（环境工程专业论文）循环流环型生物脱氮除磷工艺的试验与应用研究.pdf

摘要 摘要 随着我国水域的氮磷污染日益严重，水体的富营养化日趋明显，不断改进 和完善脱氮除磷工艺，提高处理城市生活污水的效果，已成为水处理研究人员 的重要研究方向之一。选取江苏省泰州市某纺织染厂内厂区生活污水为研究对 象，结合具体的工程实例，本课题提出了循环流环型生物脱氮除磷工艺并对处 理城镇生活污水进行了系统的研究，为该改良工艺的研究、推广和应用起到一 定的示范作用。 本课题通过改变传统a 2 o 工艺的池型和水流流态，使其兼有氧化沟工艺及 传统a 2 o 的特点，在满足a 2 o 处理工艺及效果的前提下，具有池型结构简单、 运行管理灵活方便、抗冲击负荷及节省能耗等特点。 试验过程中，观察了启动调试及正常运行过程中微生物的生长和发展规律； 系统的研究了水力停留时间、污泥浓度、溶解氧、温度等因素对污水处理效果 的影响；研究了污泥浓缩池对系统运行的影响。 试验研究结果表明：较合适的水力停留时间为1 0 , - , 1 4 小时，污泥浓度需控 制在2 0 0 0 m g l 以上，好氧段溶解氧浓度控制在2 - - 4 m g l 之间效果较好；水温低 于1 5 时，会对系统的运行产生不利的影响。设置污泥浓缩段后，通过降低污 泥回流量，可以相对提高进水水质的有机物浓度，提高生物反应速率，同时由 于污泥回流量降低，减少了硝酸盐氮对释磷的干扰，提高系统的脱氮除磷能力， 试验表明：在水力停留时间1 2 小时，污泥回流比5 0 工况条件下，有机物去除 达9 1 0 ，氨氮去除率达8 0 3 ，总氮去除率达6 1 5 ，总磷去除率达7 7 1 。 根据试验数据，对工艺的反应动力学方面进行了分析探讨，结合物料平衡 及数学模型，对主要污染物的反应进程进行了深入分析。分析表明，缺氧段可 以产生硝化反硝化的反应：低温条件下，好氧段硝化速率偏低而使系统对氨氮 去除率有下降的趋势，而兼氧段在一定程度上可以平衡该下降趋势；较长的反 应时间和过低的反应温度会使厌氧段生物释磷浓度、好氧段生物吸磷浓度有降 低的趋势，出水总磷浓度有增加的趋势；在适宜范围内，污泥浓度对除磷的影 响不大。对于低浓度城镇污水，厌氧段反应时间取值1 o h 左右；宜适当延长兼 摘要 氧段的反应时间，局部设置空气流量可灵活调整的充氧设施，d o 浓度可控制在 0 5 m g l ；好氧段的容积仅与流量、浓度、反应速度相关，而与内外回流比无关， 反应时间宜大于7 h ：当反应温度较高或对出水水质要求较宽松时，反应时间可 进一步缩短。另外，引入污泥浓缩段后，系统的脱氮除磷之间对碳源的矛盾可 得以缓解，缺氧段的硝化反硝化反应速率显著提高，从而使总体反应时间有可 进一步优化的趋势。 结合工程实践数据，对工艺的水力学方面作了研究分析。结果表明，各段 内的水流均会呈现出较为明显的边壁湍流扩散现象和二次流动现象，对混合搅 拌所起的影响是积极的；好氧段池型采用循环推流型式会有利于缓解充氧与搅 拌的矛盾、提高充氧效率、进一步加强传质作用、提高池容的利用率等优点。 生产性试验结果表明，环状循环池型的水流传质作用明显、流速分布合理、不 易产生积泥现象、水头损失较小、推流能耗较低等特点。结合水力学分析，对 系统的不足之处提出了相应的改进措施。借鉴弯道水流理论，结合氧化沟水力 计算方法和局部阻力相邻影响的原理，可以推算出相应的推动能耗并完成潜水 搅拌机的选型设计。分析表明，对于中等规模的污水处理厂，各段的能量密度 可按铷5 、1 0 、0 5 1 0 w m 3 。 对循环流环型生物脱氮除磷工艺工程应用进行了分析，与目前较为流形的 传统a 2 o 工艺进行了对比，采用循环流环型生物脱氮除磷工艺显示出十分明显 的优势，可节省能耗达3 0 以上，而在工程投资上也略低。工程实践表明：循 环流环型生物脱氮除磷工艺具有极强的抗水力冲击负荷以及有机冲击负荷的能 力，对工业污水的集中处理同样适用。工程应用上，循环流环型生物脱氮除磷 工艺可以实现一体化，即将污泥浓缩池、沉淀池等构筑物与生化池合建，具有 更好的竞争优势。 关键词：循环流，脱氮除磷，组合工艺，水力学分析，基质降解动力学 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o nt oi m p r o v ea n du p d a t et h ed e n i t r i f i c a t i o n a n dd e p h o s p h o r i z a t i o np r o c e s si no r d e rt oe n h a n c et h et r e a t m e n te f f e c to fm u n i c i p a l d o m e s t i cw a s t e w a t e rc o n s i d e r i n gt h es e r i o u sp o l l u t i o no fna n dpa n de u t r o p h i c a t i o n i nw a t e rb o d yi no u rc o u n t r y c o m b i n i n gw i t hs p e c i f i ce n g i n e e r i n g ，t h et h e s i sp r e s e n t s c i r c u l a t i v ec h a n n e lf l o wp r o c e s so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ( c c f p ) f o r d o m e s t i cw a s t e w a t e rf r o mas p i n n i n gd y ew o r k si nt a i z h o uc i t yi nj i a n g s up r o v i n c e s t h ea p p l i c a t i o no fc c f pi nt r e a t m e n to fm u n i c i p a ld o m e s t i cw a s t e w a t e rw a s t h o r o u g h l ys t u d i e dt o o ，w h i c hp r o v i d ed e m o n s t r a t i o nf o rt h er e s e a r c h ，p o p u l a r i z a t i o n a n da p p l i c a t i o no ft h i sp r o c e s s c c f pi sb a s e do nt r a d i t i o n a l 心0p r o c e s s 。w h i l ef l o w i n gt y p ea d o p t s c i r c u l a t i v ec h a n n e lf l o wa sc o n t i n u o u sl o o pr e a c t o r ( c l r ) t h ep r o c e s sh a st h e o p p o r t u n i t yo fs i m p l i f i e dc o n s t r u c t i n g ，e a s yf o rm a n a g e m e n t a n do p e r a t i o n ，a n dl o w e n e r g yi n p u t s t h eg r o w i n ga n dd e v e l o p i n go fm i c r o o r g a n i s m w a so b s e r v e d t h r o u g h e x p e r i m e n t s t h ee f f e c t so nt h ew a s t ew a t e rt r e a t m e n tb yh r t , s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ， d o ，t e m p e r a t u r ee t c a n dt h ee f f e c t so np r o c e s so p e r a t i o nb ys l u d g et h i c k e n e rw e r e a l s os t u d i e d t h ep i l o tt e s ts h o w st h a ti nt h ec o n d i t i o no f h r ta t1 啦! 4 ks l u d g e c o n c e n t r a t i o na b o v e2 0 0 0 m g la n dd oa t2 - - 4 m g li na e r o b i ct a n k , t h et r e a t m e n t r e s u l ti ss a t i s f i e d a f t e rt h es e t t i n go fs l u d g et h i c k e n e r , t h ef o l l o wp u r p o s e st h r o u g h d e c r e a s eo fq u a n t i t yo fs l u d g er e f l u xc a nb ea c h i e v e d ：t h ei n c r e a s eo fo r g a n i c c o n c e n t r a t i o ni ni n f l u e n t ，q u i c k e no fb i o - r e a c t i o n ，d e c r e a s e o ft h ee f f e c t so n p h o s p h o r u s r e l e a s eb yn 0 3 。- n ，i m p r o v e m e n t o ft h e d e n i t r i f i c a t i o na n d d e p h o s p h o r i z a t i o ni nt h es y s t e m t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a ti nt h ec o n d i t i o no fh r ta t 1 2 h a n ds l u d g er e f l u xr a t i oa t5 0 ，t h er e m o v a lr a t i oo f o r g a n i c i s9 1 0 ，t h er e m o v a l o fn h 3 - nr e a c h e s8 0 3 ，t h er e m o v a lo ft nr e a c h e s61 5 a n dt h er e m o v a lo ft p r e a c h e s7 7 1 t h er e a c t i o nk i n e t i c so ft h ep r o c e s sw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l ts h o w st h a t i i i a b s t r a c t 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 f i f i c a t i o na p p e a r e di na n o x i cp h a s e t h el o wn i t r i f i c a t i o n r a t ei na e r o b i cp h a s ed u et ol o ww a t e rt e m p e r a t u r ec a i lr e s u l ti nt h ed e c r e a s et r e n do f r e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 3 - n ，b u tt h ed e c r e a s et r e n dc a nb ed e c e l e r a t e di nac e r t a i n e x t e n t t h el o n gr e a c t i o nt i m ea n de x t r e m e l yl o wr e a c t i o nt e m p e r a t u r ew i l ll e a dt ot h e d e c r e a s et r e n do fpc o n c e n t r a t i o ni na n a e r o b i cp h a s e ，a n dt h ei n c r e a s et r e n do ft pi n e f f l u e n t s l u d g ec o n c e n t r a t i o ni np r o p e rr a n g eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo np h o s p h o r u s r e m o v a l i ti sr e c o m m e n d e dt h a tt h er e a c t i o nt i m es h o u l db e1 o hi na n a e r o b i cp h a s e f o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e r , a n dt h er e a c t i o nt i m ei na n o x i cp h a s eb ee x t e n d e da n da i r i n p u t t i n gf a c i l i t yb eu t i l i z e dt oc o n t r o ld o a t0 5 m g l t h ev o l u m eo fa e r o b i cp h a s e c o r r e l a t e sw i t hf l o wr a t e ，c o n c e n t r a t i o na n dr e a c t i o nr a t e , b u th a v el e s sr e l a t i o n s h i p s w i t hr e f l u x t h er e a c t i o nt i m es h o u l de x c e e d7 hi na e r o b i cp h a s e w h e nt h er e a c t i o n t e m p e r a t u r ei sh i 曲o rl e s sr e q u e s tt oq u a l i t yo fe f f l u e n t ，t h er e a c t i o nt i m ec a nb e f u r t h e rs h o r t e n e d w h e ns l u d g et h i c k e n e rb e i n gi n s t a l l e d ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n d e n i t r i f i c a t i o na n dd e p h o s p h o r i z a t i o nc a nb er e l e a s e d ，a n dt h a tm e a n st h er e m a r k a b l y e n h a n c e m e n to ft h es 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 nr e a c t i o n r a t ea n dt h e p o s s i b i l i t yt os h o r t e nt h et o t a lr e a c t i o n t i m e c o m b i n i n gw i t he n g i n e e ra c t u a ld a t a ，t h eh y d r a u l i c so fc c f pw a si n t r o d u c e d t h er e s u l ts h o w st h a to b v i o u sw a l le f f e c ta n dt h es e c o n d a r yf l o wa p p e a r e di nv a r i o u s p h a s e s ，w h i c hh a v ep o s i t i v ei n f l u e n c eo nm i x i n g t h ea e r o b i cp h a s eh a sa d v a n t a g e s w h e na d o p t i n gc i r c u l a t i v ec h a n n e lf l o w , w h i c hc a l lr e l e a s et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n o x y g e n a t i n ga n dm i x i n g ，i n c r e a s eo x y g e n a t i n ge f f i c i e n c ya n di m p r o v et h ev o l u m e a v a i l a b i l i t y t h er e s u l t so fi n d u s t r i a le x p e r i m e n t a t i o ns h o w ：a d v a n t a g e so fc c f pa r e o b v i o u sl e a d i n gt og o o dm i x t u r ee f f e c t s ，r e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y , l e s s s e d i m e n t a t i o no fs l u d g e ，l e s sh e a dl o s sa n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o no f p l u gf l o w t h e i m p r o v e m e n tm e a s u r e sf o rd e f i c i e n c yo ft h ep r o c e s sa r ep r e s e n t e db ya n a l y s i s r e f e r r i n gt oh y d r o d y n a m i c st h e o r yo f b e n df l o w , h y d r a u l i cc a l c u l a t i o np r o c e d u r eo f o x i d a t i o nc h a n n e la n dt h e o r yo ft h ei n t e r a c t i v ee f f e c to fl o c a ll o s s ，e n e r g yf o rp l u g f l o wc a nb ed e d u c e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e n s i t yo fe n e r g yc a nb e4 5 ，1 o ， 0 5 。1 0 w m 3 r e s p e c t i v e l yf o rt h et h r e ep h a s e so f am i d d l e s c a l ew m t h ea c t u a la p p l i c a t i o no fc c f pi sa l s oa n a l y z e d c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a l a 2 o ，c c f pc a nd e c r e a s em o r et h a n3 0 e n e r g yc o n s u m p t i o na n d a l s oh a v el o wc o s t i v a b s t r a c t t h er e s u l t so fa c t u a ia p p l i c a t i o np r o v et h a tc c f p p r o c e s sc a ne f f e c t i v e l yr e s i s t a n tt h e h y d r a u l i ci m p a c tl o a da n do r g a n i ci m p a c tl o a d ，w h i c hc a na l s ob eu s e di nc e n t r a l i z e d p r o c e s s i n go fi n d u s t r i a lw a s t ew a t e r w h e nu s e di ne n g i n e e r , c c f pp r o c e s sc a nb e i n t e g r a t e d ，n a m e l y , p u tt h es l u d g et h i c k e n e r , s e d i m e n tt a n ke t c w i t ht h eb i o - r e a c t i o n t a n kt o g e t h e r , w h i c hc a nb r i n gm o r ec o m p e t i t i v ea d v a n t a g e s k e yw o r d s ：c i r c u l a t i v ef l o w , b e n df l o w , c o m p a c tp r o c e s s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a l ，h y d r o d y n a m i c sa n a l y s i s ，r e a c t i o nk i n e t i c s v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： l 慨镌 俨舌年3 月舌日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济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 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：慨献 为年5 月日 第1 章脱氮除磷工艺的研究进展及课题背景 第1 章脱氮除磷工艺的研究进展 1 1 概述 我国的水资源日益受到水体污染的严重威胁，城市污水和工业废水不断排 入大水体，造成了我国主要江河湖泊面临着水质不断恶化的危险，水体的污染 及富营养化也越来越成为我国发展经济的瓶颈。目前，我国各个城市对水环境 的改善日益重视，对污水处理的要求不断加强。 城市污水处理厂在处理城市生活污水和生活污水及工业废水的混合废水 时，常常需要考虑氮磷的去除，以防止水体的富营养化。城市污水有机物及氮 磷污染的主要特点为：使水体出现缺氧，导致水体水质恶化黑臭；使水体中有 毒有害物质增加，造成水中生物的大量死亡；给水体带来大量病原菌、寄生虫 卵及病毒等；造成水体重金属富集，并可由水中生物转移至人体；氮磷污染物 含量过多，会引发藻类大量繁殖，促进水体的富营养化进程，加快湖泊水体的 老化程度。因而当对城市污水进行处理时，有机物、氮、磷的去除是主要考虑 指标。1 1 2 1 目前，城市污水的脱氮除磷工艺主要包括s b r 、氧化沟、a 2 o 及a b 法等。 有些工艺在近几年中都有了较多的发展和改进，如s b r 工艺中出现了i c e a s 、 c a s s 、u n i t a n k 及m s b r 法等；氧化沟工艺中出现了t 型、d e 型、d t 型、b o a t 型、p a s v c c l 、c a r r o u s e l 、o r b a l 氧化沟等：这些工艺在去除水体中有机物的同时， 兼顾了氮、磷的去除，有着较好的处理效果。 a 2 o 工艺是主要的处理工艺之一，与氧化沟工艺和s b r 工艺的不断革新相 比，a 2 o 工艺显得相对保守。在近些年来，出现了一些改良的a 2 o 工艺，如 u c t 工艺、倒置型a 2 o 工艺、取消混合液回流的a 2 o 工艺、a + a 2 o 工艺、 t r i z o n 工艺、a o 除磷活性污泥法等。这些工艺或是取消混合液回流，加大污 泥回流比，或是增设污泥活化池，或是改变厌氧池和缺氧池的进水顺序，解决 或部分解决了传统a 2 幻工艺的固有缺陷。 第1 章脱氮除磷工艺的研究进展及课题背景 1 2 脱氮除磷技术的原理 污水的脱氮除磷技术主要可以归纳为物理法、化学法、生物法等。这些方 法各有不同的使用范围，在工程的实际应用当中，常常采用生物法或物化生物 相结合的方式实现脱氮除磷的目的。3 4 3 1 2 1 物理化学法脱氮 常用于去除氨氮的物理化学方法有吹脱法、折点加氯法和离子交换法。主 要用于工厂内部的治理，对于城市污水处理厂很少采用。 1 2 2 化学法除磷 化学法是最早采用的一种除磷方法。可以分为混凝沉淀除磷技术和晶析法 除磷技术，以前者应用最为广泛。混凝除磷方法是使磷成为不溶性的固体沉淀 物，从污水中分离出去；以磷酸盐能和某些化学物质如铝盐、铁盐、石灰等反 应生成不溶的沉淀物为基础进行的，这些反应常有伴生反应，产物具有絮凝作 用，有助于磷酸盐的分离。化学法的特点是磷的去除效率高，处理结果稳定， 污泥在处理和处置过程中不会重新释放磷而造成二次污染，但污泥产量比较大。 1 2 3 生物法脱氮 1 2 3 1 生物脱氮基本原理 生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化n 2 和n x o 气体的过 程。其中包括氨化、硝化和反硝化等反应过程。 氨化作用是指含氮有机物经微生物降解释放出氨的过程。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氨的微 生物称为氨化微生物。氨化作用无论在好氧还是厌氧，中性、酸性还是碱性环 境中都能进行，只是作用的微生物种类不同、作用的强弱不一。由于氨化反应 速度很快，在一般的生物处理设备中均能完成，通常在生物脱氮工艺中不将其 作为控制步骤。 硝化作用是指n h 3 氧化成n 0 2 ，然后再氧化成n 0 3 的过程。硝化作用由两 类细菌参与，亚硝化菌k 其中常见的是亚硝化单胞菌( n i t r o s o m o n a s ) 习将n h 3 2 第1 章脱氮除磷工艺的研究进展及课题背景 氧化成n 0 2 ；硝化杆菌( n i t r o b a c t e r ) 将n 0 2 - 氧化为n 0 3 。它们都能利用氧化 过程释放的能量，使c 0 2 合成为细胞有机物质，是一类化能自养细菌。硝化作 用的程度往往是生物脱氮的关键。 如果不考虑硝化过程中硝化细菌的增殖，硝化过程的氧化反应式为： n h ；+ 1 5 d 2 墅| ! 堕茑n o ；+ h 2 0 + 2 h + n o ；+ o 5 d 2 塑墼堕，n o ； 总反应式为： ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 删+ 2 0 2 型塑量n o ；+ 2 h + + 2 0 1 根据式( 1 3 ) 计算，氧化1 9 n i - h + - n 为n o a 一- n ，共需要氧4 5 7 9 。此外，硝化 反应的结果还会使环境的酸性增强。 为了要达到硝化的目的，应采用低负荷运行，延长曝气时间，增加污泥的 停留时间( s o l i dr e s i d e n c et i m e ，简称s r t ) ，亦即污泥的泥龄。为了使硝化菌 菌群能在连续流的系统中生存下来，系统的s r t 必须大于自养性硝化菌的最小 s r t 。由于硝化菌是一类自养菌，有机基质的浓度并不是它的生长限制因素；相 反，硝化段的含碳有机基质浓度不可过高，b o d 5 一般应低于2 0 m g l 。若有机 基质浓度高，会使生长速率较高的异养菌迅速繁衍，争夺溶解氧，从而使自养 性的生长缓慢且好氧的硝化菌得不到优势，结果降低了硝化速率。 反硝化作用是指硝酸盐和亚硝酸盐被还原为气态氮和氧化亚氮的过程。参 与这一过程的菌称为反硝化菌，大多数是异养的兼性厌氧细菌。 生物反硝化的总反应式如下： n 0 2 一+ 3 h ( 电子供体有机物) 一0 5 n 2 + h 2 0 + o h -( 1 4 ) n 0 3 一+ 5 h ( 电子供体有机物) _ 0 5 n 2 + h 2 0 + o h -( 1 5 ) 在硝化作用过程中耗去的氧能被回收并重复用到反硝化过程中，使有机基 质氧化。因此，在废水处理中如何合理地利用反硝化技术来达到去碳、脱氮， 并最大可能地减少动力消耗便成为当前国内外重点研究的课题。 影响反硝化细菌的活性的环境因素主要有碳源及其浓度、氧的浓度、p h 值 等。般认为，污水生物脱氮时，当反硝化反应器污水的b o d s 厂r k n 值大于4 - - 6 时，可以认为碳源充足；当反硝化所需碳源不足时，需要夕t - ；0 n 碳源( 如甲醇或 3 第1 章脱氮除磷工艺的研究进展及课题背景 乙酸盐等) ；在设计规范中巧1 ，要求b o d 5 ：t k n 宣大于4 。在悬浮污泥系统中， 硝酸盐浓度对反硝化活性影响极小，一般认为，硝酸盐浓度只要超过0 i m g l 即 对反应速率无影响。氧抑制硝酸盐还原的机制为：阻抑硝酸盐还原酶的形成， 或者仅仅充当为电子受体从而竞争性地阻碍了硝酸盐的还原；一般认为，在悬 浮污泥反硝化系统中，缺氧段溶解氧应控制在o ，5 毫克升以下。低温会使反硝 化细菌的繁殖速率降低，此外温度的降低也会使菌体代谢速率降低，从而降低 了反硝化的速率；反硝化最合适的温度为2 0 3 5 ，低于1 5 反硝化速率明显 降低，在5 以下时反硝化速率极低。反硝化过程的最适宜p h 为7 0 7 5 ，不适 宜的p h 影响会反硝化菌的增殖和酶的活性；当p h 低于6 0 或高于8 0 时，反硝 化反应受到强烈抑制；反硝化过程中会产生碱度，这有助于把p h 控制在所需范 围内，并补充在硝化过程中消耗的一部分碱度。 1 2 3 2 生物脱氮机理研究与工艺发展进展 传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化反应分 别由硝化菌和反硝化菌作用完成。由于对环境条件的要求不同，这两个过程不 能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应 发生在缺氧条件下。由此而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区与好氧区分 开，形成分级硝化反硝化工艺，以便硝化与反硝化能够独立地进行。 近年来的许多研究表明【6 】【7 】：硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可 以进行硝化作用；反硝化不只在缺氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下 进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌( 如t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a ，泛养硫球菌) ，并能把n h 4 + 氧化成n 0 2 一后直接进行反硝化反应。 到目前为止，根据生物脱氮方面的研究新成果，微生物对氮素的分解和转化途 径总结于下图中【g 】。 4 第1 章脱氮除磷工艺的研究进展及课题背景 反硝化作用 t |、一 同化作用 i 丫 、 i ；、 量耋篓量篓臣硝化 h t n 0 27 = = ： - a 、m l l l 1 m 一 l g - n n ：三o 、 厌氧氨氧化 ：l ；、一一 i 、 异养硝化菌反硝化 ：i 1 1 ：2 了、 。一肃、义 、 s j 7 ，n h 2 0 h ! n 2 h 44 - - - i 、 f i g 1 1 p o s s i b l em i c r o b i a ln i t r o g e nc o n v e r s i o n s 近2 0 多年来对氮转化的生物学研究，突破了传统的生物硝化与反硝化理论， 揭示了微生物对氮素利用方式的多样性以及为适应环境的可变性，为污水生物 脱氮技术提供了全新的理论与解决途径。生物脱氮技术在概念和工艺上的新发 展主要有：同时硝化反硝化( 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 ) 、短程( 或简捷) 硝化反硝化( 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 ) 、厌氧氨氧 化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，简称a n a m m o x ) 、氧限制自养硝化反硝 化( o x y g e nl i m i t e da u t o t r o p h i en i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t o n ，简称o l a n d ) 和好氧 反氨化( a e r o b i cd e - a m m o n i f i e a t i o n ) 。 ( 1 ) 圆盟硝丝厦硝丝( 墨迪1 自从r o b e r t s o n 和k u e n e n 首先在实验室中观察到在氧气存在的条件下发生 了反硝化现象后，国内外的研究者先后证实了同步硝化反硝化的存在，尤其是 有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的生物处理系统，如生物转盘、 s b r 、氧化沟、c a s t 工艺等。s n d 是指硝化和反化过程在同一反应器中同时进 行，它是由于好氧系统中污泥絮体内部缺氧产生的。 近十余年来，在不少污水处理工艺的实际运行中发现了同时硝化反硝化现 象。所谓同时硝化反硝化现象，就是硝化反应和反硝化反应在同一反应器中、 相同操作条件下同时发生。与传统的脱氮工艺相比，s n d 工艺从理论上具有明 显的优越性，主要表现在：工艺流程简单、反应器体积小：反硝化反应产 生的碱度可及时补充部分硝化反应所消耗的碱度；缩短反应时间。 5 一 一 一 一 一一 第1 章脱氮除磷工艺的研究进展及课题背景 研究表明，影响s n d 的主要因素有：d o 、碳源、活性污泥絮体大小、o r p 等。 d o 是影响同步硝化反硝化的一个主要限制因素。硝化是在好氧条件下发生 的，而反硝化是在缺氧或厌氧条件下发生的，但在对d o 实行控制的条件下，可 同时在生物膜或污泥颗粒的不同部位形成好氧区和缺氧区，这样便具有了实现 s n d 的条件。如果d o 相对较高，氧的穿透能力较强，所以在菌胶团内部形成 的缺氧区较小或只能在较少数的菌胶团内部形成较小的缺氧区，反硝化能力不 是太强。另外如果d o 太高，好氧区的异养好氧菌活性很强，能将有机物进行快 速彻底的降解，所以即使在部分污泥絮体的内部能形成缺氧区，也会由于有机 物的供应不足而降低反硝化能力。反之，如果d o 相对较低，在菌胶团内部能形 成较大面积的缺氧区，但降低了c o d 的去除和氨氮的氧化，虽然反硝化能力得 到增强，但还是降低了总氮的去除率 9 1 。 z h a oh w 等人通过总氮平衡的计算发现【l 们，总氮去除中归功于同时硝化反 硝化的占1 0 5 0 。另外，较短的曝气循环周期有利于s n d 的发生，厌氧段加 入碳源可以同时增强硝化和反硝化作用。p o c h a n a 等人认为】，生物易降解碳源 的投加和活性污泥絮体体积的增加均可引起s n d 效率的显著加强。试验结果表 明：活性污泥絮体平均粒径由4 0 r t m 变为8 0 岬时，s n d 贡献率由2 1 增为5 2 。 此外，反应器液相主体的d o 浓度在一定范围内增加会呈线性关系抑制s n d ， 但d o 浓度增至o 8 m g l 时，其线性关系不明显。 反硝化需要消耗一定量的有机碳源，而废水成分不同，其可生化性不同， 从而导致反硝化速率和最佳碳氮比不同。有机物浓度过高对脱氮不利，系统将 发生“碳穿透 现象( c a r b o nb r e a k t h r o u g h ) ，即过多的碳源阻碍了硝化作用的 进行。胡宇华【1 2 】得出的同步硝化反硝化c ：n ：p 的最佳范围是( 6 0 1 4 0 ) ：5 ：1 ，保证 9 9 5 的氨氮去除率的有机碳源浓度为4 0 0 1 0 0 0 m g l 。实验者还研究了碳源投 加方式对s n d 的影响，发现采用多次分批补料相对于一次性给料更为合理【1 3 】。 微生物絮体结构也直接影响了污泥絮体内部好氧区与缺氧区比例的大小和 絮体内部物质的传质效果，进而影响微生物对d o 和底物获取的难易程度。体 积较大的污泥颗粒增加了缺氧微环境的比例，结构密实的污泥颗粒的传质阻力 大。水中的有机碳源很难渗透至这样的污泥絮体内部，处于内部的微生物难以 6 第l 章脱氮除磷工艺的研究进展及课题背景 接触到碳源，影响同步反硝化。因此，只有颗粒大小、密实度适中的污泥才能 保证d o 和有机碳源在污泥絮体内部的分布有利于同步硝化反硝化【1 4 1 。 从温度来讲，1 0 , - 2 0 时硝酸菌较为活跃；2 0 - - , 2 5 时，硝酸菌活动减弱，而 亚硝化反应加快，2 5 时达到最大。高于2 5 后，游离氨对亚硝酸菌的抑制较 为明显。p h 是影响废水生物脱氮处理工艺运行的一个重要因子。由于硝化菌反 应的最适p h 为8 肛8 4 ，而反硝化菌反应的最适p h 为6 5 8 o ，所以应根据废 水中的碱度情况适当地调整，并保持p h 值在8 0 左右。另外，系统碱度、游离 氨浓度( f a ) 、羟胺浓度( f h ) 等因素都会对同步硝化反硝化产生影响。通过控制 这些影响因素便可以控制同步硝化反硝化效果四，。 目前，对s n d 生物脱氮的机理还需进一步地加深认识与了解，但已初步形 成了三种解释：即宏观环境解释、微环境理论和生物学解释哺川羽。 宏观环境解释认为，由于生物反应器的混合形态不均，可在生物反应器内 形成缺氧及( 或) 厌氧段，此为生物反应器的大环境，即宏观环境。例如，在生物 膜反应器中，生物膜内可以存在缺氧区，硝化在有氧的膜上发生，反硝化同时 在缺氧的膜上发生。类似的如生物转盘、s b r 反应器及氧化沟等。事实上，在 生产规模的生物反应器中，整个反应器均处于完全均匀混合状态的情况并不存 在，故s n d 也就有可能发生。 微环境理论则是从物理学角度加以解释的，目前已被普遍接受。微环境理 论认为：由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生d o 梯度从而导致微环境的 s n d 。微生物絮体的外表面d o 较高，以好氧硝化菌为主；深入絮体内部，氧传 递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧区，反硝化菌占优势。可见，微生物絮 体内的缺氧环境是形成s n d 的主要原因，而缺氧环境的形成又有赖于水中d o 浓度的高低以及微生物的絮体结构。因此，控制d o 浓度及微生物絮体的结构对 能否进行s n d 至关重要。 生物学的解释有别于传统理论。近年来，好氧反硝化菌和异养硝化菌的发 现，打破了传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成和反硝化只能在缺氧条件 下进行的观点。对于好氧反硝化、异养硝化、自养反硝化的现象，近年来生物 学的发展已经可以给出令人比较满意的答案。由于许多好氧反硝化茵如 t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 、p s e u d a 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 等同时也是异 7 第l 章脱氮除磷工艺的研究进展及课题背景 养硝化菌，能够直接把n h ，转化为最终气态产物而逸出，因此，同时硝化反硝 化生物脱氮也就成为可能。 同步硝化反硝化的优点如下【1 5 】： ( 1 ) 硝化过程中碱度被消耗，而同时的反硝化过程中产生了碱度，s n d 能有 效地保持反应器中p h 稳定，而且无需添加外碳源。 ( 2 ) s n d 意味着在同一反应器，在相同的操作条件下，硝化、反硝化应能同 时进行，如果能够保证在好氧池中一定效率的反硝化与硝化反应同时进行，那 么对于连续运行的s n d 工艺污水处理厂，可以省去缺氧池的费用，或至少减少 其容积。对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲，s n d 能够降低实现完 全硝化、反硝化所需的时间。 ( 2 ) 缒猩趟丝厦趟丝! 竺! 翌兰 如前所述，生物脱氮需要经过硝化和反硝化两个过程。为了消除氮素进入 水体后