（环境工程专业论文）序批式活性污泥SBR系统内的短程硝化及特性试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 序批式活性污泥( s b r ) 系统内的短程硝化及特性试验研究 专业：环境工程 硕士生：李斌 指导教师：王志盈教授 摘要 传统理论认为：低溶解氧下，活性污沉系统易发生污泥丝状菌膨胀，因此在研舟1 氐溶解氧 下短程硝化时，首先考虑在生物膜中进行。本研究探索了在活性污泥系统内实现短程硝化反硝 化的条件，为短程硝化反硝化的广泛应用提供了理论依据。 本论文探讨了在不同的控制条件下，s b r 内实现短程硝化的过程；研究了低溶解氧条件下 高浓度氨氮废水短程硝化的影响因素以及系统内的同步硝化反硝化现象：并建立了短程反硝化 动力学模型。试验结果表明： 1 通过控制温度( t = 3 0 i ) 、p h 值( p h = 7 8 8 7 ) 和低溶解氧浓度( d o 在o 附近) 与高溶解氧浓度( d o 2m g u 1 ) 交替变化的环境，分别实现了s b r 内的短程硝化生物脱氮 工艺，n o ；一n n o ；一n 比率始终维持在9 0 以上，出水中的硝酸盐氮浓度保持在5 m g | 1 以下。 2 s b r 内的高氨废水( n h ：一n 浓度大于2 6 0 r a g u 1 ) 在高低溶解氧交替环境下实现的 短程硝化过程较为稳定。在此条件下，系统温度的降低和泥龄的增长对亚硝酸盐氮积累率的影 响甚微，n 0 ；一n 积累率大于9 0 ，系统污泥沉降| 生能良好，s v i g l 0 0 m 菩1 。反应期低溶 解氧和高溶解氧的交替环境是实现短程硝化的关键控制技术，而亚硝酸菌具有类似碳氧化菌的 饱食一饥饿特性是形成短程硝化的生物学原因。 3 在低溶解氧短程硝化过程中，s b r 内发生了同步硝化反硝化现象，分析试验条件：进 水为高氨低碳废水( c o d ：n h ：一n = l 3 ：1 ) 、系统内溶解氧浓度较低( o 5 1 ，1m g u 。) 、 污泥絮体颗粒较大( 2 0 0 5 0 0 um ) ，可推断本试验中的s n d 现象是由于溶解氧扩散的限制， 在污泥絮体内部产生溶解氧梯度造成的。 4 研究碳源对f 司步硝化反硝化的影响，试验结果表明碳源的投加方式对同步脱氮效果有很 大影响。采用半连续投加碳源的方式，分为5 次等量投加c o d ，每次1 2 0 r a g l _ 1 ，时间间隔 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 量! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! e ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! 为1 小时，不仅保证了反硝化过程所需的电子受体，而且为系统提供了一定的低溶解氧环境， 使得系统总脱氮效率达8 0 以上。 5 通过对短程反硝化进行动力学分析，推导出短程反硝化阶段的动力学方程，并经过大量 试验数据分析，求出其动力学参数。所得动力学方程如下： d s 一d t = 一。，。2 3 8 石j i ；：j i ，丽s - x 说明在本试验中，由于反应起始和反应过程中c o d 和n o j n 浓度都远大于其饱和常数， 所以短程反硝化反应近似于零级反应，亚硝酸盐氮和有机物浓度对反硝化速率影响很小，反硝 化速率仅是温度和p h 值得函数。 关键词：s b r 短程硝化反硝化温度p h 溶解氧 同步硝化反硝化短程反硝化动力学 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! 曼舅舅置! ! ! ! ! 曼曼曼寰墨罡! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 兰! = 詈! 阜= 墨! 曼竺竺竺= 鼍詈詈! ! ! ! 鼍! ! ! s t u d y o nt h ep r o c e s sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f s h o r t c u t n 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 ni ns b r s p e c i a l i t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：l i b i n t u t o r ： w a n g z h i y i n g a b s t ra c t c o n v e n t i o n a l t h e o r y c o n s i d e r st h a t b i o l o g i c a l d e n i t r i f i c a t i o n p r o c e s s i s n h ：_ n o ；斗n 0 3 - - f fn o ；寸n2 s h o n 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 n p r o c e s s i s n h ：斗n o j - 4 n 2 t h i sp a p e rs e a r c h e df o rt h ec o n d i t i o n s i nw h i c hs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nc a l l s t e a d y i n t h ea c t i v a t e d s l u d g es y s t e m ，p r o v i d i n gt h e o r y b a s i s0 1 1w i d e u s i n g o ft h es h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n - d e n i l x i f i c a t i o n t h i s p a p e r c o n f e r r e dh o wc a ns 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 nt a k e p l a c e i n v a r i o u s c o n t r o l l i n gc o n d i t i o n si ns b r w e a l s os t u d i e do nt h ee f f e c t i n gf a c t o r so nt h es h o r t c u tn i t r i f i c a t i o no f b i g ha m m o n i al o wc a r b o nw a s t e w a t e ri nt h el o wd o c o n e e n u a t i o nc o n d i t i o n sa n ds t u d i e do nt h e s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a f i o np h e n o m e n o ni ns y s t e m ak i n e t i cm o d e lo fd e n i t r i f i c a t i o r li s b u i l d e d u p i nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa sf o l l o w ： 1 s 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 nc a nt a k e p l a c e i ns b rw h e nw ec o n t r o l p r o p e rc o n d i t i o n s w h e n t e m p e r a t u r ei s3 0 + - - l p hi s 7 8 8 7o rd oc o n c e n u a t i o nc h a n g e sa l t e m a t e l y , s h o r t c u t n i t r i f i c a t i o nh a st a k e np l a c e t h er a t i oo f n 0 ；一n n o x n m a i n t a i n s u p w a r d 9 0 t h e c o n c e n t r a t i o no f n i t r a t en i 仃o g e ni sl o w e rt h a n5 m g l 2 t h es h o r t c u tn i t r i f i c a t i o np r o c e s so f h i g ha m m o n i a w a s t e w a t e r ( c o n c e n t r a t i o no fn n ；n i s t f i g h e rt h a n2 6 0m g 。l - 1 ) i ns b r i ss t a b l ew h e nl o wd oc o n c e n t r a t i o na n dh i g hd oc o n c e n t r a t i o n c h a n g e da l t e r n a t e l y i nt h i sc o n d i t i o n ，l o w e r i n gt h et e m p e r a t u r eo rp r o l o n g i n gt h es l u d g ea g eo f t h e s y s t e m a f f e c t e dt h er a t eo f a c c t u n u l a t i o no f n i t r i t en i t r o g e nf a i n t l y s v io f t h ea c t i v a t e d s l u d g ei sl o w e r t h a n1 0 0 r n l g - 1 t h ec i r c u m s t a n c e s t h a tl o wd oc o n c e n t r a t i o na n d h i g hd o c o n c e n t r a t i o n c h a n g e d ；d t e m a t e l yi st h ek e yt e c h n o l o g yo fo c c u r r i n go fs 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 n t h e f e a s ta n d ：! a m i n ec h a r a c t e r i s t i co f n i t r o s o m o n a si st h eb i o l o g i c a lr e a s o no f s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n 3 w h e nw ea n a l y z e dt h es h o r t c u tn i t t i f i c a t i o np r o c e s si nl o wd oc o n c e n t r a t i o nc o n d i t i o n ，w e 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! = ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ，! ! j ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! f o u n ds i m u l t a n e o u sn 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 n p h e n o m e n o ni nt h es y s t e m t h ec o n d i t i o n so ft h e e x p e r i m e n t i sl o wa m m o n i ah i g hc a r b o n w a s t e w a t e r ( c o d ：n h ：一n = = 1 3 ：1 1 1 0 wd o c c n c e n t r a t i o n ( o 5 1 1m g u 1 ) a n dl a r g es l u d g ef l o c ( 2 0 0 5 0 0 bm ) w ec a l li n f e r e n c et h a tt h e r e a s o no fs n d p h e n o m e n o n i nt h i se x p e r i m e n ti sl i m i t a t i o no fd od i f f u s i o na n dd o g r a d i e n ti nt h e s l u d g e f l o c 4 t h ed i f f e r e n tw a y o f a d d i n g c a r b o ns u b s t a n c ea f f e c t st h er e m o v a l o f n i l r o g e n i ns n d g r e a t l y i n o n er e a c t i o nc y c l e ，w ea d d e dc a r b o ns u b s t a n c ef i v et i m e s ，1 2 0m g l 1e a c ht i m e a d d i n gc a r b o n s u b s t a n c es e i l l i c o n t i n u o u sc a np r o v i d ee l e c t r o nr e c e p t o r sd e m a n d i n gi nd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s sa n d a l s oc a r lm a i n t a i nl o wd oc o n c e n t r a t i o nc i r c u m s t a n c e s ，s ot h er a t eo f r e m o v a l o f n i t r o g e ni ns n d i s h i g h e r t h a n8 0 5 a n a l y z i n gt h es h o r t c u td e n i t r i f i c a t i o np o c e s s , w eb u i l du pt h ek i n e t i ce q u a t i o no fs h o r t c u t & m i t r i f i c a t i o n t h ep a r a m e t e r so ft h ek i n e t i cm o d e li sc o m p u t e db a s eo nt h ed a t ao f e x p e r i m e n t t h e r e s u l ta sf o u o w ： d s n d t = 一0 0 2 3 8 s n o 7 1 + s n 上x 2 2 4 + s t h er e s u l ts h o w e st h a ti nt _ h i st e s tt h ec o n c e n t r a t i o no fc o d a n d n o ；一n i sg r e a th i g h e rt h a n t h e i rs a t u r a t i o nc o n s t a n t sr e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e ，t h es h o r t c u td e n i t r i f i c a t i o ni nt h i sp a p e ri sz e r o - o r d e r k h a e t i cr e a c t i o n t h ed e n i t r i f i c a t i o nr a t ei st h ef u n c t i o no f t e m p e r a t u r ea n dp h k e yw o r d s ：s b k s 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 n , t e m p e r a t u r e ，p h ，d o ，s n d k i n e t i cm o d e l 声明 y6 167 2 5 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：挛斌 关于论文使用授权的说明 日期：嵋5 j 尹 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文储始套或导师签名多够嗍哆肼 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! ! s ! ! _ ! ! ! ! ! ! ! ，! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1 1 绪论 1 】问歇式活性污泥法( s b r ) 概述 1 1 1s b r 法的工作原理 间歇式活l 生污泥法( s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ，简称s b r ) 又称序批式滑眭污泥法，是一 种不同于传统活性污泥法的废水处理工艺。s b r 并非一种新型的、前所未有的工艺，而是活性 污泥法初创时期充排式反应器的一种改进模型。1 9 1 4 年英国的a r d e n 和l o k e t t 首创活性污泥 法时采用的就是间歇法1 。由于受当时技术条件的限制，曝气池水流不断切换，操作起来较为 繁琐；而且沉淀绝对静止，曝气设备易于被堵塞；同时人们还没有认识到其独特的优越性，在 连续式活性污泥法出现之后，很快将其取代，占据了主导地位。1 9 5 5 年，h o o v e r 和p o r g e s 用 s 3 r 法处理牛奶废水取得成功。7 0 年代初，美国的r l i r v i n e 等人对s b r 和连续流系统的特 性通过比较试验和研究，认为s b r 可以作为连续流系统的一种较好的替代工艺【2 】o 直到8 0 年 代以后，才引起其他国家的重视，并陆续得到开发应用。 s b r 工艺是一种结构形式简单、运行方式灵活多变、空间上完全混合、时间上理想推流的 污水生物处理方法。它的运行工况是以间歇操作为主要特征。所谓序列间歇式有两种含义：一 是运行操作在空间上按序列排、间歇的，整个系统要由两个池或多个池子组成；二是每个s b r 的操作在时间上也是按次序排的、间歇的。一个运行周期按次序分为五个阶段：进水、反应、 沉淀、排水和闲置阶段。 典型的s b r 系统包括一座或几座反应池以及初沉池等预处理设施。反应池兼有调节池和 沉淀池的功能。当反应池进水结束后，开始曝气反应，待有机物浓度达到排放标准后，停止曝 气，使混合液在反应器中处于静止状态进行固液分离，经过一段时间后排除上清液，沉淀污泥 ：吐八闲置阶段，反应器又处于准备下个周期运行的待机状态。其中每一阶段将产生剩余污泥， 剩余污泥的排放频率取决于每个周期反应池中净污泥增长及混合曝气设备的容量。在其中的进 水阶段，又可根据是否曝气分为限制曝气、非限制曝气和半限制曝气三种。限制曝气是指在进 水时不曝气，并尽量缩短进水时间，因为进水历时越短，迸水结束后或反应开始时混合液基质 浓度将越高，整个反应过程中基质浓度梯度大，可以增大反应期内的反应速度。这种限制曝气 方式适合于处理无毒性的污水。非限制曝气是在进水的同时进行曝气。因此，在进水期便可以 降解一部分基质，避免反应初期基质在混合液中过度的积累，对反应过程造成抑制。这种非限 制曝气方式适合于处理有毒且基质浓度较大的污水。半限制曝气是在进水的后半期进行曝气， 是介于限制曝气和非限制曝气之间的一种运行方式l j l 。 根据不同的处理要求，对各段采用不同的运行方式，可以达到脱氮、除磷、抑制污泥膨胀 等更复杂的工艺要求。 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! = ! = = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = ! ! ! ! ! = ! ! = = = = = = = ! ! ! ! ! 1 1 1 2 s b r 法的工艺特点 s b r 工艺之所以能够日益受到重视，并广泛应用，是由于其运行方式的特殊性，使其具有 一系列连续流系统无法比拟的优点【4 。 ( 1 )工艺流程简单、基建与运行费用低 s b r 系统的主体工艺设备是一座间歇式曝气池，与传统的连续流系统相比，无需二沉池 和污泥回流设备，一般也不需调节池。许爹隋况下，还可省去初沉池。这样s b r 系统的基建 费用往往较低。根据k e t c h u m 等人的统计结果，采用s b r 法处n 4 , 城镇污水比用传统连续流 活性污泥法节省基建投资3 0 以上”】。s b r 法无需污泥回流设备，节省设备费和常规运行费用。 此外，s b r 法反应效率高，达到同样出水水质所需曝气时间较短。反应初期溶解氧浓度低，氯 转移效率高，节省曝气费用。 ( 2 )生化反应推断力大、速率快、效率高 s b r 法反应器中底物浓度在时间上是一理想推流过程，底物浓度梯度大，生化反应推动力 大，克服了连续流完全混合式曝气池中底物浓度低，反应推动力小和推流式曝气池中水流反混 严重，实际上接近完全混合流态的缺点。i r v i n e 等人的研究还表明：s b r 法中微生物的r n a 含量是传统活性污泥法中3 4 倍【6 j 。因为r n a 是含量是评价微生物活性的最重要指标，所以 选也是s b r 法有机物降解效率高的一个重要原因。 ( 3 ) 有效防止污泥膨胀 s b r 法底物浓度梯度大，反应初期底物浓度较高，有利于絮体细菌增殖并占优势，可抑制 亏性好氧丝状菌的过分增殖。此外，s b r 法中好氧、缺氧状态交替出现，也可抑制丝状菌生长。 ( 4 ) 操作灵活多样 s b r 法不仅工艺流程简单，而且根据水质、水量的变化，通过各种控制手段，以各种方式 灵活运行，如改变进水方式、调整运行顺序、改变曝气强度及周期内各阶段分配比等来实现不 同的功能。例如在反应阶段采用好氧、缺氧交替状态来脱氮、除磷，而不必像连续流系统建造 专门的0 ，刖0 工艺。 ( 5 ) 耐冲击负荷能力强 s b r 法虽然对于时间来说是理想推流过程，但就反应器中的混合状态来说，仍属于典型的 完全混合式，也具备完全混合曝气所具有的优点，一个s b r 反应池在充水时相当于一个均化 他，在不降低出水水质的情况下，可以承受高峰流量和有机物浓度上的冲击负荷。此外，由于 无需考虑污泥回流费用，可在反应器内保持较高的污泥浓度，这也在一定程度上提高了它的耐 冲击负荷能力。 ( 6 ) 沉淀效果好 沉淀过程中没有进出水水流的干扰，可避免短流和异重流的出现，是理想的静止沉淀，固 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1 2 1 1 1 1 1 111 1 1 液分离效果好，具有污泥浓度高、沉淀时间短、出水悬浮物浓度低等优点。 1 2 水体中氮磷的来源及其危害 1 2 1 人类活动造成的氮磷来源 进入水体的氮、磷营养来源是多方面的，其中人类活动造成的氮、磷来源主要有以下几个 方面【7 】： ( 1 ) 工业和生活污水未经处理直接进入河道和水体：这类污水的氮、磷含量高，如进入 江、湖和海洋，造成藻类过度生长的危害最大。例如1 9 7 7 年8 月在我国天津近海区发生的因 富营养化引起的赤潮，历时2 0 天，过度生k 的主要微生物为微型腰鞭毛虫目生物 ( 。p r o r o c e n t r 咖) ，分析原因认为与赤潮发生前两个月内受纳了大量污水，致使海水中氮、磷 和c o d 增高有关。大量污染物输入近海水域，破坏了原有的生物群落结构，再在其他条件的配 合下，造成了腰鞭毛虫目生物的过度生长。 ( 2 ) 污水处理厂出水：采用常规处理工艺的污水处理厂( 包括生活污水和工业废水) ，其 排放水都含有相当数量的氮、磷和硫。这是因为有机物被微生物分解产生的氨氮、硝酸盐、硫 酸盐和磷酸盐，除构成微生物细胞的组分外，剩余部分都随出水排入河道，成为藻类合适的养 料。这是城市污水经过常规二级处理但城市河道依然出现水质宦营养化和黑臭的重要原因之 ( 3 3 面源性的农业污染物，包括肥料和农药从农田中流失，通过雨水冲淋、农业排水和 地表径流带入河道和水体，成为直接的营养源。人工合成的化肥和农药是水体中氮磷营养的主 要来源。施入农田的氮肥只有一部分被农作物吸收，未被吸收的氮肥超过5 0 ，有的甚至超过 超过8 0 。为了取得高额农作物产量，农田肥量越来越高，加上科学施肥及其推广问题尚未得 到有效解决，进入水体的流失肥料量也必然越来越大。有机肥料也可能经微生物分解，成为可 溶性无机盐，然后进入地下水或江河湖泊。此外，畜禽养殖业废料和水中野生动物的排泄物， ：氯磷含量相当高，也会大量进入水体。 ( 4 ) 城市来源：随着城市人口的进一步集中，城市来源的营养物排放也越来越受重视， 缘了上面已经提到的人的粪便和工业污水外，目前仍然在大量使用的高磷洗涤剂是城市社会进 入天然水体氮素的重要来源，故现在已经提出要尽j 陕发展低磷或无磷洗涤剂。我国太湖地区最 主要的磷污染源之一就是洗涤剂。 1 2 2 氮素对水环境的危害 随着化肥、洗涤剂和农药的普遍应用，废水中氮磷的含量有了增加，对环境的影响也日益 严重。氮素( 主要指氨氮) 进入水体后会引起生态及健康发面的有害影响，主要问题归纳如下： ( 1 ) 游离氨对鱼类的毒害作用 水体中的游离氨和铵离子的化学平衡可以用下式表示： n h ：+ o h 一n h 3 + h 2 0 ( 1 1 ) 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺 由于鱼类对游离氨非常敏感，即使水体中游离氨的含量很低，也会影响鱼鳃中氧的传递。 对大部分鱼类而言，水体中游离氨对鱼的致死量为l m g 1 。从武( 1 1 ) 可看出，水t 扣游离氨是 p h 的函数，p h 值的变化会引起游离氨百分数的变化。p h 值越高，水中游离氨含量越高。天然 水体的p h 值为7 0 - - 8 0 ，当碱性废水排入水体，或由于光合作用消耗了水体中的重碳酸盐， 都会使水体中的p h 值上升，因此需要对城市污水的氨氮排放加以控制，以避免游离氨对鱼类 的毒性作用。 ( 2 ) 氨氮消耗水体中的溶解氧 2 n h + 3 0 ，垩塑壁2 n o ；+ 2 h ，0 + 4 h + ( 1 2 ) 2 n o ；+ o ，塑马2 n 0 ： ( 1 3 ) 总反应 n h i + 2 0 ，斗n o ；十2 h + 十h ，o ( 1 _ 4 ) 从上式可以计算出，氧化l m g 1 的n h ：一n 需4 6 m g 1 ，为了使反应顺利进行，水中应有足够 的碱度来中和所产生的 f ，否则水中的p h 值将下降。氧化l a g 氨氮约需碱度7 4 a g ( 以c a c n 计) 。 一般城市污水经二级处理后，含氮化合物主要以氨氮形式存在于污水中，含氨氮的污水排 入水体后，在硝化细菌的作用下氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，完全氧化l m g l 氨氮约需4 6 m g l 的溶解氧。在典型的二级处理出水中含2 0 4 0 m g 1 氨氮，需氧量为9 0 1 8 0 m g 1 ，这对水体质 量的改善和保证，以及鱼类的生存是十分不利的。 ( 3 ) 硝酸盐的公共卫生问题 水体和土壤接受二级处理出水，由于硝化作用使得地表水和地下水的硝酸盐含量增加。一 般地面水中硝酸盐含量不大于1 0 m g 1 ，亚硝酸盐含量极少超过l i n g 1 。美国生活饮用水水质标 准中规定饮用水中硝酸盐含量不大于1 0 m g 1 。我国生活饮用水水质标准中规定饮用水中硝酸盐 含量不大于2 0 m g 1 。在正常的健康人体中硝酸盐和亚硝酸盐都很快被肠胃吸收。被吸收的亚硝 酸盐能与人体中的血红蛋白起反应形成高铁变性血红蛋白。对于成年人，可以通过还原系统( 如 辅酶( n a d h ) 变性血红蛋白酶) 的作用消除其毒害；但对不满三个月的婴儿以及年幼的动物， 这种酶系统发育尚不完全，在这种情况下，变性蛋白增加可导致一种特殊的临床病症状变性 血红蛋白症。食物和婴儿肠胃中的微生物可使硝酸盐转变成为亚硝酸盐，从而使这个问题更加 突出。此外，硝酸盐和亚硝酸盐有可能转化成为亚硝胺，而亚硝胺是致癌物质，对人体有潜在 威胁。 ( 4 ) 富营养化使水体退化 氮和磷在一起，刺激藻类和其它水生植物的生长繁殖，严重时将发生富营养化现象，且藻 类植物在夜间要吸氧，死亡后也会消耗氧。最为突出的是对水体的富营养化，表现为藻类的过 度繁殖，及继而引起的水质恶化，以致湖泊的退化。我国渤海湾1 9 7 7 年天津近海大沽附近海 面发现5 6 0 平方公里的赤潮，持续时间达二十天之久，经检定，引起赤潮的主要藻类为夜光藻、 中肋藻和微型原甲藻。 ( 5 ) 消耗氯气 若水体作为水源，水体中氨要消耗多余氯气以保证消毒后的余氯，水中含有l a g 1 的氨氮， 消毒时就要多加7 1 0 m g 1 的氯。 西安建筑科技大学硕士论文 = ! ! ! 兰! ! ! ! ! 皇! 烹! ! ! 苎詈! ! ! 苎! ! 孽! ! ! 烹! ! ! 鼍! 皇! ! 皇! ! ! ! 竺曼! ! ! ! 兰! 鼍! ! ! ! ! 皇! ! ! 皇! 詈! 鼍! ! ! ! ! 综上所述，有效的降低废水氮含量己成为废水处理技术的一个重要课题。 1 3 污水生物脱氮技术研究现状 污水生物脱氮技术是当今水污染控制领域中的一个重要研究方向，已引起世界各国的普遍 关注。由于常规的活性污泥工艺硝化作用不完全，反硝化作用则几乎不发生，总氮的去除率仅 在1 0 3 0 之间。因此，对于城市污水、含氮工业废水，若采用常规的活性污泥法处理，出 水中还含有大量的氮和磷，容易引起水体富营养化 8 】。 自2 0 世纪7 0 年代以来，世界各国都认识到控制水中氮、磷的含量是限制藻类生长，遏制 水体富营养化的重要因素，因此开展了一系列脱氮除磷机理及工艺研究。我国从8 0 年代初开 始，也进行了大量的这方面研究。 1 3 1 传统生物脱氮原理 污水生物脱氮的基本原理是在微生物作用下，将污水中含氮化合物转化为氮气的过程，其 中包括硝化和反硝化两个过程。 硝化反应是由一群自养好氧微生物完成的，它分为两个阶段，分别由亚硝酸菌和硝酸菌完 成。第一步是由亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，亚硝酸菌包括亚硝酸盐单胞菌属和硝酸盐 球菌属；第二步是由硝酸菌将亚硝酸盐氮进一步氧化为硝酸盐氮，硝酸菌包括硝酸盐杆菌属、 螺旋菌属和球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，这类细菌的生理活动不需要有机性营养 物质，主要从c 0 2 获取碳源，从无机物的氧化中获取能量。两类菌的特征如表1 1 【9 j 。 表1 1 亚硝酸菌和硝酸菌的特征 项目亚硝酸菌 硝酸菌 细胞形状椭球或棒状 椭球或棒状 细胞尺寸um 1 0 x1 50 5 1 0 革兰氏染色 阴性阴性 世代周期h 8 3 61 2 5 9 自养性 专性专性 需氧性 严格好氧严格好氧 最大比生长速率u , d h 。 o 0 4 0 0 8o 0 2 o 0 6 产率系数y m g 细胞，m g 基质0 0 1 0 1 3 0 0 2 0 0 7 饱和常数k s m g l 1 0 6 3 6 o 3 1 ，7 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! 女! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! = ! ! e ! ! ! ! ! ! ! !一 硝化反应方程式可表示为： n i l + 丢0 2j 马n o j + h2 0 + 2 h +( 1 5 ) 二 n o ；+ 去o ：j 塑o n o ；( 1 6 ) z 反硝化是由一群异养型兼性厌氧微生物完成的，它的主要作用是在无氧或低氧条件下，将 硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为氮氧化物或氮气。广义上讲，微生物将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还 原为低价态氮的过程统称为生物反硝化，它包括同化还原和异化还原。在溶解氧浓度极低的环 境中，反硝化菌( 如变形杆菌、假单胞菌、小球菌、芽孢杆菌、无色杆菌、嗜气杆菌和产碱耔 菌) 可利用亚硝酸盐和硝酸盐中的氧最为电子受体，同时有机物作为电子供体被氧化而提供能 量，将硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气，反应方程式为： 5 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4 n o ；垦盟! 生! ! 一2 n 2 + 4 0 h 一十5 c 0 2( 1 ，7 ) 反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体，但是，当反应体系中缺乏有机物时，无机物 如h 2 、h 2 s 等也可作为反硝化反应的电子供体，微生物还可以通过消耗自身细胞进行内源反硝 化，反应式可表示为： c 5 h7 n 0 2 + 4 n o ；寸5 c 0 2 十n h 3 十2 n 2 + 4 0 h 一( 1 8 ) 其中，c s h 7 n 0 2 代表反硝化微生物的细胞组成。 目前公认的从n o ：还原为n 2 的过程为： n o ；斗n o ；- - + n o 斗n 2 0 寸n 2( 1 9 ) 生物脱氮过程本身是一个矛盾统一体，一方面，硝化反应需要氧气，硝化菌是一类严格好 氧菌；另一方面，反硝化反应需要在缺氧环境中进行，反硝化菌是一类兼性厌氧菌。同时，二 者对有机物的存在也是矛盾的，一方面自养硝化菌在大量有机物存在时，对氧气和营养物的竞 争不如好氧异养菌，从而到导致反应器内异养菌占优势；另一方面，反硝化反应又需要有机物 充当电子供体完成脱氮过程。因此，硝化菌和反硝化菌性质的差异导致了生物脱氮反应器的不 同组合，如硝化与反硝化由同一污泥完成的单一污泥工艺和由不同污泥完成的双污泥工艺。前 ：苦通过交替的好氧区和厌氧区来实现，后者则通过使用分离的硝化和反硝化反应器来完成。如 果硝化在后，需要将硝化废水进行回流；如果硝化在前，反硝化时需要外加碳源作为电子供体， 这就给传统生物脱氮工艺在实际运行时带来许多问题【1 。 1 3 2 生物脱氮新技术研究 近年来，随着科技工作者对生物脱氮工艺的进一步研究，发现了一些超出传统认识的新现 象，如硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用；某些微生物在好氧条件下也 可以进行反硝化作用；特别是发现了氨与亚硝酸盐或硝酸盐在缺氧条件被同时转化为氮气的生 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 物化学过程。这些新现象为探索研究生物脱氮新工艺提供了新的思路。依据以上发现，日前研 究较多的生物脱氮新工艺主要有短程( 或简捷) 硝化反硝化脱氮工艺( s h o r t c u t n i t f i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a f i o n ) 、同步硝化反硝化脱氮工艺( s i m u l t a n e o t l sn 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 n s n d ) 和厌氧氨氧化脱氮工艺( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n - - a n a m m o x ) 等。 1 3 2 1 短程硝化反硝化生物脱氮工艺的研究现状 长期以来无沦是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直认为要实现废水生物脱 氮就必须使氨经历典型的硝化和反硝化过程才能被安全的除去，这条途径也可称之为全程( 或 完全) 硝化反硝化生物脱氮。 实际上，从氨的微生物转化过程来看，氨被氧化为硝酸盐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。对于反硝化菌，无论是亚硝酸盐还是硝酸盐均可以作为最终受 氢体，因而整个生物脱氮过程也可以经n h ：- - 9 , n o ijn ，这样的途径完成，人们把经历此途 径进行脱氮的技术定义为短程硝化反硝化生物脱氮工岩“】。从反应历程来看，短程硝化一反硝 化比全程硝化一反硝化减少两步，因而它节省了能源和反硝化所需要的碳源，对于实际工程应 用非常由意义。 早在1 9 7 5 年v o e t s 等就发现硝化过程中n o ；积累现象，并首次提出了短程硝化反硝化生 物脱氮的概念【1 2 】。随后国内外许多学者对此进行了研究，同时也发现n o ：不稳定，极易氧化 成n o ：。因此，寻求各种方法维持稳定的n o ；积累己成为众多学者研究开发的目标。在综述 分析国内外有关短程硝化反硝化生物脱氮工艺研究进展的基础上，总结出目前实现该工艺的主 要途径有控制温度、溶解氧、p h 值、游离氨、负荷和有毒物质等。下面针对这几方面对国内 外的研究现状进行分析。 ( 1 ) 控制温度 生物硝化反应在4 4 5 内均可以进行，适宜温度为2 0 3 5 ，一般低于1 5 。c 硝化速率 将降1 氐，并且低温对硝化产物及两类硝化菌活陛影响也不同。1 2 1 4 。c 下活性污泥中硝酸菌活 性受到抑制，出现亚硝酸盐积累。1 5 3 0 。c 时，硝化过程形成的亚硝酸盐可完全被氧化成硝酸 盐，没有亚硝酸盐积累。而温度继续升高，当超过3 0 。c 时，又会重新出现亚硝酸盐积累】。 荷兰d e l f t 技术大学于1 9 9 7 年开发的s h a r o n ( s i n g l e r e a c t o rf o rh i 吐a c t i v i t ya n l i n o n i a r e m o v e lo v e rn i t r i t e ) 工艺就是通过控制温度和污泥停留时间来实现短程硝化反硝化生物脱氮 工艺的1 1 3 - 1 q 。它的基本原理是将在高温下生长速率较慢的硝酸菌从反应器中冲洗出去，使亚 硝酸菌在反应器中占优势，从而将氨氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。用s h a r o n 工艺来处理城市污水二级处理系统中污泥消化上清液和垃圾滤出液等高氨废水，可使硝化系统 中的亚硝酸积累达1 0 0 。该工艺的成功之处在于巧妙的利用了硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长 速率，即在较高温度下( 3 0 3 5 c ) ，亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率，亚硝 西安建筑科技大学硕士论文 ! = ! ! ! = = = = ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 酸菌的最小停留时l a l d , f f 石g 酸菌这一固有特性控制系统的水力停留时间，使其介于硝酸菌和亚 硝酸菌最小停留时间之间，从而使亚硝酸菌具有较高的浓度而硝酸菌被自然淘汰，从而维持了 稳定的亚硝酸积累。并通过间歇曝气便可达到反硝化的目的。由于在一定的较高温度下，硝化 菌对氨有较高的转化率，所以该工艺无需特别的污泥停留，缩短了h r t , 反应器的容积相应也 就可以减小。另外，硝化和反硝化在同一个反应器中完成，减少了投碱量，也简化了工艺流程。 并且这项专利技术已经应用到荷兰r o t t e r d a m 和u t r e c h 两座城市污水二级处理厂的消化上清液 单独生物脱氮处理中。 国内学者王淑莹等【l 卜1 9 j 通过控制反应器内水温在3 0 3 2 成功实现了短程硝化反硝化生 物脱氮工艺，并在试验中系统考察了温度变化对短程硝化反硝化的影响。结果表明，温度维持 在3 0 得到的短程硝化，当在常温下( 1 9 5 2 3 5 ) 运行5 0 个周期时，硝化类型发生逆转， 由短程硝化完全转化为全程硝化。而后，逐渐升温，硝化类型又逐渐转变为短程硝化。当温度 达到2 8 2 9 。c 时，硝化类型为