（环境工程专业论文）基于剩余污泥减排的强化脱氮技术研究.pdf

摘要 摘要 基于对剩余污泥的减排的目的，采用厌氧、缺氧、好氧与膜生物反应器相结 合的方式进行了城市污水的强化脱氮技术研究。分别研究了系统污泥培养期间的 污泥性状变化，污泥培养后期反应器的处理效果和各参数对系统处理效果的影 响。主要内容如下： 污泥培养期间温度为2 3 3 0 ，好氧溶解氧控制在1 4m g l ，缺氧溶解氧为 0 2 - 4 ) 3 m g l ，满足硝化反硝化作用的需要。污泥培养期间c o d 进水平均为5 6 0 m g l ，去除率平均为9 5 。b o d 5 进水平均为1 2 4 6 m g l ，去除率平均为9 7 4 。 n i - i a - n 进水平均为1 7 7 m g l ，去除率平均为9 3 6 。t n 进水平均为3 1 1 m g l ， 去除率平均为6 7 9 。t p 进水平均为4 1 6 m g l ，总去除率平均为8 7 9 。污泥 培养期间各项控制指标均达到了城镇污水处理厂污染物排放标准一级a 标 准。 选用好氧混合液回流比r 为1 0 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 o 。随r 的增大，c o d 、 b o d 5 、氨氮去除率变化不大，总氮去除率先增大后减小，r 为3 时总氮去除率最 高，并且r 低于3 时，实际去除率高于反硝化去除率以及理论去除率，r 大于3 时，实际去除率低于理论去除率。选用缺氧池至厌氧池回流比r 为0 、1 、2 、3 。 r 为2 时，系统的总氮去除率提高，r 为1 时，总磷去除率最高。对比三种厌缺 氧好氧容积比( 0 6 2 、o 7 2 和0 9 2 ) 条件下的脱氮情况，随厌缺氧好氧容积比 值增大，总氮的去除率提高。排泥量为3 l d 时，总磷去除效果最好并且比较稳 定，排泥量为1 l d 时，出水总磷仍满足一级a 标准，污泥减排可达到8 0 以上。 对比溶解氧浓度为1 、2 、3 、4m g l ，随溶解氧浓度增加总氮去除率先增大后减 小。溶解氧为2m g l 时去除率达到最高，微生物去除率和总去除率分别为7 6 8 5 和8 2 1 7 。溶解氧为1 、4m g l 时，亚硝酸盐积累率较低，总氮去除率也相对 较低。溶解氧为2 、3m g l 时好氧池上清液的亚硝酸盐积累率较高，好氧池中存 在短程硝化反硝化。通过依次采用清水冲洗，次氯酸钠浸泡，硫酸浸泡，柠檬酸 浸泡的方法能有效恢复膜的通量，膜污染主要来自于膜丝之间污泥的淤积，微生 物在有机质表面附着生长产生的生物膜和凝胶层，无机物质在膜表面和膜孔内沉 积。 捅要 本技术针对常规生物脱氮处理工艺中硝化菌易流失的缺点，采用膜分离技术 取代二沉池的固液分离，借助膜的高效截留作用实现水力停留时间与污泥停留时 间的分离，避免世代周期较长的硝化菌流失，增加硝化菌数量，提高硝化菌增殖 速率和代谢活力，从而增强脱氮效果。同时膜的过滤效果使反应器内的污泥浓度 高于常规活性污泥法，污泥有机负荷降低，污泥龄可无限延长，剩余污泥产量大 大降低，达到污泥减排的目的。 关键词：污泥减排脱氮膜生物反应器膜污染 a b s t r a e t a b s t r a c t b a s e do np u r p o s e so fr e s i d u a ls l u d g er e d u c t i o n , a p p l i c a t i o no fa n a e r o b i c ，a n o x i c ， a e r o b i ca n dm e m b r a n eb i o r e a c t o rc o m b i n e dm o d et ot h ec i t ys e w a g en i t r o g e n r e m o v a lt e c h n o l o g ye n h a n c er e s e a r c h s t u d i e sr e s p e c t i v e l y t h e s y s t e ms l u d g e c h a r a c t e r i s t i cd u r i n gt h ep e r i o do fs l u d g ec u l t u r e ，r e a c t o rt r e a t m e n te f f e c ta tt h ee n do f s l u d g ec u l t u r ea n dt h ee f f e c to fp a r a m e t e r st or e a c t o rt r e a t m e n t t h em a i nc o n t e n t sa r e 嬲f o l l o w s ： s l u d g ec u l t i v a t i o np e r i o dt e m p e r a t u r ei s2 3 - 3 0 。0 ，a e r o b i cp o o ld i s s o l v e do x y g e n c o n t r o li n1 - - 4 m g l ，o x y g e np o o ld i s s o l v e do x y g e nf o r 0 2 - q ) 3 m g l ，m e e tt h en e e do f n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n s l u d g ec u l t i v a t i o np e r i o d ，i n l e tf o ra na v e r a g eo f 5 6 0 m g lc o d ，a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo f9 5 i n l e tf o r a na v e r a g eo f 12 4 6 m g lb o d 5 ，a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo f9 7 4 i n l e tf o ra na v e r a g eo f 17 7 m g ln h 3 - n ，a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo f9 3 6 i n l e tf o ra na v e r a g eo f 31 1m e g lt n ，a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo f6 7 9 i n l e tf o ra l la v e r a g eo f4 16 m g l t p , a v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c yo f8 7 9 s l u d g ec u l t i v a t i o np e r i o d ，t h ec o n t r o l i n d e x e sh a v er e a c h e dt h e ”u r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n tp o l l u t a n td i s c h a r g es t a n d a r d ” l e v e las t a n d a r d s e l e c t i o no ft h ea e r o b i cm i x e dr e f l u xr a t i oo frw a s1 0 ，2 o ，2 5 ，3 ，03 5 ，4 0 c o d ，b o d s ，a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ec h a n g e sal i t t l e 谢t l lt h ei n c r e a s eo fr ， b u tt o t a ln i t r o g e nr e m o v a li n c r e a s e sf i r s tt h e nd e c r e a s e s w h e nt h et o t a ln i t r o g e n r e m o v a lr a t ew a st h eh i g h e s ti nr = 3 ，t h er e m o v a lr a t ei sh i g h e rt h a nt h ed e n i t r i f y i n g r e m o v a lr a t ea sw e l la st h et h e o r e t i c a lr e m o v a lr a t ei nr 3 s e l e c t i o no ft h ea n o x i ct a n ka n d a n a e r o b i ct a n kr e f l u xr a t i oo frw a s0 ，1 ，2 ，3 r _ 2 ，t h et o t a ln i t r o g e nr e m o v a l e f f i c i e n c y r = i ，t h et o t a lp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c y c o m p a r i s o nt h en i t r o g e n r e m o v a le f f e c to ft h r e ek i n d so fa n o x i c a e r o b i cv o l u m er a t i o ( 0 6 2 ，0 7 2a n d 0 9 2 ) ， w i t ht h ei n c r e a s eo ft h er a t i oo fa n o x i c a e r o b i cc a p a c i t y , t o t mn i t r o g e nr e m o v a lr a t e i n c r e a s e m u dw e i g h ti s3 l d ，t h et o t a lp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c ti st h e b e s ta n d s t a b l e m u dw e i g h ti s1l m ，e f f l u e n tt o t a lp h o s p h o r u sc a ns t i l lm e e tt h er e q u i r e m e n t s o fa nas t a n d a r d s l u d g er e d u c t i o nc a nr e a c ha b o v e8 0 c o m p a r i s o no fa e r o b i c t t t a b s t r a c t d i s s o l v e d o x y g e n c o n c e n t r a t i o no f 1 , 2 ，3 ，4m g l w i m t h ed i s s o l v e do x y g e n c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e st h et o t a ln i t r o g e nr e m o v a lr a t ef u s ti n c r e a s e da n dt h e n d e c r e a s e d d i s s o l v e do x y g e ni s1a n d 4m g l ，n i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ei sl o w , t o t a l n i t r o g e nr e m o v a lr a t ei sr e l a t i v e l yl o w d i s s o l v e do x y g e ni s2a n d3m e c l ，a e r o b i c p o o ls u p e m a t a n tn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ei sh i 曲e r , t h ea e r o b i cp o o lp r e s e n c eo f s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n b ys e q u e n t i a l l yu s i n gt h er i n s ew a t e r , s o d i u m h y p o c h l o r i t es o l u t i o n , s u l f u r i ca c i ds o a k i n g ，c i t r i ca c i di m m e r s i o nm e t h o dc a l l e f f e c t i v e l yr e s t o r et h em e m b r a n ef l u x s l u d g es e d i m e n t a t i o nb e t w e e nt h em e m b r a n e f i l a m e n t s ，m i c r o o r g a n i s m si nt h eo r g a n i cs u r f a c ea t t a c h e dg r o w t hp r o d u c e db i o l o g i c a l m e m b r a n ea n dg e ll a y e r , i n o r g a n i cs u b s t a n c e si n t h ef i l ms u r f a c ea n dk o n n e d e p o s i t i o nc a u s et h em e m b r a n ep o l l u t i o n t h et e c h n o l o g yf o rt h ed e f e c tt h a tn i t r i f y i n gb a c t e r i ae a s yl o s sa tc o n v e n t i o n a l b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s a p p l i c a t i o no fm e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g y t or e p l a c et h et w os i n kt h ep o n ds o l i d l i q u i ds e p a r a t i o n w i t ht h eh e l po fm e m b r a n e s f o re f f i c i e n ti n t e r c e p t i o nf u n c t i o nr e a l i z a t i o no fh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n ds l u d g e r e t e n t i o nt i m es e p a r a t i o n ，i tw i l la v o i dt h eg e n e r a t i o no fl o n g e rp e r i o do fn i t r i f y i n g b a c t e r i ae r o s i o n , i n c r e a s i n gt h en u m b e ro f1 1 i t r i f y i n g b a c t e r i a , i m p r o v e t h e p r o l i f e r a t i o nr a t ea n dm e t a b o l i ca c t i v i t yo f1 1 i 仃i t y i n gb a c t e r i a , i no r d e rt oe n h a n c e n i t r o g e nr e m o v a le f f e c t a tt h es a m et i m e ，m e m b r a n ef i l t r a t i o ne f f e c tm a k e t h es l u d g e c o n c e n t r a t i o ni sh i g h e rt h a nt h a to fc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，o r g a n i c s l u d g e l o a d r e d u c t i o n , s l u d g ea g ec a nb e e x t e n d e di n d e f i n i t e l y , e x c e s s s l u d g e p r o d u c t i o ng r e a t l yr e d u c e d ，i tw i l la c h i e v et h ep u r p o s eo fs l u d g er e d u c t i o n k e yw o r d s ：s l u d g e r e d u c t i o nd e n i t r i f i c a t i o nm e m b r a n e b i o l o g i c a l r e a c t o r m e m b r a n ef o u l i n g i v 1 绪论 1绪论 1 1 研究背景 水是人类与一切生物赖以生存的必不可少的重要物质，是工业、农业生产、 经济发展和环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源。但是我国宝贵的水资源环 境正面临着人均不足，时空、地域分布极不均匀，浪费现象普遍存在，污染态势 难以遏制的局面【h2 1 。近年来，我国污水的年排放量仍在大幅度增加，化学需氧 量和氨氮的排放量也在增加。2 0 1 0 年，全国废水排放总量为6 1 7 3 亿吨，比上年 增加4 7 ，比2 0 0 6 年增长了1 5 0 。化学需氧量排放量达1 2 3 8 1 万吨，氨氮排 放量达1 2 0 3 万吨【3 1 。不合理的利用和排放污水正在威胁着人类赖以生存的宝贵 水资源。 城市污水是造成水体污染的重要污染源，对城市污水进行妥善收集、处理和 排放是减轻或防止水体污染的十分重要的一项对策。其中，污水氮素含量是指示 城市污水处理情况和影响水体污染状况的一项重要指标。当大量未经处理或未经 适当处理的含氮的各种废水排入水体中，会给环境带来严重危害，造成水体的富 营养化现象。富营养化现象不仅使水体中个别藻类迅速增长，降低水体溶解氧， 最终导致水体恶化，而且会增加给水处理的困难，影响饮用水的水质。随着氮污 染问题的日趋尖锐化和公众环境意识的加强，越来越多的国家和地区都制定了严 格的氮素限值和排放标准【4 】。尤其近二三十年间，氮允许排放的数量和浓度越来 越低，氮的考核指标也由单一的氨氮指标发展到总刻5 1 。对比1 9 9 6 年污水综 合排放标准与2 0 0 2 年的城镇污水处理厂污染物排放标准如表1 1 所示， g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 一级标准对氨氮和总氮的最高排放浓度提出了更严格的要求。为 满足一级a 标准中对氨氮、总氮等指标的要求，应改进现有的污水处理设施， 强化、优化对氮元素的脱除技术，加强对脱氮工艺的研究。 表1 1 控制项目最高允许排放浓度日均值，单位m g l 1 绪论 随着可持续发展要求，“节能减排 工作深入开展，污水处理设施建设迅速， 污水治理取得成效。但此时，污水生物处理的的副产品一剩余污泥也大幅度增长， 多数污泥未得到妥善处理和处置，由此引发的二次污染问题不容忽视。目前，我 国城市污水处理厂每年排放的污泥量预计将超过3 0 0 0 万吨【6 】( 按含水率8 0 计) 。 各种污泥处理与处置方法均需要巨额的资金，用于污泥处理与处置的投资约占污 水厂总投资的2 0 。5 0 【7 】，而且剩余污泥通常含有大量有毒有害物质( 如重金 属、寄生虫卵、病原微生物) 和未稳定化的有机物，若不对之进行妥善的处理与 处置，将会对环境造成直接或间接的污染。大量剩余污泥的产生不仅成为污水处 理厂的沉重负担，还对环境产生极大的威胁，因此减少污泥排放的问题成为污水 处理领域中的突出问题，任何有利于减少剩余污泥的措施都将带来良好的环境效 益和经济效益【引。 1j2 现代脱氮技术 1 2 1水体中的氮素 水体中的氮素主要来源于大气干湿氮沉降、农田土壤流失、降雨径流、生活 污水、工业废水、水体中沉积物释出。其中城市污水、工业废水和畜禽养殖污水 是水体氮素污染物的主要来源，约占氮素污染来源总量的9 0 t 5 1 。生活污水中的 氮素含量和组成与人们的生活习惯、膳食结构、地区差异和季节有关。工业废水 中的氮素主要来自煤气化工业、焦化工业、氮肥工业、洗毛工业和制革工业等。 氮主要以分子态氮、有机氮和无机氮等形式存在于水中。无机氮为氨态氮、 硝态氮、亚硝态氮、硫化物和氰化物等，有机氮包括氨基酸、蛋白质、尿素、脂 肪酸、核酸、尿酸和有机碱。原废水中存在的主要氮污染物为有机氮和氨氮【9 】。 生活污水中，有机氮占4 0 6 0 ，氨氮占5 0 , - 6 0 ，硝氮和亚硝氮占0 5 t 5 1 。 含氮废水不经处理或处理程度不足给环境带来严重危害，主要表现为： ( 1 ) 水体的富营养化。在适宜条件下，当水中氮磷等营养素积累到一定水 平会促使水生植物旺盛生长，从而导致消耗溶解氧，产生有毒有害物质等一系列 破坏生态环境的影响。水体中藻类大量繁殖会覆盖水面、遮蔽阳光、隔绝氧的传 递，影响水中其他生物生长。大量藻类死亡后有机体被异氧微生物分解，消耗大 量氧气，导致水中鱼类等窒息死亡，同时水体因处于厌氧状态会产生h 2 s 等恶臭 气体。 ( 2 ) 产生有毒有害物质。饮用硝酸盐含量过高的水会使人红细胞不能带氧 2 1 绪论 窒息死亡。当氨氮超过3 m g l 时鱼类会死亡。亚硝胺有致癌和致畸作用。另外藻 类产生的毒素也对人和生物有毒害作用。大量氨氮的排放会加剧有害物质的产 生。潘晓洁【l o 】等通过对小白鼠注射鱼腥藻的细胞提取液和组织切片病理检查， 发现水华鱼腥藻使小白鼠的肝、肾、肺严重损伤，毒性较大。 ( 3 ) 增加给水处理的困难。由于水体富营养化，藻类和水生微生物的大量 繁殖堵塞滤池和配水系统，使自来水产生异味，影响引用水水质。 1 2 2 废水物化脱氮技术 废水物化脱氮应用技术主要有氨吹脱法、折点加氯法、化学中和法、化学沉 淀法、选择性离子交换法、高级氧化法、电解脱氮法和膜分离法等。 氨吹脱法利用在碱性条件下，废水中所含氨氮的实际浓度和平衡浓度之间的 差异，吹脱氨氮转移到气相中达到脱氮目的，适用于氨氮浓度较高时。兰中仁【l l 】 等采取先用空气将吹脱加活性污泥法处理高浓度氨氮废水，试验证明在最适宜的 条件( 温度为2 8 ，d o 为3 1 m g l ，m l v s s 为1 1 7 2 m g l ) 下，氨氮废水起始 浓度为1 0 0 0 m g l 左右时的最佳吹脱碱度为1 0 5 。乔如林1 1 2 j 等人对广州市大田山 垃圾填埋场垃圾渗滤液的研究：在温度3 0 ，p h 为7 5 - 8 0 ，气液比为3 0 0 0 ， 氨氮初始浓度由1 3 1 9 7 m g l 时，利用空气压缩机曝气吹脱6 h 后，渗滤液中氨氮 浓度随着石灰浓度的增加逐渐减小，当石灰浓度为1 0 9 l 时，降低量最大。赵清 华【”】等开发出一种构造简单，传质效率高、空气消耗少的水力喷射空气旋流器 ( w s a ) ，可减少吹脱过程中产生的固体产物。超声吹脱法是将超声波降解技术 和吹脱技术联用的脱氮技术。聂颖【1 4 】采用此法处理含有高浓度氨氮的a d c 发泡 剂废水时发现，随初始氨氮浓度、p h 、反应温度、吹脱时间的升高或增加，氨 氮去除率呈上升趋势。超重力法为超重力机代替空气吹脱法中的吹脱塔，在超重 力环境下，分子扩散和传质过程比常规重力场下要快的多。光明【i 别采用超重力 技术吹脱焦化氨氮废水的试验研究，脱氨效率比吹脱塔提高1 3 8 ，超重机抗堵 性能好，但由于受温度等影响，也存在油包水、油乳化等问题。 折点氯化法适合处理低浓度氨氮废水，操作方便，反应迅速完全，脱氮率高。 但是氯气的安全使用和贮存要求高，运行中加氯量大，增加运行成本，不适合高 浓度氨氮废水的处理。水春雨【l6 】等采用了次氯酸钠加氯法深度处理低温生物污 水，出水氮氮l m g l 以下，达到排放标准。张珂【l7 】采用折点加氯脱除炼焦废水 氨氮，认为进水氨氮浓度在6 0 m g l 以下最佳，氨氮的去除率可达9 7 以上。此 时c o d 、色度降解效果也较好。 1 绪论 化学中和法是将碱性的含氨废水和酸性废水废气( c 0 2 ，s 0 2 ，c o ) 互相中 和的、既简单又经济的方法。实际操作中若废水的水质水量变化大，需要外加调 节池和中和剂( 酸碱) 。 化学沉淀法可处理各种浓度的氨氮废水，尤其高浓度氨氮废水和存在大量对 微生物有害的物质的废水。主要影响因素为p h 值、沉淀时间、物料比。优点是 脱氮效率高，工艺简单，缺点是加药量大，成本高。 选择性离子交换法既可脱除废水中的氨氮，又可脱除废水中的硝氮和亚硝 氮。常用于中、低浓度的氨氮废水的处理，也可以作为其他方法的辅助措施，在 低温下也可进行。常用的交换剂为价格低廉且对氨氮有较强的选择性的天然沸 石。成官文【1 8 】等研究了沸石投入a o 工艺时强化脱氮的机理，沸石与微生物构 成沸石生物复合体，增加硝化菌和反硝化菌数量，在缺氧段，沸石吸附氨氮， 提高反硝化环境碳氮比，在好氧段，氨氮被硝化，沸石不断释放氨氮得到再生。 王宇【1 9 】等研究了在固废粉煤灰在p h 值为4 8 时，投加l o g l 镧离子浓度0 5 时合成的沸石对氨氮和磷的去除率分别达到9 0 。 高级氧化的特点是容易控制工艺条件，对难以降解的有机化合物有深度氧化 作用，二次污染少，可与其他方法相结合使用从而降低处理成本且处理效果好。 高级氧化包括湿式氧化、湿式催化氧化、超临界水氧化法、电化学氧化法、光催 化氧化、超声氧化、低温等离子体技术和微波辐射法等。吴钦钦【2 0 】采用f e n t o n 微波诱导催化氧化和超声辐射催化氧化对同指标垃圾渗滤液进行深度处理，氨氮 去除率分别可以达到4 3 2 8 、6 5 2 8 。 电解脱氮法的处理成本高，去除效果好，可考虑其作为生物处理前处理过程 或污水深度处理过程。胡晨燕【2 1 】等研究了三元电极对垃圾焚烧厂渗滤液的生化 混凝出水的处理效果和影响因素，电解过程中亚硝态氮很快被氧化成硝态氮，之 后氨氮转化为氮气，总氮基本以硝态氮的形式存在。y v e sv a n l a n g e n d o n c k t = j 等研 究了间接电氧化法处理电厂废水的影响因素，主要为电流密度，氯离子浓度和含 氧阴离子。 膜分离法：乳化液膜以选择性透过膜为分离介质，在液膜两侧通过被选择透 过物质的浓度差和扩散传递为推动力，使透过物质进入膜内，从而达到分离的目 的。有机膜是利用疏水性的微孔膜和h 2 s 0 4 等化学吸收液处理并回收废水中的氨 等污染物，微孔膜将气、液两相分隔开来，膜孔是气、液两相传质的场所。膜分 离法的特点是可回收氨，无二次污染，主要营养因素为p h 值。杨晓奕【2 3 】等人采 用电渗析法和聚丙烯( p p ) 中空纤维膜法处理高浓度氨氮无机废水，可使浓度达 4 1 绪论 2 0 0 0 - 3 0 0 0 m g l ，氨氮去除率在8 5 以上，同时可获得8 9 的浓氨水，回收的硫 酸铵浓度在2 5 左右。 物化法脱氮存在以下特点【玷4 】： ( 1 ) 主要用于高浓度氨氮废水的处理和对氨氮的深度处理。 ( 2 ) 通常情况下需要使用药剂，包括脱除剂和调节碱度剂，对药剂的贮存 和使用有一定要求，成本较高，同时使用剂量影响氨氮的脱除效果。 ( 3 ) 在某些情况下易产生副产物，对处理水造成二次污染。 ( 4 ) 某些方法不仅可脱除废水中的氨氮，同时可脱除其他有害物质，当废 水中含有大量对微生物有害物质时，应考虑采用物化法脱氮。 1 2 3 生物脱氮技术及新进展 1 2 3 1 生物脱氮原理 生物脱氮主要通过硝化作用和反硝化作用使化合态氮逐步转变为气态氮从 而被去除。 ( 1 ) 硝化作用：是指自养型硝化细菌将氨氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生 物反应。硝化作用包括亚硝化菌将氨氮氧化为亚硝态氮以及硝酸菌将亚硝态氮氧 化为硝态氮。硝化作用的微生物特性如表1 2 所示。 表1 2 硝化作用的微生物特性1 9 】 ( 2 ) 反硝化作用：是指反硝化细菌将硝酸盐、亚硝酸盐以及其他氮氧化物 作为电子受体，还原为氮气的生物反应。污水处理系统中存在大量反硝化细菌， 5 1 绪论 如产碱杆菌属( a l e a l i g e n e s ) 、芽抱杆菌( b a c i l l u s ) 、小球菌( m i c r o c o c c u s ) 、假单胞 菌( p s e u d o m o n a s ) 等，大多数反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌。细菌的反硝化 过程如图1 1 所示： n 0 3 至塑墼墅! 垦! n 0 2 堕塑墅型! ! ! on o 塑兰型垦苎l ，n ：o 堡q 堑垦壁，n ： 图1 1 反硝化过程图 ( 3 ) 影响因素：主要影响因素为p h 值、温度、d o 、碳氮比、污泥龄、内 循环回流比和抑制性物质。亚硝酸菌和硝酸菌的最佳p h 值范围是7 0 8 5 和 6 0 - 7 5 ，且硝化过程会使碱度下降。反硝化菌最适宜的p h 值范围是7 o 8 5 。当 p h 值低于7 3 时氧化终产物是n 2 0 ，反硝化过程会使碱度上升。硝化反应的适 宜温度为3 0 一3 5 。反硝化的适宜温度为1 5 3 0 。硝化过程所需溶解氧为 2 3 m g l 。反硝化过程中氧会与硝氮竞争电子供体，d o 应控制在0 s m g l 以下 时。硝化反应要求b o d 5 t k n 5 ，c o d t k n 8 。反硝化速率受碳源种类不同的 影响。污泥龄应控制在3 5 d 以上，否则会影响硝化细菌在系统中的存活，但是 污泥龄过长会降低污泥活性，累积的有毒物质对微生物活动有抑制作用，抑制物 质为某些有机物和重金属、氰化物、硫及衍生物、游离氨等。回流比的选取与处 理效果和反应类型有关，通常选2 3 较为经济。 1 2 3 2 传统生物脱氮工艺 传统生物脱氮工艺将生物脱氮的三个过程分置在不同的反应器内进行，如图 1 2 所示。优点是有机底物降解菌、硝化菌、反硝化菌在分别的反应器内生长， 各自回流沉淀池污泥，环境条件适宜，反应迅速彻底【5 】。但缺点是处理流程长、 设备多、管理不便：反硝化需要外加碳源，增加运行成本，且易使出水b o d 增 高，若再增加曝气设备去除，则又增加了动力费用。 i 百j甲醇氮气 图1 2 传统活性污泥法脱氮工艺 缺氧- 好氧活性污泥法( a o ) 工艺针对传统生物脱氮工艺的不足，将反硝化段 设置在系统之首，如图1 3 所示。该工艺流程简单、装置少，缺氧池可起生物选 6 1 绪论 择器的作用，改善活性污泥沉降性能，缺氧池反硝化作用消耗原水碳源，反硝化 产生的碱度可补偿硝化对碱度的需要。但硝化出水含有的硝酸盐，可能会导致二 沉池中进行反硝化反应，产生氮气使污泥上浮，影响出水水质。多级a o 法可 解决此问题，上级硝化阶段产生的硝酸盐将在下级反硝化池得以降解，只需回流 少量污泥而不需回流混合液，避免将好氧池溶解氧带入反硝化池，可满足深度脱 氮的需要。典型工艺有b a r d e n p h o 工艺、p h o r e d o x 工艺。c h a k k r i ds a t t a y a t e w a 2 s 采用了4 阶b a r d e n p h o 工艺去除水中的有机氮，发现对总氮有良好的去除率。郭 远驯2 6 】用改良b a r d c n p h o 工艺对小区生活污水进行试验，延长第二缺氧好氧段 污泥龄至1 5 - - 2 0 h ，有利于硝化反硝化菌的生长，从而提高了脱氮处理效果，出 水 i n 为1 1 9 m g l 。 原 内循环( 消化液回流) 图1 3 前置反硝化生物脱氮工艺 a 2 ，o 工艺比a o 增加了一个厌氧段，不仅可脱氮还达到除磷的目的，满足 当前污水处理的需要。葛士建【2 7 】采用改良u c t 分段进水试验装置研究了u c t 工艺处理实际生活废水的脱氮除磷性能，建立了该系统碳( c o d ) 、氮、磷的物料 衡算公式，并以稳态条件下试验数据为基础分析评价了各指标的物料分布情况。 s b r i 艺改变了传统活性污泥法的运行方式，空间上的脱氮三阶段改为时间 上的不同运行状态：可随意控制曝气时间长短，从而调控硝化和反硝化的时间， 而且利于水厂的自动化。冯少茹【2 8 】分析了s b i 江艺的脱氮除磷现状和发展方向， s b r 中存在短程硝化反硝化、同步硝化反硝化，厌氧氯氧化作用，s b i 灏粒污泥 生物除磷、s b r 纯菌种生物除磷、s b r 反硝化聚磷菌，膜s b r 脱氮除磷和两段s b r 脱氮除磷工艺针对各个方面对s b r 工艺进行了改进。 氧化沟由传统推流活性污泥法而来，流态即是推流也为完全混合，控制曝气 位置和曝气量可分隔出好氧缺氧段利于脱氮，前后可省略沉淀池，可降解有机悬 7 浮固体，省却污泥回流。 m b r t 艺及其改良工艺在脱氮方面具有高处理效能，并相对于传统工艺具 有独特的工艺特性和处理潜能。膜所具有的高效截留作用，能将h r t 与s r t 相分 离。随着膜处理工艺运行参数的不断完善，膜成本的不断降低，膜污染防治技术 的不断创新，必将推动膜生物反应器技术在强化脱氮除磷方向不断发展【2 9 】。 这些工艺在污水处理领域都发挥着实际脱氮的作用，但是也存在一些缺点 【3 0 】：水力停留时间长，有机负荷低，硝化作用消耗了大量的溶解氧，反硝化作 用碳源不足时需外加碳源，总氮处理效果不佳。池容、曝气、碳源等问题均增加 运行费用。 1 3 3 3 生物脱氮技术新进展 传统的生物处理工艺主要以含碳有机物以及悬浮固体为处理目标，通过微生 物去除污水中的氮素较少，只有1 0 3 0 ，因此生活污水和含氮工业废水经处理 后仍含有大量的氮素。并且传统工艺中存在很多问题，如硝化茵的增值缓慢、世 代时间长，水力停留时间长、有机负荷低与基建和运行费用的矛盾；反应进行至 反硝化阶段，c o d 大部分被去除与反硝化需要一定量的有机物矛盾；硝化过程 产酸，需要加碱中和；硝化作用需要消耗大量氧。 近些年来，国内外学者对生物脱氮技术进行了大量的理论和实践研究，力求 简化工艺、提高效率、节约能源和可持续发展，在反应条件、细菌特性、反应途 径等方面都有新的认识和发现。新型工艺主要有：短程硝化反硝化技术、同时硝 化反硝化技术、厌氧氨氧化技术等。 短程硝化反硝化也称为亚硝酸型硝化反硝化，将传统硝化反硝化理论的亚硝 化、硝化、反硝化减少为由亚硝氮作为电子受体直接进行反硝化。由此理论上短 程硝化反硝化比全程硝化反硝化节省了2 5 的氧以及4 0 的有机碳源【3 1 1 。实现 短程硝化反硝化的核心在如何实现亚硝酸盐的积累，利用亚硝酸菌和硝酸菌在生 理特征( 温度、p h 、分子态游离氨f a 、d o 、泥龄及其他有害物质) 上的差异 性，使硝化过程中亚硝酸菌占优势地位，可实现亚硝酸的积累。于德爽等【3 2 】用 s b r 法短程硝化反硝化处理生活污水时发现，当温度为2 0 3 0 ，p h 值7 5 8 8 时，亚硝态氮得到积累，平均亚硝化率9 5 以上，但此条件实现的短程硝化反硝 化在长时间内是不稳定的。刘超翔等【3 3 】采用a o 法对焦化厂高氨氮废水进行了 亚消化性硝化反硝化中试研究，在c n 比为2 3 5 条件下，系统对总氮的去除率 为6 6 7 5 ，脱氮效果良好并节省了反硝化碳源。 8 1 绪论 同时硝化反硝化：传统理论认为参与硝化反应的硝化细菌与参与反硝化反应 的的反硝化细菌对环境条件的要求不同，特别是对氧的需求上不同，将这两个过 程分置在不同的反应器内进行，但研究人员在一些没有明显厌氧、缺氧的活性污 泥法工艺中发现了好氧条件下存在反硝化作用，缺氧条件下也存在硝化作用。硝 化与反硝化反应发生在同一空间或同一处理条件被称为同时硝化反硝化。同时硝 化反硝化技术研究主要为氧化沟、r b c 、s b r 。李丛娜【3 4 】等考察了s b r 反应器 中进水c o d n h 3 - n 比值对同步硝化反硝化脱氮效率的影响，进水c o d n h 3 - n 比值越高，总氮去除率越高，同步硝化反硝化现象越明显，由试验推断活性污泥 菌胶团中存在异养硝化菌和好氧反硝化菌。白晓剥3 5 j 在活性污泥工艺中，通过 控制水力停留时间，溶解氧，曝气量培养出沉降性能良好的好氧颗粒污泥，可明 显提高曝气池处理能力并实现同时硝化反硝化。 厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，微生物以n h 4 + 为电子供体，以n 0 3 。 或n 0 2 为电子受体，将氨氮，硝氮，亚硝氮都转变为氮气的生物氧化过程。此 过程无需分子态氧以及有机物的参与。马斌 3 6 j 等研究a o + a n a m m o x 工艺处理 城市污水的脱氮特性，a o 反应器中t n 去除量占该工艺t n 去除量的5 1 1 3 ， a n a m m o x 反应器t n 去除量占4 8 8 7 ，半亚硝化和厌氧氨氧化作用工艺处理低 c n 污水实现高效脱氮的关键原因。吕永涛【3 7 】等研究了限养系统中厌氧氨氧化菌 的富集和脱氮效能，通过逐步降低d o 浓度获得了自养脱氮效果，t n 最高去除 率和去除速率分别达到7 9 8 和0 1 5 k g ( k g d ) 。 1 3 污泥减排技术 1 3 1 活性污泥法的剩余污泥产量 大部分污水处理厂都采用生物处理法，其剩余污泥产量与采用的生物处理工 艺密切相关。根据资料统计，将普通曝气活性污泥法、延时曝气活性污泥法、阶 段曝气活性污泥法、氧化沟法、间歇式活性污泥法、生物转盘等各种生物处理工 艺处理污水产生的剩余污泥量如表所示【3 8 】。阶段曝气法设计产泥量最多，但实 际产泥量与普通活性污泥法相似。而氧化沟的实际产泥量远远大于设计产泥量， 因为大部分氧化沟工艺不设初沉池，反应系统中的无机物质含量较高。 由表1 3 可知，延时曝气法产泥率低，但需要增加曝气量。间歇法产泥率低， 但间歇运行不适合大型的污水处理，需增加调节池调节水量。生物转盘的容积负 荷较低，基建费用高。为减少剩余污泥排放量，需要控制生物处理系统中污泥的 9 1 绪论 净增值，即控制微生物的增长。 表1 , 3 单位进水量产泥率( ) 厂觚污泥转僻 鬈蔫嚣溅 卜提高自身氧僻_ 器黜眺法 i广臭氧氧化 一+ 黧篓_ 黉 l ：三薹：? 浓度三三茎兰兰兰三了 l o 1 绪论 1 3 2 污泥减排技术 解耦连法是通过降低污泥产率系数a 而降低细胞合成量从而降低污泥产量。 主要通过从能量上抑制微生物细胞的合成，具体方法为投加解偶联剂、高负荷( 底 物浓度污泥浓度) 法、好氧沉淀厌氧法，其他还有升温、提高盐浓度和供养量 等方法。张曼曼【3 9 】等以a o 为参照系统，通过微生物生化反应放热值确定 a + o s a ( a n o x i a o x i c s e t t l i n g a n a e r o b i c ) 系统的含能水平较高，此工艺污泥减量 原因为贮泥池内的污泥衰减与解偶联的共同作用。 溶解剩余污泥法即为增强细胞的隐形生长作用，常使用物理、化学、生物及 联用技术使细菌迅速死亡分解为基质并被其他细菌所利用，包括加热、超声、臭 氧、氯气、酸碱、投加酶制剂和抗生素等。臭氧氧化法是将二沉池的回流污泥一 部分进行臭氧处理提高可生化性，并且约1 3 的污泥被无机化，通过适当调整比 例，可使无机化的污泥量等于增殖的污泥量，从而达到污泥龄排放。加热法最初 用于改善污泥的脱水性能以及提高污泥的厌氧硝化性能，后发现加热可破坏细 胞，使细胞裂解，此特性可用于减少剩余污泥产量。 微型动物捕食法是利用微型动物与细菌的食物链捕食作用以及微型动物与 细菌的互利共生作用降低污泥产量。水处理领域将原生动物和体型较小的后生动 物称为微型动物。梁鹏即】等通过间歇试验对比污泥颤蚓摄食、厌氧消化、好氧 消化3 种方式对污泥减量的作用。采用初始污泥浓度为2 5 9 l ，减量2 4 h ，3 种 方式对污泥的减量速率分别为315 m g ( m g d ) ，2 6 3 m g ( m g d ) 以和6 5 m g ( m g d ) 。 检测证实颤蚓摄食在短时间内对污泥中细菌细胞膜的破坏程度最大。当采用颤蚓 摄食组合厌氧消化方法时，可以在2 d 左右使污泥减量的比例达到3 0 ，减量比 速率为0 2 5 m g ( r a g d ) 一。黄伟飞【4 1 】等研究了水蚯蚓原位消解污泥技术对污泥减量 的效果以及对去除污染物的影响，污泥产率最小为0 0 1 5 k g m 3 ，污泥减量可达 8 1 7 。郝晓地【4 2 】等对蠕虫l v a r i e g a