（环境工程专业论文）应用反硝化除磷菌处理污水的探索性研究.pdf

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。 论文作者签名： 丑勿 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：边 导师签名：论文作者签名：型导师签名：e t 期；，翌t 卜汐 山东大学硕士学位论文 摘要 本课题采用实验室模拟试验、实际污水处理、微生物试验相结合 的方法，利用模拟污水研究了d p b ( 反硝化除磷菌) 对氮、磷及有机物 的去除规律，考察了a 2 n s b r 反硝化除磷工艺处理实际污水的效果， 用微生物技术揭示了d p b 的生化特征。模拟试验研究结果表明：厌氧 缺氧驯化可以得到能够同步去除氮、磷和有机物的反硝化除磷菌：经 厌氧3 h 和缺氧2 h 反应，磷的去除率稳定在8 0 以上，出水磷浓度低 - 于0 5 m g l ；水温1 7 以上时，脱氦率可达8 4 以上，出水硝态氮浓 度低于6 m g l ；有机物的去除率在7 0 以上；反硝化除磷的最佳c n p ( 厌氧结束磷浓度) 为1 0 4 8 2 6 2 1 ；c n 高于1 0 时，硝态氮将首先 利用外碳源做电子供体，减少用于氧化胞内p h b 的硝态氮量，使系统 吸磷量下降；水温升高，反硝化速率增加明显，而吸磷速率增加滞后 于反硝化速率增加；a 2 n s b r 工艺处理实际污水试验结果证明：进水 磷浓度2 2 1 5 _ 5 2 m g l ，氨氮3 0 7 3 7 0 3 4 m g l ，经8 9 h 的反应， 对磷、氮的去除效果能够达到6 0 ，7 9 以上；微生物试验结果证明： 硝酸盐还原呈阳性，体内具有异染颗粒是d p b 的主要特征。 关键词：反硝化除磷菌；生化特征：污水生物处理；a 2 n s b r 工艺 山东大学硕士学位论文 h b s t r a c t i nt h i s s t u d y ，m o d e l t e s ti nt h e l a b ，s e w a g e t r e a t m e n ta n d m i c r o o r g a n i s mt e s th a db e e n c o m b i n e dt o g e t h er u t i l i z et h es i m u l a t i o ns e w a g et o s t u d yt h er e m o v a lr u l e so fn ，pa n do r g a n i cc o m p o u n d a n dt h eb i o t e c h n o l o g y t os t u d yt h eb i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co fd p b t h ee f f e c to fa 2 n s b rp r o c e s s h a db e e ns t u d i e d t h eb i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co fd p bw a se x p l o r e db y m i c r o b i o l o g y m o d e lt e s ts h o w e d ：d p bc a nb eg o tu n d e ra n a e r o b i c a n o x i c c o n d i t i o n 。w h i c hc a ng e tr i do ft h en i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n do r g a n i cc o m p o u n d e f f e c t i v e l y ；w h e na n a e r o b i ct i m ew a s 3 ha n da n o x i cw a s 2 h ，t h ee f f l u e n tp w a sl e s st h a n 0 5 m g l a n dnw a sl e s st h a n 6 m g l a n dt h er e m o v a l e f f i c i e n c y w e r em o r et h a n8 0 a n d8 4 ，r e s p e c t i v e l y ；t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo fo r g a n i cc o m p o u n dw a sm o r et h a n6 5 ：t h eb e s tc n p o f d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lw a s1 0 4 8 2 6 2 1 w h e nc nw a sm o r e t h a n1 0 ，n i t ? a t ew o u l du s eo r g a n i cc o m p o u n do u t s i d et h ec e l lf i r s t r e d u c i n gt h e n i tr a t ew h i c ho x i d i z i n gp h bi nf h ec e 1 1 t h e nt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fpw o u l dd e c r e a s e w h e nw a t e rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d t h es p e e do f d e n i t r i f y i n g w o u l di n c r e a s e o b v i o u s l y ，b u t t h ei n c r e a s eo fpr e m o v a lw a sl o w e rt h a nt h a to f d e n i t r i f y i n g ；a 2 n s b rp r o c e s s s h o w e d ：w h e ni n f l u e n tpw a s 2 2 1 55 2 m g l ，n h a nw a s3 0 7 3 7 0 3 4 m g l a f t e r8 - 9 ht r e a t m e n t 。t h e r e m o v a l e f f i c i e n c y o fn 、pw e r em o r et h a n6 0 a n d7 9 t h em a i n c h a r a c t e r so fd p bw e r ep r e s e n t i n g p o s i t i v e l y i nn i t r a t er e d u c t i v et e s ta n d c o n t a i n i n gm e t a c h r o m e t i cg r a n u l a k e y w o r d s ：d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n g _ b a c t e r i a ；b i o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c ；b i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；a 2 n s b rp r o c e s s 2 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 我国现有城市6 6 8 个，其中2 0 万人以下的中小城市有3 2 8 个，不 设市的县城1 6 9 3 个，建制镇从城市概念上来看亦属“城市”范畴，其 数量更是数以万计。随着我国经济的迅速发展、人民生活水平的提高 和拉动内需力度的加大，我国农村城市化的速度大大加快，大量的小 城镇迅速兴起，城市的排水量平均以2 4 亿m 3 的速度逐年递增。然而 迄今为止，绝大部分小城镇中的城市污水仍然处于不加治理直接排放 到水体的状态，成为水体环境污染的主要来源：已建成或拟建设的污 水处理工艺，绝大部分套用现有大城市大型污水处理厂的污水处理工 艺，对小城镇排放的污水水量、水质等特点针对性不足，因此普遍出 现了“建得起，用不起”或“既建不起，更用不起”的不合理局面， 而且大部分工艺仅以去除有机物为主要目的，对氮、磷营养盐的去除 效果差，严重制约了污水处理效率的提高，造成水体富营养化。为改 善我国水环境污染的现状，遏制水体寓营养化，研究和开发适合中小 城镇的高效、经济的具有脱氮除磷作用的污水处理技术和工艺具有十 分重要的意义。 我国在8 0 年代广泛使用的活性污泥法等对于有机物的去除具有较 好的效果，但是普遍存在着占地面积大、剩余污泥量较多、易产生污 泥膨胀，投资和运行费用较高，对氮、磷的去除效果较差等缺点。9 0 年代后改良a o 、a 2 ，o i 氧化沟等工艺得到了比较广泛的应用，这些 工艺普遍具有脱氮除磷效果，但是反应器多，污水回流量大，工艺复 杂，能耗高，同时往往出现脱氮效果好，磷去除效果差，反之亦然的 ， r 山东大学硕士学位论文 情况。因此探索污水的无害化处理工艺，在高效去除有机物的基础 上，改善生物处理系统的条件，充分发挥微生物的潜力，克服脱氮与 除磷之间污泥龄、对有机物的争夺等矛盾，提高污水生物处理( 特 别是对氮、磷的处理) 的效能，开发一种工艺简单、适应中小城市迫 切需要的经济、高效、可靠的污水处理技术具有重要的经济与实用 价值。 我国已于1 9 9 8 年1 月1 日实施了污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，对排放污水中的氮、磷含量，做出了严格限制，而于2 0 0 3 年7 月1 日起实旄的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 18 2 0 0 2 ) 对我国城镇污水处理厂出水的氮、磷含量提出了更高的要求。 1 2 污水生物脱氮除磷技术的发展 现今的城市污水厂多采用生物处理技术和工艺，污水生物处理已 经成为当今世界污水处理领域中最重要、最普遍利用的方法。传统的 污水生物处理技术主要依赖两大类微生物，即好氧微生物和厌氧微生 物。近几十年来，科学家和工程师共同合作，对污水生物处理中的微 生物作了比较深入的研究，取得了很多成果。如： ( 1 ) 对活性污泥中细菌和原生动物的不同种类和特性及其协同作 用的研究，推进了a b 法工艺的发展a ( 2 ) 对于硝化、反硝化细菌的研究，以及聚磷菌特性的研究，推 进了具有脱氮功能的a o 法工艺以及具有脱氮除磷功能的a a o 法工 艺的发展。 ( 3 ) 对厌氧微生物种群和特性的研究，发现了厌氧微生物具有降 解部分大分子合成有机物的能力，促进了厌氧生物处理工艺蛆及利用 厌氧好氧串联工艺流程处理含难降解有机物废水的发展。 4 山东大学硕士学位论文 最早在1 9 5 5 年，g r e e n b e r g 就发现话性污泥可以超量吸收磷，l e v i n 和s h a p i r o 在6 0 年代对磷的吸取与释放做了大量研究、首次提出一种 描述污水生物过度除磷现象的生化机制e 2 1 。这种除磷现象通过e m d e n - - m e y e r h o f 途径和三羧酸循环实现，h a r o l d 对细胞内的聚磷机理进行 了讨论【”，认为微生物对聚磷的合成与分解是在聚磷酶催化作用下进 行的，而且聚磷产生有可能是微生物受到厌氧抑制的结果。n i c h o l s l 和o s b o r n 发展了h a r l o d 的假说，提出新的生长模型【4 1 。他们假定聚磷 产生是微生物对厌氧抑制的一种响应，而聚磷又帮助微生物渡过厌氧 环境，同时还发现聚一p - 羧基丁酸( p h b ) 对微生物在厌氧区的生存起着 重要作用。 i 2 i 生物脱氮除磷技术原理 目前普遍认可的生物除磷的原理为：聚磷菌p a o ( p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 在厌氧环境中，通过将细胞中聚磷水解成正磷 酸盐获取能量，并利用污水中易降解的有机物，如挥发性脂肪酸( v f a ) ， 合成贮能物质聚p 羟基丁酸( p h b ) 存于细胞中；在好氧环境中，聚磷 菌以氧为电子受体，氧化细胞内储藏的p h b ，氧化代谢产生的能量来 合成细胞，并利用该反应产生的能量，过量地从污水中摄取磷酸盐， 合成高能物质三磷酸腺苷a t p ，其中一部分转化为聚磷，能量随之以 聚磷酸高能键形式贮存于细胞中。由于好氧环境下摄取的磷远大于厌 氧环境下释放的量，所以通过排放富磷污泥可以达到高效生物除磷的 目的。聚磷菌细胞内的磷含量可高达1 2 ( 以细胞干重计) ，而普通细 菌细胞的磷含量仅为l 3 i 。因此，生物聚磷后的排泥可有效将污 水中的磷酸盐脱除。 污水生物脱氮的原理为：在污水中，氮以有机氮、氨氮、亚硝酸 山东大学硕士学位论文 盐氮、硝酸盐氮以及气态氮存在，最主要的是有机氮和氨氮。好氧条 件下，有机氮在氨化菌的作用下，分解、转化成氨氮，然后由自养型 好氧微生物完成硝化反应，其中又包括两个步骤：第一步由亚硝酸菌 将氨氮转化为亚硝酸盐；第二步则由硝酸菌将亚硝酸盐氮进一步氧化 为硝酸盐氮，这两类菌统称为硝化菌，它们利用无机碳化物如碳酸根、 碳酸氨根或二氧化碳等作为碳源，从氨根或亚硝酸根的氧化反应中获 取能量。以上步骤仅是完成了水中氦存在形式的转化，氮的脱除还需 反硝化作用完成。反硝化主要由反硝化细菌完成，其中有些是专性厌 氧细菌，有些是兼性厌氧细菌。在有氧情况下兼性厌氧细菌利用分子 氧进行呼吸，氯化分解有机物；在无氧而有硝酸盐存在的条件下，它 们利用硝酸盐中的氧进行呼吸，氧化分解有机物，将硝态氮还原为n 2 或n 2 0 【6 1 。 1 2 2 生物脱氮除磷工艺简述 a o 工艺通过构筑物设置缺( 厌) 氧区和好氧区，在好氧区发生 含氮有机物的氨化、硝化反应，缺氧区发生反硝化反应，从而达到去 除有机物和脱氮的目的。该工艺的特点是反硝化时无须外加碳源，易 于控制污泥膨胀，但脱氮效率较低，耐冲击负荷能力较差。 a 2 o 工艺是在传统的活性污泥基础上增加厌氧区、缺氧区，污水 首先进入厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧菌的作用下，将污水中 生物能降解的大分子有机物转化为小分子( 如v f a ) ，聚磷菌吸收有机 物后发生磷的释放，在缺氧区，反硝化菌利用污水中的基质对好氧区 回流液中硝酸根进行反硝化脱氦，进入好氧区发生有机物氧化和磷的 吸收，从而达到较好的脱氮除磷效果。 氧化沟工艺同时具有完全混合型反应器和推流型反应器的特点， 6 山东大学硕士学位论文 由于曝气设备的作用，使溶解氧呈现分区现象，即在厌氧区发生吸收 有机物释放磷，在曝气区发生硝化和吸磷反应，在非曝气区f 处于缺氧 状态) 实现反硝化脱氮。 1 2 3 生物脱氮除磷技术进展 随着近代生物学的发展以及在生物脱氮除磷过程中一些超出人们 传统认识现象的发现，脱氮除磷技术从过去单纯的工艺改革向着利用 生物特性、促进工艺改革与之相适应的方向发展，以综合的方式来解 决污水处理问题，即仅改善水质，而且考虑污水及所含污染物的资源 化和能源化，采用的技术以低能量消耗、少资源损耗为前提【5 1 。这些 新技术包括：短程脱氮技术和厌氧氨氧化、反硝化除磷技术等。这些 新技术原理与传统的脱氮除磷理论有一定区别，起主要作用的是特殊 微生物，并对反应条件要求严格。 ( 1 ) 在1 9 7 5 年v o c t 发现硝化过程中亚硝酸根的积累现象并首次 提出了短程硝化一反硝化生物脱氮( s h o r 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 ) ， 也称亚硝酸生物脱氮，该方法就是将硝化过程控制在亚硝酸根阶段而 终止，随后进行反硝化7 1 。 传统上认为要实现废水生物脱氮必须使氨氮经历典型的硝化和反 硝化过程才能完全地被除去，根据脱氮原理可知氨氮氧化为硝态氮是 由两类独立的细菌完成的，其中从氨氮向亚硝酸盐的转化是硝化过程 的速度控制步骤，而硝酸根和亚硝酸根均可以作为反硝化菌的最终受 氢体。这样就可以通过控制反应条件使氨氮硝化成亚硝酸盐后，不再 继续进行硝化而直接进行反硝化。 ( 2 ) 荷兰研究人员m u l d e r 8 1 在9 0 年代初发现了c t 厌氧氨( 氮) 氧 化”现象。其特点是微生物在厌氧条件下，以n h 4 + 为电子供体，以硝 7 山东大学硕士学位论文 酸根或亚硝酸根为电子受体，将氨氮和硝态氮转变成氮气排入大气中。 厌氧氨氧化的主要工艺是a n a m m o x 工艺 9 1 。 。 ( 3 ) 南非、荷兰、日本等国科学家对生物摄放磷代谢机理重新 认识后确定了“反硝化除磷”新途径。在生物除磷过程中，硝酸盐可以 作为最终电子受体，也就是说反硝化除磷菌( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v i n gb a c t e r i a ) 1 1 叭，这类微生物能将反硝化脱氮和生物除磷这两个 原本认为彼此独立的作用合二为一，进行反硝化的同时进行缺氧吸磷。 进行反硝化除磷，除将有机氮和氨氮转化为硝态氮需要曝气外，其他 工序可以不需曝气或曝气量减少，将大大减少曝气量从而降低运行费 用，污水中的碳源在厌氧阶段被微生物吸收进体内，进行释磷，在缺 氧阶段，有硝态氮存在的条件下，体内碳源又被分解提供能量用于吸 磷，做到一碳两用”。3 1 ，从而满足脱氮除磷对碳源的需求，在去 除相同氮、磷的基础上减少污泥产生量。这种新型同步脱氮除磷工艺 被誉为适合可持续发展的绿色工艺。 目前，反硝化除磷技术在国外已从基础性研究发展到了工程应用 阶段。实践表明它对城市污水，特别是c n 比值较小的污水有很好的 处理效果。丽目前国内对该技术的研究才刚刚起步。 1 3 反硝化除磷技术的特点与研究进展 1 3 1 反硝化除磷技术的特点 反硝化除磷技术的虽大特点就在于利用同一类微生物将反硝化脱 氮和生物除磷这两个原本认为彼此独立的作用合二为一，利用硝态氮 去除磷，达到氮和磷的同步去除，同时在这个过程中利用了有机物， 使有机物也得到去除。由此带来的优点就是：被d p b 合并后的反硝化 和除磷过程能够节省相当的c o d 与曝气量，解决反硝化和除磷对碳源 8 山东大学硕士学位论文 的争夺，同时减少的细胞合成量。国外有些研究成果指出：实现反硝 化除磷能分别节省5 0 和3 0 的c o d 与0 2 消耗量，相应减少5 0 的 剩余污泥量1 。 目前，主要的反硝化除磷工艺分为单泥和双泥工艺。单污泥系统 的特点是：d p b 、硝化菌存在于同一悬浮污泥相中，顺序经历了厌氧、 缺氧和好氧环境。在双污泥系统中，硝化菌则独立于d p b 单独存在于 好氧固定膜生物反应器或好氧硝化反应器中，从而为硝化菌和反硝化 除磷菌分别提供了最佳的生长环境，使其在各自反应器中占有优势， 延长硝化的系统中泥龄，使生长缓慢的硝化菌不轻易流失，增加硝化 菌量，提高硝化效率，控制反硝化除磷系统的d p b 污泥龄，根据实际 运行要求通过排泥去除磷1 3 h 1 5 1 。 1 3 2 反硝化除磷技术的研究进展 1 3 2 1 反硝化除磷的发展 在污水生物除磷实践中，南非开普顿大学( u c t ) 研究人员最早发现 专性好氧细菌不是唯一对磷的生物摄放起作用的菌种，兼性反硝化细 菌也有着很强的生物摄放磷现象l 。反硝化细菌的生物摄放磷作用 被荷兰代尔夫特工业大学( t ud e l f t ) 和日本东京大学( u t ) 研究人员合 作研究确认，并冠名为“反硝化除磷”( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ) 【l7 1 。 v l e k k e ( 1 9 8 7 ) 和t a k a h i r o ( 1 9 9 2 ) 等分别利用厌氧一缺氧 s b r ( a n a e r o b i c ，a n o x i cs b r ，简称a 2 s b r ) 系统和固定生物膜反应器进 行了试验研究。结果表明，作为电子受体的硝态氮和氧气在除磷系统 中起着相同的作用，而且通过创造厌氧、缺氧交替的环境可筛选出以 硝态氮作为电子受体的聚磷优势菌一反硝化除磷菌即d p b 9 山东大学硕士学位论文 ( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a ) 1 2 1 。 1 9 9 3 年荷兰d e l f t 大学的k u b a 也在试验中观察到m j ：在厌氧缺 氧交替的运行条件下，可以富集得到兼有反硝化作用和除磷作用的兼 性厌氧微生物，该微生物能利用0 2 或n 0 3 作为电子受体，且其基于胞 内p h b 和糖原质的生物代谢作用与传统a o 法中的聚磷菌( p a o ) 相似。 我国对反硝化除磷研究起步较晚，对硝态氮与吸、放磷关系的认 识长时间停留在厌氧区存在硝态氮会影响磷的释放上，对于硝酸根含 量升高时，对吸释磷会产生怎样的影响没有深入研究。但是张波等”j 在研究倒置a 2 o 工艺时就发现在缺氧区存在较高浓度硝态氮的情况 下会发生磷吸收的现象。 在单级工艺中，最具代表性的是b c f s 工艺【1 8 】【1 9 1 【16 h ”。在双级工 艺中，硝化细菌独立于d p b 而单独存在于某一反应器中，双级工艺主 要有d e p h a n o x 2 1 1 和a 2 n s b r ( a n a e r o b i c a n o x i c - a n dn i t r i f y i n g s e q u e n c i n gr e a c t o rp r o c e s s ) 等【2 2 1 。 ( 1 ) b c f s 工艺 b c f s 工艺实际上是u c t 工艺的一种变型。虽然u c t 的设计原理 仅仅是基于对p a o 所需环境条件的工程强化，但实践中发现该工艺中 存在着不少的d p b 。b c f s 工艺以荷兰早年研发的氧化沟( 污泥龄同 氧化沟) 和南非发明的u c t 工艺原理为基础，将u c t 反应池扩展为5 个，具有3 个内循环和1 个被结合的化学除磷单元。 幽1 - 1b c f s 工艺流程 1 0 山东大学硕士学位论文 在好氧池与缺氧池之间增设一缺氧好氧池( 混合池) ，目的是为了 在此池内获得同时的硝化与反硝化，以保证出水含有较低的总氦浓度。 这个新增设的反应池仅在需要时曝气( 或因好氧池溶解氧浓度过低，或 因好氧池和缺氧池中的氧化还原电位太低) 。在此情形下，这个增设的 反应池可以被定义为”混合( 曝气) 池”( 池内溶解氧通常为o 5 m g l ) 。在 好氧池之前加设混合池，可较容易地通过控制内循环流量达到保证完 全的反硝化和内循环a 中无( 或极低) 硝酸氮的目的。否则，硝酸氮可 能被回流到厌氧池中，导致普通兼性异养菌( 反硝化作用) 同除磷细菌 f p a o d p b ) 竞争并消耗c o d 。 ( 2 ) d e p h a n o x 工艺 w a n n e r 在1 9 9 2 年开发出以厌氧污泥中的d p b 为优势菌的 d e p h a n o x 反硝化除磷工艺，取得了良好的除磷脱氮效果 z 3 l 2 4 】【1 9 1 。 回流污泥 - o 一- - 耐案污泥 图1 2d e p h a n o x 工艺流程 图1 2 是d e p h a n o x 工艺流程，该工艺的最大优点是使附在生物膜 上的敏感的好氧性硝化细菌不暴露在缺氧或厌氧条件下，附着生长， 具有较好的硝化效果，同时也就保证了缺氧段有足够的硝态氮充当电 子受体用于吸磷。目前国内开展的反硝化除磷研究以该工艺为主。 ( 3 ) a 2 n s b r 工艺 a 2 n s b r 工艺是一种新型的双泥反硝化除磷工艺，由 a n a e r o b i c a n o x i cs b r 反应器和n i t r i f y i n gs b r 反应器组成。目前国内 外的研究以厌氧缺氧模拟或配水处理为主，厌氧缺氧工艺只需要一个 山东大学硕士学位论文 s b r 反应器，加入硝态氮作为吸磷的电子受体。该工艺结合了s b r 反 应器和反硝化除磷技术的优点，适用于水量不大，时变化系数大，c n 不是很高的污水。 1 3 2 2 反硝化除磷研究进展 ( t ) 最佳氮磷比 最佳氮磷比是反硝化除磷的关键之一，原因是控制合适的氮磷比 对提高氦磷的同步去除率具有重要作用。目前氮磷比控制值有许多不 同的观点，有的研究指出：根据化学计量，最佳n p 为7 【2 2 】，新加坡 j y h u 等人的研究结果为控制在1 4 ：1 1 2 6 1 ，国内王春英等为3 ：1 f 2 7 1 ， 周康群等为3 2 ：1 2 8 1 ，杨永哲等为1 4 ：1 【29 1 ，李勇智等为1 1 ：1 3 0 l ， 邹华等为0 7 ：1 【3 ，罗固宁等为0 8 8 ：l 【3 扪，王亚宜等人则认为，在 一定时间范围内，控制氮磷比0 8 3 ：l 【3 3 1 的情况下，同步脱氮除磷效果 很好( 以上的磷浓度均指在厌氧结束后磷的浓度) 。归纳目前的研究结 果，n p 控制数值变化比较大，从小于1 到3 以上都有。一方面说明 反硝化除磷可以在较宽范围内进行，另一方面碳源的影响不可忽视， 因为在厌氧缺氧系统中，仍然具有一定数量的仅能起到反硝化作用 的微生物，系统进入缺氧的时候，这部分微生物首先利用外部碳源进 行反硝化，剩余的硝态氮被d p b 用作电子受体进行吸磷，因此在研究 反硝化除磷时，应综合考虑c 、n 、p 三者之间的比例，c o d n 较低时， 较小的n p 比就能够达到很好的反硝化除磷效果，c o d n 较高时，则 在较高的n p 比情况下，才能出现反硝化除磷现象。由于不同研究者 虽然都采用c o d 作为水中有机物的指标，但c o d 中微生物易利用的 组成又有所不同，具体的c 、n 、p 之问比值应针对特定废水而定。 ( 2 ) 临界硝态氮浓度 邹华等的研究结果认为，只有存在高于1 5 m g l 浓度的硝态氮才能 2 山东大学硕士学位论文 发生同步吸磷现象3 ，但是李军等人在低于1 5 m g l 的硝态氮浓度下， 即在1 3 4 2 m g l 的时候，也观察到了明显的反硝化吸磷现象 3 4 1 ，根据 反硝化除磷的原理和存在能利用硝态氮积累磷的菌类学说6 1 1 3 5 1 不应 存在临界浓度，原因应是碳源的影响，在进入缺氧阶段时，如果仍然 存在较多的外源碳源，此时优先进行反硝化，硝态氮被全部消耗，就 不能够进行缺氧吸磷，只要控制合适的外碳源浓度和d o 值，就可以 发生反硝化除磷现象。 ( 3 ) 减少的污泥产量 在k u b at 等人的研究中得出反硝化除磷能分别节省5 0 和3 0 的c o d 与氧的消耗量，相应减少5 0 的剩余污泥量的结果【】，虽然 根据反硝化除磷的原理可以减少细胞的同化作用，但是如果在缺氧吸 磷后仍有剩余有机物，这部分有机物仍然需要去除，则总的减少的污 泥量有限，因此对于反硝化除磷能够减少多少污泥量还需要深入研究。 ( 4 ) 电子受体 新加坡j y h u 等人的研究发现，亚硝态氮同样可以作为反硝化除 磷的电子受体2 引，如果亚硝态氮也能够作为反硝化除磷的电子受体， 则硝化工艺可控制到只将氨氮氧化到亚硝态氮的程度，从而进一步减 少曝气量。 1 4 研究内容与目的及意义 1 4 1 研究内容 我国北方大多数中小城镇的污水性质相差不大，一般b o d 为9 0 15 0 m g l ，c o d 为1 5 0 3 5 0 m g l ，n 为2 0 5 0 m g l ，p 为2 5 m g l 左 右，但是污水水量时变化系数大，早晨，中午以及夜间1 2 点前水量较 大，其他时间水量明显减小。 山东大学硕士学位论文 本课题针对我国中小城镇污水特征以及常规脱氮除磷工艺存在的 问题，采用驯化的方法，富集得到能够同步去除碳、氮、磷的反硝化 除磷菌( d p b ) ，并研究能够使该类微生物处于优势的新工艺，将原有 脱氮与除磷相互影响，相互制约的因素加以克服，达到同步去除碳、 氮、磷，同时达到减少能耗，降低污泥产生量的目的。推进适合我国 国隋的反硝化除磷技术的发展。 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 驯化得到d p b 的方法： ( 2 ) d p b 去除污染物的规律，反硝化除磷去除的碳、氮、磷之间 关系，温度、c o d 浓度对反硝化除磷的影响，反硝化除磷最佳时间； ( 3 ) a 2 n s b r 工艺处理实际污水效能试验； ( 4 ) 反硝化除磷菌生化特性研究。 1 4 2 目的意义 尽管环境污染问题已经引起了政府的高度重视，并采取了多种政 策、措施加以控制，但是由于经济迅速发展，人口不断增长，我国的 水体仍面临严峻的富营养化威胁，由此带来的赤潮、水华等生态问题 频频发生，为遏制我国目前水体富营养化趋势，减少污水中的营养元 素氮、磷是行之有效的办法，目前国家要求新建的城市污水处理厂均 要采取脱氮除磷处理工艺，原有处理厂也要进行脱氮除磷的改造，但 目前常用的强化生物除磷( e b p r ) 技术存在许多缺陷，正在运行的污水 处理厂，即使有氮、磷的去除作用，但吨水处理成本过高，因此开发 适应我国国情，经济有效的脱氮除磷技术具有重要的实际意义。 污水脱氮除磷技术曾被列为“七五”和“八五”国家及省市重点 科技攻关计划，科研院所和高等院校也开展了许多有意义的工作，极 4 山东大学硕士学位论文 大地推动了脱氮除磷技术的发展。本研究的目的是利用微生物学及生 物化学方面的新发现和新认识，探讨适合小城镇的污水处理技术，在 去除有机物的基础上，对污水进行脱氮除磷，提高出水水质，同时降 低污水处理成本。 山东大学硕士学位论文 2 1 试验材料 2 1 1 试验设备 第2 章材料与方法 试验装置如图2 一l 所示，采用s b r 反应器，高4 0 c m ，直径1 5 c m ， 为有机玻璃制成，底部泥斗为圆台形，总有效容积为4 l ，其中污泥区 占1 l 。沿着反应器壁的垂直方向设置五个取样口，反应器底部设有污 泥放空管。在反应器上部设搅拌器，转速为1 0 0 r m ，起到搅拌使活性 污泥处于悬浮状态的目的。 l s b r 反应器2 一搅拌电机3 一叶轮4 一取样口5 一污泥斗6 一放空管 图2 一ls b r 反应器 6 山东大学硕士学位论文 2 1 2 试验用水 试验在污泥驯化和模拟试验阶段采用实验室配水，配水水主要成 分见表2 1 。进水c o d 通过加入不同体积浓缩液控制，磷浓度通过不 同的k 2 h p 0 4 投加量控制，缺氧段加入不同浓度的k n 0 3 溶液作为反应 所需电子受体。在实际污水处理阶段，取学校附近水沟内污水作为试 验用水，污水主要来自附近居民区以及饭店、旅馆。 表2 一l 配水组成 2 1 3 测试指标与方法 水质分析方法依据水和废水监测分析方法( 国家环保局第4 版) 3 7 1 ，详见表2 2 。 表2 - 2水质分析方法 2 2 试验方法 2 2 1 试验方法 采用s b r 反应器对反硝化除磷菌的脱氮除磷效果进行研究，整个 1 7 山东大学硕士学位论文 试验由d p b 污泥驯化，反硝化除磷模拟试验研究，a 2 n s b r 工艺处理 实际污水和d p b 生化特性测评四部分组成。动态试验均采用瞬时进水 方式。 为便于研究各种因素和条件下的反硝化除磷效果和污染物去除规 律，并保持条件基本一致和易于调节，模拟试验阶段采用自配污水进 行。污泥驯化和模拟试验阶段工艺过程如下：加入模拟污水后进行厌 氧搅拌吸收有机物，释放磷，一定时间后加入一定浓度的硝酸钾 进行缺氧反硝化除磷，工艺流程见图2 2 。 ) 翮搅拌 篱篱 鲫l 一) i 霪霪 图2 - 2 厌氧缺氧实验工艺 第一个阶段为污泥驯化阶段，通过厌氧缺氧的运行方式，获得富 含d p b 的污泥。在该阶段厌氧和缺氧时间根据对磷和硝态氮的监测进 行调整，达到富集d p b 的目的，厌氧h r t 为2 3 h ，加入硝酸钾后缺 氧h r t 为2 3 h 。 第二阶段，在经过两个月的驯化后，系统出现了明显的同步去除 氮磷现象，由于温度一般在2 0 以下，为充分厌氧，将厌氧h r t 确定 为3 h ，缺氧h r t 有两种：运行前期1 月7 日1 月2 0 日为3 h ，运行 后期1 月2 9 日3 月2 3 日，系统同步去除氮磷能力进一步增强，时间 减少为1 5 2 h 。 1 8 山东大学硕士学位论文 第三个阶段为实际污水处理阶段，在模拟实验完成后，增加n s b r 反应器，投入9 0 0 m l 污水处理厂曝气池的活性污泥，起到将实际污水 中的氨氮转化为硝态氮的作用。步骤如下：向a s b r 加入污水厌氧 搅拌1 h ；静置沉淀。将上清液排入n s b r 反应器；在n s b r 反应 器内进行曝气硝化3 5 h ，搅拌0 5 h ：水返回a s b r 反应器，进行缺 氧搅拌2 5 3 h ，然后2 0 m i n 好氧曝气；静置沉淀后排水，沉淀换水 时间根据污泥沉降情况在15 3 0 m i n 。工艺流程见图2 3 。 图2 - 3a 2 n s b r 工艺流程 在模拟试验运行末期，处理效果良好的情况下，对系统中的优势 菌进行了分离纯化，研究了d p b 的生化特性。并在实际污水处理末期 也对系统中的微生物进行了菌种分离，与模拟试验阶段系统中优势菌 情况进行了对比。 2 2 2 d p b 的培养与驯化 人们在对脱氮除磷的研究中发现，硝酸盐能抑制微生物释放磷， 通过进一步研究发现，在较高的硝态氮浓度下，微生物能够吸磷。反 硝化除磷技术的关键是具有利用硝态氮吸磷的反硝化除磷菌，要通过 9 亩扇曲 山东大学硕士学位论文 反硝化除磷达到氮和磷的同步去除，系统中必须存在大量的d p b ，而 传统的脱氮除磷工艺中虽然有一定数量的d p b 但是数量很少，因此利 用城市污水处理厂的活性污泥在厌氧缺氧交替环境下进行培养驯化， 使这种微生物得到富集。通过工艺控制，创造d p b 适宜的生存环境， 保持反应器内d p b 优势。 取采用氧化沟工艺的城市污水处理厂二沉池回流污泥9 0 0 m l 投入 反应器内，每天加入人工合成的污水和1 0 2 0 m g l 硝态氮，1 1 月 1 2 月连续驯化6 0 d ，每天运行一个周期。 - 由于反硝化菌的存在，驯化初期系统就表现出了一定的脱氮效果， 1 2 月2 8 日加入硝态氮6 0 m g ( 使混合液硝态氮浓度达到1 5 r n g l ) ，2 5 h 后硝态氮浓度降低到3 6 3 m g l ，去除率7 5 8 。但系统除磷效果不明 显，微生物厌氧释放磷的浓度只有l 2 r a g ! ，缺氧吸收磷现象十分微 弱，甚至出现磷浓度在缺氧刚开始时有所增加的现象。这说明系统中 的聚磷菌数量较少，而d p b 的数量更少。 在驯化末期，厌氧缺氧s b r 反应器l 表现出了较明显厌氧释磷， 缺氧吸磷现象。缺氧吸磷效率达到8 0 ( 缺氧出水磷浓度相对于厌氧 结束磷浓度) ，反硝化能力也进一步增强，1 月3 日硝态氮加入浓度为 15 m g l 。3 h 后降低到2 0 2 m g l ，去除率8 6 5 。分析这种现象产生的 原因为：污泥取自的氧化沟工艺存在好氧、缺氧区，污泥中含有一定 数量的反硝化菌和聚磷菌，虽然能够利用硝酸盐作电子受体的聚磷菌 数量很少，但是，经过两个月的培养和驯化，反硝化除磷菌在反应器 内得到了富集。根据厌氧释磷越彻底，好氧( 缺氧) 吸磷越多的理论， 要实现进水磷去除，系统本身在厌氧阶段释放的磷的浓度应是进水磷 的o 7 1 倍l 9 1 ，在驯化末期，系统厌氧释放的磷浓度在2 m g l 左右， 达到了驯化目的。表2 - 3 给出了驯化后期，系统中磷的变化情况。 山东大学硕：l 学位论文 1 2 3 1 2 4 1 2 5 1 2 6 1 2 1 1 1 2 2 0 1 2 2 l 1 2 2 2 1 2 2 5 1 2 2 8 1 2 3 0 1 2 3 1 1 2 2 6 8 2 2 1 3 8 6 4 0 1 4 8 5 1 2 0 7 4 9 8 1 0 2 2 9 3 9 4 2 8 1 4 8 2 6 4 2 5 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5 2 5 3 3 3 3 1 3 2 1 4 9 3 4 0 3 6 9 4 17 1 1 8 4 3 7 4 8 0 8 8 1 6 2 2 7 o 6 3 o 8 2 0 4 9 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 5 3 3 3 1 32 2 12 8 9 30 2 13 2 3 本章小结 本章对试验研究所采用的方法、装置、内容以及水质和分析方法 做了介绍，给出了d p b 污泥驯化的方法和驯化阶段的处理效果。 2 1 5 5 ，5 8 8 2 2豇乱4扎8 8 吼m 旧博”埔加埔玛珀匏趴 山东大学硕士学位论文 第3 章反硝化除磷模拟试验研究 在模拟污水试验研究中，根据试验目的，利用模拟污水控制不同 反应条件，研究了d p b 对氮、磷及有机物的去除效果和规律，考察了 温度、c o d 浓度等因素对反硝化除磷的影响取得了一个反应周期内 氮、磷浓度的变化规律及反硝化除磷可以同时去除的有机物、氮、磷 之间的关系。 3 1 氮、磷及有机物去除规律 3 1 1 试验期间运行及污染物去除情况 d p b 污泥驯化富集完成后，系统出现了稳定的反硝化除磷效果。 试验稳定运行3 个月，进水c o d 浓度控制在1 5 0 2 4 0 m g l ，水温l 3 2 2 ，加入不同体积配好的2 0 m g m l 的k n 0 3 和4 m g m l 的k 2 h p 0 4 溶 液，模拟污水中的氮、磷。 为保证充分厌氧吸收有机物释放磷，厌氧h r t 为3 h ，缺氧h r t 有两种：1 月7 日1 月2 0 日为3 h ，1 月2 9 日3 月2 3 日，系统同步 去除氮磷能力进一步增强，时间减少为2 h 。系统对氮、磷的去除情况 见表3 1 。 、 系统中氮、磷( 指厌氧结束时的磷浓度) 比值的变化经历了三个 阶段：8 n p 5 ，5 n p 3 ，2 n p 。在三个阶段里，氮、磷的去除各 有不同的规律。 山东大学硕士学位论文 表3 1氮、磷去除效果 日期水 p o ：。p 浓度( n , g l )n 0 s n 浓度( m g l ) 温加入量厌氧缺氧 去除率加入量缺氧 去除率 结束结求( ) 结束 ( ) 1 1 22 00 ，82 5 90 2 667 51 0 o 0 49 9 6 1l3l7o 82 9 00 2 6 6 7 51 50 7 69 4 9 1 1 42 20 83 7 80 3 35 8815o 2 1 9 8 6 1 2 02 0o 82 6 30 197 6 3 1 50 4 29 7 2 1 2 92 ll3 1 4o 2 47 62 50 2 09 9 2 2 32 ll2 4 0o 2 27 82 50 4 49 8 2 2 42 1l2 3 50 2 87 22 5o 2 l9 9 2 2 52 l1 53 6 20 2 l8 62 5o 4 29 8 3 2 62 024 4 20 3 78 1 53 01 1 99 6 0 2 71 924 6 8o 2 48 8 03 01 6 29 4 6 2 81 924 9 2o 3 28 4 03 0i 0 79 6 4 2 1 02 024 6 5o 2 98 5 54 08 8 77 7 8 2 1 11 91 53 0 80 2 48 44 04 4 78 8 8 2 1 21 925 8 80 ，2 38 83 00 3 79 88 2 1 32 126 1 80 2 48 1 53 00 6 39 7 9 2 1 61 91 56 0 3o 2 7 唪8 22 50 4 6 丰9 8 2 2 171 937 7 8o 1 69 4 73 53 o o9 1 4 2 1 82 049 ，6 30 1 69 63 53 1 09 1 1 2 1 91 941 0 7 7o 2 29 4 53 54 2 28 7 9 2 2 01 841 1 1 2o 3 89 0 ，53 55 5 48 4 2 22 2l72 ，51 0 4 80 3 l8 7 63 01 5 09 5 3 11 527 7