（环境工程专业论文）序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究.pdf

北京工商大学硕士学位论文 摘要 水环境污染和水质富营养化问题的日益尖锐、公共环境意识的日益增强、以及污 水的氮、磷排放标准的越来越严格，均要求进一步提高废水处理的效率及能力。 序批式反应器适应水量水质变化，而且具有脱氮除磷功能；同步硝化反硝化提供 了今后降低投资、运行成本并简化生物脱氮技术的可行性。本课题以生活污水为处理 对象，通过实验室小试，采用序批式反应器进行生化硝化反硝化脱氮污泥分步驯化， 最终实现同步硝化反硝化( s n d ) ，提出一套合理有效的污泥驯化方法；提出合适的 s b r 运行周期，并进行曝气量、p h 、水质波动等因素对s b r 工艺的影响研究。在实验 室小试实验的基础上指导现场中试运行，在现场原有污泥系统中，进一步驯化完善高 效，适应性强的复合菌群；操作运行参数摸索，建立一个完整的、有效的污泥驯化过 程和工艺运行方式；初步探索碱度投加对硝化过程的影响以及碳源投加对提高t n 去除 的影响，并对同步硝化反硝化一体化工艺的规律和特性及其工程应用的可行性进行初 步的探讨。 另外，通过模拟实验室s b r 运行方式，投加高性能的好氧反硝化菌构建脱氮性能 良好的活性污泥反应体系，分析菌种投加以及不同投加量下的t n 去除效率，为提高废 水的脱氮效果提供一个新的研究方向。 关键词：序批式反应器；同步硝化反硝化；生活污水；菌群构建 序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究 a b s t r a c t ， w i t ht h ei n c r e a s i n ge x t e n to fw a t e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n de u t r o p h i c a t i o na n dt h e e n h a n c e m e n to fp u b l i ce n v i r o n m e n tc o n s c i o u s n e s sa n dm o r ea n dm o r es t r i c tn i t r o g e n p h o s p h o r u sd i s c h a r g es t a n d a r d ，w a s t e w a t e rt r e a te f f i c i e n c ya n dc a p a c i t ya r eb o t hr e q u i r e dt o b ei m p r o v e d t h e s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o ra c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ( s b r ) c a nb ea d a p tt ow i d e l y f l u c t u a n ti n f l u e n ta n dw a s t e w a t e r q u a l i t y w h a t sm o r e ，i th a v et h ec a p a c i t yo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l s i m u l t a n e o u sn 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 n d ) m a k e sl o w e r - c o s t a n ds i m p l e rb i o l o g i cn i t r o g e n r e m o v e dt e c h n o l o g ya v a i l a b l e i nt h i ss t u d y ，s y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e rw a st r e a t e dt h r o u g hs n d u s i n gs b r s y s t e m si nt h el a b t h ed e n i t r i f y i n ga c t i v a t e ds l u d g ei sa c h i e v e db ys t e p w i s e l yd o m e s t i c a t i o n o fo r g a n i c 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 nb a c t e r i a ，b r i n g i n gf o r w a r ds e r i e so fh i 【g l l e f f i c i e n c y s l u d g ed o m e s t i c a t em e t h o d a tt h es a l n et i m e ，s b rr u n n i n gp e r i o d ，d o ，p ha n dw a t e rq u a l i t y f l u c t u a t i o na l es t u d i e d b a s e do nt h el a be x p e r i e n c e ，t n ep i l o to p e r a t i o ni sd i r e c t e d ，f o r g e t t i n gam u l t i p l ea n de f f i c i e n tm i c r o o r g a n i s ms y s t e ma n do p t i m i z i n gc a s so p e r a t i o n p a r a m e t e r s m e a n w h i l e ，t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fs n d a l s os t u d i e d f u r t h e rm o r e ，b ya d d i n gh i g l l - p e r f o r m a n c ed e n i t r i f e rt ot h ea c t i v a t es l u d g es y s t e m ，t n r e m o v a lr a t i oi si m p r o v e d ，w h i c hi san e wd i r e c t i o nf o ra d v a n c i n gw a s t e w a t e rn i t r o g e n r e m o v a ls t u d y k e yw o r d s ：s e q u e n c in gb a t c hr e a c t o r ：sim uit a n e o u sr lit rific a t io n a n d d e nit rific a tio n ：d o m e s ticw a s t e w a t e r ： mic r o o r g a nis mo p timiz a tio n i i 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名：况拍 日期：2 卯湃f 月哆日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名： 至鲻 导师签名：7 勺 日期：2 佯岁月t ；日 北京工商大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 我国城市生活污水水质特征及处理基本情况 我国城市污水治理起步晚、基础差。近年来，城市污水处理的建设有了很大的发 展，截止2 0 0 5 年月底，全国6 6 1 个城市建有污水处理厂7 0 8 7 座，处理能力为 4 9 1 2 m 3 d ，是2 0 0 0 年的两倍多；全年城市污水处理量1 6 2 8 亿m 3 ，比2 0 0 0 年增加了 、 4 3 ，城市污水处理率达4 5 7 。但绝大多数城市的污水处理能力仍满足不了实际需 要，全国还有2 9 7 个城市没有建成污水处理厂，其中，地级以上城市6 3 个，包括人口 5 0 万以上的大城市8 个；位于重点流域、区域“十五”规划范围内的城市5 4 个i 。全国5 万多个城镇，3 7 0 多万个村庄，9 亿多人口居住地尚无污水处理设施。 据资料介绍【2 】，美国现在平均每1 万人就拥有1 座污水处理厂，英国和德国每7 0 0 0 8 0 0 0 人拥有1 座污水处理厂，而我国城镇人口中，平均每1 5 0 万人才拥有1 座污水处理 厂。与国际相比，我国城市污水处理厂人均水平低，污水处理率也较低，其主要原因是 我国的城市污水处理厂建设滞后。据建设部通报的全国污水处理情况，目前已建成的污 水处理厂，除正在调试运行的外，尚有不能正常运行的。 我国地域广阔，不同地区城市生活污水水质有很大不同，这也给我国在建设污水处 理设施时提出更高要求，要充分考虑当地城市生活污水水质特征。城市生活污水中 c o d c 。、氮素的含量一般以人们的生活习惯、膳食结构有关，同时也会由于不同地区和 季节的不同有所差异。通过表1 1 和表1 2 可以看出现今国内一些城市的水质情况。 表1 - 1部分城市生活污水水质平均情况【3 1cr a g l ) 序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究 以北京为例，由表1 1 、表1 2 的数据可以看出，北京市生活污水统计平均值中t n 含量在2 6 7 - 5 5 4 m g l ，n h 3 - n 含量2 2 - 4 5 m g l ，处于中高浓度水质指标之间；b o d 5 在9 0 - - - 1 8 0 m g l 之间，处于中低水质指标之间；从以上统计值可以看出，北京市城市生 活污水属于低c n 比生活污水。 1 2 生活污水中主要污染物来源及其危害 城市生活污水主要污染物为c o d c r 和t n 。其中t n 主要来源于人体食物中蛋白质代 谢的废弃物如粪便等，包括有机氮和无机氮( 主要为氨氮) 。有机氮和尿素等约占 6 0 ，无机氮约占4 0 ，其中n 0 3 - n 和n 0 2 - - n 约占不到1 【4 , 5 1 。细菌等微生物能将蛋 白质分解，使有机氮变成氨氮，从而使水体中氨氮的比例上升，因此生活污水长时间滞 放后n h 4 + - n 浓度会升高。 据统计【3 1 ，美国一般每人每天平均生产约1 6 9 的含氮废弃物，美国的城市生活污水 统计表示含氮总量为2 0 - 8 5 m g l ，其中n i 1 4 + - n 约为8 - 3 5 m g l ，有机氮为1 2 - 5 0 m g l 。 我国因生活方式与饮食习惯的不同，城市生活污水中氮的平均值低于美国的统计值。 水体中氮素的存在能造成很大的危害： ( 1 )氨氮浓度过高不仅会导致水体富营养化，更重要的是水体富营养化导致 水藻大量繁殖，消耗水体中溶解氧，据理论计算，1 毫克n h 3 n 氮被氧 化成n 0 3 - - n 需氧4 5 7 毫克。n h 4 + n 亦可使水体因处于厌氧状态而产生 h 2 s 等恶臭气体。一般认为水体富营养化的指标是含氮量大于0 2 0 3 m g l 1 6 1 。 ( 2 ) 水体中n h 3 一n 浓度超过3 m g l 时，可在2 4 - - 9 6 h 内导致金鱼、鳊鱼等死 亡；饮用水中n 0 3 - n 含量为9 0 1 4 0 m g l 时，既可造成婴儿高铁血红蛋 2 北京工商大学硕士学位论文 白，使红细胞不能带氧而致婴儿窒息死亡。世界卫生组织规定，水体中 n 0 3 - n 含量不能超过1 0 r a g l i t , s 。 ( 3 ) 更值得注意的是，n 0 2 更是强致癌物质，水体中鱼类等吸收后会在体内 累计，人吃了这种鱼会有中毒的危险。 城市生活污水和某些工农业废水中均含有一定的氮，氮污染尤其是由之引起的富营 养化已经逐渐成为全球关注并亟待解决的问题。随着我国经济的快速发展及人民生活水 平的日益提高，污水排放量急剧增加，而经过普通二级处理后的污水中含有大量的氮 磷，依然是严重的污染问题。这就对废水处理提出了更高的要求。 1 3 生活污水处理过程中存在的主要难点 城市生活污水处理过程中特别是脱氮过程中存在很多问题，主要包括以下几点： ( 1 ) c n 低。要实现全程硝化反硝化脱氮，则一般要求b o d s t k n 大于4 - - 5 19 】，而二般城市生活污水c o d c r 比较低。 ( 2 ) 水温不好控制。北方生活污水处理的一大难题是冬天水文比较低，低温条件 下细菌活性都降低，特别是硝化、反硝化菌，它们的生长的适宜温度一般在1 5 3 5 ，特别是硝化菌，低于1 5 ，硝化活性将急剧下降。 ( 3 ) 水质波动大。城市生活污水浓度高时c o d c r 高达1 0 0 0 m g l ，t n 高达 2 0 0 m g l ，浓度低时c o d c ，仅为m o m g l 左右，c o d c , 波动严重影响t n 去除效果。 ( 4 ) 动力需求量大。因此，必须通过分析曝气量对c o d c r 、氨氮、t n 去除的影 响，减少因过量曝气造成的能源消耗。 如何对城市生活污水进行更有效的处理，实现达标排放，是本研究需要解决的主 要问题。 1 4s b r 技术的发展与应用 1 4 1 s b r 工艺原理 序批式活性污泥法【l o ，1 ，以s b r 工艺为代表，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 3 序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究 间歇操作为主要特征：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。 一个运行周期按次字分为五个阶段：进水、反应、沉淀、排水和闲置阶段。典型 的运行模式见图1 1 0 ， l - - 进水反应沉淀出水 闲置 图1 - 1 序批式活性污泥法( s b r ) 运行周期示意图 进水阶段是反应池在短时间内接纳需要处理的污水，同时起到调节和均质的作 用，s b r 对水质、水量的波动有一定的适应性。 反应阶段是s b r 最主要的阶段，可根据原水水质及排放标准等具体情况确定反应 阶段的时间及是否采用连续曝气的方式。 沉淀阶段相当于传统活性污泥法的二沉池的功能。停止曝气和搅拌，使混合液处 于静止状态，完成泥水分离，静态沉淀的效果良好。 经沉淀后分离出的上清液即可排出，排放阶段结束时水位下降至设计最低水位。 反应池兼有调节池和沉淀池的功能。 然后曝气池处于闲置阶段，通过内源呼吸作用使微生物的代谢作用和吸附能力得 以恢复，反应器又处于准备下一个周期运行的待机状态。 1 4 2s b r 工艺技术特点 一般来说，间歇处理不如连续处理简单、方便，但是s b r 是通过在时间上的交替 实现这种传统活性污泥法的整个过程，使其具有一系列连续流系统无法比拟的优点【1 2 ， 1 3 】，随着自控技术的发展，s b r 工艺日益受到重视。 ( 1 ) 它在流程上只有一个基本单元，将调解池、曝气池和二沉池的功能集中在一个池 子中，兼有水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等功能。省去了连续进水流 工艺中的二沉池和污泥回流装置，使得处理构筑物大大简化，节省了占地，降低了基 4 北京工商大学硕士学位论文 建投资。根据k e t c h u m 等人的统计结果，采用s b r 法处理小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 ( 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 想的推流过程，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【1 4 l 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。因为r n a 是含量是评价微生物活性的最重要指标，所以这也是s b r 法有机物降解效率高的一个重要原因。 ( 3 ) s b r 工艺各个阶段的运行时间、运行状态可以根据污水性质、排放规律与出水要 求等进行调节。还可以根据实际情况省去某个阶段( 例如闲置阶段) ，或把反应阶段与进 水阶段合并，即进水一开始进行曝气，一直持续到反应结束。在反应阶段，可以始终 曝气，也可以曝气与搅拌交替运行，控制灵活、方便。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o ，a a o 工艺【1 5 1 。 ( 4 ) 耐冲击负荷能力强。s b r 法仍属于典型的完全混合式，因此具备完全混合曝气 所具有的优点，在不降低出水水质的清况下，可以承受高峰流量和有机物浓度上的冲 击负荷。耐冲击负荷能力强。 1 4 3s b r 工艺研究及应用 世界上第一个间歇式运转的工艺是英国工程师s i r t h o m a sw r d l e 于1 8 9 8 年发现的。 7 0 年代初，美国n o t r ed a m e 大学的i r v i n e 教授在实验室内对s b r 工艺作了较为系统的 研究n 6 1 。1 9 8 0 年i r v i n e 等人将美国印第安纳州c u l v e r 市日流量为1 4 3 7 m 3 的连续流活性 污泥法系统改建成s b r 系统，b o d 5 和s s 去除率达到9 4 左右，氨氮去除率达到 5 3 。至1 9 9 1 年，美国已有1 5 0 座污水处理厂采用s b r 工艺。p a l i s j c 1 1 7 j 指出，采用曝 气和缺氧混合相交替的模式能使除氮率明显提高，在负荷0 0 2 - - - 0 0 5k g b o d s ( k g m l s s d ) 时，达到的除氮效率在8 6 9 4 之间；实验表明，虽然污泥的沉降性能比连续曝气s b r 差，还是能得到很好的出水。 近2 0 年来，由于s b r 工艺的低造价和高效率，各种类型s b r 工艺也被广泛应用 于工程。我国自1 9 8 5 年第一座s b r 处理设施在上海市吴淞肉联厂投产运行以来，s b r 5 序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究 工艺在国内已成功用于屠宰、含酚、啤酒、化工试剂、鱼品加工、制药等工业污水和生 活及城市污水的处理。 乔梁【1 1 】对s b r 作了比较全面的研究，研究范围牵涉到s b r 的有机物降解、脱氮及除 磷规律，污泥的微生物特性和s b r 中使用填料等情况，为s b r 在我国推广提供了实验 依据。李峰【1 8 】研究了s b r 技术对模拟大化肥厂氨氮废水进行硝化反硝化的处理效果，同 时观察和研究好氧反硝化现象。刘军等【1 9 l ( 北京) 采用s b r 工艺实现废水脱氮，并研究 o n 比、d o 等因素对同步硝化反硝化的影响；研究结果表明：s b r 具有良好的去除废 水中有机物和n h 4 + - n 的能力，实验发现当d o = i 6 0 , - - - , 1 8 0 m g r l 、c o d c 扑i h 4 + - n = 6 5 或 b o d5 l 伽4 + n = 4 时，t n 的去除率分别达到最大，最高时达到7 6 以上。研究发现泥法 s b r 好氧阶段有明显的反硝化现象。 随着自动控制水平的提高及对其研究的深入与改进，s b r 工艺将在污水处理中发挥 更大的作用。 1 5 生物脱氮原理简介 1 5 1 硝化作用 硝化反应是在好氧状态下，将n h 4 + - n 转化为n 0 3 - n 的过程。硝化反应是由两组好 氧自养型好氧微生物完成的：亚硝化菌和硝化菌。它们利用无机碳化合物如c 0 2 、c 0 3 2 、h c 0 3 等作为碳源，通过与n h 3 、n i - h + 、n 0 2 - 拘氧化反应来获得能量【冽。硝化反应包 括两个基本反应阶段：第一阶段是由亚硝酸菌将n h 4 n 转化为n 0 2 - 一n ，称为亚硝化反 应；第二阶段则由硝酸菌将n o z - n 进一步氧化为n 0 3 - - n ，称为硝化反应，具体反应方 程式如下： 第一阶段反应： 亚硝化菌 5 5 n i - - h + + 7 6 0 2 + 1 0 9 h c 0 3 。 - c s h 7 0 2 n + 5 4 n 0 2 + 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 第二阶段反应： 硝化茵 4 0 0 n 0 2 + n h 4 + + 4 h 2 c 0 3 + h c 0 3 + 1 9 5 0 2 一c s h 7 0 2 n + 4 0 0 n 0 3 。+ 3 h 2 0 注：c 5 h 7 0 2 n 表示为生物体 硝化过程总反应式如下：， n h 4 + + 1 8 3 0 2 + 1 9 8 h c 0 3 o 0 2 1 c s h 7 n 0 2 + 1 0 4 1 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 + 0 9 8 n 0 3 6 北京工商大学硕士学位论文 硝化菌对环境的变化很敏感，所需要的环境条样是： ( 1 ) 好氧条件。氧是硝化反应的电子受体；反应器内溶解氧含量的高低，将影响硝化 反应的进程，溶解氧水平越高，硝化反应速度越快。 ( 2 ) 硝化反应产生h + ，使反应体系p h 值下降。硝化菌对p h 值的变化十分敏感，亚 硝酸细菌和硝化细菌分别在p h 值为7 o 彳8 和7 0 8 3 时活性最强，p h 值超出这个范 围，其活性便急剧下斛2 。硝化反应中每消耗1 9 氨氮要消耗碱度7 1 4 9 1 2 2 1 ，为维持硝 化菌群的生长活性，应保持废水中足够的碱度，使p h 值维持在7 0 8 o 之间。 ( 3 ) 废水中有机物浓度不宜过高。硝化菌是自养型细菌，有机物浓度是它的生长限制 因素，如果浓度过高，就会使增殖速度较高的异养型细菌迅速繁殖，从而破坏自养型的 硝化菌的生长环境，影响硝化反应的进行。 ( 4 ) 硝化反应的适宜温度范围是2 0 - 3 0 c 。1 5 以下时硝化反应速度下降，当温度低 于5 时，硝化细菌生命活性几乎停止。在5 3 5 的范围内，硝化的反应速率随温度的 升高而加快，以3 0 ( 2 的相对速度为1 0 0 为基准，50 c 时的硝化相对速度仅为1 2 1 2 3 1 。 ( 5 ) 硝化菌的世代期比较长，生长缓慢，为脱氮过程的限速步骤，也是影响脱氮效果 好坏的关键。为保证连续流反应器中存活并维持一定数量性能稳定的硝化菌，微生物在 反应器中的停留时间，即污泥龄( s r t ) 应大于硝化菌的最小世代时间。实际运行中，为 保证硝化反应的充分进行，污泥龄应大于1 0 d 。硝化菌、反硝化菌以及普通异养菌的世 代时间比较如表1 3 。 表1 3 硝化菌、反硝化菌以及异养菌的生长速率比较【6 l 1 5 2 反硝化作用 反硝化反应是将硝化过程中产生的n 0 3 - - n 或n 0 2 n 还原成气态氮的过程。参与 这一生化反应过程的微生物包括假单胞菌) = 禹( p s e u d o m o n a s ) 、产碱菌属( a l c a l i g e n e s ) 、副 球菌) = = 禹( p a r a c o c u s ) 等。它们多数是兼性细菌，有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有 机物，利用分子态氧作为最终电子受体。在无分子态氧条件下，反硝化菌利用n 0 3 - - n 或n 0 2 - n 作为电子受体进行缺氧呼吸，0 2 一作为受氢体生成h 2 0 和o h 。碱度，有机物 7 序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究 则作为碳源及电子供体提供能量，并得到氧化稳定【刎。近期好氧反硝化菌广泛存在的 发现，使反硝化理论有了新的解释。 反硝化过程中n 0 3 n 和n 0 2 - - n 的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用 来完成的。异化作用就是将n 0 2 和n 0 3 还原为n o 、n 2 0 、n 2 等气体物质，主要是 n 2 。异化作用去除的氨一般占总去除量的7 0 - 7 5 。而同化作用是反硝化菌将n 0 2 和 n 0 3 还原为n h 4 + ，供新细胞合成使用，使氮成为细胞质的成分。同化反硝化和异化 反硝化可以图示如下1 1 6 l ： + 4 ( r r + 0州嘲 2 d 的- 2 h n 0 2 卓一 -2h20-21120 反硝化理论主要有两种观点： ( 1 ) 缺氧反硝化 7 n h 2 0 卜矿n h 3 7 侧嫡 传统脱氮理论认为，反硝化是在缺氧条件下，由反硝化菌以有机碳源作为电子供 体，以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体，从中获得能量的氧化还原过程，最终将其转 化为n 2 排到大气中。反应方程式可表示为： n 0 x + 2 ( x 一1 ) h ( 有机物作为电子供体) c s h 7 0 2 n4 0 5 n 2 + ( x 1 ) h 2 0 + o h 注：c 5 h 7 0 2 n 表示为生物体 缺氧反硝化一般要求d o 0 5 m g l ，p h = 7 5 以下，t = 2 0 - - 一3 0 c 1 2 5 1 。反硝化阶段， 有机物是反硝化过程所必须的电子供体，它不仅用于反硝化菌生长，同时还大量被普 通生化菌消耗。如果废水中没有足够的用于反硝化的有机物，则需另外投加有机物。 a o 工型2 6 1 是典型的以传统缺氧反硝化理论为基础的脱氮工艺。反硝化、硝化和有 机物的去除分别在两座不同的反应器中进行，其流程图如下图1 2 所示。该工艺是目前 实际工程中采用较多的一种脱氮工艺。 内循环( 硝化液回流) 原废水 8 暮 椰 、 北京工商大学硕士学位论文 在该脱氮工艺中，原废水依次进入缺氧池和好氧池，并将好氧池的混合液与沉淀 池的污泥同时回流到缺氧池。污泥和好氧池混合液回流保证了缺氧池和好氧池中有足 够的微生物，并使缺氧池得到好氧池中硝化产生的硝态氮。而原污水和混合液的直接 投入，又为缺氧池反硝化提供了足够的碳源，使反硝化反应能够在缺氧池中得以进 行，反硝化后出水又可在好氧池中进行有机物的进一步降解和硝化。 该工艺能有效地实现脱氮除磷，但是该脱氮工艺也有难以克服的缺点： ( a ) 要双循环系统，因此动力消耗大 ( b ) 水中含有一定的硝态氮；沉淀池运行不当，容易产生二沉池的污泥上浮。 ( 2 ) 好氧反硝化 好氧反硝化现象在日常污水处理中一直普遍存在，直到上世纪8 0 年代，好氧反硝 化菌的分离，进一步从微生物学角度证实了好氧反硝化的存在。好氧反硝化泛指在好 氧情况下t n 降低的现象。 好氧反硝化菌以碳源为电子供体，以硝基氮或亚硝基氮为电子受体，将其从水体 中去除。转化过程仍旧是： n 0 3 。 堕垦兰竺垦，n 0 2 垩壁壁苎竺堡n o，n 2 0越 文献报道，李丛娜等人【2 7 l 用s b r 工艺处理氨氮废水，采用进水_ 曝气_ 沉淀呻排 水工序时，发现曝气阶段有4 5 3 的t n 损失，由于d o 大于4 m g l ，污泥絮体能保持 良好的好氧状态，缺氧反硝化不能发生，故该工艺实现的是好氧反硝化，污泥中起作 用的是好氧反硝化菌。 本实验室自2 0 0 1 年起就已系统地研究好氧反硝化工艺以及好氧反硝化理论。杨志 掣冽在s b r 系统中保持高曝气d o - - 3 5 4 5 m g l ，分别以n 0 3 。n 和n 0 2 - - n 为底物， 经过较长期的驯化，得到性能良好的好氧反硝化污泥系统，t i n 去除率约6 0 7 7 ，实 现了好氧反硝化。在随后进行的研究中，本实验室做了进一步研究【2 9 1 ，筛选得到反硝 化性能良好的2 0 株反硝化菌，其中有几株菌还原速率均高于已报道的国内外相关文献 值，2 4 小时内t n 去除率达到1 0 0 ，净去除量高达m o m r c l 以上。实验证明，本实验 室得到的好氧反硝化菌不仅还原性能强，而且具有代表性。鉴定出的菌株分属于不同 的菌属，其中d e l f t i a 是未有报道的好氧反硝化菌属。 反硝化反应的影响因素主要有碳源、p h 值、温度、溶解氧等： ( 1 ) 有机碳源 9 序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究 反硝化菌为异养型兼性厌氧菌，所以反硝化过程需要提供充足的有机碳源，通常 以污水中的有机物或外加碳源( 如甲醇、乙醇) 作为反硝化菌的有机碳源。k l a n g d u e n p o c h a n a 3 0 l 认为当t c o d t k n 为5 - 2 0 时，理论上可以满足反硝化过程的需要，胡宇华【3 1 】 认为c ：n ：p 的最佳比例范围为( 6 0 1 4 0 ) ：5 ：1 。在反硝化过程中，每转化l 克 n 0 3 。- n 需要2 4 7 克甲醇。 ( 2 ) p h - f 直t 3 2 1 反硝化过程最适宜的p h 值范围为7 0 - 8 5 ，不适宜的p h 会影响反硝化菌的生长速 率和反硝化酶的活性。当p h 值低于6 0 或高于8 5 时，反硝化反应将受到强烈抑制。 ( 3 ) 温度【3 3 1 反硝化反应的适宜温度为2 0 3 5 ；低于1 5 时，反硝化菌的增殖速率降低，代 谢速率也降低，从而降低了反硝化速率。 ( 4 ) 溶解氧 最初，反硝化被认为是一个严格缺氧的过程，因为反硝化菌作为兼性菌优先使用 d o 进行呼吸，甚至在d o 0 1 m g l 时也是如此【3 4 1 。而新型反硝化理论则认为，反硝化 菌在好氧条件下n o x n 和分子氧可以共同作为电子受体【3 5 1 ，p a t u r c a u ( 2 0 0 0 ) 等人1 3 6 1 在 研究一个好氧反硝化菌群时发现，d o 值在0 3 5 - - 6 3 0 m g l 时，该菌群的反硝化速度始 终在3 4 1 0 - - 4 2 3 01 tm o l n l - h 之间。 1 5 3 同步硝化反硝化( s n d ) 简介 根据传统的脱氮理论：氨氮的去除是通过硝化和反硝化两个独立过程实现的，由于 对环境的要求不同，两过程不能同时发生。近年来，好氧反硝化和异养硝化菌的发现以 及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展，奠定了同步硝化反硝化生物脱氮 的理论基础，国内外学者都对其开展了深入的研究。 现阶段被专家所普遍接受的三个机理是：宏观环境解释、微环境理论和生物学解释。 ( 1 ) 宏观环境解释：由于反应装置内的曝气阶段充氧不均和反应器的构造原因，造成反 应器内形成缺氧厌氧段。此种情况称为生物反应的大环境。实际上，在大规模的生物反 应器中，整个反应器很有可能处于非均匀混合状态，因此s n d 也就有可能发生，类似的 反应工艺如生物转盘( r b c ) 、序批式生物反应器( s b r ) 及氧化沟等 3 7 。3 9 。 1 0 北京工商大学硕士学位论文 ( 2 ) 微环境理论【柏l ：由于氧扩散的限制，在活 性污泥菌胶团或生物膜内部形成缺氧段。例如在 生物膜反应器中，生物膜内层存在缺氧区，外层 为有氧区，氨氮等在有氧的外层膜上发生硝化反 应，反硝化在缺氧的膜上发生( 如图1 3 ) 。该 理论还存在一定的缺陷，既有机碳源问题，有机 碳源既是异养反硝化的电子供体，又是硝化过程 的抑制物质。而微环境理论中，污水中的有机碳 外 界 b o d 氨氮 溶解氧 亚硝基氮 硝基氮 源在穿过好氧层时，首先被好氧氧化，处于图1 3 污泥絮体内部d o 和底物浓度分布图 厌氧区的反硝化菌由于得不到电子供体，反硝化速率将大大降低，s n d 的效果也不会 好。该理论需要用新的概念和理论来进一步完善。 ( 3 ) 生物学解释：2 0 世纪8 0 年代后期，人们曾多次观察到在明显好氧段的活性污泥法 中存在脱氮现象，并证明了好氧反硝化菌的存在，如t p a n t o t r o p h o 、p s e u d o m o n a ss p p 、 a l c a l i g e n e sf a e c a l i s 、t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 等【4 1 4 2 1 ，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝 化菌，而传统上的硝化菌是化能自养型的。这样，这类细菌就可将氨在好氧条件下直接 转化成气态产物。该理论逐渐被人们所广泛接受。 同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn 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 ，简称s n d ) 理论即是 在上述理论的基础上发展起来的。s n d 是在一定范围的有氧条件下，以驯化得到高性能 的反硝化菌群，在同一反应器实现同时硝化反硝化过程，进而实现生物脱氮。现同步 硝化反硝化，较之其他脱氮工艺与方法，除具有明显优势： 与传统的生物脱氮工艺相比，实现s n d ，硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的 底物，避免了硝化产物的积累，大大加速了硝化反应的速度，缩短脱氮过程的停留时 间；反硝化反应中所释放出的碱度可部分补偿硝化反应所消耗的碱，能使系统中的p h 值相对稳定；硝化反应和反硝化反应可在相同的条件和系统下进行，简化了操作的难 度； 通过该方法，还可有效简化生物脱氮工艺，并提高脱氮效率，减少污泥生成量，从 而节省投资、提高处理效率。同步硝化反硝化理论为今后简化生物脱氮技术并降低投 资提供了可行性。 序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究 第二章本论文项目来源 本论文依据水质监测中心、门城污水公司的技术委托项目门城污水公司生化污 泥菌群改良及s b r 处理工艺的改进以及北京教育委员会科技发展计划面上项目( 同 时硝化反硝化( s n d ) 工艺研究及在中水中的应用项目编号：l ( m 2 0 0 4 1 0 0 1 1 0 0 7 ) ，分别 进行实验室小型实验和现场中型实验，实现城市生活污水达标排放及脱氮目的。 2 1 项目简介 门头沟污水处理厂是北京市远郊区县最大的污水处理厂，设计日处理污水能力4 万吨，2 0 0 2 年1 0 月开工建设，工程占地面积1 0 5 0 0 m 2 ，建筑面积2 6 2 6 m 2 ，污水处理 面积1 4 平方公里，是门头沟第一家规模化、现代化的污水处理厂。 该污水处理厂收集、处理门城地区的生活污水。工程运行分为预处理、生物处 理、污泥处理和除臭工艺4 个部分，生物处理工段采用c a s s 工艺，运行周期为 4 h ，每周期排水体积比为1 4 ；每天运行6 周期；生化池m l s s = 4 2 0 0 m g l ， m l v s s = 2 3 4 0 m g l ，s v = 4 7 2 ，污泥指数= 1 1 8 9 ，泥龄为3 5 d 。污水经过处理 后，直接排入永定河渠道，要求水质达到国家一级b 排放标准。 调试运行一段时间后，只实现了部分生化作用，硝化、反硝化能力比较弱，进出 水水质具体数据如表2 1 。 表2 - 1 门城工程运行效果基本数据( 单位：r a g l ) 2 1 1 进水水质分析 中试阶段时间为2 0 0 7 年5 月2 9 日 - 2 0 0 7 年9 月5 日，此期间该厂进水水质部分 数据如表2 - 2 。 1 2 北京工商大学硕士学位论文 表2 - 2门城生活污水部分进水水质情况 注：7 月底8 月初，由于。f 雨等原因导致进水浓度偏低 从以上数据可以看出，此期间，该生活污水进水c o d c f 浓度范围为1 2 7 - 5 2 4 m g l ，氨氮浓度范围为1 8 5 9 6 9 m g l 左右，水质波动较大。 其中，浓度偏低时间段主要集中在七月底、八月初，此期间由于降水量较大，进 水被稀释。进水c o d c ，平均浓度为3 6 7 m g l ，进水氨氮平均浓度为7 1 3 m g l ，进水 t n 平均浓度为9 4 5 m g l ；c o d c d t n 仅为3 8 8 ，属于低c n 比废水。 各月份期间水质平均情况见表2 3 。 序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究 表2 - 3 门城污水处理厂各月份迸水水质平均情况( r a g l ) 注：标注数据由于仪器出现问题，导致测定值偏高 由上表6 可以看出，各月份c o d e r 平均值接近，分别为3 5 6 m g l 、3 8 2 m g l 、 4 2 1 m g l 、波动偏差r 仅为1 5 4 ( 计算方法：r = ( 最大值一最小值) 最大值) ；但 从各月份的最高值和最低值来看，各月进水c o d e r 波动比较大，波动最大时( 7 月 份) 两者相差5 3 4 倍。各月份进水氨氮平均值接近，但t n 平均值相差两倍。 2 1 2 水质排放标准 门头沟污水处理厂出水水质要求达到国家一级b 排放标准，相关排放标准见g b 1 8 9 1 8 - 2 0 0 2 城镇污水处理厂污染物排放标准。水体主要污染物排放标准见表2 - 4 。 表2 4 基本控制项目最高允许排放浓度( 日均值) ( 单位：n a g l ) 注：上表中，一级标准分为a 标准和b 标准，a 标准是城市污水处理厂出水作为回用水的基本 要求；城镇污水处理厂出水排入g b 3 8 3 8 地表水i i i 类功能水域( 划定的饮用水水源保护区和游泳区 除外) 、g b 3 0 9 7 海水二类功能水域和湖、库等封闭或半封闭水域时，执行b 标准。 括号外数值为水温大于1 2 时的控制指标，括号内数值为水温不高于1 2 。c 时的控制指标。 1 4 北京工商大学硕士学位论文 2 2 研究意义 城市生活污水排放已成为区域性水环境的重要污染来源，据2 0 0 3 年中国环境状况 公报，全国工业和城镇生活废水排放总量为4 6 0 0 亿吨，其中城镇生活污水排放量 2 4 7 6 亿吨，占总排放量的一半以上。但是城市污水处理厂在调试以及运行阶段，经常 会出现出水水质不达标的情况，原因很多，例如由于硝化菌生长周期长导致硝化过程 不容易实现，以及由于生活废水c o d c d n 较低导致脱氮效率不高等。 为满足城市污水处理厂出水达标排放并稳定运行，本论文根据城市生活污水的特 点，分别进行实验室小试和现场中试，因地制宜地开发出一套脱氮污泥驯化新方法， 对城市生活污水得到全面治理具有一定的指导意义。另外，本研究通过曝气量参数控 制实现工艺节约能耗；通过投加碳源、碱度调节等因素的经济可行性分析，为本研究 的经济可行性提供依据。通过投加高性能反硝化菌种进行污泥菌群构建，为提高生活 污水脱氮效果开拓一个新的研究方向。 本研究对推动城市污水的全面处理，以及城市可持续发展具有一定意义。 2 3 研究创新点 许多p h 偏低的生产废水，如养猪废水和豆制品废水等需要投加碱度调节系统 p h ，以促进硝化过程实现，少有将碱度投加进生活污水以研究对硝化过程的影响；另 外，生活污水反硝化脱氮受碳源不足因素的严重抑制，投加碳源能否提高t n 去除率? 效果如何? 本论文通过现场中试实验，分别分析碱度投加对硝化过程实现的影响，以 及碳源投加对反硝化过程的影响，对改善城镇污水处理厂运行具有实际指导意义。 另一方面，微观菌群构建提高废水运行效果是近年来研究的新方向，有些研究报 道已将专属菌群投加处理某些特殊废水，工程应用上已将嗜油菌应用于含油废水。本 论文通过将高性能好氧反硝化菌种投加进普通活性污泥体系，构建高性能脱氮活性污 泥，拟用于生活污水的脱氮处理，初步分析菌种投加对提高t n 去除的可行性。 2 4 研究内容 基于序批式反应工艺以及同步硝化反硝化理论，首先进行实验室小试，实现同步 硝化反硝化；在小试的基础上进行现场中试，以指导实际工程运行。主要内容如下： 序批式反应器实现生活污水同步硝化反硝化及菌群构建研究 ( 1 ) 实验室小试： 采用生化硝化反硝化过程分步实现的方法，进行实验室s b r 小试，建立一套高 效稳定的脱氮污泥驯化方法。 在s b r 小试实现s n d 脱氮的基础上，进行p h 、曝气量、水质波动、有机物对氨 氮去除的影响等因素研究，以指导现场中试运行。 ( 2 ) 现场中试： 根据实验室s b r 小试结果指导现场中试运行，进一步驯化高效完善、适应性强的 复合菌群。进行操作运行参数摸索，完成现场三个月运行，建立一个完整的、有效的 驯化方法和运行方式。 在中试基础上进行水力停留时间、曝气时间优化、碳源、碱度投加及经济可行性 分析等，实现对工程运行的指导。 ( 3 ) 高性能茵群构建处理含氮废水： 通过菌群构建方法，将高性能好氧反硝化菌投加进模拟含氮废水，实现微观方法 提高t n 去除率的可能。 1 6 北京工商大学硕士学位论文 3 1 研究目的 第三章实验室小试研究 水环境污染和水质富营养化问题的尖锐化使污水的氮、磷排放标准越来越严格。本 实验部分以人工配制生活