（环境工程专业论文）复合铁酶促活性污泥强化污水生物脱氮除磷技术研究.pdf

c i a s s i f i e d u d c ： i n d e x ：x 7 0 3 1 啪| l l i i m i i y 18 0 2 9 4 0 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e q r e ei ne n q i n e e r i n q vvv s t u d yo nf e r r jce n z y m a ti c a c t l v a t e ds l u d g eus e di n e n h a n c e d 後s t e ，a t e r b i o l o g i c a ln u t i e n tr e m o v a l c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： t e c h n o l o g y 、n gs h a o c h a 0 p r o f b ix u e j u n p r o f z h a n gb o a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a 时： e n v i r o n m e n t a le 1 1 9 i n e e r i n g d a t eo fo r a ie x a m i n a t i o n ：j u n e2 0 1 o u n i v e r s i t y ：q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 复合铁酶促活性污泥强化污水生物脱氮除磷 技术研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： f 二一 铴胞 - ” 懈3苤 彳嘲u 摘 a b 第 1 3 4 脱氮除磷新理论1 2 1 4 污水生物脱氮除磷影响因素1 4 1 4 1 温度l4 1 4 2 溶解氧15 1 4 3 p h 值16 1 4 4 有毒物质：16 1 4 5 c n 比m l6 1 5 铁盐强化活性污泥污水处理技术的研究与应川一1 7 第2 章研究目的、内容及方法2 0 2 1 课题目的及意义2 0 2 2 课题的主要研究内容2 0 2 3 试验装置与试验方法2l 2 3 1 装置及工艺流程2 1 2 3 2 水质指标及分析方法2 3 第3 章复合铁酶促活性污泥的培养方法研究2 5 3 1 铁盐刈洒陀f 泷系统的舡期影响效j 、v 研究2 5 3 1 1 不同铁能对污水处理能力的影响2 6 3 1 2 铁盐列脱氢酶活性的影响2 7 3 1 3 铁盐对活性污泥沉降。陀的影响2 9 3 2 铁盐刈活性污泥系统的长期影响效应研究3 l 3 2 1 氨氮去除效果分析3 1 3 2 2 除磷效果分析3 3 3 2 3 有机物去除效果分析3 4 3 2 4 脱氢酶活性变化3 6 3 3 高污泥含铁量对活性污泥的影响3 8 3 4 复合铁酶促活性污泥的培养方法研究4 0 3 4 1 培养方式对复合铁酶促活性污泥培养初期处理效果及脱氢酶活性 研究4 0 3 4 2 高负倚对复合铁酶促活性污泥处理效果及脱氢酶活性的影响4 3 3 4 3 低温对复合铁酶促活性污泥处理效果及脱氢酶活性的影响4 4 3 5 本章小结4 5 第4 章常温条件下复合铁酶促活性污泥生物脱氮除磷效应的试验研究4 6 4 1 复合铁酶促活性污泥启动阶段运行效果分析4 7 4 1 1 有机物的去除效果4 7 4 1 2 脱氮除磷效果分析4 8 4 1 3 污泥量及污泥活性分析5 0 4 2 常温条件下复合铁酶促活性污泥运行效果试验研究一5 1 4 2 1 氨氮去除效果分析一51 4 2 2 除磷效果分析j 5 2 4 3 短期恢复列复合铁酶促活性污泥系统处理效能的影f i i 匈研究5 3 4 4 本章小结5 6 第5 章低温条件下复合铁酶促活性污泥生物脱氮除磷效应的试验研究5 7 5 1 常温条件下复合铁酶促活性污泥运行效果试验研究一5 7 5 1 1 系统有机物污染物质去除效果与分析一5 9 5 1 2 系统硝化处理效果与分析6 0 5 ，l 。3 系统除磷处理效果与分析6 2 第 参考文献7 2 硕士期间发表的论文7 7 致谢7 8 青岛理工大学工学硕士论文 摘要 污水中氮、磷的过量排放引起的水体富营养化问题已成为国内外政府和公众 最为关注的环境问题之一。近年来污水生物脱氮除磷技术始终是污水处理领域研 究的热点，但污水生物脱氮除磷系统存在的固有矛盾与瓶颈问题尚未得到解决， 对于目前的污水生物脱氮除磷工艺而言，由于处理系统内存在泥龄问题、碳源问 题、硝酸盐问题等各种矛盾关系，导致其生物脱氮除磷效果不够理想和稳定。 复合铁酶促活性污泥法是一种新型污水处理技术，其活性污泥具有结构密 实，沉降性能好，污泥浓度高，污泥负荷低等特点。本研究以城市生活污水为研 究对象，通过复合铁酶促活性污泥现场小试的试验研究工作，考察了复合铁酶促 活性污泥的培养条件，以及在常温、低温、不同有机负荷条件下系统处理效能的 研究。 研究结果表明： ( 1 ) 培养复合铁酶促活性污泥的铁盐中，f e c l 3 中的f e 3 + 和f e s 0 4 中的f e 2 + 均可 以与系统内的( o h ) 发生反应而使反应器内碱度下降，使活性污泥系统p h 值下降 至3 ，微生物的活性降低，不利于培养复合铁酶促活性污泥。f e c l 3 中的f e ”和 f e s 0 4 中的f e 2 + 给系统带来的p h 值变化，并不能随着系统的长期运行得到恢复。 因此不会对系统p h 值产生影响的f e ( 0 h ) 3 是培养复合铁酶促活性污泥的最佳铁 盐。由实验知，其最佳污泥含铁量为5 。 ( 2 ) 复合铁酶促活性污泥的最佳培养方式为f e ( 0 h ) 3 多次投加。多次投加 f e ( o h ) 3 培养的复合铁酶促活性污泥系统对氨氮、磷酸盐的去除要优于普通活性 污泥系统，且脱氢酶活性较高。冲击负荷增加，多次投加f e ( 0 h ) 3 培养的复合铁 酶促活性污泥系统对氨氮、磷酸盐和c o d 的平均去除率分别可达9 7 7 、9 5 5 及9 4 0 ，较一次投加f e ( o h ) 3 培养的复合铁酶促活性污泥系统分别提高了 4 1 1 、2 0 1 及3 2 ， ( 3 ) 复合铁酶促活性污泥培养周期较短，在本试验条件下l o 天左右即可完成复 合铁酶促活性污泥的培养驯化，且常温条件下较普通活性污泥系统运行较稳定， 其生物脱氮除磷能力高于普通活性污泥系统。系统p 0 4 孓p 去除率基本稳定在 青岛理t 大学工学硕士论文 8 0 以上，对比系统的p 0 4 孓p 的去除仍 现波动。 ( 4 ) 当两平行实验系统受到破坏性冲击后，在重新启动阶段，复合铁酶促活性 污泥系统氨氮处理能力的恢复周期远低于对比系统的恢复周期；复合铁酶促活性 污泥系统磷酸盐处理能力受破坏性冲击影响较小。 ( 5 ) 由低温条件下复合铁酶促活性污泥生物脱氮除磷效应的试验研究可知，系 统低温稳定运行下，复合铁酶促活性污泥系统与普通活性污泥系统氨氮出水分别 为2 6 m l 、2 3 5 m l ，去除率分别为9 7 3 、7 5 5 。低温条件下，复合铁酶促 活性污泥系统的运行稳定性好于对比试验系统，复合铁酶促活性污泥系统较普通 活性污泥系统更能经受低温的冲击。 关键词城镇污水；污水处理；复合铁酶促活性污泥；脱氮；除磷 u a n dt l l e p u b l i ci nr e c e n ty e a l r s ， w a s t e w a t e rb i o l o 西c a ln i t r o g e n 锄dp h o s p h o l l l s r e m o v a l t e c h n o l o g yt r e a t m e n t h 弱 a l w a y sb e e n ah o tr e s e a r c hf i e l d ，b u tt l l e c o n t r a d i c t i o n si n h e r e n ti nt l l eu n r e s o l v e d o fw 嬲t e w a t e rb 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 m sr e m o v a ls y s t 锄f o rt h ec u r r e n tw 绷t e w a t e rb i o l o 西c a ln u t r i e n tr e m o v a l p r o c e s s ，e 骶c i so fn i t r o g e n 肌dp h o s p h o m sf e m o v a la b i l i t yi sn o ts a t i s f a c t o 叮a n d s t a b l eb e c a u s eo ft h ep r o b l e m s 叭c h 嬲s i u j c a r b o ns o u r c e ，n i t r a t e ，a n ds oo n f e r r i ce i l z y i n a t i ca c t i v i t ys l u d g e 舔an e wp r o c e s st ot r e a tw 嬲t e w a t e rh 弱s u c h a d v a n t a g e s 嬲h i g h e rd e n s i t ys t n j c t u r e ，b e t t e rp r e c i p i t a t i o np e r f o 咖a n c e ，1 1 i g h e rm l s s ， l o w c rs l u d g el o a d i n g 嬲c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g c e x p e r i m e n t s 觚dr e s e a r c h w 嬲 c a r r i e do u to np r o c e s s i n go ft o w ns e w a g eb yt h ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v i t ys l u d g ei nt l l e b e n c ha n dp i l o tt e s t t oi n v e 8 t i g a t em ep o l l u t a n tr e m o v a le m c i e n c ya tt h es t a n u pp r o c e s s ， a tl o wt 啪p e r a t u r e ，a tn o 啪a lt 锄p e r a t u r e ，a tt h ec h a j l g e dp h ，u n d e rc o n d i t i o n so fh i 曲 l o a d i n g r e s e 甜c hr e s u l ts h o w c dt h a t ：( 1 ) i r o ns a l t so na c t i v a t e ds l u d g es y s t e mb yt h e s h o n t e n ne f f e c to fs t u d yr e s u l t sd e n l o n s t r a t et l l a td u r i n gc u l t i v a t i n gt h ef e r r i ce m ：y m a t i c a c t i v i t ys l u d g e ，f e 3 + i nf e c l 3a n df e 2 + i nf e s 0 4c 锄r e a c tw i t h ( o h ) 一i nt l l es y s t e i l l 锄d l e a dt od e c r e a s ea l k a l i n i t y ，s ot h a tt h ea c t i v a t e ds l u d g es y s t e mb e c o m et h ea c i d i cp h ， m i c r o b i a la c t i v i t yd e c r e a s e ，i sn o tc o n d u c i v et oc u l t i v a t i n gt h ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v i t y s i u d g e ( 2 ) i i - o ns a l t so na c t i v a t e ds l u d g es y s t e mb yt h el o n g t e 肌e f f e c to fs t u d yr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tf e 3 + i nf e c l 3 锄df e 2 + i nf e s 0 4c a i ld e c r e 嬲ep h ，觚dt l l ec h 锄g ei s i 1 1 r e v e r s i b l e f e ( o h ) 3w 嬲t i l eb e s tt r a i n i n gm e t h o d so ft h ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v i t y s l u d g e t h eb e s to fi r o nc o n t e n ts l u d g ei s5 ( 3 ) r e p e a t e d l ya d d i n gf e ( o h ) 3i n t ot h e a c t i v a t e ds l u d g es y s t e mi sg o o d t h ef i e r r i ce n z y m a t i ca c t i v i t ys l u d g eo nl l i t r o g e n ， p h o s p h a t er e l n o v a li ss u p e r i o rt oc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l d d g es y s t e m ，a n d 青岛理工大学工学硕j 二论文 _ 一t _ 目_ - - - l _ - - - j _ - - ；= = _ _ _ = i _ t 口_ 口t l i _ _ _ 目_ - _ - _ - - _ _ 一 d e h y d f o g e n a s ea c t i v i t yw a sh i g h e r t o o t h er e m o v a lo fp h o s p h a t e w e r e7 4 ，8 4 ，5 4 ， i n c r e a s e db y14 ，5 6 ，2 9 ，c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ( 4 ) s t u d yo nt h es w i t c ho nf e m ce n z y m a t i ca c t i v i t ys l u d g es y s t e ms h o w e dt h a tu n d e rt h e c o n d i t i o n so ft h i se x p e r i m e n tt h ea c c l i m a t i o no f f e ce n z y m a t i ca c t i v i t ys l u d g ei na s h o n e rp e n o d ，i sa b o u t10d a y s a n di t sb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a lc a p a c i t yt h a n c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ( 5 ) w h e nt h et w op a r a l l e le x p e n m e n t a ls y s t e m s a r e d e s t r u c t i v ei m p a c ta r e rt h er e s t a r tp h a s e ，n i t m g e nt r e a t m e n tc a p a c i t yf l c r r i ce n 【z y m a t i c a c t i v i t ys l u d g e i sb e t t e r ，a n dt h er e c o v e 叫c y c l eo f f - e r r i ce n z ”1 a t i ca c t i v i t ys l u d g ei sf a r l e s st h a nt h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ( 6 ) f e 而ce n z y m a t i ca c t i v i t ys l u d g e s y s t e mo p r a t i o n si nt h el o wt e m p e f a t u r es h o w e dt h a tt h ee f f l u e n to f 锄m o n i a 。n i t r o g e n w a s2 6 m g l ，2 3 5 m g l ，t h er e m o v a lr a t e sw e r e9 7 3 ，7 5 5 l o wt e n l p e r a t u r e c o n d i t i o n s ，m ef e 盯i ce n z y m a t i ca c t i v i t ys l u d g es y s t e m sm n ss t a b i l i t y ，t h ea b i l i t yo f r e s i s t a n c ei m p a c tw i t hl o wt e m p e r a t u f ei sb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e s v s t e m k e yw o r d s ： m u n i c i p a ls e w a g e ； w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；f e r r i ce n z y m a t i ca c t i v i t y s l u d g e ；p h o s p h o r u sr e m o v a l ；n i t r o g e nr e m o v a l n 青岛理工大学工学硕士论文 第1 章绪论 水是生命活动中最为重要的物质之一，是人类文明不断发展的基础条件，和 谐的水环境和丰裕的水资源是人类社会可持续发展的基本前提。然而，随着科学 技术的不断进步，工业文明的迅猛发展，人口的持续增长，人类社会正面临着严 重的水危机，具体表现为严重的水资源短缺和水环境污染。水资源是人类生产和 生活不可缺少的自然资源，随着水资源危机的加剧和水环境质量不断恶化，水污 染问题己演变成世界倍受关注的资源环境问题之一。而污水处理投资大，运行成 本高一直制约着污水处理的普及应用。因此从这个方面考虑，研究经济、稳定、 高效和具有良好抗冲击负荷能力的普适性的污水处理方法是当前水处理研究的主 要内容之一。 1 1 世界水资源概况 水是生命的源泉，是一种有限而又不可替代的宝贵资源。长期以来，狭隘的 观念使人们普遍认为水资源是大自然赋予人类的，是取之不尽、用之不竭的，因 此对水资源的使用上人类恣意浪费，毫不吝惜；同时，环境污染使得水资源紧张的 状况进一步加剧，联合国环境规划署对水资源的监测表明：全球高达6 0 的河流受 到了不同程度的污染。缺水导致河流和湿地消失，而过量的淡水开采又使许多自 然水源枯竭，导致地面沉降，海水入侵等，进一步加剧了生态的破坏，形成恶性 循环。更为严重的是由于目前水资源的解决办法和技术水平的局限性，可以利用 的水资源的数量增长缓慢。严峻的水资源现状使越来越多的人们意识到水资源并 不是像人们想象的那么丰富，人们从来没有像今天这样认识到水资源的宝贵，甚 至作为至关重要的战略物资来对待，水将成为一种决定国家富裕程度的重要商品， 一个国家能否科学开发和利用水资源将决定其发展前途，那些将治理水系作为最 紧迫任务的国家将占竞争优势，水资源成为制约社会和国家经济发展的瓶颈。从 表面上看，世界的水资源是相当丰富的【l 】。地球表面7 l 为水覆盖，全部水体总 量为1 3 5 6 1 0 9 亿m 3 ，但是海洋储水量为1 3 3 5 1 0 9 亿m 3 ，占总水量的9 6 5 ， 淡水含量只有3 5 1 0 8 亿m 3 ，占总水量的2 5 3 。而且，绝大部分淡水被固定在 青岛理t 大学工学硕i ：论文 两极地带的冰盖和山区冰川中，人类真正能开采利用的仅是淡水总量的o 2 。全 球范围内水资源的短缺，不仅制约了经济的发展，影响人民的生活，社会的发展 也相应地受到了制约，更为重要的是，一些国家和地区为了争夺更多的水资源而 发生国际冲突，甚至导致战争的爆发。联合国在对世界范围内的水资源状况进行 分析研究后发出警报：“世界缺水将严重制约下个世纪经济发展，可能导致国家 问的冲突2 1 。”同时指出，全球已经有l 4 的人口面临着一场为得到足够的饮用 水，灌溉用水和工业用水而展开的斗争。预测“到2 0 2 5 年，全世= 界将有2 3 的人 口面临严重缺水的局面”。 1 2 我国水资源概况 我国是水资源严重缺乏的国家之一，地表水资源量约2 6 5 6 2 亿m 3 中国人均 水资源量为世界人均占有量的1 4 ，是世界上1 3 个主要贫水国之一，而且水资源 在地区分布上极不均匀，约有8 0 以上分布在长江流域及以南地区，与人口、耕 地资源的分布不相匹配：南方水多、人多、耕地少；北方水少、人多、耕地多。在 全国6 6 8 个城市中，有半以上的城市不同程度地存在着缺水问题，其中1 1 4 个 城市严重缺水，北方有9 个省( 自治区、直辖市) 人均水资源占有量少于5 0 0 m 3 ， 常年干旱缺水，水资源的供需矛盾十分突出【3 】。全国各城市和地区都不同程度地 存在着缺水问题，并且随着城市经济的发展，水资源的供给和需求之间的矛盾会 更加突出。水资源的缺乏，不仅影响了人民生活，而且成为我国许多地区发展的 主要限制性因素之一。 另外，在水资源短缺的同时，水污染的不断加剧更足摆在人们面前的大问题。 据调查统计，全国没有监测系统的1 2 0 0 多条河流中，己有8 5 0 条遭受不同程度的 污染，全国约有7 亿8 亿人饮用污染超标水。根据国家环保局2 0 0 7 年环境公 报f 4 1 ，2 0 0 7 年全国工业和城镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿吨，比上年增加1 5 。 其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，比上年增加2 3 ：城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿 吨，比上年增加0 9 。废水中化学需氧量( c o d ) 排放总量1 3 6 6 9 万吨，其中工业 废水中c o d 排放量5 8 4 o 万吨，城镇生活污水中c o d 排放量7 8 2 9 万吨。目前， 8 0 的水域、4 5 的地下水和9 0 以上的城市水源受到污染，其中含有的主要污 2 青岛理工大学工学硕? t 论文 染物质为氨氮和有机物【5 】。在我国统计的3 3 3 个缺水城市中，有1 9 个城市缺水的 原因是水源污染所致，另有7 6 个城市的缺水问题也与水源污染有关【6 1 。因此，积 极寻找开发新的水资源，研究先进、经济、高效的污水处理技术，是解决水资源 短缺，保证我国社会经济持续稳定发展的重要途径之一。 1 3 污水生物脱氮除磷原理及脱氮除磷工艺研究发展 1 3 1 生物脱氮基础理论 污水生物处理过程中氮的转化包括氨化作用、同化作用、硝化作用和反硝化 作用。废水中的有机氮通过氨化作用转化为氨氮，与废水中原有的氨氮一起，在 供氧充足及其它合适条件下，通过硝化作用被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，同时一 部分氨氮被同化作用合成新细胞，而且由于生物物质的自溶或自身氧化，使其中 一部分用于同化的氨氮返回液相，剩余的用于净生长并以剩余污泥形式排放。由 于硝化作用产生的硝态氮在无氧条件下可通过反硝化作用转化为对人体无害的分 子态氮气【7 】。因此，污水生物脱氮主要有两条途径：一部分转化为n 2 、n x o v 、n h 3 等氮的气体形态逸入大气；另一部分通过同化作用合成细菌或被微生物吸附，随 剩余污泥排放；但通过同化作用去除氮的量受微生物净生长量所制约，而净生长 量又依赖于废水中有机物含量和处理系统的运行条件，由于微生物细胞中氮含量 约占1 2 5 ( 干重) ，即使考虑吸附等因素，由剩余污泥排除实现的脱氮量约占进水 总氮的3 0 左右，因此通过该途径难以达到显著的脱氮效果，而把各种形态的氮转 化为气体形态并排入大气是目前生物脱氮的主要途径【8 】。 l 、氨化作用 污水中的含氮化合物在氨化菌的作用下，有机氮转化分解为氨态氮，这一过 程被称为“氨化反应”。无论在好氧或厌氧的条件下，氨化反应均能发生。 很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮的衍生物，其中分解能力 强并释放出n h 3 的微生物称为氨化微生物，废水中的有机氮化合物脱氨的方式有 水解脱氨；氧化脱氨；还原脱氨及减饱和脱氨【引。 氮化作用是在好氧或厌氧环境下都可进行，反应速率较快，在污水脱氮过程 r l i ，不是处理工艺的控制因素，一般不作为重点考虑。而研究的重点是硝化和反 青岛理t 大学工学硕十论文 硝化作用。 2 、硝化作用 硝化作用是指在有氧存在的条件下，n h 3 被微生物氧化成n 0 2 ，然后再进一步 氧化成n 0 3 。的过程。氨氮氧化成硝酸盐的硝化反应是由两组自养型好氧微生物通 过两个过程来完成的。硝化反应和硝化反应常常被合并在一起统称为硝化反应。 生物硝化过程是由自养型的亚硝酸细菌和硝酸细菌完成的。第一步由亚硝酸菌 ( m 加s d 历d 门口s ) 将氨氮( n h 4 + 和n h 3 ) 转化为亚硝酸盐州0 2 一) 。第二步硝酸菌 【m f ，d 6 口c 胞，) 将亚硝酸盐转化为硝酸盐州0 3 。) 。亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝 酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属。亚硝酸菌 与硝酸菌统称为硝化菌。硝化菌属专性好氧菌，它们利用无机化合物如c 0 3 冬、h c 0 3 。 和c 0 2 作碳源，从氧化n h 4 + 或n 0 2 一的氧化反应中获得能量。 硝化反应的总反应式为： + + 2 q 移3 + 飓c 件2 矿( 1 - 1 ) 3 、反硝化作用 反硝化反应是指硝酸氮州0 3 一n ) 和亚硝酸氮州0 2 n ) 在反硝化菌的作用下，被 还原为气态氮( n 2 ) 的过程。在溶解氧浓度极低的环境中，这些细菌可利用n 0 3 一或 n 0 2 离子中的n 作电子受体，有机物则作为碳源及电子供体，从而使硝态氮被还原 为n 2 或n 。o v 状态的氮氧化物。参与这一生化反应的微生物足反硝化菌，反硝化菌 属兼性菌，如假单胞菌属、变形杆菌属、微球菌属、芽孢杆菌属、产碱杆菌属和 黄杆菌属。在有氧情况下反硝化菌利用分子氧作为最终电子受体，氧化分解有机 物；但在无氧而有硝酸盐存在的条件下，它们利用硝酸盐和亚硝酸盐中的n 5 + 和n 3 + 作为能量代谢中的电子受体，0 2 一作为受氢体，有机物作为碳源和电子供体提供能 量并得到氧化稳定，而使硝态氮还原为n 2 或n 2 0 。有报道，有少数专性和兼性自养 细菌也能还原硝酸盐，它们在反硝化条件下，能利用无机基质作为氢供体，利用 硝酸盐作为氢受体，进行氧化还原反应，将硝态氮还原为n ：。同时有少量硝态氮 通过同化作用被还原为n h 3 - n 结合成为细胞物质。 反硝化过程可用以下的方程式表示： n o i + 3 f h l ，o 5 n 寸h 2 0 咔o h q 2 1 4 青岛理工大学工学硕士论文 n o i 七5 l h l o 5n m h 2 0 + o h心3 1 经研究，目前公认的从n 0 3 还原为n 2 的过程为： + 2 e 。+ e + e + e n 0 3 - n 0 2 _ n o n 2 0 + n 2( 1 4 ) 硝酸盐还亚硝酸盐氧化氮还氧化亚氮 原酶还原酶原酶还原酶 由此可以看出，异化硝酸盐还原一系列反应的第一步是n 0 3 。在硝酸盐还原酶 作用下还原至n 0 2 。，在某些情况下，反硝化过程中会出现n 0 2 的积累，由于n 0 2 1 不能挥发，并对其它某些生物及人有害，故引起人们对其积累原因产生关注；亚 硝酸盐在亚硝酸还原酶作用下进一步还原为氧化氮( n o ) 。正常情况下它不会被积 累，而是进一步还原为n 2 0 和n 2 ，但在不利的环境条件下高浓度h n 0 2 ，微量k c n 和p h 微酸性【1 0 1 1 ，12 1 ，也可能形成并积累n o ；氧化氮( n 0 ) 在氧化氮还原酶催化作 用下还原为n 2 0 ，作为反硝化过程的中间产物，n 2 0 是一种对环境有不良影响的 气态化合物，它可破坏保护地球表层不受紫外线辐射损害的地球大气臭氧层【i 们， 因此研究其形成并加以控制是反硝化工艺所必须考虑的问题，而且必须尽量加以 避免，n 2 0 在氧化亚氮还原酶作用下，最后还原为n 2 ，n 2 是反硝化过程的最终产 物，也是生物脱氮工艺希望得到的最终结果。 1 3 2 生物除磷基本理论 磷是微生物生长繁殖所必需的营养物质。污水中的磷主要以无机态磷酸盐 ( p 0 4 孓p ) 和有机磷( 聚磷酸脂、核酸、胞壁酸等) 的形式存在。和生物脱氮不同，由 于磷及其化合物在常温常压下不存在稳定的气体形态，因此随污水进入生化反应 系统的总磷只有两条出路：或者被微生物吸附结合入细胞随剩余污泥排除，或者 随出水排出。这便是生物法除磷的基本原理。生物除磷的目的在于提高剩余污泥 的含磷量，而努力减少出流中t p 的浓度。 在常规生物法污水处理过程中，有机物的生物降解同时会发生微生物菌体的 合成，磷作为生物的生长元素也成为生物污泥的组分，从而从污水中去除。微生 物正常生长时，活性污泥含量一般为干重的1 5 2 3 ，通过剩余污泥的排放可 获得l o 3 0 的除磷效果。在五十年代末六十年代初，s r i n a t h 等人在污水处理厂 的生产性运行巾观察到活性污泥的生物超量除磷现象。通过七i 年代对其所丌展 5 青岛理工大学t 学硕士论文 的研究工作，弄清了实现生物除磷所需的运行条件。到八十年代和九十年代，通 过全面的基础研究、生产性试验和工程运行经验的总结，对污水生物除磷技术有 了较深入的理解，并在生产中得到推广应用同时开发出了各种生物除磷工艺。 而 对在特定条件下活性污泥微生物能过量积累磷的现象的研究过程中曾产生两个比 较有代表性的假说f 1 0 1 ，第一个是生物诱导的化学沉淀作用；第二个是生物积累作 用。 生物诱导的化学沉淀作用这一假说的核心是由于活性污泥微生物的代 身 作 用，导致微环境发生变化，结果使废水中的溶解性磷酸盐化学性地沉积于污泥上， 从而随剩余污泥的排放一起去除。但由于化学沉淀假说很难解释实践中观察到的 活性污泥如此大量积聚磷酸盐的现象，在实践中也确实观察到了某些微生物可以 过量地以聚磷的形式在体内积聚磷酸盐，并以异染粒的形式观察到它的存在，因 此通常认为过量积磷是一种生物现象，第二个假说生物积累作用，越来越被更多 的人认可，但生物积累除磷作用并不能完全解释某些条件下出现的除磷性能，生 物诱导的化学沉淀除磷可以作为生物除磷的补充。目前，对生物除磷的机理虽然 还不如对脱氮机理了解的那样透彻，但通过大量的理论和实践研究以及对各种假 说的扬弃，人们在以下几个方面达成了共识【l3 】：生物除磷主要由一类统称为聚磷 菌的微生物完成的，该类微生物均属异养型细菌，现已报道的包括：不动杆菌属、 气单胞菌属、假单胞菌属和棒杆菌属等： ( 1 ) 在厌氧条件下，聚磷菌把细胞中的聚磷水解为正磷酸盐( p 0 4 3 p ) 释放胞外， 并从中获取能量，利用污水中易降解的c o d 如挥发性脂肪酸( v f a ) 合成贮能物质 聚p 一羟基丁酸( p h b ) 等贮于胞内； ( 2 ) 在好氧条件下，聚磷菌以游离氧为电子受体氧化胞内贮存的p h b ，利用该 反应产生的能量，过量地从污水中摄取磷酸盐合成高能物质a t p ，其中一部分又 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，故通过剩余污泥 排除可实现高效地除磷目的； ( 3 ) 好氧条件下，细胞内p h b 含量随时间呈指数关系减少；厌氧条件下则里线 性关系增加，且p h b 的增加与胞内聚磷的减少之问呈线性关系。在一定条件下， 聚磷菌厌氧有效释磷越彻底，其在好氧条件下的吸磷量就越大； ( 4 ) 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 6 青岛理工大学工学硕士论文 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； 聚磷菌厌氧释磷的程度与基质类型关系很大，当基质为乙酸、甲酸、丙酸等 挥发性脂肪酸时，释磷迅速而彻底；当基质为丁酸、乳酸、琥珀酸等时，释磷则 十分缓慢，且总释磷量也很小，当基质为乙醇、柠檬酸、甲醇和葡萄糖等物质时， 聚磷菌的释磷情况介于上述两者之间。有观点认为【1 4 ”，1 6 】，聚磷菌一般可直接利用 的第一类基质一挥发性脂肪酸，其它基质则需转化为第一类基质后才能被利用， 即使是在硝酸盐甚至是游离氧存在的条件下，只要存在第一类基质，聚磷菌仍然 会释磷，因此，在厌氧释磷段努力增加挥发性脂肪酸的数量是很重要的。生应该 指出，迄今为止人们对于生物除磷机理的许多重要问题的认识并不够深入。生物 除磷的机理有待于进一步研究，挖掘开发生物除磷的潜力。 1 3 3 传统生物脱氮除磷工艺 生物脱氮系统的基本工艺组成( 好氧和缺氧区) 是在2 0 世纪6 0 年代得到开 发的，并形成了多种处理方法。一种方法是用一系列独立的悬浮生长式系统以分 步方式完成去除有机物质和脱氮过程。第一步去除有机物，第二步进行硝化，第 三步进行反硝化脱氮。这种三步脱氮系统在文献上得到了广泛的报道，但由于其 投资和运行费用高而没有在实际中得到应用【1 7 j 。另一种方法称为单级污泥脱氮， 将好氧硝化区和缺氧反硝化区结合成为一个系统，两个区同时又进行碳氧化过程。 在单级污泥方法中引入了内循环等一些概念，即将硝态氮回流到首端的缺氧区进 行反硝化。这些概念已经在生物脱氮领域得到了广泛的使用。 在脱氮系统发展的同时，在一些生产性活性污泥系统中观察到了强化除磷过 程。这些系统通常是推流式生物反应器，而且沿着反映其长度方向均匀曝气，使 得首端溶解氧浓度非常低，这种未充分曝气段为进行生物除磷的储磷微生物 ( p a o s ) 提供了必要的厌氧区。 1 3 3 1s b r 工艺 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 工艺【1 8 】。【2 0 】即序批式活性污泥法。生化反应和 泥水分离在同一个反应器内进行。污水分批次进入反应器后，按照“进水、反应、 沉淀、排水、排泥、闲置的模式控制系统。 可以把问歇式活性污泥法作为普通活性污泥法的一种变形，一种新的运行方 7 青岛理t 大学t 学硕：l j 论文 式。如果说，连续推流式活性污泥法是空间上的推流，问歇式活性污泥法则足时 间上的推流。连续流工艺中污水先进入反应池，然后进入沉淀池泥水分离，而间 歇式活性污泥法s b r 则是通过在时间上的交替运行来实现这一过程的，它只设一 个池子，将曝气池和二沉池的功能集中在该池子上，兼行水质水量调节、微生物 降解有机物和固液分离等功能。 图1 1s b r 工艺流程图 f i g 1 1r e v e r s e ds b rp r o c e s s s b r 工艺具有无需设置调节池、可以抑制丝状菌的生长，s v i 值较低，污泥易 于沉淀，一般不易发生污泥膨胀现象、通过调节运行方式在单一的反应器内能够 除磷脱氮、运行管理得当处理出水水质优于连续式、工艺简单，可以省去二沉池 和污泥回流系统，运转费用低等优点。 随着计算机和自控技术的发展，s b r 工艺自动化控制能力得到提高，开发出 了许多新的处理工艺，如c a s s 工艺、i c e a s 工艺、u n i t a n k 工艺、m s b r 工艺、 d a t i a t 工艺、i d e a 工艺、p a c s b r 工艺等诸多工艺。 1 3 3 2 氧化沟工艺 氧化沟( 0 x i d a t i o nd i t c h ) 是一种活性污泥法变型工艺，其曝气池呈封闭的沟渠 形，污水和活性污泥混合液在其中循环流动，因此被称为“氧化沟”，又称“环形曝 气池”。 氧化沟一般在延时曝气条件下使用，污水和污泥停留时间长，固体总量较多， 因而对进水水质的冲击有一定的缓冲作用。同时，氧化沟内循环量是进水流量的 几十倍甚至上百倍，使其具有较大的稀释能力，可以减小水质水量波动和有毒有 害物质对系统的冲击【2 1 1 。 8 青岛理工大学工学硕士论文 进水用l 也i 流污泥 l 出水堰；2 曝气器 图1 2 卡鲁塞尔氧化沟 f i g 1 2r e v e r s e dc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s 由上图可知，这是一个多沟串联系统，进水与活性污泥混合后沿箭头方向在 沟内作不停的循环流动。氧化沟采用垂直安装的低速表面曝气器，每组沟渠安装 一个，均安装在同一端，因此形成了靠近曝气器下游的富氧区和曝气器上游以及 外环的缺氧区，这不仅有利于生物凝聚，还使活性污泥易于沉淀。b o d 5 去除率可 达9 5 9 9 ，脱氮效率约9 0 ，除磷效率约为5 0 。氧化沟的表面曝气机单机功 率大，其水深可达5 m 以上，使氧化沟面积减少土建费用降低。由于曝气机功率大， 使得氧的转移效率大大提高，平均传氧效率至少达到达2 1 k g k w h 。因此这种氧 化沟具有极强的混合搅拌耐冲击能力。当有机负荷较低时，可以停止某些气器运 行，以节约能耗。 除磷脱氮的氧化沟是将氧化沟和其它的除磷脱氮工艺结合起来。典型的结合 方式为单独的厌氧池加氧化沟，在氧化沟，在氧化沟中完成硝化。也可以将大厌 氧池与氧化沟结合为一体。如美国e m i c o 公司和荷兰d h v 公司联合推出的 c 锄o u s e l d 踟i t i 凡心c a 盯o u s e l 2 0 0 0 工艺，就是将a 2 o 工艺与氧化沟工艺结合在一 起发展起来的脱氮除磷的新工艺。 这种氧化沟前置设厌氧池，利用氧化沟原有的渠道流速右实现硝化液的高回 流比，无需任何回流提升动力。达到了同时脱氧除磷之目的。 9 青岛理1 = 大学t 学硕上论文 氧化沟具有处理流程简单、操作灵活、适应性强、处理效率稳定和操作管理 方便等优点。氧化沟的主要缺点