抑制硝酸菌而不抑制亚硝酸菌的活性来实现s n d 是 一种可行的途径。h e l l i i l g a 等f 刈认为s n d 的最佳温度为3 0 3 5 ：b a l m e l l c 3 1 j 认为实现亚硝酸型硝化的最佳温度为2 5 ；h y u n g s c o ky 0 0 1 3 2 j 的研究表明，将 温度控制在2 2 2 7 ，或者至少不能低于1 5 也可以实现亚硝酸型硝化。通 过控制温度因素，荷兰的d e l f t 大学设计出了s 地蛾o n 工艺1 3 引。该工艺控制温度 在3 0 - 3 5 范围内，再结合控制水力停留时间( h r t ) 来逐步淘汰硝酸菌， 最终使得反应器内的亚硝酸菌成为优势菌，从而实现s n d 。控制系统中溶解氧 浓度在一定范围内，对