（环境工程专业论文）多点强化氧化沟处理混合型城市污水脱氮技术研究.pdf

摘要 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：魏钆 日期：劢1 ，年多月罗口日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 魏钆 日期：如i 年y 月加日 i 摘要 摘要 本试验研究内容主要包括以下三个方面：( 1 ) 水解酸化调控技术研究，为解 决碳源不足或工业废水量比例较大引起c o d 浓度过高的问题，试验采用折流板 式水解酸化反应器，通过厌氧水解酸化反应达到削减c o d 、提高可生化性同时 改善碳氮比的目的，确保后续生化处理单元高效运行，出水稳定达标；( 2 ) 溶解 氧调控技术及优化研究，在氧化沟单元拟将传统曝气改成“微孔底曝+ 机械推流 方式，以提高氧的利用率，并大幅加大设计池深。通过调整溶解氧沿沟长空间分 布，实现高效硝化反硝化，并达到节能目的。( 3 ) 氧化沟调控，研究不同水力停 留时间条件下氧化沟的脱氮效率，选择合适的水力停留时间，同时考察温度对氧 化沟运行情况的影响。 水解酸化池水力停留时间设定1 5 h 、2 h 、3 h 、4 h 时，对氨氮的平均去除率 分别为4 6 、9 9 、13 5 和9 7 ，对c o d 的去除率在2 5 - 6 0 之间。结果发 现水解酸化池h r t = 3 h 时，对c o d 和氨氮的去除最高。污水经过水解酸化池后， b o d 托o d 从反应前的0 3 3 左右提高到了o 4 5 左右。而温度的改变对水解酸化 池去除效率的影响甚微，虽然厌氧微生物与好氧微生物相比对温度较敏感，但是 低温带来的不利影响通过延长固体停留时间和提高反应器内污泥浓度有效的被 弥补了。 氧化沟运行过程中，曝气管全开时氧化沟单元出水c o d 、n h 3 - n 、t n 可达 到城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级a 标准要求。曝气 管半开时，沟内缺氧区空间比例过高，使硝化反应受到抑制，氧化沟内不能形成 持续稳定的交替好氧缺氧环境。试验进入冬季后，环境温度降低，系统的处理效 果不佳。为了提高氧化沟的处理效率以及改善沟内泥水混合效果，试验在氧化沟 内每个廊道加放一根曝气管，增加曝气面积后，水深2 0 c m 处d o 均值为 1 9 3 m g l ，水深6 0 c m 处d o 均值为1 7 2 m g l ，相对沟内之前的缺氧状态有较大 改善。氧化沟对c o d 、氨氮、t n 的去除效果均有所提高，氨氮和t n 的去除率 相对之前增加了一倍，c o d 去除率增加了1 0 7 ，改善效果明显。 在对氧化沟的水力停留时间进行调控时发现，当h r t = 1 0 h 、8 h 时，系统的 脱氮效率都很高，其中氨氮的去除率可以稳定在9 0 以上，h r t = 8 h 时对t n 的 去除效果较好，且与1 0 h 时相比更稳定。但是当水力停留时间降到6 h 和4 h 后， 系统的脱氮效果逐渐变差，对氮的去除非常有限。综合考虑能耗、脱氮效率等因 素，氧化沟的水力停留时间取8 h 最适。 监测氧化沟内温度在1 4 3 4 之间系统的脱氮效率时发现，沟内水温在2 3 以上时，出水c o d 、氨氮、t n 都可以得到较好的控制；当温度低于2 0 时， i i 摘要 氨氮和t n 的去除效果明显下降，相对之前去除率降低了2 0 0 r - 5 0 左右。但是， 期间温度对c o d 的去除却没有太大的变化。温度降低对脱氮效果的影响主要原 因是硝化细菌的活性受到抑制。而温度降低对系统处理效果的影响可以通过调节 水力负荷来改善。 关键词氧化沟；水力停留时间；溶解氧；脱氮；温度 a b s t 他c t ab s t r a c t t h i sp i l o t s t u d ym a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ：o r e s e a r c ho n h y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o n t os o l v et h eh i 曲c o dc o n c e n t r a t i o na sc a r b o nr e s o u r c e s h o r t a g ea n dal a r g e rp r o p o r t i o no fq u a n t i t yo fi n d u s t r i a lw a s t ew a t e r , e x p e r i m e n tw i m ab a f f l eh y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o nr e a c t o rt og n s u r ef o l l o w - u pb i o c h e m i c a lp r o c e s s i n g u n i tc a nb ee f f i c i e n to p e r a t i o na n dt h e s t a b i l i t yo ft h ee f f l u e n tw a t e rr e a c h e st h e s t a n d a r d ( 誊) o p t i m u mc o n t r o lo fd i s s o l v e do x y g e n w et o o k t h em i r a c ob u b b l ea e r a t e s y s t e ma n dm e c h a n i c a lp l u gf l o w i n s t e a do fc o n v e n t i o n a la e r a t i o ni no x i d a t i o nd i t c h i no r d e rt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t eo f o x y g e n a tt h es a m et i m e ，w ei n c r e a s e dt h e d e p t ho fo x i d a t i o nd i t c hs u b s t a n t i a l l y b ya d j u s t i n g t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f d i s s o l v e do x y g e na l o n gt h ec h a n n e ll e n g t h , a c h i e v em g h e f f i c i e n c yo fn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n , a n da c h i e v et h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g y t h er e g u l a t o r yo f o x i 掀i o nd 汝魁t h ；。o p a p e ri ：e s + i g a + e dt h 。嬲n o v 出e 蜀c to fn j 缸 o g e no fo 矗d a _ 矗o n d i t c ha td i f f e r e n th r t a n dt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo no x i d a t i o nd i t c hr u n n i n g e f f e c t w h e nt h eh r to fh y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o nw a s1 5 h2 h , 3 ho r4 h , t h ea v e r a g er e m o v a l e f f i c i e n c i e so fn h s - nw a s4 6 ，9 9 ，13 5 a n d9 7 ，a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c i e s o fc o dw a s - 2 5 - - 6 0 t h er e s u l ts h o w e dt h a th r t = 3 ha c h i e v e dt h eh i g h e s tc o d a n da m m o n i an i t r o g e nr e m o v a l a n db o d s c o di n c r e a s e df r o mo 3 3t o0 4 5 a n d t h et e m p e r a t u r eh a dal i t t l ee f f e c to nh y d r o l y t i ca c i d i f i c a t i o nt a n k a l t h o u g ha n a e r o b i c m i c r o o r g a n i s m si sm o r es e n s i t i v et ot e m p e r a t u r et h a na e r o b i c ，b u te x t e n d e ds o l i d s r e t e n t i o nt i m ea n di m p r o v i n gs l u d g ec o n c e n t r a t i o nc a nr e m e d ya d v e r s ee f f c c to fl o w t e m p e r a t u r e i no x i d a t i o nd i t c h , t h ee f f l u e n to fo x i d a t i o nd i t c hc o d ，n h 3 - na n dt na c h i e v e d ”c i t i e ss 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 e ds t a n d a r d ”( g b18 918 - 2 0 0 2 ) t h e c e n t e ro n el e v e l sat od i s c h a r g et h es t a n d a r dw h e na e r a t i o np i p e so p e nf u l l a s a e r a t i o np i p e so p e nh a l f , i nt h e d i t c hc o u l dn o tf o r ma l t e r n a t i n ga e r o b i c - a n o x i c e n v i r o n m e n tb e c a u s eo ft h eh i g l lp r o p o r t i o no fa n o x i cz o n es p a c ea n dt h en i t r a t i o ni s r e s t r a i n e d t r e a t m e n te f f e c to ft h es y s t e mi sp o o ri nw i n t e r i nt h eo x i d a t i o nd i t c hp u t aa e r a t i o np i p ei ne a c ht u n n e lf o ri m p r o v e dt h et r e a t m e n te f f i c i e n c ya n ds l u r r ym i x i n g e f f e c t t h ed oa v e r a g ev a l u ei s2 2 m g lu n d e r w a t e r2 0 c m ，a n d2 1 2 m g lu n d e r w a t e r 6 0 c ma f t e ri n c r e a s i n gt h ea e r a t i o na r e ao fo x i d a t i o nn c h t h er e m o v a lo fc o d ， i v a b s t r a c t n h 3 - na n dt nw a sa l li m p r o v e d ，n h 3 - na n dt ni n c r e a s e dd o u b l e d , c o di n c r e a s e d 1 0 7 i tw a sf o u n dt h a th r tw a sl0 ho r8 hc a na c h i e v eh i g hr e m o v a lr a t eo fn i t r o g e nw h e n r e g u l a t e dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eo fo x i d a t i o nd i t c h t h er e m o v a lr a t eo f n h 3 - n c o u l dr e a c hm o r et h a n9 0 ，t h er e m o v a lo ft nw h e nh r tw a s8 hw a sh i g h e rt h a n lo h b u tt h er e m o v a lo fn h 3 - na n dt nw a sv e r yp o o rw h e nh r td r o pt o6 ha n d4 h i nc o n s i d e r a t i o no ft h er e m o v a l ，e n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c i n g ，h r t = 8 h w a ss u i t a b l e c o n t r o lt h et e m p e r a t u r ei n14 3 4 ，e f f l u e n to fc o d ，n h 3 - na n dt nc o u l dg e t s a t i s f a c t o r yc o n t r o lw h e nt h et e m p e r a t u r ei sg r e a t e rt h a n2 3 c ；t h er e m o v a lo fc o d ， n h 3 - na n dt nw a sd r a m a t i cd e c l i n e ，r e d u c e d2 0 - - - 5 0 ，w h e nt h et e m p e r a t u r ei s b e l o w2 0 c b u tt h er e m o v a lo fc o dw i t h o u ta n yb i gc h a n g e sw h e nt h et e m p e r a t u r e b e l o w t e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo nn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yb e c a u s eo f t h ea c t i v i t y o ft h en i t d f y i n gb a c t e r i aw a si n h i b i t e d b u ti tc o u l di m p r o v eb ya d j u s t i n gt h e h y d r a u l i cl o a d k e y w o r d so x i d a t i o nd i t c h ；h y d r a u l i cd e t e n t i o nt i m e ；d i s s o l v e do x y g e n ； d e n i t r o g e n a t i o n ；t e m p e r a t u r e v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i v 目录v i 1 绪论1 1 1 课题背景1 1 2 水解酸化技术理论2 1 2 1 水解酸化的基本原理2 1 2 2 水解酸化过程的影响因素3 1 3 生物脱氮技术理论4 1 3 1 生物脱氮的原理4 1 3 2 生物脱氮理论的发展s 1 3 。3 传统脱氮工艺7 1 4 氧化沟工艺简介1 0 1 4 1 氧化沟工艺的特点1 0 1 4 2 常见的氧化沟工艺1 l 1 5 本课题研究的主要内容1 4 2 试验材料及方法1 5 2 1 试验装置与方法1 5 2 2 试验水质1 6 2 3 主要仪器设备及监测方法1 7 3 系统启动及水解酸化工艺1 9 3 1 污泥驯化1 9 3 2 水解酸化效果2 0 3 2 1c o d 的去除2 1 3 2 2 氨氮的去除。2 3 3 2 3 温度、p h 的影响2 4 3 2 4 小结2 5 v i 目录 4 氧化沟d 0 优化控制2 6 4 1d 0 转移影响因素2 6 4 2 氧化沟清水试验2 7 4 2 1 曝气管整齐排列一2 8 4 2 2 曝气管交错赛i i e n 2 9 4 2 3 曝气管首尾放置3 l 4 2 4 清水实验结论3 2 4 。3 氧化沟布气方式优化研究3 3 4 3 1 夏季局部曝气d 0 分布3 3 4 3 2 冬季大面积曝气分布3 5 4 。3 3 小结3 7 5 氧化沟脱氮效果调控3 8 5 1h r t 对氧化沟运行效果的影响3 8 5 1 1h r t 为10 h 、8 h 3 8 5 1 2 h r t 为6 h 、4 h 4 0 5 2 温度对氧化沟运行效果的影响4 2 5 2 1 脱氮效果分析4 3 5 2 2 脱氮效果优化4 5 5 3 小结4 6 6 结论与建议4 7 6 1 结论4 7 6 2 建议：4 8 参考文献4 9 个人简历硕士学位期间发表的学术论文5 2 致谢5 3 v i i 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 水是人类生存和社会发展的重要物质基础，是一种有限的、不可替代的宝贵 资源，也是实现经济社会可持续发展的重要保证。我国是一个人均水资源匮乏的 国家，被列为世界上十三个贫水国之一。同时，我国污水处理能力差、水资源污 染严重的现状又进一步加剧了我国水资源短缺的问题。 据中国环境状况公报【l 】，我国七大水系总体为轻度污染，浙闽区河流和西南 诸河水质良好，西北诸河水质为优，湖泊( 水库) 富营养化问题突出，长江、 黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系总体为轻度污染；河流和地表 水国控监测断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的监测断面比例分别为 5 9 9 、2 3 7 和1 6 4 ，主要污染指标为高锰酸盐指数、b o d 5 和n h 3 - n ；长江 和珠江水质良好，松花江和淮河为轻度污染，黄河和辽河为中度污染，海河为重 度污染。 i - - i 关a i x v 宪i i 劣镤 图1 12 0 1 0 年七大水系水质类别比例 r i g 1 1p e r c e n t a g eo fw a t e rq u a l i t yg r a d e so ft h es e v e rk e yr i v e rs y s t e m si n2 0 1 0 据2 0 1 0 年污水处理行业建设情况简析【2 】，1 9 9 8 2 0 0 8 年，我国废污水排放量 逐年上升，从5 9 3 亿吨增长到7 5 8 亿吨，增长2 7 8 ，其中工业废水排放量增长 7 1 生活污水排放量增长7 9 3 。由于水资源的稀缺性以及污水排放量的不断增长， 污水处理行业在国民经济中有着不可或缺的重要地位，该行业也将在国民经济中 发挥越来越重要的作用。因而能否尽快增强我国污水处理能力，有效遏制水资源 污染的状况，是缓解水资源短缺最迫切、也最行之有效的方法。 污水按来源一般分为生产污水和生活污水，生产污水包括工业污水、农业污 绪论 水以及医疗污水等，生活污水是日常生活产生的污水。在我国，随着经济欠发达 区工业化进程的加快，城市污水处理厂收水基本上呈现出越来越明显的“混合型 城市污水”趋势，且工业废水比例或将进一步提高。随着我国污水处理效率的不 断提高，城市污水处理厂对c o d 的处理已经基本达标，但对氮的控制不甚理想。 我国“十二五”规划中也将氨氮作为重要的控制指标，污水的脱氮技术一直是研究 领域内的热点和难点。因此，开展混合型城市污水脱氮技术研究具有较强的行业 代表性。 1 2 水解酸化技术理论 1 2 1 水解酸化的基本原理 要了解水解酸化工艺的原理，首先应介绍厌氧发酵的全过程。厌氧生物处理 是一个复杂的生物过程，它需要厌氧或者兼性微生物种群进行综合协调的代谢活 动，最终使有机物完全降解为c h 4 、c 0 2 、h 2 s 和n h 3 1 3 。w w e c k e n f e l d e r 把厌 氧发酵过程分成四个阶段【4 】： ( 1 ) 水解阶段：在产酸菌胞外酶的作用下，复杂大分子有机物被转化为简 单的可溶性小分子物质，如蛋白质分解被分解成为肽和氨基酸，多糖水解为单糖， 脂肪油脂转化为短链脂肪酸和丙三醇等； ( 2 ) 酸化阶段：在兼性或专性的产酸菌作用下，水解产物被转化为短链有 机酸、醇、醛等中性化合物，转化过程中并伴有h 2 、c 0 2 、h 2 s 和n h 3 等气体产 生，由于有机酸大量产生，导致p h 值下降； ( 3 ) 产氢产乙酸阶段：酸化阶段存在一种独立的菌群即产氢产乙酸菌，可 以将乙醇、丁酸盐、丙酸盐和戊酸盐等不能为甲烷菌直接降解的物质转化，起到 中间桥梁作用。酸化阶段产生的2 个碳链以上的短链脂肪酸( 盐) 、醇、醛等物质 在产氢产乙酸菌的作用下转化为乙酸盐，同时产生h 2 。在此过程中，氨态氮浓 度增加，氧化还原热降低，p h 值上升，为后续的甲烷菌创造了条件。该阶段还 带有不良气味的副产物产生，如吲哚、粪臭素、h 2 s 和硫醇等。 ( 4 ) 甲烷化阶段：在专性厌氧的产甲烷菌作用下，前几阶段产生的h 2 、乙 酸、c 0 2 和少量的甲醇、甲酸等物质转化为c 0 2 和c h 4 ，此过程由两种不同的产 甲烷菌起作用：一种是乙酸盐脱梭产生甲烷，一种是氢还原c 0 2 生成甲烷，其 中后者约占厌氧发酵甲烷产量的1 3 ，前者占2 3 t 鄂。 本试验水解酸化反应不进入第三阶段，将反应控制在第二阶段。水解酸化反 应中，起主要作用的是水解发酵细菌和产氢产乙酸菌，水解过程的典型特征是微 生物通过连接细胞外壁上的固定酶，或释放胞外自由酶完成生物催化氧化反应， 2 绪论 生物反应场所发生在细胞外；酸化反应是典型的发酵过程，此阶段的基本特征是 微生物的代谢产物主要是各种有机酸。水解酸化很难截然分开删去，其是一个相 互关联又相互统一的过程。水解酸化过程大致可以分为以下几个阶段【6 】： ( 1 ) 在水解性发酵细菌的作用下，有机聚合物如多糖类、脂肪、蛋白质等 被分解成有机单体，如单糖、有机酸和氨基酸等； ( 2 ) 在发酵细菌作用下，有机单体被转化为h c 0 3 、h 2 、c h 3 c h 2 c o o h 、 c h 3 c o o h 、c h 3 c h 2 c h 2 c o o h 和c h 3 c h 2 0 h ； ( 3 ) 在专性产氢产乙酸菌作用下有机物被氧化生成h 2 、h c 0 3 。、c h 3 c o o h ； 在同型产乙酸菌作用下h 2 和h c 0 3 被转化为c h 3 c o o h ； ( 4 ) 硫酸盐还原菌( s r b ) 和硝酸盐还原菌( m 氇) 将有机物氧化，生成 h c 0 3 。和c h 3 c o o h ，同时伴有h 2 s 、n h 3 产生； ( 5 ) 在s r b 和n r b 作用下，h c 0 3 被氧化产生h c 0 3 。 复杂有机化合物( 碳水化合 物、蛋白质、脂肪等) 壶 1 有机小分子化合1 ( 糖、氨基酸等) r 一 圆 i 产甲烷阶段 图1 2 水解酸化过程图解 f i g 1 2t h ep r o c e s so fh y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o n 1 2 2 水解酸化过程的影响因素 水解过程的影响因素主要有以下几方面【6 】： ( 1 ) 基质的种类和形态：多糖、蛋白质和脂肪的水解速率在相同条件下依 次减小，有机物的分子量越大，水解就越困难，水解速率也相应的就越小。例如， 低聚糖比高聚糖容易水解，二聚糖比三聚糖容易水解；单环化合物比杂环化合物 3 绪论 易于水解，直链比支链容易水解，支链比环状容易水解。 ( 2 ) 水解的p h 值：受p h 值影响的因素包括水解速率、酸化产物的种类和 数量以及污泥的形态和结构。水解酸化茵在3 5 1 0 0 范围内均可以顺利进行，最 佳值为5 5 6 5 ，其对p h 值的适应性较强。 ( 3 ) 水力停留时间( h 】玎) ：水解反应调控主要是通过h r t 来调节的。一 般h r t 越长，水解物质与水解微生物接触的时间也就越长，水解效率相应也会 越高。但对于城市污水来讲，水解反应完成的很快，之后就算延长h r t ，污染 物去除率也不会升高。 ( 4 ) 温度：在适当范围内，水解反应速率随温度的升高而增大，但当水温 控制在1 0 - 2 0 c 时，水解酸化反应速率变化不大，因此可以认为水解酸化微生物 对低温变化的适应能力比较强。 1 3 生物脱氮技术理论 1 3 1 生物脱氮的原理 污水的脱氮技术分为物化法和生物法，生物法工艺效果较好，可以彻底脱出 废水中的氮，不造成二次污染。在未被处理过的生活污水及与其性质类似的污水 中，含氮化合物的主要存在形式包括【| 7 】：有机氮，如氨基酸、尿素、蛋白质、 硝基化合物、胺类化合物等；氨态氮：n h 3 和n i - h + 一般以前者为主。生物脱 氮技术基本原理是在微生物的作用下，将污水中的含氮化合物转化为氮气的过 程，其中包括氨化、硝化和反硝化。 ( 1 ) 氨化反应 微生物降解蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等含氮化合物获得生命活动所需的 能量和其他小分子物质并生成氨氮的过程称为氨化反应【8 】。其反应式为： r c h n h 2 c o o h + 0 2 屿r c o o h + c 0 2 扑m 3 绝大多数的异养型微生物都具有分解蛋白质、释放氨的能力，梭状芽孢杆菌 属的细菌和芽孢杆菌中的厌氧菌具有较强的氨化能力。 ( 2 ) 硝化反应 硝化反应分为亚硝化反应和硝化反应，这两步反应都需要在有氧的条件下进 行。其反应过程是氨氮在亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 的作用下分解氧化成亚硝酸盐， 亚硝酸盐在硝酸菌( n i t r o b a e t e r ) 的作用下进一步被氧化成硝酸盐。亚硝酸菌和硝 酸菌统称为硝化菌，硝化细菌是革蓝氏染色阴性，它们几乎生活在所有污水处理 过程中。亚硝酸菌和硝酸菌的特征见表1 1 【9 】。 亚硝酸菌和硝酸菌是以无机化合物c 0 3 2 。、h c 0 3 和c 0 2 为碳源，以及n h 4 、 4 绪论 n 0 2 。为电子供体，0 2 为电子受体，使氨氮氧化并合成新细胞，其反应式可表示 为： 5 5 n h 4 + + 7 6 0 2 + 1 0 9 h c 0 3 型幽c 5 h v n 0 2 + 5 4 n 0 2 + 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 4 0 0 n 0 2 + n h 4 + + 4 h 2 c 0 3 + h c 0 3 + 19 5 0 2 璺l 堕c s h 7 n 0 2 + 4 0 0 n 0 3 - + 3 h 2 0 硝化反应的速率主要取决于n i - h + - n 0 2 ，第二步反应n 0 2 on 0 3 的 速率很快，n 0 2 很少累积。 ( 3 ) 反硝化反应 生物反硝化是污水中的n 0 3 _ n 和n 0 2 乙n 在无氧或缺氧的条件下，被反 硝化细菌还原为n 2 的过程，期中反硝化细菌是异养型兼性厌氧菌。这个过程可 以用下式表示： n 0 3 + 5 h ( 电子供给体有机物) 亡冷1 = 烈2 + 2 h 2 0 + h o 。 n 0 2 + 3 h ( 电子供给体有机物) 日1 2 n 2 + h 2 0 + h o 。 反硝化细菌包括假反硝化杆菌属、单胞菌属、螺旋菌属及无色杆菌等，这些 细菌多是兼性的，在溶解氧极低的污水中可以利用硝酸盐中的氧作为电子受体， 有机物作为电子供体提供能量，得到稳定化。在反硝化过程中有碱度产生，其产 量约为3 4 7 9 c a c 0 3 g n 0 3 。当反硝化反应体系中缺乏有机物时，无机物如h 2 、 h 2 s 等也可以作为电子供体，微生物也可以通过消耗自身细胞进行内源反硝化， 其反应式为： c 5 h 7 n 0 2 ( 代表反硝化微生物的细胞构成) + 4 n 0 3 。5 c 0 2 + n h 3 + o h + 2 n 2 表1 1 亚硝酸菌和硝酸菌的特征 t a b l e l 1c h a r a c t e r i s t i c so fn i t r o s o m o n a sa n dn i t r o b a c t e r 1 3 2 生物脱氮理论的发展 有研究表明，不但自养菌可以完成硝化反应，某些异养菌也可以完成硝化作 5 绪论 用，反硝化作用不仅可以在缺氧条件下进行，某些细菌也能够在好氧条件下进行。 很多好氧反硝化菌也是异养硝化菌，且能将氨氮氧化成亚硝态氮后直接反硝化。 生物脱氮技术在概念和工艺上的新发展主要包括同步硝化反硝化、短程硝化反硝 化和厌氧氨氧化。污水生物脱氮的途径如图1 3 所示【删。 n 0 4 + - n n 0 3 - n 厌氧氨氧化 图1 3 污水生物脱氮的可能途径 f i 9 1 3p o s s o b l ea p p r o c e h e sf o rb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l n 2 ( 1 ) 同步硝化反硝化 同步硝化反硝化主要是通过污泥絮体内存在溶解氧浓度梯度来实现的。如果 生物絮体的直径为1 0 0 l 上m ，活性污泥絮体从液相主流区向絮体内部方向分别存在 着好氧区、缺氧区和厌氧区【1 1 1 。缺氧微环境理论认为：微生物个体形态属t t m 级， 相对活性污泥絮体和生物膜厚度来说非常微小，生活污泥絮体中，从絮体表面至 其内核的不同层次上，由于氧传递的限制原因，在微生物絮体表面氧浓度较高， 内层浓度较低。生物絮体颗粒尺寸足够大时，能够在活性污泥絮体内部形成缺氧 区。在此情况下，絮体外层好氧硝化菌占优势，主要进行硝化反应。 在同步硝化反硝化系统中，缺氧环境和好氧环境一体化及硝化反硝化同时发 生，从而使有机碳源对整个反应的影响显得尤为重要。胡宇华【1 2 】等在有机碳源 对同步硝化反硝化过程影响的研究中提出：在同步硝化反硝化中c ：n ：p 的最佳范 围为( 6 0 - - 1 4 0 ) ：5 ：l 时，使得氨氮的降解率在9 9 5 以上的有机碳源浓度区间 是4 0 0 - 1 0 0 0 m g l 。另外，对系统中溶解氧的控制也尤为重要，研究表明，d o 浓度控制在0 5 - 1 o m g l ，能够在活性污泥絮体或生物膜体系中获得较好的同步 硝化反硝化效果1 1 3 1 。 ( 2 ) 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化技术是指在厌氧条件下，以p l a n c t o m y c e t a l e ss p 为代表的微生物 直接以n 0 4 + 为电子供体，以亚硝酸或硝酸为电子受体，将n 0 4 + 、亚硝酸或硝酸 转变成氮气的生物氧化过程【1 4 】。其反应方程式为： n 瞰+ + 2 5 n 0 2 n 2 + 3 2 n 0 3 + 2 h 2 0 6 绪论 对厌氧氨氧化的机理表明，不需外加碳源，通过亚硝酸盐途径的生物自养脱 氮过程已成为可能。反应过程可以分为两个阶段，第一阶段为限氧亚硝化过程， 反应途径为n 0 4 + 到n 0 2 。的过程；第二阶段为厌氧氨氧化过程，反应途径图上式。 j e t t e n 掣1 5 】认为，当厌氧氨氧化阶段进水n 0 2 ：n 0 4 + 1 3 2 ：1 时，通过亚硝酸 盐的生物脱氮过程是最经济有效的。 ( 3 ) 短程硝化反硝化 早在1 9 7 5 年，v o e t s 等在进行经亚硝酸盐途径处理高浓度氨氮废水的研究时， 发现了硝化过程中有亚硝酸盐的积累，并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的 概念。短程硝化反硝化是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，阻止亚硝酸盐进一步 硝化，随后反硝化菌以亚硝酸盐为电子受体，直接进行反硝化反应，也可以称为 不完全硝化反硝化生物脱氮。实现短程生物脱氮的关键在于如何控制硝化过程停 止在亚硝酸盐阶段，影响亚硝酸盐积累的因素主要有温度、游离氨浓度、p h 值、 d o 、氮负荷、有害物质和泥龄。 1 3 3 传统脱氮工艺 生物脱氮过程本身就是一个矛盾统一体f 4 叫r l ，一方面，硝化反应斋要污泥龄较 长的硝化菌和好氧条件；另一方面，反硝化需要污泥龄较短的反硝化菌和缺氧条 件。当有大量有机物存在时，异养菌对氧气和营养物的竞争比自养硝化菌强，成 为反应器内的优势菌种，而反硝化细菌完成脱氮过程时需要有机碳源作为电子供 体。生物脱氮反应器的不同组合是由硝化和反硝化菌生理机制的差异决定的。当 硝化反应在前时，反硝化需要外加碳源才能脱氮；而反硝化在前时，需要大规模 的回流硝化废水，这些均不利于传统生物脱氮工艺运行的高效性和稳定性。由废 水生物脱氮原理，在生物脱氮工艺中，逻辑上应该先硝化、后反硝化。脱氮工艺 经过不断的发展进步，一些新工艺将硝化和反硝化过程在同一个活性污泥系统中 实施，且只有一个沉淀池。下面介绍几种常见的生物脱氮法： ( 1 ) 传统活性污泥法：活性污泥工艺是由巴茨( b a r t h ) 开创的，其为三级活性污 泥法，工艺流程如图1 4 所示，其是在氨化、硝化和反硝化3 项反应的基础上建 立的。其优点是硝化菌、有机物降解菌和反硝化菌分别在各自反应器内生长繁殖， 环境条件适宜，反应速度快而且很彻底，但构筑物多、流程长、管理不够方便【l 刀。 7 绪论 垆机蕞 图1 4 传统生物脱氦工艺流程图 f i g1 4f l o wc h a r t o fo r i g i n a ln i t r o g e nr e m o v c a lp r o c e s s ( 2 ) a 0 工艺：a o 工艺又称前置反硝化生物脱氮，其主要特点是将反硝化反 应器放置在前面。与传统工艺相比，a o 工艺具有如下优点n 力： 流程简单，装置少，建设费用和运行费用低；不需外加碳源，反硝化细 菌以原污水中的有机物作为碳源，以回流液中的硝酸盐氮作为电子受体，将硝态 氮还原为氮气；反硝化残留的有机污染物可以在后面的消化池内得到进一步去 除，降低了污染物浓度，且无需增建后曝气池；反硝化反应所产生的碱度可补 偿后续硝化反应消耗的一部分碱度。 ： ： ：一i 亏泥l ! ! i i i 三 、剩余污泥 二| 图1 5 a d o 工艺流程图 f i g1 5f l o wc h a r to f a op r o c e s s ( 3 ) a 2 o 工艺和改良的a 2 o 工艺：a 2 o - e 艺由厌氧( a n a e r o b i c ) 、缺氧 ( a n o x i c ) 和好氧( o x i c ) 段组成，是一种典型的脱氮除磷工艺，流程如图1 6 。 a 2 o 工艺是2 0 世纪7 0 年代美国专家在厌氧好氧工艺的基础上开发出的同步脱 氮除磷工艺，a 2 o 工艺将厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件和不同种类微 生物菌群有机结合，能同时去除有机物、氮和磷【1 8 】。但是，由于混合液回流比 不宜过高，脱氮效果很难进一步提高。 8 绪论 硝化液回漉 图1 6 a 2 o 工艺流程图 f i g 1 6f l o wc h a r to f a 2 op r o c e s s a 2 o 工艺中由于好氧池回流污泥硝酸盐会影响厌氧池反应，因此在厌氧池 之前增设厌氧缺氧调节池，即改良a 2 o 工艺，见图1 7 。二沉池回流污泥和1 0 左右的进水进入调节池，停留时间约2 0 3 0 r a i n ，微生物利用1 0 进水中的有 机物去除回流硝态氮，消除硝态氮对厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳 定性【1 9 - - 2 0 。 图1 7 改良a 2 o 工艺流程图 f i g1 7f l o wc h a r to fm o d i f i e da 2 op r o c e s s ( 4 ) u c t 工艺及m u c t 工艺：图1 8 为u c t 工艺的流程，其与a 2 o 工艺的 区别在于，回流污泥首先进入缺氧池，缺氧池部分出流混合液再回至厌氧池 2 1 】。这样可以避免因回流污泥中的n 0 3 。- n 回流至厌氧池而干扰磷的厌氧释放， 降低磷的去除。另外，回流污泥带回的硝态氮将在缺氧池中被反硝化。u c t 工 艺的适用条件是较低的b o d 5 t k n 或b o d 5 肿。 9 绪论 混合液回流硝化液回流 图1 8u c t 工艺流程图 f i g1 8 f l o wc h a r to fu c tp r o c e s s m u c t 工艺是u c t 工艺的改良( 见图1 9 ) 。其特点是将缺氧段分成两格，二 沉池的回流进入前一缺氧池，混合液回流至厌氧池，这样就可以保证厌氧反应 不受硝酸盐氮的干扰【2 1 1 。 混合液回漉硝化液回淹 图1 9m u c t 工艺流程图 r i g1 9f l o wc h a r to fm u c tp r o c e s s 从目前国内外的应用情况看，常规的脱氮除磷工艺不仅流程复杂、水力停 留时间长，而且占地面积大、基建投资高，运行维护和管理的难度大，使脱氮 效果的进一步提高受到限制。目前，我国的很多城郊和小城镇等中小型分散点 源污染源由于缺乏资金和技术支持，污水处理工作很难开展。所以，开发“三 低一少( 即低建设费用、低运行管理费用、低操作管理需