（环境工程专业论文）含氮废水生物亚硝化与自养反亚硝化试验研究.pdf

中文摘要 摘要 目前含氮废水( 特别是低c n 废水) 生物脱氮处理所面临的最大问题是碳源 不足，从而导致脱氮效果不佳。本论文所研究的生物亚硝化自养反亚硝化脱氮工 艺最大的优点正是在于“生物脱氮过程中不需碳源的加入”，这能节省能耗、反应 器容积等，这些能极大地拓展生物脱氮工艺的应用范围、强化生物脱氮工艺的处 理效果、简化处理流程、减少处理占地等，特别是对于低c n 比的废水而言，亚 硝化自养反亚硝化工艺的优势更为明显。 本论文广泛研究了各类c n 均小于1 、甚至低至0 5 以下的低、中、高氨氮浓 度废水进行亚硝化处理的效果，综合比较了各种不同的处理工艺，得出了最佳工 艺a n i s 工艺和运行条件：成功启动并稳定运行了自养反亚硝化系统，并将 a n i s 亚硝化工艺和自养反亚硝化工艺串连运行，取得了良好的脱氮效果。对亚硝 化工艺和自养反亚硝化工艺的污泥相变化进行了仔细研究，得出各工艺稳定运行 及污泥适应等阶段的特征污泥相。 通过上述大量试验研究表明：( 1 ) 低c n 低浓度氨氮废水采用活性污泥法b r 工艺，可实现稳定的生物亚硝化，但系统不能长期稳定。要建立稳定亚硝化系统 必须保证污泥的更新率，寻求合适的污泥龄。( 2 ) 低浓度氨氮废水活性污泥法b r 工艺中亚硝化现象出现的根本原因是对温度、d o 、p n 、游离氨等环境因素的适应 过程中亚硝酸菌逐渐赢得了生长或和活性上的竞争优势，而硝酸菌处于相对劣势， 导致亚硝化现象出现。( 3 ) 低浓度氨氮废水亚硝化系统稳定运行一段时间之后， 硝酸菌能逐渐适应亚硝化条件，恢复活性，从而使污泥产生适应性，亚硝化现象 消失。杆状絮体是其亚硝化效果良好的特征污泥相。( 4 ) 高浓度氨氮废水实现稳 定亚硝化宜采用a n i s 反应工艺( 连续进水、间歇出水) ，反应器每周期进、出水 量仅为其反应容积的一半。运行条件：温度2 8 3 0 。c ；p h 值7 5 8 5 ；d o 0 7 1 4 m g 1 ：h r t0 7 5 d ；s r t3 d ；t1 2 h ；系统污泥负荷0 11 - 1 k g n h 4 + - n k g m l s s d 。( 5 ) 高浓度a n i s 亚硝化系统的水力停留时间为o 7 5 天，污泥停留时间为3 天能取得最佳的亚硝化效果，此时系统亚硝化率约7 5 、氨氮降解率约6 0 ，而 且系统可长期稳定运行，但亚硝化系统的s r t 控制仍是一个很微妙和严格的问题。 ( 6 ) 高浓度氨氮废水亚硝化稳定期的特征污泥相为：杆状絮体，长度约 0 2 5 1 6 m m ，宽约0 1 5 r a m ；当污泥开始对亚硝化产生适应后杆状絮体逐渐变小、 解体，直至分散成为很细碎的絮体。污泥开始适应时污泥相的一个典型特征为出 现大量直径为0 0 1 - 4 ) 0 3 r a m 的圆核状物质，因此可以考虑以该种现象的出现作为 亚硝化污泥开始产生适应的标志。( 7 ) 以好氧硝化污泥、厌氧污泥、花园土壤渗 重庆大学博士学位论文 出液为接种污泥，经过长达l1 4 天的启动培养阶段( 以污泥的内源反硝化过程为 主) ，自养反亚硝化活性污泥法b r 工艺能够成功实现并稳定运行。稳定运行的自 养反亚硝化系统的n h ；一n 降解率在1 5 3 3 、n 0 2 一n 降解率在6 5 9 0 、 n o ；一n 降解率大多处于5 0 左右。( 8 ) 稳定运行的自养反亚硝化系统中去除的 n h ；一n ：n o ；一n ：n o ；一n 的比值大部分为1 ：2 8 3 6 ：0 2 1 8 。系统去 除的n h ；一n 少于去除的n 0 2 一n ，系统中除了存在厌氧氨氧化现象之外，还存 在其它的不需外碳源参与的反亚硝化过程，如硝酸盐和亚硝酸盐的异化还原或氨 氧化菌在缺氧条件下以氢为电子供体进行反硝化。( 9 ) 自养反亚硝化系统污泥呈 絮状、絮体分散、形状不规则，存在一定数量的丝状菌。镜检可明显观察到污泥 中夹杂有大量红色、深红色微粒，随着沉淀时间的延长，镜检污泥的红色物质能 更大量的积聚，使污泥显得更红，这强有力地证明了自养反亚硝化系统中存在 a n a m m o x 微生物，而且发生了厌氧氨氧化反应。( 1 0 ) 亚硝化系统与自养反亚 硝化系统串连运行，并以低浓度氨氮废水为进水时，总系统的n h ；一n 去除效率 为6 0 7 2 ，t a r 去除效率为3 5 6 2 ，系统的处理效果波动较大，但就处 理效果来看，系统对含氮污染物能起到很好的去除效果。 关键词：生物脱氮，亚硝化，自养反亚硝化，废水处理，活性污泥法 i i 英文摘要 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ek e yo ft h et r e a t m e n to fn i t r i c w a s t e w a t e “e s p e c i a l l o wc n w a s t e w a t e r ) i st h el a e ko fs i l i c o ns o u r c e ，s ot h ee f f e c to fn i t r o g e nr e m o v a li sn o tv e r y g o o d t h e b e s ta d v a n t a g eo ft h eb i 0 1 c i 酉e a ln i t r o u s n i t r i l y i n g a u t o t r o p h i cd e n i t r i f y i n gi n t h i sd i s s e r t a t i o ni st h a tn os i l i c o ns o u r c ei sn e e d e di nt h ep r o c e s so f b i o l o g i c a ln i t r o g e n r e m o v a l ，t h i sc a ns a v ee n e r g ya n dr e a c t o rv o l u m e 、s i m p l i f yt r e a t m e n tp m c e s s 、r e d u c e o c c u p i e da e r e a , e s p e c i a l l yt h el o w c nw a s t c w a t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ee f f e c to fn i t r o u sn i t r i f y i n go fv a r i o u sl o w 、m i d d l e 、h i g h c o n c e n t r a t i o nn i t r i cw a s t e w a t e rw i t hl o wc n ，s u c h 踮c ni sl e s st h a nlt o0 5 a f t e r c o m p a r i s o no fv a r i o u sp r o c e s s ，ao p t i m u mp r o c e s s - - a n i sp r o c e s sc a nb ed r a w n ；a a u t o t r o p h i cd e n i t f i f y i n gp r o c e s si ss u c c e s s f u l l ys t a r t e du pa n ds t a b l eo p e r a t e d ；a n i sn i t r o u s n i t r i f y i n gp r o c e s sa n da u t o t r o p h i cd e n i t r i 助n gp r o c e s sa r e j o i n i n g - u pi ns e r i e st oo p e r a t e ， a n ds o u n dn i t r o g e nr e m o v a le f f e c tc a nb ea c h i e v e d t h ea c t i v a t e ds l u d g ei nn i t r o u s n i t r i f 弭n gp r o c e s s a n d a u t o t r o p h i cd e n i t r i f y i n gp r o c e s s a r e f u l l ys t u d i e d , a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e s e p r o c e s s e si ns t a b l ea n da c c l i m a t i o ns t a g e h a v eb e e nd r a w e d t h r o u g h an u m b e ro f f o r e g o i n gr e s e a r c h , w e c a r lg e tt h a t ：( 1 ) b ra c t i v a t e ds l u d g e n i t r o u sn i t r i f i c a t i o ns y s t e mw i t hl o wc n1 0 w n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nn i t r i cw a s t e w a t e r c a r lr e a l i z eb i o l o g i c a ln i t r o u sn i t r i f y i n g , b u ti tc a nn o tb e 1 0 n gt e r ms t a b l e t h er e n e w a l r a t eo fs l u d g ea n ds u i t a b l es r ti st h ek e yo fs t a b l en i t r o u sn i t r i f y i n gs y s t e m ( 2 ) t h e f i x n d a m e n t a lr e a s o no fn i t r i t ea c c u m u l a t i o ni nl o wc o n c e n t r a t i o nb ra c t i v a t e ds l u d g e n i t r o u sn i t r i f i c a t i o n s y s t e mi s t h a t n i t r o g e n o x i d a t i o nb a c t e r i ac o m p e t eo u tn i t r i t e o x i d a t i o nb a c t e r i a d u r i n g t h e p r o c e s s o fa d a p tt o t e m p e r a t u r e 、d o 、p h 、f a ( 3 ) n i t r o b a c t e rc a ng r a d u a l l y a c c l i m a t et on i t r o u sn i t r i f y i n gc o n d i t i o n sa n d r e f r e s h e d ，s o t h es l u d g es h o u l da c c l i m a t i o na n dt h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nd i s a p p e a r t h eb a c i l l a r f l o c c u l a t i o ni si t s t y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c ( 4 ) h i g h c o n c e n t r a t i o nn i t r i cw a s t e w a t e rc a n r e a l i z es t a b l en i t r o u sn i t r i f i c a t i o nb ya n i s p r o c e s s ( c o n t i n u a l l yi n f l u e n c e 、i n t e r m i t t e n t l y d e c a n t a t i o n ) ，t h ei n f l u e n c ea n dd e c a n tv o l u m eo f t h e r e a c t o ri so n l yh a l f o f i t sv o l u m e n e o p e r a t i o nc o n d i t i o n si s ：t e m p e r a t u r e2 8 3 0 ”c ；p h7 5 8 5 ；d oo 7 - 1 4 m 酽；h r t 0 7 5 d ；s r t3 d ；t1 2 h ；r e a c t o rs l u d g el o a do 1 1 - 1 k g n h 4 + - n k g m l s s 。d ( 5 ) w h e nt h e h r t 、s r to f a n i s s y s t e mi s0 7 5 d 、3 dc a n r e a l i z eo p t i m u mn i t r o u sn i t r i f y i n ge f f e c t a n dt h ea m m o n i a n i t r o g e nd e g r a d a t i o na n dn i t r i f y i n gr a t ei sa b o u t6 0 a n d7 5 a n di t c a r lb e l o n gt e r ms t a b l e ，s ot h ec o n t r o lo f s r ti sk e y ( 6 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t a b l e i i i 重庆大学博士学位论文 s t a g es l u d g eo f h i g hc o n c e n t r a t i o nn i t r i cw a s t e w a t e r n i t r o u sn i t r i f y i n gs y s t e mi sb a c i l l a r f t o c c u l a t i o n , l o n g i sa b o u to 2 5 1 6 m m w i d t hi sa b o u t0 1 5 r a m ；m e nt h es l u d g eb e g i n t oa c c l i m a t et ot h en i t r o u sn i t r i f y i n gc o n d i t i o n s ，b a c i l l a rf l o c c u l a t i o ng r a d u a l l yd w i n d l e a n dd e c o m p o s i t i o n , s t i l ld i s p e r s ei n t ol i t t l ef l o c c u l a t i o n t h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h es l u d g eb e g i nt oa c c l i m a t ei st h ea p p e a r a n c eo f a l a r g en u m b e r o f r o u n de o l sw h i c h d i a m e t e ri s0 0 1 - 4 1 0 3 r a m ，t h i sc a l lb er e c k o n e da st h em a r k i n go fs l u d g ea c c l i m a t i o n ( 7 ) t h ea c t i v a t e ds l u d g ea u t o t r o p h i cd e n i t r i f y i n gb rp r o c e s sc a n r e a l i z es t a b l eo p e r a t i o n a f t e rs t a r t - u pa n dc u l t i v a t i o n ( m a i n l yi se n d o g e n o u sd e n i t r i f y i n gp r o c e s s ) f o r11 4 da n d t h ea e r o b i c n i t r i f y i n gs l u d g e 、a n a e r o b i cs l u d g e 、g a r d e n s o i lt r a n s u d a t ea st h ei n o c u l a t i o n s l u d g e 1 1 1 en i t r o g e nm m n o n i a n i t r i t ea n dn i t r a t ed e g r a d a t i o nr a t eo fs t a b l eo p e r a t i o n a u t o t r o p h i c d e n i t r i f y i n g p r o c e s s a r ea b o u t l 5 3 3 、6 5 9 0 a n d 5 0 ( 8 ) i ns t a b l e o p e r a t i o na u t o t r o p h i cd e n i t r i 铆n gp r o c e s s ，t h em a i nr a t i oo fn h ；一n ：n o ；一n ： n o ；一n i s1 ：2 8 3 6 ：0 2 1 8 t h er e m o v a lo fn h ：一i nt h es y s t e mi sl e s s t h a n n o ；一n ，i ti n d i c a t e st h a tn o to n l ya n a e r o b i ca m m o n i u m o x i d a t i o np r o c e s s ，b u t a l s oo t h e rd e n i t r i f y i n g p r o c e s s w h i c hn o tn e e de x t r as i l i c e ns o u r c ei n a u t o t r o p h i c d e n i t r i 聊n gp r o c e s s ( 9 ) t h es l u d g eo fa u t o t r o p h i cd e n i t r i f y i n gp r o c e s si sf l o c c u l e n t 、 d i s p e r s a l 、i r r e g u l a r i t y - s h a p e ，e x i s t i n gan u m b e ro fs p h a e r o t i l u s t h r o u g hm i c r o s c o p e ， t h es l u d g ee x i s t sal a r g en u m b e ro fr e d 、s c a r l e tp a r t i c l e s ，a n dt h e s er e dm a t e r i a l sc a n f l o c ku pt om a k et h e s l u d g e m o r er e da f t e rs e d i m e n t a t i o n a l lt h i ss t r o n g l yd e a n o n s t r a t e s t h a ta n a m m o x m i c r o o r g a n i s m sa n d a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n p r o c e s se x i s t si n a u t o t r o p h i cd e n i t r i f y i n gp r o c e s s ( 10 ) t h en i t r o u sn i 衄f 弭n gs y s t e ma n dt h ea u t o t r o p h i c d e n i t r i f y i n gs y s t e ma r ej o i n i n g - u pi ns e r i e st oo p e r a t e w h e nl o w c o n c e n t r a t i o nn i t r i c w a s t e w a t e ri si n f l u e n c e , t h et o t a lr e m o v a le f f e c to fn h 4 一n 、t a ro fe n t i r es y s t e m i sa b o u t6 0 7 2 、3 5 6 2 t h e t r e a t m e n te f f e c t o f t h e e n t i r e s y s t e m f l u c t u a t e l a r g e l y , b u ta c c o r d i n gt ot h et r e a t m e n te f f e c t ，t h ee n t i r es y s t e mh a se x c e l l e n tt r e a t m e n t a b i l i t yo f n i t r i cc o n t a m i n a n t k e y w o r d s ：b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ，n i t r o u sn i t d f 3 d n g , a u t o t r o p h i cd e n i t r i f y i n g , w a s t e w a t e rh e a t m e n t ，a c t i v a t e ds l u d g es y s t e m i v 1引言 1 1 我国的水污染状况 我国最主要的水污染源是工业和城市污水加上化肥和有机肥的流失口】。据1 9 9 9 年中国环境状况公报报道 2 】，中国主要河流有机污染普遍，面源污染日益突出。主 要湖泊富营养化严重【2 】。在七大水系和内陆河流评价河段中，符合g b 3 8 3 3 - - 8 8i ， 】i 类仅占2 5 ，i l l 类占2 7 ，i v 、v 类占4 8 ；中小河流5 0 不符合渔业水质标 准，平均每年发生大面积污染死鱼事故约1 0 0 0 起；同时由于河口的污染，鱼虾资 源遭到破坏，部分内湾渔场荒废；8 6 的城市河段水质普遍超标；全国七八亿人引 用污染超标水。而湖泊则普遍受到化肥、农药、乡镇企业和生活污水的污染。巢 湖、滇池、太湖、洪泽湖己发生了严重富营养化，水体变色发臭，引起湖泊生态 系统的改变。水质评价则表明中国的海岸带水只有1 8 7 达到l 类，2 1 4 达到i i 类，6 5 达蛰j l i i 类，有5 3 4 超过了i 类例。 主要由有机物和氮、磷污染物引起的水体富营养化在水污染中的地位越来越突 出，也越来越多的引起人们的重视。 1 2 水体中氮磷的来源及其危害 1 2 1 水体氮磷污染源分析m 3 排入水体的氮、磷营养物的来源是多方面的，人类活动导致的水体中氮、磷 元素的迅速增加是水体富营养化的主要原因。主要有以下几个方面： 1 ) 工业和生活污水未经处理直接进入河道或水体，工业废水如食品加工业废水、 氮肥厂合成氨废水、石油炼油工业的焦化废水和炼油废水以及制药废水等，其氮 的含量可能高达几千毫克每升，是重要的氮污染源； 2 ) 常规二级污水处理厂出水； 3 ) 面源性的农业污染物( 肥料、农药、动物粪便等) ； 4 ) 城市垃圾的渗滤液、污水处理厂的污泥消化液等高c o d 、翮：n 、重金属 和低可生化性的废水。 1 2 2 氮素对水环境的危害。， 许多研究证明，除了分子态氮以外，所有氮素循环中间产物积累均会对人类 和环境产生不良影响，详见表1 1 。其中，以氨氮、硝态氮( 盐) 和亚硝态氮( 盐) 的危 害最为严重。水体氮素污染的危害主要有： 1 ) 造成水体的富营养化现象； 2 ) 增加了给水处理成本，使加氯量大大增加( 每克n h 3 一n 须增加8 1 0 克c 1 ，) ； 重庆大学博士学位论文 3 ) 还原态氮( 删：一n 、n h ，) 排入水体会因硝化作用而耗去水体中大量氧，造 成水体发臭； 4 ) 对人及生物的毒害作用。水中游离氨超过l m g l 时，即会使水生生物结合氧能 力下降，严重时导致死亡；亚硝酸根与胺作用生成亚硝胺具有致癌、致畸胎作用； 人若饮用n o ；一n 超过1 0 m g 1 的水，会引发高铁血红蛋白症； 5 ) 影响污水的再生利用。 表1 l 氮素循环中间产物的不良影响 t a b l e1 1t h e p o o ri n f l u e n c eo f m i d d l ep r o d u c t i nn i t r o g e nc y c l e 氮化物不良影响参考文献 氨( n h 3 ) 羟胺( n h 2 0 h ) 硝酸( 盐) ( n o ；) 亚硝酸( 盐n o ；) 毒害水生生物，消耗溶解氧， 诱发富营养化，影响饮用水氯 化消毒 对生物剧毒，形成亚硝酸 诱发富营养化 致癌，与红血球结合，消耗溶 解氧，诱发富营养化 r o b e r t s o ne ta 1 1 9 9 2 ； b o o ke ta 1 ，1 9 8 9 v e r s t r a e t e ，1 9 7 5 r o b e r t s o ne ta 1 ，1 9 9 2 h a m e r , 1 9 8 4 ；f o r m a ne ta 1 ， 1 9 8 5 氧化氮( n o )引起酸雨，破坏臭氧层l o g a n e ta 1 ，1 9 8 1 墨些垩塑! 丝q211 塑墼堕：壁堑墨墨星! ! 竺堕! ! 塑 由于氮素污染的种种危害，世界各国都制订了严格的氮素排放标准。我国于 1 9 8 8 年把氨态氮列入控制指标，在所颁布的工业废水标准中规定，一级排放标准 为1 5 m g l ( 新扩改厂) 和2 5 m g 1 ( 现有厂) ( 国家环保局，1 9 9 7 ) 。在饮用水标准 中，则对硝态氮浓度作了限定( 国家环保局，1 9 9 7 ) 。 面对日益加剧的氮素污染和不断提高的环境质量要求，自然净化已杯水车薪， 无济于事；工程治理则是众望所归，大势所趋。 1 3 传统生物脱氮原理及工艺 对于氮素污染的工程治理，文献报道的治理方法有物理化学方法脱氮和生物 脱氮。 物理化学方法脱氮包括：折点氯化法、选择性离子交换法1 8 外、空气吹脱法【6 1 1 等，需要的操作运行复杂、运行费用较高、容易造成二次污染，目前缺乏成功的 工艺设计知识。生物脱氮具有处理效果好，不存在二次污染，运行稳定、操作简 单，经济等优点。因此，废水脱氮技术在近二十年取得了飞速发展，并已在生产 2 实践中应用。 1 3 1 传统生物脱氮原理”“7 ”1 传统的生物脱氮方法是指通过微生物的硝化( n i t r i f i c a t i o n ) 和反硝化 ( d e n i t r i f i c a t i o n ) 作用来脱除水体中的氮素污染。 硝化作用是指将氨氮氧化为亚硝态氮和硝态氮离子的生物学反应，在好氧条 件下，由亚硝酸细菌( 包括n i 打o s o m o n a s 、n i t r o s o s p i r a 、n i 贸o s o c o e c u s 、n i t r o s o l o b u s 、 n i t r o s o v i b r i o ) 将n n ；一n 氧化为n o ；一n ，再由硝酸细菌( 包括n i t r o b a c t e r 、 n i t r o s p i n a 、n i t r o s p i r a 、m c d c c u 少2 ) 将n o ；一n 氧化为n o ；一n ，至今还没有 发现能够把氨直接氧化为硝酸的微生物【4 】。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，其生 理特征如表1 2 t 1 1 】，该反应历程为i 1 0 1 6 5 惭i 。 亚硝化反应：n h 3 型堕些壁_ 埘2 0 吁塑塑至壁一( n 墅塑至堂_ n o ； 反应式：2 n n ；+ 3d 2 2 n o ；+ 2 峨0 + 4 h + ( 1 1 ) 硝化反应：n o ；墅! 墼! 堕：乌n 珥 反应式：2 n o ；+ d 2 叶2 n o ； ( 1 2 ) 表1 2 亚硝酸菌和硝酸菌的特征 t a b l e1 2t h ec h a r a c t e r i s t i co f n i t r o g e no x i d a t i o na n dn i t r i t eo x i d a t i o nb a c t e r i a 比较公式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 及表1 2 可以得到以下结论： 1 ) 亚硝化过程产生的能量( 2 4 0 - 3 5 0 k j ) 比硝化过程产生的能量( 6 5 - 9 0 k j ) 多6 0 1 ， 因而前者反应速率较后者快； 2 ) 亚硝化过程中产生大量h + ，使系统p h 降低，而硝化过程对系统p h 值无影响： 3 ) 亚硝化过程和硝化过程耗氧比为：3 ：1 ； 重庆大学博士学位论文 4 ) 亚硝酸菌和硝酸菌的生理特性大致相似，但前者的世代周期短，生长较快，因 此较能适应冲击负荷和不利的环境条件，当硝酸菌受到抑制后，将出现n o ；积累 现象。 反硝化作用是指硝态氮( 盐) 、亚硝态氮( 盐) 及其它氮氧化物被用作电子受 体而还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应。这个过程由反硝化细菌 ( d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ) 完成。该反应历程为1 o 】【6 5 】【6 6 1 ： n 0 3 一堂堕陟0 2 一墅塑至堡乌d 丝至曼堕- n 20 且咝鸟n 2 n o ；+ 5 h ( 有机电子供体) 斗1 2 2 + 2 h 2 0 + o h 一( 1 3 ) n 谚+ 3 h ( 有机电子供体) 寸1 2n 2 + h 2 0 + o h 一( 1 4 ) 反硝化菌多数是兼性细菌，有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物， 利用分子氧作为最终电子受体。在无分子态氧情况下，反硝化菌利用硝酸盐和亚 硝酸盐中n + 5 和n + 3 作为能量代谢中的电子受体( 被还原) ，o 。2 作为受氢体生成 h 2 0 和o h 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。 由式( 1 3 ) 、( 1 4 ) 计算，转化l g n o ；一n 为m 时，需要有机物( 以b o d 表 示) 1 7 1 9 ，转化l g n o ；一n 为2 时，需要有机物( 以b o d 表示) 2 8 6 9 。与此同 时产生3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 。 上述可知，亚硝酸细菌与硝酸细菌是化能自养菌，硝化反应需在好氧条件下 迸行：反硝化细菌是化能异养菌，反硝化反应需在无氧条件下迸行。 传统的硝化反硝化工艺存在以下缺陷： 1 ) 硝化菌群生长较慢，反应器内难以维持较高的生物浓度，造成系统水力停留时 间长，容积负荷率低，基建投资大； 2 ) 硝化过程产酸，反硝化过程产碱，均需酸碱中和，易造成二次污染，这在高氨 氮废水脱氮时表现得更为明显； 3 ) 反硝化反应需要电子供体，特别是对于低c n 比废水，则常需加额外碳源物质， 外加有机碳源会增加运行费用： 4 ) 传统的生物脱氮工艺在处理高氨氮废水时由于高的游离氨浓度抑制了硝化细菌 的活性，导致出水难以达标排放。 1 3 2 传统生物脱氮工艺 生物脱氮的工艺流程有三种基本类型：三相法、两相法和单相法【1 2 1 。 1 ) 三相生物脱氮系统 所谓三相生物脱氮系统是将b o d 的降解( 又称碳氧化) 、硝化和反硝化三类 不同的生物反应在三个各自独立的反应器内依次完成的工艺。由于三相法存在流 4 程长、运行费用高，原水中的b o d 和反硝化过程产生的碱度均未被利用，以及外 加碳源的投难以控制等当点，所以三相生物脱氮系统很少有新建，主要用于现有 二级处理系统的改造。 2 ) 两相生物脱氮系统 两相生物脱氮系统是将b o d 的降解、硝化和反硝化三种生物反应器的前两种 反应合在一个反应器中进行。根据脱氮反应器在整个工艺中的位置，两相生物脱 氮分为前置脱氮和后置脱氮两种工艺。 所谓后置脱氮，就是将b o d 降解和硝化合在一个反应器中进行，然后进行反 硝化的工艺系统。该工艺的出发点是认为硝化菌的增长速较慢，在低氨氮浓度下， 单独进行硝化时，由于污泥流失，反应器内很难维持足够数量的硝化菌。实践证 明，在此情况下，将氧化和硝化合在一个反应器中进行，系统的稳定性反而有所 增加【4 引。后置两相脱氮工艺与三相法比，仅是缩短了流程，其运行费用基本相当。 所谓前置脱氮工艺是将反硝化段放在最前面，将硝化后的出水回流到厌氧池， 充分利用原污水中b o d 物质作为电子供体，进行反硝化。这样通过厌氧段，既完 成了反硝化脱氮，又去除了废水中的b o d ，一举两得，同时又为下一步的硝化创 造了条件。此外反硝化过程中产生的碱度，在后续的硝化过程中充分利用。因此， 前置脱氮工艺可同时减少外加碳源和碱量，降低运行费用。但前置脱氮工艺存在 不能完全脱氮、池容大等缺点。 3 ) 单相生物脱氮系统 所谓单相生物脱氮系统是b o d 的降解、硝化和反硝化在同一系统中完成的 工艺。目前开发的有单级活性污泥法、交替式活性污泥法、序批式活性污泥法和 氧化沟法等多种工艺，但实际中应用最为普遍的是单级活性污泥法。单级活性污 泥法工艺的完善经历了十几年，直到1 9 7 3 年，南非国家水研究所b a r n a r d 等人开 发出被称之为b a r d e n p h o 工艺( 图1 1 ) 后，才使单级活性污泥生物脱氮系统进入 实用性阶段。 一级厌氧池好氧池二级厌氧池再曝气池沉淀池 图1 _ 1b a r d e n p h o 单相生物脱氦系统 f i g 1 1b a r d e n p h on i t r o g e nr e m o v a ls y s t e m 重庆大学博士学位论文 b a r n a r d 在大量研究的基础上，将厌氧池和好氧池彻底分离，在好氧池的尾部 回流曝气池混合液到厌氧区，将沉淀后的污泥也返回厌氧区，形成了b a r d e n p h o 工艺。由于充分利用了废水本身的b o d ，因此，反硝化速率得以提高，厌氧区的 停留时间大大缩短；此外，反硝化过程中产生的碱度在其后的硝化过程被充分利 用，运行费用降低。与两相生物脱氮工艺相比，b a r d e n p h o 工艺不及省去了中间沉 淀池，而且混合液的循环是在好氧池尾部进行的，回流比可以提高，但沉淀池的 负荷并未增加，因此，基建费用相应也大幅度降低。 1 4 新型生物脱氮理论及工艺 最近，一些新的研究表明自然界中存在着多种新的氮素转化途径，如好氧反 硝化( a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) 、异养硝化( h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) 、厌氧氨氧化 ( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ) 或者由自养硝化细菌引起的反硝化( d e n i t r i f i c a f i o n b ya u t o t r o p h i cn i t r i f y i n gb a c t e r i a ) 等。对这些新的氮素转化途径的研究又导致了 多种新型生物脱氮工艺的出现 7 2 】，这些研究有望解决传统生物脱氮工艺中存在的 诸多问题。 1 4 1 亚硝化反应原理o ”“5 儿”7 1 ) 理论基础 早在1 9 7 5 年，v o e t s 等就进行了经n o ；途径处理高浓度氨氮废水的研究，发 现了硝化过程中n o ；积累的现象，并首次提出了亚硝化反硝化生物脱氮的概念。 但近十年来亚硝化反应机理才得到充分的研究，其相关工艺的开发则是近几年才 出现的。 从氮的微生物转化过程来看，氨被氧化成硝酸是由两类独立的细菌催化完成 的两个不同反应，应该可以分开。亚硝酸菌和硝酸菌这两类细菌的特征也有明显 的差异，通过利用这种差异，控制反应条件，将硝化过程控制在氨氮氧化到亚硝 酸盐氮为止，这就是生物亚硝化反应，如式( 1 5 ) 。 n h 4 + + 1 5 0 2 一n 0 2 一+ 2 日+ + 月1 0 ( 1 5 ) 注：今后为了便于区分，将传统生物脱氮工艺中的n h ：氧化为n o ；的生物硝化过程称为完 全硝化反应。 完全硝化反硝化过程与亚硝化反亚硝化反应的差别如图1 2 ： 1 5 0 2 05 0 。 n i - h + i n 0 i o n 0 i il 2 e n ：旦_ 一k 、，一7 亚硝化反硝化 一， 完全硝化反硝化 图1 2 完全硝化反硝化反应与亚硝化反亚硝化反应的差别 f i g 1 2t h e d i f f e r e n c eo f t r a d i t i o n a la n ds h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s 由于废水生物处理反应器均为开放的非纯培养系统，如何控制硝化停止在 n o ；阶段是实现亚硝化的关键。到目前为止，经n 研途径稳定实现生物脱氮成功 应用的报道还不多见。这主要是因为：一方面完全硝化过程是由亚硝酸菌和硝酸 菌协同完成的，由于这两类细菌在开放的生态系统中形成较为紧密的互生关系， 将氨氧化为硝酸，因此完全的亚硝化是不可能的，亚硝化的标志是稳定且较高的 n o ；积累，即亚硝化率较高( n o ；一n ( n o ；一n + n o ；一n ) 至少大于5 0 以上) ； 另一方面影响n o ；积累的控制因素比较复杂，并且硝化菌能够迅速地将n o ；转化 为n o ；，所以要将m 订的氧化长久稳定地控制在亚硝酸盐阶段并非易事，虽然很 多因素会导致硝化过程中亚硝酸盐积累，但目前对此现象的理论解释还不充分， 长久稳定地维持亚硝酸盐积累的途径还有待探索。 2 ) 影响因素及特点 已经报道的能影响亚硝化的因素主要有温度、p h 、游离氨浓度、氮负荷、d o 、 有害物质及泥龄等。 与完全硝化过程相比，亚硝化反应具有如下优点： 节省2 5 的硝化曝气量，使能耗降低； 黑冀圈嚣端淼+ 干节约2 5 0 ： 亚硝酸菌世代周期比硝酸菌世代周期短，泥龄也短，控制在亚硝化阶段易提高 微生物浓度和硝化反应速度，缩短硝化反应时间，从而可以减小反应器容积，节 省基建投资： 可减少剩余污泥排放量。亚硝酸菌表观产率系数为o 0 4 - 0 1 3 9 v s s g n ，硝酸菌 的表观产率系数为0 0 2 - 0 0 7 9 v s s g n 【3 8 】，因此亚硝化过程中可减少产泥2 4 3 3 。 重庆大学博士学位论文 1 4 2 自养反亚硝化反应原理。小”3 1 ) 理论基础 对于反硝化菌，无论是n o ；还是n o ；均可以作为最终受氢体，而电子供体可 以是有机物( c o d ) 或是还原化合物( 如硫化物或氢) ，因而生物脱氮过程也可以 经n o ；斗m 这样的途径自养完成【3 7 】f 8 0 】。到目前为止，关于自养反硝化的报道 还很少，仅有的相关报道都主要集中在厌氧氨氧化a n a m m o x ( a n a e r o b i c a m m o n i u m0 x i d a t i o n ) 现象。 早在1 9 7 7 年，b r o d a 便通过热力学计算，预言自然界存在着化能自养型的厌 氧氨氧化细菌( 表1 3 ) ，但直到1 9 9 5 年，这个预言才得到实验证据的支持 ( j e t t e n ，1 9 9 9 ) 。 表1 3 自养反硝化反应的自由能 t a b l e1 3 t h e f r e ee n e r g y o f a u t o t r o p h i c d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t i o n s 反应方程式 自由能( k j m o ln h ：或n o ；) 2 n o ；+ 5 h 2 + 2 h + 斗2 + 6 h 2 0 一5 6 0 8 n o ；+ 5 h s 一+ 3 h + 斗4 g + 4 h 2 0 + 5 s 0 2 , 一 。4 6 5 3 n o ；+ s r h ；一4 m +