（环境工程专业论文）三级侧向循环生物膜脱氮工艺试验研究.pdf

摘要 随着工业、经济的发展，氨氮废水的污染问题日益严重。近年来，各种利用生物膜 法处理氨氮废水的工艺层出不穷，尽管各工艺在处理设施、处理效果上都有诸多优点， 但是之前学者的多项试验研究也证明到存在一些不足。本试验在a o 工艺的基础上，采 用三级生物接触氧化法来处理含氨氮的废水；根据每一段中a 池和。池的相对位置关 系也就是混合液的循环流动方式；整个工艺被称为三级侧向循环生物膜脱氮工艺。试验 通过多次改变工艺的进水负荷，来系统地考察该工艺在各种负荷下对氨氮废水的处理情 况并进行对比分析。 本次试验一共是在5 种不同的负荷情况下进行，其中仅在第一类负荷阶段采用c n 为5 ：1 的进水，其余负荷阶段均采用的进水c n 为1 0 ：1 ：试验分别在3 h 一6 h - 1 2 h 2 4 h 1 2 h 五种不同的水力停留时间变化下运行；在整个实验运行期间，每一段厌氧池回流至好氧 池的回流流量均与系统的进水流量相等，即q = q ；在五类负荷运行期间，连续监测工艺 对有机物、氨氮、总氮的去除情况，力求找到此工艺对各污染物质达到最优去除效果时 的容积负荷。监测结果表明：三级侧向循环生物膜脱氮工艺在c n 为1 0 ：1 ，h r t _ 2 4 h ， r = i 时，工艺对各种物质都有较高去除率。 在工艺运行期间，进水c o d 的浓度范围为8 6 - 8 1 2 m g l ，进水氨氮的浓度范围为 2 7 8 5 - - 8 9 3 9 m g l ，试验结果显示：在实验稳定后，即使进水有机物浓度有一定幅度的 起伏，c o d 去除率始终可以保持在较高且较稳定水平，平均去除率为9 3 1 4 ，最大去 除率可达9 6 1 6 ；工艺对氨氮的平均去除率约为8 2 0 9 ，最大去除率可达8 7 8 6 ；对 总氮的平均去除率约为8 0 4 9 ，最大总氮去除率为8 6 6 4 。 本次实验探索研究表明，在采用三级侧向循环生物膜脱氮工艺处理氨氮废水时，只 要合理控制反应过程中d o 浓度、进水容积负荷等几个关键影响因素，就可以达到较优 的去除效果。 三级侧向循环生物膜脱氮工艺在处理氨氮废水方面有较好的发展前景，在今后应给 予其更多的关注。 关键词：三级侧向循环生物膜脱氮工艺，负荷，氨氮去除率 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r y a n d e c o n o m y , p o l l u t i o nc a u s e db ya m m o n i a w a s t e w a t e rh a sb e e nb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s i nr e c e n ty e a r s ，v a r i o u sb i o f i l m p r o c e s s e s f o ra m m o n i aw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r ec o n s a n t l y e m e r g i n g a l t h o u g ht h o s e p r o c e s s e sh a v em a n ya d v a n t a g e sb o t h i nt r e a t m e n tf a c i l i t i e sa n dt r e a t m e n te f f e c t , i tw a s p r o v e dt h a tt h e yn e e daf u r t h e ri m p r o v e m e n t i nt h ee x p e r i m e n t ，t h r e e - s t a g eb i o - c o n t a c t o x i d a t i o nw a se m p l o y e df o ra m m o n i aw a s t e w a t e rt r e a t m e n tb a s e do na n o x i c o x i c ( a o ) p r o c e s s ，m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h ec i r c u l a t i o nf l o wm o d eo fm i x t u r e ，s ot h ew h o l ep r o c e s s w a sk n o wa st h r e e - s t a g el a t e r a l c y c l eb i o f i l mp r o c e s sf o rn i t r o g e nr e m o v a l t r e a t m e n to f a m m o n i aw a s t e w a t e rb yt h i sp r o c e s sw i l l ss t u d i e dt r a d e rd i f f e r e n ti n f l u e n tl o a d s t h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tu n d e rf i v ed i f f e r e n tl o a d st o t a l l y , c nr a t i oo f5 ：1w a s o n l yu s e di nt h ef i r s ts t a g ea n dt h er e s ts t a g e su s ec nr a t i oo f10 ：1 ，n l ee x p e r i m e n tw a s o p e r a t e du n d e rf i v ed i f f e r e n th r t s ：3 h ，6 h ，12 h ，2 4 ha n d12 h d u r i n gt h ee x p e r i m e n t , t h e b a c k f l o wr e c y c l e df r o ma n a e r o b i cz o n et oa e r o b i cz o n ee q u a l e dt ot h ei n f l u e n tf l o w d u r i n g e a c ho p e r a t i o nw i t hi t s1 0 a d ，t h er e m o v a lo fc o d ，n h 4 + - na n dt nh a db e e nm o n i t o r e d c o n t i n u o u s l y , t r y i n gt of i n dt h ev o l u m el o a du n d e rw h i c ht h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c yo fe a c h p o l l u t a n tc o u l db eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a th i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c yo fe a c h p o l l u t a n tw a sa c h i e v e dw h e nc nr a t i oi s10 ：1 ，h r ti s2 4 ha n dm i x e dl i q u o rr e c y c l er a t i oi s 1 d u r i n gt h eo p e r a t i o np e r i o d ，t h ec o da n dn h 4 + - nc o n c e n t r a t i o n so ft h ei n f l u e n tw e r e 8 6 - 8 1 2 m g la n d2 7 8 5 - 8 9 3 9 m g lr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e r t h es y s t e mk e p ts t a b l e ，c o dr e m o v a le f f i c i e n c yc o u l dr e m a i nh i g h l ya n ds t e a d i l yw i l a v e r a g ee f f i c i e n c yo f9 3 1 4 a n dt h eh i g h e s te f f i c i e n c yo f9 6 1 6 t h o u g ht h ei n f l u e n tc o d c o n c e n t r a t i o nf l u c t u a t e dt os o m ee x t e n t n ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c i e so fn h 4 十- na n d in w e r e8 2 0 9 a n d8 0 4 9 r e s p e c t i v e l ya n dt h eh i g h e s te f f i c i e n c i e so ft h e mw e r e8 7 8 6 a n d 8 6 6 4 r e s p e c t i v e l y t h es t u d yi n d i c a t e dt h a tw h e nt h r e e - s t a g el a t e r a l - c y c l eb i o f i l mp r o c e s sf o rn i t r o g e n r e m o v a lw a se m p l o y e d ，ao p t i m a lr e m o v a le f f i c i e n c yc o u l db ea c h i e v e db yr e a s o n a b l ec o n t r o l o fs e v e r a lk e yf a c t o r ss u c ha sd oa n dt h ei n f l u e n tv o l u m el o a & t h e r ew i l lb eab r i g h tp r o s p e c tf o rt h r e e - s t a g el a t e r a l - c y c l eb i o f i l mp r o c e s sf o rn i t r o g e n r e m o v a l m u c ha t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt oi t k 呵w o r d s ：t h r e e - s t a g el a t e r a l - c y c l eb i o f f i mp r o c e s s ，l o a d ，n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水资源现状 1 1 1 世界水资源现状 世界水资源总量4 6 8 5 x 1 0 3k m 3 ，人1 = 1 5 4 3 6 亿人，人均水资源量8 6 1 8m 3 人，单位耕地面 积水资源量3 8 4 5 6m 3 亩，由于经济建设、人口急增、生活环境需水、不合理用水、水资 源浪费严重，供水需水矛盾尖锐，世界6 0 地区面临淡水不足，2 0 亿人生活在缺水地区， 5 0 多个国家水源严重短缺，出现世界范围内水荒和全球性淡水危机【3 】。正是这样的一种 状况，促使联合国宣布2 0 0 3 年为国际淡水年( t h ei n t e r n a t i o n a ly e a ro f f r e s h w a t e r ) ，目的 就是要引起全世界关注和采取行动，更好的管理和保护对人类至关重要的水资涮1 1 。水 资源的短缺已成为当今全球性的社会和经济发展的主要制约因素【2 】。 水污染情况严重。全世界每年排放污废水量高达4 2 0 0 亿m 3 以上，污染t 5 5 0 0 0 亿m 3 的 江、河、湖、库和地下的淡水，占全球径流总量的1 4 以上，水源污染和蔓延更加剧了，淡 水不足和水资源质量退化，l o 亿人口饮用水源被污染，水污染导致产生疾病5 0 多种，每 天死亡2 5 万人。2 0 世纪中叶至今，世界各发达工业化国家的环境污染问题已逐渐成为全 球性的问题，江河、湖泊水域大都受到不同程度的污染，威胁着人类的生存和发展【3 】。 1 1 2 国内水资源状况 我国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿m 3 ，占全球水资源的6 ， 仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第4 位，但人均只有2 2 0 0 一，仅为世界平均水平的 1 4 、美国的1 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。扣除 难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利用的水资源量则 更少，仅为1 1 0 0 0 亿m 3 左右，人均可利用水资源量约为9 0 0m 3 ，并且其分布极不均衡。到 2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的 缺水城市达1 1 0 个，全国城市缺水总量为6 0 亿m 3 4 1 。 除了水资源的短缺之外，水资源污染的问题也日益严重。目前，中国约有l 3 以上的 工业废水和9 1 0 以上的生活污水未经处理就排入江河湖库。最为严重的是淮河、辽河、 汾河、海河等流域，南方的黄浦江、滇池等水体也被严重污染。全国约有9 0 的城市水 环境恶化，附近河流或河段已成为排污沟【5 】。另外，根据( 2 0 0 2 年中国环境状况公报， 我国七大江河水系均受到不同程度的污染，仅有不足1 3 的监测断面满足i i i 类水质要求。 在七大水系7 4 1 个重点监测断面中，2 9 1 的断面满足i i 类水质要求；3 0 的断面满足 、v 类水质；4 0 9 的断面满足v 类水质【6 1 。 第一章绪论 由此可见，我国水资源正面临着短缺和受污染的双重严峻问题，氮素的污染是其中 最主要的污染物质之一。 1 2 氮素及其危害 1 2 1自然界氮循环 在自然界中，氮元素以分子态氮、无机结合态和有机结合态三种形式存在。所谓的 自然界氮循环是指单质氮和化合态氮之间相互转换的物质循环【刀。如左图【8 1 所示：空间 。趣醯，爹 ， 中含有大约7 8 的氮气，但是绝 大多数的生物不能直接利用分子 态氮，只有豆科植物和某些蓝绿藻 可以将氮气进行固定，转化为硝态 氮，从而被土壤吸附、保留并被植 物吸收和利用；植物吸收土壤中的 铵盐和硝酸盐，然后将这些无机氮 同化为植物体内的有机氮，同时， 动物以植物为食，又可以将植物体 内的有机氮同化为动物体内的有 机氮；动植物的遗体、残留物中的有机氮经过自然界中微生物的分解、氨化、硝化成简 单的氮化物，重新再被植物利用；土壤中的硝酸盐、亚硝酸盐经过反硝化细菌的还原作 用，成为分子态氮，返回大气；这就是自然界中的氮素循环川。 1 2 2 水体中氮素的几种形态 氮在水体中的主要存在形式有分子态氮、有机态氮和无机态刻9 】。如图1 2 1 所示： 有机氮一尿素、氨基酸、蛋白质、核酸、尿酸、脂肪酸、有机碱、氨基糖等含氮有机物 氮1 无机氮 氨氮 孽离李氨氮n h 3 一 d 【铵盐态复【( j 岘+ 一忉 i 硝酸盐氮( 朋晖一) 懿叫亚硝酸婀圳一兰嘉萎氮 图1 2 1 1 2 3 氮素在水体中的危害 大量未经处理或未经适当处理的各种含氮废水排水水体，会引起水体的恶化并对环 2 长安大学硕士学位论文 境造成严重的危害1 9 j ，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 造成水体的富营养化现象【1 0 , 1 1 , 1 2 】 水体富营养化是指由于人类活动使水体中营养物质增加，引起植物过量生长和整个 水体生态平衡的改变，因而造成危害的一种污染现象。目前衡量水体富营养化的指标一 般为：水体中的氮含量超过0 2 o 3 m g l ，生化需氧量大于1 0m g l ，磷含量大于0 0 1 0 0 2 m g l ，p h 值7 - 9 的淡水中细菌总数超过l o 万个m l ，表征藻类数量的叶绿素a 含量大于1 0 m g l 。水体富营养化的危害主要体现在几个方面。第一，富营养化造成水的透明度降低， 阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用和氧气的释放，同时浮游生物的大量 繁殖，消耗了水中大量的氧，使水中溶解氧严重不足，而水面植物的光合作用，则可能 造成局部溶解氧的过饱和。局部溶解氧过饱和以及水中溶解氧减少，都对水生动物( 主要 是鱼类) 有害，造成鱼类大量死亡。第二，富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件 下分解产生的有害气体，以及一些浮游生物产生的生物毒素( 如石房蛤毒素) 也会伤害水 生动物。第三，富营养化水中含有亚硝酸盐和硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过 一定标准的水，会致病中毒等等。 ( 2 ) 温室效应和酸雨【。7 】 一氧化二氮这种氮氧化物吸收红外线辐射的能力特别强，是二氧化碳的2 0 0 多倍， 是导致温室效应的可怕杀手。氧化亚氮( 俗称笑气) 除了产生温室效应外，还可以在大 气中与臭氧发生化学反应，扰乱臭氧层，增加地表的紫外线强度，危害人体健康。一氧化 氮、二氧化氮还是酸雨的成分之一。 ( 3 ) 增加给水处理的困难【9 j 被氮素严重污染的水体，会给水的净化处理带来许多困难，进而严重影响饮用水水 质。由于水体的富营养化，大量藻类和水生微生物的孳生繁殖使滤池堵塞，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阻塞。 藻类分泌出的有机物会妨碍絮凝作用，导致出水浑浊，并影响加氯消毒过程。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”，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，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f e 2 + 、m n 2 + 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、除昧的化学药剂投加量亦会增加。 ( 4 ) 降低水体的观赏价值i b 】 3 第一章绪论 通常l m g n h 4 + - n 氧化成n 0 3 - n 需消耗4 6 m g 溶解氧。水体中的n h 4 + - n 愈多，耗 去的溶解氧也愈多，水体的黑臭现象就愈发严重。这就影响了水体中鱼类等水产物的生 存，使其易因缺氧而死亡。富营养化的水质不仅又黑又臭，且透明度也差，仅有0 2 m ， 往往影响了江河湖泊的观赏和旅游价值。 ( 5 ) 对人体健康和生物的不良影响f 9 ，1 4 1 亚硝酸盐在水中与二级胺、酰胺或类似氮氧化物反应，形成强致癌的n 亚硝基化 合物，诱发肝癌、食管癌、胃癌等多种癌症。这种反应在人和哺乳动物的胃中更有利于 进行，尤其在酸性溶液中，特别是在吃饭以后，胃内p h 在1 5 更容易致癌。另外根据世 界卫生组织规定，n 0 3 - - n 含量不能超过1 0 m g l 。出生4 - 6 个月的婴儿，对n 0 3 - n 的耐受 力比较低，当饮用水内n 0 3 - n 含量为9 0 - - 1 4 0 m g l 时，即可造成婴儿高铁血红蛋白，使 红细胞不能带氧而导致婴儿窒息死亡。 许多水生动物( 如鱼类等) 对州- n 较敏感，一般均有一定的耐受限度。如水中 n h 4 + - n 超过3 m g l 时，可在2 4 - - - 9 6 h 内使金鱼、鳊鱼死亡。 1 3 氮素污染的控制 氮素对水体和环境造成污染的程度日益加重，因此针对于氮素污染的各种控制方法 也得到了社会各界的日益重视。目前废水脱氮处理的技术主要可分为物化法和生物法两 大类。用物化法脱氮，时间短，见效快，但费用高，脱氮对象具有片面性，在某些情况 下，还会带来二次污染，因此这种方法的推广和应用会受到一定的限制；生物法脱氮， 方法多、能耗低，并且管理方便、运行费用低廉，相比较而言，生物法具有更广阔的发 展前景【15 1 。 1 3 1物化法 物化法主要有空气吹脱法、折点加氯法、选择性离子交换法、化学沉淀法、化学中 和法和乳化液膜分离法等 9 a 3 】。见表1 3 1 ： 4 长安大学硕士学位论文 表1 3 i 各种物化法比较1 9 , 1 3 1 序名 基本原理工艺流程与特点影响因素备注 号称 该工艺还存在以下几个问题： n h 3 + 日2 d 营n h 4 + + 鲫 当水温降低时，水中氨的溶 空 利用废水中所含氨氮的实际浓度 从这一平衡式可以看到，当水中p h 升 解度会增加，从而减少了氨吹 气和平衡浓度之间的差异，在碱性条 毡三l 蝌 高，平衡向左移动，游离氨所占的比 托的推动力；进入吹脱塔的 l 吹件下用空气吹脱，使废水中的氨氮 例增大；当p h 升高到l l 左右时，水 污水p h 值高而不稳定，极易 脱 不断地由液相转移到气相中，从而 中的氨氮9 0 是以n h 3 的形式存在 在填料表面形成碳酸钙沉淀， 的。同时，降低氨在液面上的分压、 从而降低吹托效率：这种方 法达到从废水中去除氨氮的目的 增大水和空气中氨气体的浓度差，将 法仅适用于氨氮；容易产 会使游离氨极易从水中逸出。 生p h 值的二度污染及增加排 水中的溶解性固体含量； n i l + + 1 5 h o c i 一0 5 n ：+ 1 5 h 2 0 + 2 5 h + + 1 5 c i 。 折点氯化脱氮反应迅速，设备 折 根据反应式当量计算，将氨氮氧化成 该工艺可以将出水氨氮浓度控制在 费用低：但液氯的安全使用和 点将氯气或次氯酸钠投入污水，将废 氮气的理论c 1 2 投加量与氨氮的质量 2氯 水中的氨氮氧化成n 2 的化学脱氮 0 i m g l 之内，可以作为一个单独的脱 比应该为7 6 ：1 ； 贮存要求高，运行中加氯量 化 工艺 氮工艺来采用，也可以来深度处理生物大，从而运行管理成本高。这 除此，废水的与处理情况、p h 值、氯 脱氮工艺的出水。 种方法不太适合大流量高浓 法 化速度等因素，都会对工艺的去处效 度含氮废水的处理； 率产生影响。 5 第一章绪论 表1 3 1 各种物化法比较【9 1 3 1 ( 续) 序名 基本原理工艺流程与特点影响因素备注 号称 选 离子交换树脂是一类具有离子交 选择性离子交换法有利有弊， 择 换特性的有机高分子聚合电解质， 过滤处理出水 空气，氨 优点主要有：去除效率高，采 性 是一种疏松的具有孔结构的固体 ii 用的设备简单、操作易于控 影响脱氮效率的主要因素有污水的 制，通常对含量为1 0 - 1 5 m g l 离 球形颗粒，其脱氮过程是固相的交 离子 吹脱塔 3 再生启动p h 值、水利负荷、沸石粒径、吸附柱 的氨氮废水可达到9 3 - 9 7 子 换剂和废水中的h n 4 + 之间进行的 交换柱 厂 床深、污水组成及预处理程序等等。的去除率。出水氨氮可控制在 交 化学置换反应。沸石具有离子交换 i b 茸 换 能力，表达式为： i 呻龇基三二 l 一3 m g l , 缺点是离子交换剂 用量大，且需频繁再生，因此 法 r 一4 + + 日4 + r n i t 4 + + 彳+ 处理成本较高。 化 通过投加m g ：+ 和p 0 4 “，使之与废 学 用化学沉淀法在处理废水的过程中，该处理方法脱氮效率高、工艺 水中的氨氮生成难溶的复盐 4沉 应考虑p h 值、沉淀时间、物料比等 原理简单，但沉淀剂的加药量 淀 m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 沉淀物，从而达 影响因素。大，运行成本相对比较高。 到净化废水中氨氮的目的。 法 6 长安大学硕士学位论文 表1 3 1 各种物化法比较【9 ，1 3 】( 续) 序名 基本原理工艺流程与特点影响因素 备注 号称 化浓度大于2 v 3 的含氨碱性废 学水首先考虑回收加以综合利用，一般使用硫酸、盐酸或硝酸对 5 中制成硫胺等，不易回收的可以和 根据废水的排放情况，在中和过程中 含氨的碱性废水进行中和，常 和 酸性废水或废气( c o 、c 0 2 、s c h 选择不同的设备； 用的为工业硫酸。 法 等) 进行中和。 乳油妻 化含氨废水以选择性透过液膜为分 内相( t 1 2 s 0 4 ) l翎h 疆水 工艺的影响因素主要有：废水的p h 液离介质，在液膜两侧通过被选择 螬糟理捌一_ i j 一蕊取涛 值、表面活性剂的种类、及膜增强剂 6膜 透过物质( n h 3 ) 的浓度差和扩 竺! 望：哥乳液叫匿垂鞘酸乳器l 分散传递为推动力，使透过物质进 一广烈嗽 内 的使用、油内比( 乳状液的油相与膜 废水捧放 i 相 内相的体积比) 的大小、膜内相酸的 离入膜内，从而达到分离的目的。 删：s o a 咽砷鍪! 卜 水 浓度、乳水比等等。 法 7 第一章绪论 1 3 2 生物法 废水的生物脱氮是指在微生物的作用下，将废水中的含氮有机物和氨氮转化为n 2 并从液相中释放出来的过程9 ，1 3 l 。这个过程主要分为三个阶段1 9 , 1 3 1 ： 第一阶段：有机氮的氨化阶段 将废水中的有机氮化合物在氨化细菌的作用下，分解成氨的过程，称为氨化反应。 第二阶段：硝化阶段 在好氧条件下由亚硝酸菌和硝化菌等化能自养型细菌将氨氮转化为亚硝酸盐氮和 硝酸盐氮，它们利用无机碳化合物如c 0 3 厶、h c 0 3 。和c 0 2 作为碳源，从n h 3 ，n h 4 + 或 n 0 2 的氧化反应中获取能量。反应式为： 2 n h ：+ 3 0 2j 骂2 n o ；+ 4 h + + 2 h 2 0 ( 1 1 ) 2 n o ；+ 0 2 马2 n o ； ( 1 2 ) 硝化反应进行的环境条件1 7 l ： 硝化反应过程中，反应器内溶解氧的浓度高低必定会影响硝化反应的进行，研 究表明，进行硝化反应的系统中溶解氧的浓度不应低于l m g l ； p h 值：硝化细菌对p h 的变化非常敏感，发生硝化反应最佳的p h 值范围为7 5 - 8 o ， 同时在反应过程中产生的h 十会使混合液的p h 值下降，为了维持反应的正常进 行，应该在废水中加入足够的碱度； 温度：硝化反应最适宜的温度范围是2 0 3 0 0 c ，当温度低于5o c 时，硝化反应会 完全停止； 废水中的一些有机和无机物质，都会对硝化反应产生抑制作用；例如：有机溶 剂、蛋白质、乙醇等等，游离氨、非离子态h n 0 2 的存在也会抑制硝化反应的 正常进行； 有机负荷：当废水中的b o d 5 过高，一方面会过度的消耗溶解氧，进而影响硝 化反应的进行；另一方面，会促使异养菌的快速增长，取代硝化菌成为优势菌 种，也会不利于硝化反应。 第三阶段：反硝化阶段 在无氧条件下，将硝化反应中生成的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮再反硝化细菌的作用下 还原为氮气，在这个过程中反硝化菌利用有机物为碳源，反应式为： 8 长安人学硕士学位论文 6 n o ；+ 2 c h 3 0 h 型吗6 n 0 2 + 6 c 0 2 + 4 h 2 0 ( 1 3 ) w 6 n o ；+ 3 c h 3 0 h 螋骘3 n 2 + 3 c 0 2 + 3 h 2 0 + 6 0 h 一( 1 4 ) 反硝化反应进行的环境条件17 】： 碳源：当废水中b o d 5 t k n 3 - 5 时，可以认为碳源充足，勿需再额外加入； 否则当原水中的碳氮比过低时，需要投加有机碳源来保证反硝化反应的顺利进 行； p h ：反硝化反应最适宜的p h 范围为6 5 7 5 ，在这个条件下，反硝化的速率最 高，反硝化产生的碱度可以补偿硝化过程中的碱度的消耗； 溶解氧是影响反硝化作用的一个重要因素，反硝化茵只有在无分子氧同时存在 硝酸和亚硝酸离子的情况下，才能还原硝酸盐；若缺氧段内d o 0 5 m g l ，就会 抑制硝酸氮的还原； 温度：反硝化反应进行的最适温度为2 0 4 0o c ，当温度低于1 5o c ，反硝化速率 降低。 。 1 3 3传统的生物脱氮工艺 1 3 3 1 传统脱氮工艺的发展【9 1 8 】 传统观点认为，生物脱氮一般包括硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化菌和反硝化 菌作用完成。由于这两种细菌对环境条件的要求不同，这两个过程不能同时发生，而只 能序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应发生在缺氧或厌氧条件下。 因此，传统的生物脱氮工艺是将缺氧区与好氧区分开的分级硝化反硝化工艺，或在两个 分离的反应器中进行，或在时间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行，以 便硝化与反硝化能够独立地进行。 1 9 0 8 年a d e n e y 和l e t t s 以硝酸盐和原生污水接触，使其转化为n 2 ，这是最早的生 物反硝化现象。1 9 3 0 年，w u l m n a n n 首先提出了“以微生物细胞内物质作为脱氮菌还原 硝酸的供氢体的生物脱氮法”，并于1 9 3 2 年建立了后置反硝化工艺( p o s t d e n i t r i f i c a t i o n ) 。 1 9 6 2 年，l u d z a c k 和w r i n g e r 提出了前置反硝化工艺( p r e - d e n i t r i f y i n g ) 。1 9 7 3 年，b a m a r d 结合前两种工艺提出了a o 工艺，后来b a r d e n p h o 、a 2 o 、s b r 、氧化沟、v i p 、u c t 、 a a a - 1 - 艺等脱氮工艺相继被提出并应用于实际工程。 1 3 3 2 传统的生物脱氮工艺存在的问题【9 l 传统生物脱氮工艺以含碳有机物和悬浮固体为主要处理目标，去除污水中的氮素量 9 第一章绪论 很少，通常只有1 0 1 3 ，出水中仍有大量的氮素，如a o 法、b a r d e n p h o 法等传统 的硝化反硝化工艺，在废水脱氮方面起到了一定的作用，但仍然存在着许多问题。 ( 1 ) 硝化菌群增殖速度慢，且硝化菌世代长，难以维持较高生物浓度，因此造成 系统总水力停留时间较长、有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用。 ( 2 ) 传统工艺中的反硝化过程需要一定量的有机物，而废水中的c o d 经过曝气后 有一部分被去除，因此反硝化时往往要另外加碳源，增加运行费用。 ( 3 ) 为中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加处理成本。 ( 4 ) 氨氮完全硝化需要大量的氧，使动力费用增加。 ( 5 ) 抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长。 ( 6 ) 系统为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和 硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用。 ( 7 ) 运行控制相对较为复杂等。 因此，研究新型的脱氮思路、脱氮工艺是进行有效水污染控制的一项重要内容。 1 3 4 新型的生物脱氮技术 在传统生物脱氮理论的基础上，废水生物脱氮新技术也取得了快速的发展【1 3 1 。近些 年来，一些研究表明自然界存在着多种新的氨氮转化途型2 0 1 ，例如：短程硝化一反硝化、 同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、限氧自养硝化反硝化、好氧反硝化等等。基于这些新的 氨氮转化途径，衍生出了众多诸多新型生物脱氮工艺，如短程硝化反硝化( s h a r o n ) 、 同时硝化反硝化工艺( s n d ) 、厌氧铵氧化工艺( a n a m m o x ) 、s h a r o n a n a m m o x 组合工艺、限氧自养硝化反硝化工艺( o l a n d ) 【2 0 】。这些新工艺弥补了传统硝化反硝化 技术的缺陷，提高了脱氮效率，降低了废水脱氮成本，在我国氮素污染日趋严重以及治 污费用不堪重负的双重压力下，借鉴和应用这些科技成果，无疑具有重要的现实意义【1 3 l 。 1 3 4 1 短程硝化反硝化工艺 在传统的生物脱氮工艺中，脱氮的途径为n h 4 + jn o z 一- - n 0 3 一n 0 2 一专2 ， 称为全程硝化反硝化：短程硝化的脱氮途径为：n h 4 + jn o , 一一2 伫，通过抑制硝化 细菌的活性，将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段【2 2 1 ，阻止了n 0 2 一的进一步硝化，然后直接进 行反硝化【1 9 1 。 1 0 长安大学硕士学位论文 短程硝化反硝化工艺相比传统的生物脱氮工艺，有以下优势1 1 9 , 2 1 】： 硝化与反硝化两阶段在同一反应器中进行，可以缩短工艺流程； 硝化阶段减少了2 5 左右的氧气需要量，反硝化阶段减少了4 0 左右的有机碳源 投加量，降低能耗； 反硝化产生的碱度可以中和部分硝化产生的酸度，减少加碱量； 缩短反应时间，提高脱氮效率； 减少了剩余污泥量。 要有效的实现短程硝化反硝化过程，重要的控制因素主要有：游离氨浓度( f a ) 、 溶解氧( d o ) 、p h 值、温度、污泥龄、有机物浓度等等。 a ：有研究表明【矧，f a x i j 硝酸菌的抑制浓度为o 1m g l - - - 1 0m g l ，对亚硝酸菌的抑制浓 度为1 0 m g l - - 一1 5 0m g l 。当硝酸菌的抑制浓度 游离氮的浓度 亚硝酸菌的抑制浓度，硝 酸菌被抑制，产生亚硝酸的积累，实现短程硝化反硝化反应； b ：h a n a k i 等发现【2 4 1 ，当d o 质量浓度小于0 5m g l 时，两类硝化菌因基质受限而速率降低， 但亚硝酸菌增殖速率约为正常时的6 0 ，而硝酸菌则不超过正常值的3 0 。这表明在低 溶解氧下，亚硝酸菌的活性远大于硝酸菌，从而获得了持久稳定的亚硝酸积累。 因此控铝t j d o 在0 5 m g l 左右可以实现亚硝酸盐的积累； c ：另外还有研究表吲2 3 1 ，实现亚硝酸盐积累的适宜p h 值是8 0 左右。但微生物对环境 有适应能力，因此在氨氮废水的长期连续处理中，通过控f l ；t j p h 并不能有效实现亚硝酸盐 的累积。 除了上面三个因素，一系列研究表明，反应的温度、污泥龄( 水力停留时间 小于3 h 就可以实现亚硝酸盐硝化【2 5 1 ) 、有机物浓度( 有机负荷为o 2 5 k g c o d ( k g m l s s d ) 时，可以实现较高的亚硝酸盐积累1 2 6 1 ) 等条件的合理控制也能有效的实现亚硝酸盐的积 累。 1 3 4 2 同步硝化反硝化工艺( s n d ) 传统的生物脱氮理论认为，硝化反应是在有氧的条件下进行，反硝化反应式在无 氧的条件下进行，因此不可能同一时间或是在同一个反应器中进行同步硝化反硝化，然 而，近些年来，大量的试验研究表明，这两种反应可以同时在一个反应器中发生，也就 说存在同步硝化反硝化现象( s n d ) ，尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种 不同的生物处理系统中，例如：生物转盘、s b r 、氧化沟等等1 2 7 2 3 2 9 】。 对于s n d 这种现象，可以用物理学的微环境理论来加以解释：由于氧扩散的限制， 第一章绪论 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表面d o 浓度较高，以好 氧硝化菌及氨化菌为主；深入絮体内部，氧传递会受到阻力，同时因为氧气的大量消耗， 形成了一个缺氧区，此时，反硝化菌占优势，在这样的情况，就形成了同步硝化反硝化 的微环境条件【3 们。 s n dt 艺的几个特点： a ：在s n d 工艺中，亚硝酸盐不需要氧化成硝酸盐就可以直接进行反硝化反应，这 样一来，整个反应的过程加快、水力停留时间缩短、反应器容积也可以相应的减小【3 1 】； b ：与完全硝化反应相比，亚硝化反应仅需7 5 的氧【3 2 l ，工艺中需氧量降低，可节约能 耗； c ：在s n d 反应过程中，有机物氧化、硝化、反硝化各个反应是在反应器中同时进行， 反硝化产生的o h 可以中和硝化产生的h + ，提高了反应的速率，同时又节约了所需曝气 量和混合液回流所需的能源川； 因此，s n d 工艺对于含氮废水的处理，有着广阔的应用前景。 1 3 4 3 厌氧氨氧化工艺( a n a m m o x ) 氨不仅是只能在有氧的条件下，才能够被氧化，近来的研究发现，在无氧但是存在 硝酸盐的情况下，氨也能够参与反应被氧化。这种以硝酸盐作为电子受体、氨作为直接 电子供体，进行硝酸盐还原反应或是将亚硝酸氮转化成氮气的反应，就被称为厌氧氨氧 化( a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n 。a n a m m o x 3 3 1 除了通常认为的硝酸盐为这一反应的电子受体之外，亚硝酸盐和n 2 0 也能够作为厌 氧氨氧化的电子受体 3 4 1 。公式如下： n h 4 + + d 2 一当2 个+ 2 - 2 0 ( 1 5 ) 厌氧氨氧化工艺，不需要外加碳源来作为电子受体，这样就节省了4 0 的运行费用， 防止二次污染【3 5 j ；除此之外，厌氧氨氧化菌生长缓慢，因此产泥量少，又节省了污泥的 处理费用【3 6 1 ，为废水的生物脱氮开拓了新的领域。因此，有效控制厌氧氨氧化工艺的影 响因素是很必要的一项课题。 1 2 长安大学硕士学位论文 影响因子研究学者影响内容 当温度从1 5 升至3 0 ，反应速率逐渐提高；升至3 5 时 郑平【3 7 】 反应速率反而下降，并认为最适温度约为3 0 左右。 在p h 值= 8 2 ，起始n il + + - n + u n 0 2 - n 质量浓度均为2 0 0 m g l 、污泥质量浓度( v s s ) 约为1 6 9 l 的试验条件下， 杨洋【3 8 】控制反应温度为3 0 3 5 时，a i lammox 反应速率最 高；温度升至4 0 c 时，反应活性明显下降，反应最适温度 为3 0 - - + 3 5 。 温度 在p h 值= 7 5 、进水n h 4 + - n 及n 0 2 - n 质量浓度均为7 5mg l 的模拟有机废水试验条件下，温度从1 0 c 升至3 l ，a 叶剑锋【3 9 】 n a m m o x 反应速率逐步提高；温度继续升高，反应速 率下降，反应最适温度为3i 左右 在p h 值= 7 - - + 8 、进a n v h + - n x ) n 0 2 - n 质量浓度均为1 5 0 r a g l ，温度从1 5 升至4 0 ，a n a m m o x 反应速率呈指数形式 d o s t a - 等 4 0 1增加：温度4 5 时反应速率下降，沉淀出水为橙红色，这 可能与细胞在高温下破裂释放出细胞色素c 有关，细胞色 素c 是厌氧氨氧化体的重要组成部分。 温度3 0 ，当p h 值从6 0 升至7 5 时，a n a m m o x 速率逐渐提 郑平等1 3 7 】 高：但当p h 值继续升至9 5 时，an ammox 速率则不断 下降，最适p h 值在7 5 附近。 在温度3 0 、起始n h4 + - n 及n 0 2 - n 质量浓度均为2 0 0m g l 、污泥质量浓度约为1 6 0 0 m g l 试验条件下，当ph 值 为8 3 时，污泥的厌氧氨氧化活性最大：当ph 值小于8 3 杨洋等【3 8 】 时，污泥的活性略有下降，而当p h 值大于8 3 时，其活性 下降幅度较大，p h 值为7 0 和9 0 时的厌氧氨氧化速率分别 为p h 值为8 3 时的7 7 和6 6 ，最适p h 值为7 5 8 3 。 认为p h 值对厌氧氨氧化过程的影响并非是由于溶液中高 浓度自由氨和自由亚硝酸的抑制作用导致，而是f l 汗p h p h 值 操家顺等【4 1 l 值的变化直接或间接改变厌氧氨氧化菌的生理活动，进而 影响厌氧氨氧化反应。并通过计算求得最适p h 值为7 51 在进水n h4 + n 及n 0 2 - n 质量浓度均为15 0 m g l ，温度15 - - 4 0 x 2 ，控制反应p h 值为7 8 ；i s a k a 的研究为在反应器 d o s t a 等1 4 0 1 内加入质量浓度为1 0 1 0 0 m g l ，n h4 + - n 、n 0 2 - n 2 r n h 4 + - n 之比为1 3 2 ，添加盐酸调整p h 值为7 2 在有机碳源存在时，厌氧氮氧化反应可在p h 值= 6 0 2 - - 9 0 0 之间进行，最适p h 值为8 0 0 ，此时c o d ，n h4 + - n 及 胡勇等【4 2 】 n 0 2 - n 的去除率分别为8 4 0 ，6 9 9 和9 9 0 。试验结果 也表明，当p h 值低于5 0 6 或高于9 0 0 时，c o d ，n 0 2 - n 基 本没有去除。 1 3 第一章绪论 除了温度和p h 之外，一些学者的相关研究表明，有机物浓度、反应器的构型等也都 会对厌氧氨氧化过程产生一定的影响，因此要达到良好的厌氧氨氧化处理效果，就应该 对各个影响因子进行控制。 1 4 课题背景 1 4 1 生物膜法 生物膜法处理废水是使各微生物依附在其他固体载体表面上呈膜状生长，通过与废 水的接触来实现生物处理的一项技术，也就是说通过废水与生物膜的接触，进行固液两 相的传质，通过膜进行有机物的生物降解，进而使废水得以净化f 1 3 1 。 当废水通过滤池，其中的滤料截留废水中的有机物，同时也将废水中的的胶体和溶 解性物质吸附在自己的表面，微生物就通过废水中的这个有机物成