（环境工程专业论文）含氮废水同时硝化反硝化工艺特性基础研究.pdf

摘要 ( 6 ) 采用 单级 a / o程序复 合膜生物反 应器 ( h s m b r ) 处理氨氮 废水， 研 究了 在低 d o浓度下系 统对有机物、氨氮和总氮的去除效率。研究结果 表明: d o在0 . 5 -1 . o m g / l 时， c o d , 氨氮的 平均去除率分别为9 4 . 4 % 和9 2 . 8 % 。由 于 进水c o d / t n比 仅为2 . 0 1 ， 则使 得总氮平均去除率仅为6 9 . 4 %， 但是当 系统n o z - -n累积率从6 0 . 5 % -6 7 . 1 % 提高 到 8 3 . 5 % - 8 6 .4 % 时，系统总氮去除 率提高了 1 7 . 7 %。另外，维持低 d o浓度可以实现亚硝酸型同时硝化反硝化反应。 ( 7 ) 通 过同时 硝化反 硝化反应机理的分析， 建立了 膜生物反应器中的同 时 硝化反硝化反应 动力学模 型， 发现试验结果而求得的硝酸盐饱和常数k n o 要远 远高于传统单 级反硝化过程模型中的硝酸盐饱和常数，从量化的角度了 解了同 时硝化反硝化现象。 关键词:亚硝化一反硝化; 同时硝化反硝化;低溶解氧; 膜生物反应器 ( mb r) 复 合膜生物反 应器 ( h s m b r ) ab s t r act c o n v e n t i o n a l b i o l o g i c a l n u t r i e n t r e m o v a l p r o c e s s e x i s t s o m e p r o b l e m s s u c h a s s y s t e m c o m p l e x , la r g e f o o t p r i n t , h i g h i n v e s t m e n t , e c t .s h o rt - c u t n i t r i f i c a t io n a n d d 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 s n i t r i fi c a t i o n a n d d e n i t r i fi c a t i o n a r e n o v e l b i o l o g i c a l n u t r i e n t re m o v a l t e c h n o l o g i mt h e p r o c e s s e s h a v e m a n y a d v a n t a g e s , s u c h a s e n e r g y s a v i n g , l e s s s l u d g e a n d l e s s f o o t p r i n t , e c t . s o t h e s e n e w t e c h n o l o g i e s a r e b e i n g p a i d m o re a n d m o r e a t t e n t i o n b y e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g s c i e n t i s t s . i n t h i s p a p e r ,s i m u l t a n e o u s n i t r i fi c a t i o n a n d d e n i t r i fi c a t i o n w a s s t u d i e d i n t h e me mb r a n e b i o r e a c t o r ( mbr) a n d s i mu l t a n e o u s n i t r i fi c a t i o n s n d d e n i t r i fi c a t i o n v i a n i t r i t e w a s s t u d i e d i n t h e h y b r i d s u b m e r g e d me m b r a n e b i o re a c t o r ( h s m b r ) . f r o m t h e e x p e r i m e n t s i g e t t h e m a i n c o n c l u s i o n a s f o l l o w s . ( 1 )a c c o r d i n g t o t h e e x p e r i m e n t a l re s u l t s , t h e p a p e r h a s p r o v e d t h a t s i m u lt a n e o u s n i t r i fi c a t i o n a n d d e n i t r i fi c a t i o n ( s n d) c a n o c c u r c o n c u r r e n t l y i n a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m a n d mb r, c o m p a r e d s n d i n t h e a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m w it h s n d i n m b r a n d f o u n d t h a t t h e m b r h a s a h i g h e r re m o v a l e ff i c i e n c y o f c o d , a m m o n i a a n d t n t h a n t h e a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m . a s a w h o l e , i n t h e mb r i s e a s i e r t o re a l i z e s n d t h a n a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m ,a n d t h e e ff e c t i s b e t t e r . ( 2 ) t h e e x p e r i m e n t a l re s u l t s in a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m a n d m b r s h o w e d t h a t d o i s a l i m i t i n g f a c t o r t o s n d , c / n i s a k e y f a c t o r t o s n d ,a n d p h i s a i m p o rt a n t f a c t o r t o s n d . a c c o r d i n g t o t h e e x p e r i m e n t a l re s u l t s , t h e e ff i c i e n c y o f s i m u lt a n e o u s n i t r i fi c a t i o n a n d d e n i t r i fi c a t i o n i s t h e b e s t w h e n d o c o n c e n t r a t i o n i s 0 . 8 m g / l -1 . 0 mg / l a n d p h i s n e u t r a l t o a ll c a l e s c e n t . wi t h r e d u c t i o n o f c o d / i n, t h e t n r e m o v a l e ff i c i e n c y b e c o m e s l o w e r . b u t t h e t n re m o v a l e f fi c i e n c y i n c r e a s i n g w i t h e n h a n c i n g f / m . m o r e e v e r , f / m i s a n o t h e r k e y f a c t o r i m p a c t 吨 o n t h e s n d , a n d f / m i s 0 . 1 5 - 0 . 3 6 k g c o d / k g m l s s - d f o r b e s t e ff i c i e n c y o f s i m u l t a n e o u s n i t r i fi c a t i o n a n d d e n i t r i fi c a t io n i n m b r w h e n d o c o n c e n t r a t i o n i s 0 . 8 m g / l . i n t h e re s e a r c h ， t h e o p t i m a l t e c h n o l o g i c a l c o n d it i o n s f o r s n d p r o c e s s i n m b r a r e d e t e r m i n e d , u n d e r w h i c h t h e d o i s a b o u t 0 . 8 p p mc / n v a l u e i s a b o u t 1 0 , f / m i s 0 . 3 4 k g c o d / k g m l s s - 氏 a n d p h i s n e u t r a l t o a l k a le s c e n t . ( 3 ) a c c o r d i n g t o t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , t h e i n fl u e n c e m e c h a n i s m w h i c h d o a n d c / n a ff e c t o n s n d i s c o n s i s t e n t i n a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m a n d mb r ( 4 ) h s m b r tr e a t in g n it ric w a s t e w a te r c a n r e a liz e s im u lta n e o u s n it ri fic a t io n a n d d e n i t r i f i c a t i o n v i a n i t r i t e , a n d n o 2 _ -n a c c u mu l a t i o n e ff i c i e n c y i s 5 0 . 9 %一 8 0 . 3 % , t n r e m o v al e ff i c i e n c y i s 3 7 % 7 4 . 5 % .s y s t e m o f s i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o n v i a n i t r i t e c a n o p e r a t e t i l l o n e m o n t h , b u t i t c a n n o t b e l o n g t e r m s t a b l e . ( 5 ) t h e f u n d a me n t a l r e a s o n o f s i m u l t a n e o u s n i t r i fi c a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o n v i a n i t r i t e i n h s m b r i s t h a t n i tr o g e n o x i d a t i o n b a c t e r i a c o m p e t e o u t n i t r i t e o x i d a t i o n b a c t e r i a d u r i n g t h e p r o c e s s o f a d a p t t o t e m p e r a t u r e , d o , p h , f a . ( 6 ) t h e c o d , a m m o n i a a n d t o t a l n i tr o g e n ( t n ) r e m o v al e ff i c i e n c y w e r e s t u d i e d i n t h e p a p e r a t l o w d o c o n c e n t r a t i o n i n s i n g l e - s t a g e a n o x i c / a e r o b i c h y b r i d s u b m e r g e d m e m b r a n e b i o r e a c t o r t r e a t i n g w a s t e w a t e r w i t h h i g h a m m o n i a c o n c e n tr a t i o n . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e c o d a n d a m m o n i a a v e r a g e r e m o v al e ff i c i e n c y r e a c h r e s p e c t i v e l y 9 4 .4 % a n d 9 2 . 8 %, w h e n d o i s 0 . 5 1 . o m g / l . b e c a u s e o f t h e l o w i n fl u e n t c o d / t n r a t i o ( = 2 .0 1 ) , t h e t n a v e r a g e r e m o v al e ff i c i e n c y w a s o n l y 6 9 .4 % , w h i l e t n r e m o v al e ff i c i e n c y c o u l d b e i n c r e a s e d 妙 1 7 . 7 % w it h t h e n i t r it e a c c u m u l a t i o n r a t i o i n c r e a s i n g fr o m 6 0 . 5 %6 7 . 1 % t o 8 3 . 5 % - 8 6 .4 %. mo r e o v e r , s n d v i a n i t r i t e a t l o w do l e v e l c o u l d b e r e al i z e d . ( 7 ) u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f s n d ,t h e d e n i t r i f i c a t i o n s e e m e d t o b e r a t e - l i m i t i n g s t e p . m e a n w h i l e , b as e d o n t h e a n a ly s i s a n d p r o c e s s i n g o f d a t a o f s n d , t h e k i n e t i c m o d e l o f s n d w as c o n s t i t u t e d , a n d n i t r a t e s a t u r a t i o n c o e f f i c i e n t k n o 3 w a s d e d u c e d a c c o r d i n g t o t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . i t w as f o u n d k n o 3 o n t h e c o n d i t i o n s o f s n d w as g r e a t e r t h a n t h a t o f d e n i t r i f i c a t i o n p r o c e s s i n g e n e r a l m o d e l f o r s i n g l e - s t a g e a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m , a n d s n d w as d e e p l y u n d e r s t o o d fr o m q u a n t i t a t i v e as p e c t . k e y w o r d s . n i tr o u s n it r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o n ; s i m u lt a n e o u s n i t r i f i c a t io n - d e n i t ri f i c a t i o n ; l o w d o; m e m b r a n e b io r e a c to r( mb r) ; h y b r i d s u b m e r g e d m e m b r a n e b i o r e a c t o r ( h s mb r) : 学位论独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导 师指导下进行的 研究工作及 取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的 地方外，论文中 不包含 其 他 人 已 经发 表 或 撰 写 过的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 南昌大 学 或 其 他 教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 ( 手 写 ): 万卷签 字 日 期 : 、脾 月 、 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关 保留、 使用学 位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅 。 本人授权南昌大李可以 将学位 论文的 全部或部分内 容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学 位论文 在解密后 适用 本授权书) 学位论文作者签一二 导师签一丸 ， 签 字 日 期 : 2 x 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地 址: 电话 邮编 第 1 章绪论 第1 章绪 论 1 . 1我国水污染状况 水，作为人类所需的不可替代的一种资 源，是 社会持 续发展的重要支柱之 一。 我国 是一个水资源极匾乏的国 家， 人均水资 源占 有量只有2 1 6 3 时， 为世界 人均 量的 1 / 4 ， 在世界银行统计的 1 5 3 个国家中只 居第 8 8 位， 并被联合国 列为 1 3个 水 资 源 贫 乏 的 国 家 之 一 l 。 水 资 源一 方 面 存 在 短 缺 ， 另 一 方 面 水 体 又因 为 我国社会经济的 快速发 展而遭受着日 益严重的 污染，我国 最主要的水污染是工 业和 城市污水， 加 上化肥和有机 肥的 流失 2 . 3 1 。 根据2 0 0 6 年中国 环境状况公 报报 道41 ， 在国内 生产总值比 上年增长1 0 . 7 %， 能 源消费 总量比 上年增长9 .3 %的 形势 下， 2 0 0 6年全国 环境质量状况总体 保持稳定. 全国地表 水属中 度污染， 在国 家 环境 监测网 监测的7 4 5 个地表水监测断 面中， i - i i i 类、 n类、 v类及劣v类水 质的断 面比 例分别为4 0 %. 3 2 % . 2 8 % 。 七大水系中， 珠江、 长江水质良 好， 松 花江、黄河、淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。太湖、滇池为劣 v类 水质，巢湖为 v类水质。重点城市集中式饮用水源地水质总体良好，全国大部 分海 域水质良 好， 局部海域污染依 然严重。 近岸海 域一、 二类海水比例为6 7 . 7 %. 三类 海水为8 %，四 类、劣四类海 水为2 4 .3 %。南 海、黄 海近岸海域水质良 好， 渤海、东海近岸海域分别为轻度和中 度污染。水质 评价则 表明中国的海岸带水 只有1 8 .7 % 达到 i 类， 2 1 .4 % 达到ii 类， 6 . 5 % 达到 i ii 类， 有5 3 .4 % 超过了 i i i 类 5 1 2 0 0 5 年，全国废水排放总量5 2 4 .5 亿吨，其中工 业废 水排放 量2 4 3 . 1 亿吨， 生活污水排 放量2 8 1 . 4 亿吨。 2 0 0 5 年，化学需 氧量 排放量 1 4 1 4 . 2 万吨，比上 年 增加5 . 3 % ;氨 氮排放量1 4 9 . 8 万吨， 比 上年增加 1 1 . 2 % 。目 前城 镇生活污水处 理 率只 有 3 2 . 3 %， 大量未处理达标的 污水排 入水体，不 仅给我国的 水环境带来更加 严重的污染，危害人类的身体健康，而且进一步加剧水资源的短缺。 2水环境中氮的形态与来源 2 . 1水环境中氮的形态与转化 废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚 硝酸 盐氮和硝酸盐 氮等四 种形态 存在. 第 1 章绪论 有机氮包括蛋白 质、多 肤、 氨基酸和尿素 等， 无机氮包括氨 态氮( 简称氨氮) 和硝 态 氮。 氨 氮 包 括 游离 氨 态 氮n h 3 - h和 按 态 盐n h 4 十 一 n o 硝 态 氮 包 括 硝酸 盐 氮 n 0 3 - - n和亚硝酸盐 氮n 0 2 - - n 。亚硝 态氮不稳定可以 还原为 氨氮， 或氧化 成 硝态氮。废水中能被测定的有机氮和氨氮的 总量称为总凯氏 氮( t o t a l k i e l d a h i n i t r o g e n ) ，常用t k n来表示;废 水中一 切含氮化合物以氮计量的总 和称为总 氮 ( t o t a l n i t r o g e n ) ，常 用t n来 表示。 氮的几 种形 态的 相互关系可以用图1 . 1 来表示。 有机氮 氨氮 总 凯 式 氮 (t k n ) 亚硝酸盐氮 硝酸盐氮 产|klee、 tn 氮 总 图1 . 1 各种形 态氮的 关系图 f i g 1 . 1 r e la t i o n a l c h a rt o f a l l f o r m s o f n it r o g e n 氨氮在水中 是以n h 3 或n i - 1 4 十 两种形式 存在，即: n h , 什n h 3 + h (1 . 1 ) 动态平衡时 k o = n h , h (1 . 2) n h4 式中: k e 一 离解常数: n h 3 -氨 的浓度， ( m o l / l ) ; 困 h 4 - 按 离 子 浓 度 ， ( m o l/l ) ; t 十 氢 离 子 浓 度， (m 0 1/l ) o 水中总的氨氮物料平衡式可写为: 总 的 氨氮 浓 度 二 n h 3 + n h 4 l 根据以上平衡式可以 知道， n i -1 4 + 在 总的 氨氮中 所占 的比 例可用下式来表示: n h ; ( %) = ( 1 .3 ) 将式 ( 1 . 3 )代入式 n h; l. _ _1 0 0 _x i u u= l n h ; i + l n h 3 1 + i n h 3 i / i n h ; i 0. 2 )可得: 【 n h 4 1 ( / ) no = 1 0 0 1 + ( k . / h ) ( 1 .4 ) 第 1 章绪论 由 式( 1 .4 ) 可以 看出 ， 水 中 的 氨 氮 主 要以 哪 种 形 式 存 在 是 与 污 水 的p h 相关 的 。 例 如 ， 氨 在2 5 时 的 离 解 常 数k . = 5 .8 - 1 0 -o ， 当 水 的p h = 8 时 ， 用 式( 1 .4 ) 计 算可以 知道， 此时n h 4 + 所占比例为9 4 .6 %。 若水的p h = 7 . n h 4 + 所占比例为 9 9 . 4 % 。 可见， 在大部分污水生 物处理设备中， 氨氮主要是以n h 4 + 的形 式存 在. 1 0 0 余 年 前 即己 确 定n素 形 态 转 化的 两 条 基 本 途 径 t i 。 它 们 是 好 氧 条 件下 的 钱氧化 ( 硝化过程)和厌 氧条件下的硝酸根还原 ( 反 硝化过程) ， 这是两 个不同 的 过程。 硝化过程是在自 由氧存 在的条件下，氨 氧化 细菌把 n h 4 氧化成 n 0 3 的过程。氨氧化细菌多为化能自养细菌，有机碳的存在不利于氨氧化细菌的活 性。 但在氨氧化细菌中，一部分是异养细菌， 它们参与氨的 氧化过程需要有机 碳的 供应。 反硝化过程是反硝化 细菌在严格厌 氧条件下把 n 0 3 一 还原成 n 2 的过 程， 生成的产物有n 2 . n 2 0等气体。 反硝化过 程也可以 通过纯化学的方式 进行， 但化学反硝化在硝酸根反硝化中所占的比重不大。 在这两个基本过程的基础上， 2 0 世纪 7 0 年代末和8 0 年代初基本上确认硝 酸 根还原还有一条捷径t . 。 硝酸根还原成亚硝酸根后， 不是 继续还原成气体物质， 而 是 一 部 分n 0 2 一 还原 成 氨， 简 称为 d n r a ( d is s im ila t o ry n itr a t e r e d u c t io n to a m m o n i u m ) 。 这一 过程除 产物为 氨外， 还常有亚 硝酸根的短暂积累和n 2 0排放。 硝化过程中 不产生n 2 的观点也受到了 挑战。 在灭菌土壤上接 种硝化细菌，加入 n h 4 + 可以 观察到n 2 0的 排放。 几乎 在同时， 经过长时间的争论， 突破了反硝化 过程不能在有氧条件下进行的理论。在9 0 年代初 确认好氧条件下同样可以进行 反硝化过程。在有分子氧存在的条件下进行反硝化过程，称之为好氧反硝化 ( a e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o n ) 。 微生物研究方面也打破了 硝化细菌和反硝化细菌的严 格界限。 原来认为严格好 氧的自 养硝化细菌在氧 胁迫下也能利用n 0 2 一 作为电 子 受体 而反 硝化， 生成从或n 2 0和n o 。一系列反 硝化细菌则可以 参加异养硝化 作用， 一部分异养硝化细菌也能够同 时进行硝化和反 硝化作 用 问 . 1 . 2 . 2水 环境中 氮素的 来源 水体中 氮的来源是多方面的，主要由 城市生活 污水、 工厂工 业废水和农溉 污水三方面带入。此外自 然界的天然固氮也是一 个方面， 通过雷电固定大气中 的 氮就占天 然氮的 1 5 %。 大气中的 氮通过 下雨 会降 解到水体， 水体本身尚有许 多能将大气中的氮固定下 来并 进入水体。 据统计， 一些湖泊中的固 氮微生物从 大气中固定 下来的 氮可达 湖泊中藻类生长所需氮量的 5 0 %。 而土壤中的固氮菌 第 1 章绪论 和豆 科植物根瘤菌的生物固氮也是造成氮进入地下水 环境和土壤内源的因素。 氮素直 接进入水体 的方式可见 表 1 . 1 0 表1 . 1氮 素 直 接 进 入 水 体 的 方 式 17 1 t a b le l . 1 t h e w a y o f n it r o g e n e n t e r i n g t h e w a t e r b o d y d i r e c t l y 氮素的来源 进入水体的方式氮素的来源进入水体的方式 污水厂出水 直接排放和灌溉 废水排放、 进入地下水或通 过降水 直接排放 船舶等交通工具直接排放 工业生产 非市区径流直接排放 未经处理污水 化石燃料降水、风或重力沉降 火山活动降水、风和重力沉降 天然固氮作用就地 农业施肥地表径流和地下水运动 挥发、 降水、 地表径流和地 下水运动 地表径流和地下水运动 土壤和地壳的变动风或重力沉降 动物废弃物 垃圾渗滤液地下水运动 动植物残体腐败 化粪池浸滤液地 下 水运动 污水处理厂污泥直接废弃或农用 1 . 2 . 2 . 1 城镇生活污水中的 氮 随着城市人口的 进一步集中， 城市、村镇生活污水和生活垃圾中 含有的 氮 越来越高， 城镇生 活污水中的氮主要由厨房洗涤、厕所冲洗、 沐浴、洗衣等带 入; 城市垃圾的 渗滤液含有较高的 氨氮， 每吨垃圾约产生0 . 7 2 2 t 渗滤液， 例如: 香港新界的垃圾 渗滤液就含高 达5 0 0 0 m g / l 的氨氮。 城镇生活污水中含有的有机氮和氨氮。主要来源于人体食物中蛋白质代谢 的废弃物 ( 如: 粪便等) 。 通常新鲜生活污水中 有机氮 ( 如: 尿素等) 约占6 0 %, 无机氮约占4 0 %， 典 型的 生活污水中含氮素情况见 表 1 . 2 。 生活污水中由于 细菌 存在，能将蛋白 质分解， 使有机氮变成氨氮， 从而使 水体中氨氮的比例上升。 据 统 计 ， 美 国 一 般 每 人 每 天 平 均 产生 约 1 6 g 的 含 氮 废 弃 物 ， 美 国 的 城 市 污 水 统 计 表 示 含 氮总 量为2 0 - 8 5 m g / l ， 其中 氨 态 氮 约 为8 - 3 5 m g /l ， 有 机 氮为1 2 -5 0 m g /l 。 我国 因 生 活 方 式 与 饮食 习 惯 的 不 同， 城 市 生 活 污 水中 所 含 氮 的 平 均 值 低 于美国的统计值， 但我国 城市污水中工业废水的比重约占6 0 %， 远远高于西欧 及美国。 我国 不同 地区城 市污水中 氮的 含量情况之间的差异也很大s l1 8 1 。 我国目前 第 1 章绪论 采用的大多是生物脱氮法处理城市生活污水，二级处理以后，如若没有硝化作 用，排放的污水中的 氮主要为 氨氮， 通常为1 5 - 3 5 m g / l ;如若有 硝化一 反硝化 作用的活性污 泥排水 含氮量约为2 - 1 0 m g / l a 表1 . 2 典 型 生 活 污 水中 氮 素 浓 度 值n单 位: m g / l t a b l e l .2 t h e c o n c e n tr a t i o n v al u e o f n i tro g e n i n t h e t y p i c a l s a n it a ry s e w a g e r u n i t : m g / l 氮素指标高中低氮素指标高中低 总氮 ( t n ) 8 5 4 0 2 0亚硝酸盐0 0 0 有机氮3 5 1 5 8硝酸盐0 0 0 游离氮5 0 2 5 1 2 1 .2 .2 .2 工业废水的氮 工业废水中的 氮，既 取决于工厂所用原料的性质，也与生产工艺及产品的 种类有关:同时与 工厂的管理尤其是废水的管理技术及水平有关。因此不仅在 不同类型工厂的工业废水中所含的氨氮、硝态氮、亚硝态氮的浓度也是不相同。 产生高浓度含氨废水的工厂，大致可以分为两类型。一类是含氮产品的生产厂， 另一类是含氮产品的 使用厂和加工厂。 产生氨氮废水的工厂主要是合成氨厂及 系列氮肥厂、复 合肥厂、硝酸生产厂、 炼焦厂、己 内酞胺厂、玻璃及玻璃制品 厂、半导体印刷电路 生产厂、 铁合金厂、 石化厂、 炼油 厂、 家电 厂、 制冷剂 厂、 屠宰厂、肉 食品加 工厂、酒厂等。 人工合成的含氮化肥是水体中 氨氮营养元素 的主要来源。 我国目 前是氮肥产量居世界 首位的。硝酸盐系列产品广泛应用于 国防工业、 冶金、 机械、轻工、纺织印 染、感光材料等部门。 这些高浓度硝酸 盐的工业废水通常 也含有亚硝酸盐， 只是 其浓度较低。 例如:硝酸钾生产厂排 放的废水中含有硝酸盐2 6 4 0 m g / l ，同 时也含有亚 硝酸盐6 4 0 i n g / l ，但后 者易 氧 化成硝态氮。而某 些工业废水中 起初并不 含有亚硝酸盐和硝酸盐， 在硝化菌的 作用下才硝化成硝酸 盐和亚硝酸盐 1 9 1 1 . 2 .2 3农业污水的氮 氮肥施入土壤 后并不是全部立即被植物吸收，一般认为当 季植物吸收的 量 不超过5 0 %， 余下的 残留 于土壤中，可被后季植物利用，其量约为2 5 % 3 5 %, 而损失到大气或随水流失的部分可达总量的 2 0 %以 上。加上我国科学施 肥及推 广问 题 未 得 到 有 效 的 解决 ， 进 入水 体的 流失 氮 肥数 量 必 然 也 是 越 来 越 多 2 。 此 外， 农村的家畜养殖场、 牧场中家畜的废弃物、排泄物也是农业污水中氮的 来源， 第 i章绪论 如 : 动 物 新 鲜 尿 液中 氨 氮 可 高 达1 2 2 7 m g / l ， 猪 场 废 水 中 氨 氮 达4 2 4 m g / l a 1 . 3水环境中 氮污染的危害性 由于氨氮是植物和微生物的主要营养 物质，水体中氨氮含量的增加会造成 水体的富营养化，使水体发黑变臭引 起水 质的恶化。氮污染的主要危害表现在 以 下 几 个 方 面 9,i0 . ( 1 ) 氨氮要消耗水体的溶解 氧 氨氮随污水排入水体后，可 在硝化 细菌作用下被氧化为硝酸盐。 氧化每毫 克的n h 4 - - n为n 0 3 - - n要消耗水体的 溶解氧4 . 5 7 m g o ( 2 ) 增加给水处理的困 难 被氮素污染的 水体 会使给水的净化处 理带来 许多困 难， 进而 严重影响饮用 水水质。主要表 现为: 由 于水体的富 营养化， 大量藻 类和水 生微生 物的草生 繁殖使滤池堵塞， 破坏其正常运行。 而且， 微生 物还会穿 透滤 池在配 水系统中 繁殖， 造成配水系统 水流不畅 或堵塞; 藻类分泌出的有机 物会防 碍絮凝作用， 导 致出 水浑浊，并影响加氯过程:藻类分泌出的 有机物经分 解生成 难以降 解 的腐殖质，即为 “ 三卤甲烷前驱物”( t h m 的前驱物) ，如用氯消毒即生成具有 致癌、 致畸和致突变作用的总三卤甲 烷 ( t t h m ) ， 使水质更加恶化， 不宜饮 用: 水体底部沉积 物的 厌氧发酵， 会使水中 fee, m w 浓度因 还原作用而 增加， 同时发酵产生的甲烷等气体，也会干扰水的处理过程;在水厂加氯消毒时， 水体中 少量氨会使加氯量成倍增加，此外，脱色、 除臭、 除味的 化学药剂投加 量亦会增加。 ( 3 )氮 化合 物对人和生物有毒害作用 氨氮会影响鱼鳃的 氧传递，浓度较高时甚至使鱼类死亡。 亚硝酸 盐有可能 转化为亚 硝胺， 而亚硝胺是致癌、 致变和致畸物质， 对人体有潜在威 胁。 ( 4 )加 速水体的“ 富营养化” 过程 水体富营养化后， 藻类的 迅速繁殖将降低水的质量， 主要表现为: 进行 水处理时，由 于滤池易 被堵塞，缩短了冲洗周期，增加水处理费用; 影响水 上 运动; 由 于藻类的 代谢，使水具有色和气昧，影响感观;蓝绿藻产生的 毒 物危害 鱼和家畜; 由 于藻类的腐烂引 起溶 解氧的 大量消化。 第 2 章废水生物脱氮理论与技术 第2 章废水生物脱氮理论与技术 2 . 1概述 污水中 氮的 去除方法分为物 化脱氮 法和生物 脱氮法。从2 0 世纪6 0 年代起， 创造了空 气吹脱 法n 1 1 、 选择性离子交换1 2 1 、 折点 加氯、电渗析、反渗透等的物 化脱氮方法，但物化脱氮法工艺复杂、成本较高，难以推广应用。而生物法脱 氮因为污染物的转化过程不需要高 温高 压，在温和的条件下 经过酶催化即可高 效并相对 彻底的完成， 而且微生物具有来源广、繁殖快、 对环境适应性强和易 实现变异等特性，被公认为是一种经济、有效和最有发展前途的方法之一 1 3 近2 0 年来， 废水生物脱氮技术得到了 较快的发展， 许多 研究者 提出了 一系列的 脱氮理论与工艺，并在实际工程中 得到应用， 有关废水生物脱氮的理论也日 臻 成熟 1 4 , 1 5 2 . 2传统生物脱氮原理及工艺 2 . 2 . 1传统生物脱氮原理 废 水生物脱 氮的 基本原 理是在传 统二级生 物处理 过程中， 污水中 的 含氮有 机物 首 先被异 养型微生 物转 化为 氨氮， 然后 在好氧 ( o x i c ) 条件下， 通过好 氧的自 养型 硝化和亚 硝化菌的 作用， 将 废水中的 氨氮氧 化为亚 硝酸盐 氮或硝酸盐 氮， 最后 在缺 氧 ( a n o x i c ) 条件下，利用反硝化细菌 ( 脱氮菌) 将亚硝酸盐和硝酸盐转化为氮气 从废水中 逸出， 从而达 到从 废水中脱 氮的目 的，图2 . 1 为生物 脱氮过 程示意图 。 一竺s c一一 - 一兰1 t 好 暇 、 映 暇 、 厌 筑好 暇 尸- - 一 一 -l 1 -一一l 下|引侧土 勺引引到 有 机 且 三 进 竺 一哪二m i 竺 兰晰， 卫竺 竺 一n o ; 侧 翻 o 石 - 月 1 y 图2 . 1 生 物 脱 氮 过程 示 意 图 1 6 1 f i g 2 . 1 t h e s c h e m a t i c d ia g r a m o f b i o l o g i c a l n i t ro g e n re m o v a l 第2 章 废水生物脱氮理论与技术 2 . 2 . 1 . 1 氨化反应 有机氮化物在微生物的 分解作用中 释放出氨的过程称为 氨化反应. 在未经处 理的新 鲜废水中， 污水中 的有机氮主要 有蛋白 质、尿素、胺 类化合物、氨基化 合物以 及氨基酸等形式存在的， 此外也 有少量的 氨态氮，如: n h 3 及n 11 4 等。 蛋白 质是由许多 氨基酸分子组成的。 氨基酸可以用 通式 r c h n h 2 0 0 0 h表 示， r代 表不同的 基团。 在能产生蛋白 酶的 微生物作用下， 蛋白 质可 逐步水解成 简单的 产物，最后形成氨基酸。 氨基酸可渗入细菌的 细胞内， 在细 胞内，氨基 酸可进行脱氨基作用。因此，氨化微生物分解蛋白 质是不同 微生物 相互作用的 结果.脱氨基作用既能在有氧的条件下进行，也能在缺氧或厌氧条件下进行， 其反应式如下: 在 有氧条 件下: r c h n h , c o o h + q -*r c o o h + c o z + n h 3 ( 氧 化 脱 氨 基)( 2 . 1 ) 在缺氧条件下: r c h n h , c o o h + 从口 斗r c h z o c o o h 十 n h 3 ( 水 解 脱 氨 基)( 2 .2 ) r c h n h 2 0 0 0 h 十 h峥r c h , c o o h + n h 3( 还 原 脱 氨 基 )( 2 .3 ) c h2 0 h c h n h 2 0 0 0 h峥c h , c o c o o h十 n h 3( 脱水脱 氨基) ( 2 .4 ) r c h n h 2 0 0 0 h+ r c h n h 2 0 0 0 h+ h 2 o - * r c o c o o h + r c h , c o o h+ 2 n h 3 ( 氧化 还原 脱氨基)( 2 . 5 ) 尿素的 分解过程是在尿素酶的作用下 迅速水解为碳酸胺， 碳酸胺 很不稳定易 分解成氮，二氧化碳和水。 生活污水中的氨氮主要来源于尿素的水解。 其反应 式如下: c 侧n h 2 ) 2 + h 2 0 - + ( n h o 2 c 0 3 ( 2 . 6 ) ( n h 4 ) 2 c 0 3 - + 2 n h 3 十 c q + h 2 0 ( 2 . 7 ) 2 . 2 . 1 . 2硝化反应 硝化反应是由一群 自 养型好氧微生物完成的，它包括两个步骤，第一步是 由 亚硝酸菌 ( n i t r o s o m o n a s ) 将氨氮转 化为亚 硝酸盐 ( n 0 2 - ) ，亚 硝酸菌中 有亚 硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝化球菌属。第二步则由硝酸菌 ( n i t r o b a c t e r ) 包括硝酸 杆菌属、螺菌属和 球菌 属， 将亚硝酸 盐进一步氧化为硝 酸盐 ( 14 0 3 - ) 。 亚硝酸菌和硝酸菌 统称为 硝化菌。 这类菌 利用无机碳化合物， 如: c 0 3 2 一 . h c o 3 一 和c 0 2 作 碳 源 ， 从n h 3 . n h 4 或n 0 2 一 的 氧 化 反 应 中 获 得能 量， 第2 章 废水生物脱氮理论与技术 两项反应均需在有氧的条件下进行.两类 硝化菌的 特征如 表2 . 1 0 由 表2 . 1 可见，亚 硝酸菌和硝酸茵的特性大致相 似， 都为好氧自 养菌， 只有 在溶解氧充足的条件下才能生长. 但前者的世代期较短，生长率 较快，因此较 能适应冲击负荷和不利的环境条件，当硝