（环境工程专业论文）序批式反应器同步硝化反硝化处理生活污水试验研究.pdf

摘要 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 ) 工艺是 近年来开发的一种新型生物脱氮工艺，和常规的生物脱氮工艺相比，该工艺能节省碱度， 并能有效的保持反应器中p h 稳定，同时具有污泥生成量少等一系列优点，因而近年来 成为国内外的研究热点。 本试验将采用s b r ( s e q e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 反应器，以模拟生活污水作为处理对 象，考察了曝气量、c n ( c o d 与n i - 1 4 + - n 的比值) 、碱度、碳源种类及其投加方式等因 素对活性污泥同步硝化反硝化脱氮效果的影响；并对s b r 法同步硝化反硝化脱氮的机理 进行了探讨；建立了同步硝化反硝化的动力学方程。通过试验研究，得到了以下主要结 论： ( 1 ) 在s b r 反应器处理模拟生活污水的试验中，好氧阶段t n ( t o t l en i t r o g e n ) 的 损失验证了s n d 的存在，即单级生物脱氮是可行的。 ( 2 ) d o 是同步硝化反硝化的一个限制因素。在s b r 内研究了曝气量对s n d 效果 的影响。实验表明：不同曝气量条件下都有s n d 现象发生，分析认为低溶解氧下的s n d 发生的机理应归因于微环境理论，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。 ( 3 ) 在控制低溶解氧的条件下，通过改变碳源的投加量，研究了c n 对s n d 脱氮 效果的影响。试验结果表明：不同进水c n 条件下都有s n d 现象发生；在本试验范围 内，c n 为1 0 时，t n 去除率最高，达5 0 左右；并且随进水碳氮比的提高而s n d 现 象越加明显。 ( 4 ) 本试验在控制低溶解氧的条件下，对碱度对活性污泥同步硝化反硝化的影响 进行了研究。试验表明：投加碱度的量( 以n a h c o3 计) 为1 2e g gn h 4 + - n 时，在进水 氨氮浓度为4 0 m e g l ，投加c o d 浓度为4 0 0 m g l 的条件下活性污泥脱氮效果最好，t n 的去除率达5 6 左右；并在本试验范围内，适当增加碱度的投加量，有利于亚硝酸盐的 积累，使得全程硝化反硝化向短程硝化反硝化转化，从而节约了碳源，提高了t n 的去 除率。 ( 5 ) 在控制低溶解氧的条件下，通过改变碳源的种类，研究了葡萄糖、乙酸钠、 蔗糖+ 淀粉的混合物对s n d 效果的影响。研究结果表明：在试验条件下，蔗糖+ 淀粉的 混合物比葡萄糖、乙酸钠等易降解的有机物更适合作为同步硝化反硝化的碳源。当采用 蔗糖+ 淀粉的混合物为碳源时，在进水氨氮浓度为4 0m g l ，投加c o d 浓度为4 0 0m g l 的条件下t n 去除率达到6 0 以上，而仅采用葡萄糖或乙酸钠为碳源时，在同等条件下 t n 去除率分别仅为3 9 、5 0 。 ( 6 ) 在s b r i 内研究了有机碳源的投加方式对s n d 效果的影响。试验结果表明：有 机碳源的投加方式对s n d 效果影响显著。当采用半连续碳源的投加方式时，分5 次等量 投力h c o d ，每次6 0m g l ，时间间隔为l d , 时，在进水氨氮浓度为4 0 m g l ，c n 值为7 5 ： l 的条件下，可使氨氮、总氮分别下降至0 4 5m g l 、2 1 6m g l ，t n 去除率达到9 0 以上， 为相同条件下随进水一次性投加碳源的2 2 倍。 ( 7 ) 通过对s b r 反应器中同步硝化反硝化进行动力学分析，推导出同步硝化反硝 化阶段的动力学方程，并经过大量的实验数据分析，求出其动力学参数。所得动力学方 程如下： ( d s n o s _ 卉) 同步硝化反硝化= 筹 关键词：s b r 反应器，同步硝化反硝化，生活污水，低溶解氧，动力学模型 a b s t r a c t 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 ) i san e wb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l p r o c e s s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g y , t h i sn e wp r o c e s s c a ns a v ea l k a l i n i t y , a n di tc a na l s oy i e l dl e s sw a s t eb i o m a s sw h i l ek e e pp hs t a b l ei nt h er e a c t o r d u r i n gt r e a t m e n tp r o c e s s ，s oi ta t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sa l la r o u n dt h ew o r l d t a k i n gs y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e ra st h eo b j e c t ，t h i sp a p e rs t u d i e st h em a i nf a c t o r s s u c ha sa e r a t i o n ，c n ( c o d n h 4 + 却a n da l k a l i n i t ya f f e c t e ds n di ns b r r e a c t o r ；a tt h es a m e t i m e ，t h em e c h a n i s mo fs n da c t i v i t yi sa l s oi n v e s t i g a t e di nt h er e a c t o r ；a n dt h ei n f l u e n c e so f f e e dm o d eo f o r g a n i cc a r b o na n dt h et y p eo fo r g a n i cc a r b o no ns n d w e r es t u d i e di ns b rt o o i nt h ee n d ，t h ek i n e t i cm o d e l so fs 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 f i c a t i o na r eb u i l tu p t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r ： ( 1 ) t h ee x i s t e n c eo fs n di sc o n f i r m e db yt h el o s so ft ni nt h ea e r o b i cs t a g ei nt h e r e a c t o r , s ow ec a nc o n c l u d es a f e l yt h a tb i o l o g yd e n i t r o g e n a t i o ni sc o m p l e t e l yf e a s i b l ew i t ha s i n g l es t a g e ( 2 ) d oi sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h ec o n t r o l l i n gf a c t o r so ft h es n d s ot h ee f f e c to f a e r a t i o no ns n dw a ss t u d i e di ns b rr e a c t o r si nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o w st h a tu n d e rt h e t e s tc o n d i t i o n ，s n da c t i v i t yc o u l dt a k ep l a c en om a t t e ro ft h ea e r a t i o nq u a n t i t y , a n dt h e c o e x i s t e n c eo fa e r o b i ca n da n o x i cz o n ei naf l o cc o u l db eag o o dr e a s o nt ot h eh a p p e n i n go f s n du n d e rl o wd o ( 3 ) w i t hal o wd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ，t h ei n f l u e n c e so fc no ns n dw a si n v e s t i g a t e db y c h a n g i n gt h eq u a n t i t yo fc a r b o ns o u r c e t h er e s u l t ss h o w st h a ts n dc o u l dh a p p e nu n d e r d i f f e r e n tc n ，a n dt h et nr e m o v a le f f i c i e n c yi m p r o v e sw i t ht h ec n ，a n dw h e nt h ec ni s 10 ，t h er e m o v a lr a t eo ft nc a nr e a c ha b o u t5 0 a n dt h et nr e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e si t s h i g h e s tl e v e l ( 4 ) a tl o wd o ，t h ee f f e c t so fa l k a l i n i t yo ns n di sa l s oi n v e s t i g a t e di nt h i ss t u d y t h e r e s u l ts h o w st h a tw i t ht h ei n f l u e n ta m m o n i u mn i t r o g e n4 0m g la n dc o d4 0 0m g l ，t h e n i t r o g e nr e m o v a li m p r o v e sw i t ha l k a l i n i t y , a n da b o u t5 6 o fn i t r o g e ni sr e m o v e dw h e nt h e a l k a l i n i t yi s12g gn i - h + n 1 1 1 ( 5 ) t h ei n f l u e n c e so fg l u c o s e 、s o d i u ma c e t a t e 、t h em i x t u r eo f s u c r o s ea n ds t a r c ho ns n d w e r ei n v e s t i g a t e dw h i l ec h a n g i n gt h et y p eo fc a r b o ns o u r c ea tl o wd o t h er e s u l t ss h o wt h a t u n d e rt h et e s tc o n d i t i o n ，t h em i x t u r eo fs u c r o s ea n ds t a r c hi sm o r ea p p r o p r i a t et ob eu s e da sa c a r b o ns o u r c ef o rs n dt h a nb i o d e g r a d a b l eo r g a n i cm a t t e r ss u c ha ss o d i u ma c e t a t eo rg l u c o s e m o r et h a n6 0 o ft h et nr e m o v a lr a t ec o u l db er e a c h e da t4 0m g lo fa m m o n i u mn i t r o g e n a n d4 0 0m g lo fc o d u s i n gt h em i x t u r eo fs u c r o s ea n ds t a r c ha sc a r b o ns o u r c e , w h i l et o o k g l u c o s eo rs o d i u ma c e t a t ea ss i n g l ec a r b o n ，t h e t nr e m o v e lr a t ew a s3 9 a n d5 0 r e s p e c t i v e l y ( 6 ) t h ei n f l u e n c e so ff e e dm o d e o fo r g a n i cc a r b o no ns n dw e r es t u d i e di ns b rt o o t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f e r e n tw a yo fa d d i n gc 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 lo fn i t r o g e n i ns n dg r e a t l y i no 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 ，6 0m g le a c h t i m e w h e nt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fa m m o n i an i t r o g e ni s3 0m g l ，c ni s7 5 ：1a n dt h e c a r b o ns o u r c ei sa d d e di n t e r m i t t e n t l y ，t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o n so fa m m o n i an i t r o g e na n dt n c a nb ed e c r e a s e dt o0 4 5m g la n d2 16m g lr e s p e c t i v e l y t h er e m o v a lr a t eo ft nc a nr e a c h 9 0 ，w h i c hi s 2 2t i m e sh i g h e rt h a nao n e - t i m ed o s a g eo fc a r b o ns o u r c ei ni n f l u e n tu n d e r t h e s a m ec o n d i t i o n ( 7 ) a f t e ra n a l y z i n gt h ep r o c e s so fs 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 f i c a t i o n ，t h e k i n e t i c e q u a t i o no fs 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 f i c a t i o n i sb u i l tu p a n dt h ep a r a m e t e r so ft h e k i n e t i cm o d e lw a sc o m p u t e db a s eo nt h ed a t ao fe x p e r i m e n t t h er e s u l ta sf o l l o w ： cd s n 0 3 _ 出，同步硝化反硝化= 筹 k e yw o r d s ：s b r ，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 f i c a t i o n ，d o m e s t i cs e w a g e ，l o wd o ， k i n e t i cm o d e l l v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 纽哆受 川年r 月舳 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趣黟如 m 年月西日 导师签名：妨j 滔 弘叩年，月玎日 长安大学硕士学位论文 1 1 氮在水中的存在形态 第一章绪论 氮在水体中的主要存在形式有分子态氮、有机态氮和无机态氮。无机态氮包括氨态 氮、亚硝态氮和硝态氮以及硫化物和氰化物；有机氮有蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等 含氮有机物。可溶性有机氮主要以尿素和蛋白质形式存在，在好氧或厌氧的条件下可以 通过氨化等作用转化为氨氮【1 1 。 废水中氮的存在形态有四种，在一定条件下各形态氮可以相互转化。在未处理的原 废水中，氮主要以有机态氮和氨氮为存在形式；经二级生化处理后出水中以氨氮和硝态 氮氮为氮的主要存在形式。 在生活污水中，有机氮占4 0 - - 6 0 、n h 4 n 占5 0 - - 6 0 、n o z n 和n 0 3 - n 占 0 5 1 u 。 1 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大量增加，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人体健康方面的有害影 响，主要问题归纳如下： ( 1 ) 水生生态系统的富营养化 植物和藻类的生长离不开营养物质。在自然水体中，它们的生长通常受氮和磷的限 制。工业废水和生活污水的含氮污染物加速了湖泊和池塘等水体的富营养化 ( e u t r o p h i c a t i o n ) ，造成水生植物和藻类过度生长【2 1 。由此产生一系列不良后果，比如水 生植物和藻类大量繁殖，覆盖水面，影响景观；藻类密度过高而阻塞鱼腮和贝类水孔， 引起鱼、贝中毒；藻类产生气味物质，使水体散发土腥味、霉腐味、鱼腥味等。我国的 很多湖泊，如无锡的太湖、南京的玄武湖、杭州的西湖、吉林的松花湖都已呈现不同程 度的富营养状态【3 1 。 ( 2 ) 通过硝化作用引起水体缺氧 氨是硝化细菌的能源，硝化作用会消耗大量氧气。通常氧化1 m l 的n i - h + - n 需 4 6 m g l 的溶解氧【3 1 。 第一章绪论 一般城市污水经二级处理后，含氨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氮和硝酸盐氮。在典型的二级处 理出水中含2 0 - - - - 4 0 m g l 氨氮，需氧量为9 0 - - - - 1 8 0 m g l ，而2 0 ( 2 时，水中的饱和溶解氧 浓度为9 m g l ，许多鱼类生活所需的溶解氧浓度在5 m g l ，即要求水中的溶解氧的饱和 度大于5 6 【3 1 。所以，氨氮消耗溶解氧，可对水生生态系统造成严重影响。 ( 3 ) 氨对水生生物产生毒害 氨是水生植物和藻类的营养物质，同时也是鱼类和其它水生动物的毒性物质。水 中的分子氨对鱼类有很大毒性，浓度过高时，会使鱼类产生毒血症。如浓度超过 0 5 m g l ，则将抑制鱼类的生长、繁殖，严重中毒者甚至死亡【4 】。由于p h 和温度可影响 氨分子的分配 n h 3 ( n h 3 + 4 切，升高p h 或温度可明显增强氨氮的毒性。夏天，在一 些富营养化程度高的水体中，光合作用很强，c 0 2 消耗很大，p h 上升很快，极易诱发 水生生物的氨中毒【5 1 。 ( 4 ) 硝酸盐影响人类健康 硝酸盐和亚硝酸盐之所以受到公共卫生部门的高度关注，是因为它们能诱发高铁血 红蛋白血症( m e t h e m o g l o b i n e m i a ) 和胃癌。人若饮用了n 0 3 。- n 1 0 m g l 或n 0 3 。 5 0 m g l 的水，则可使人体内正常的血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，失去血红蛋白在体内输送氧 的能力，出现缺氧症状，尤其是婴儿。 硝酸盐还原产生亚硝酸盐，后者可与胺或酰胺反应生成亚硝胺或亚硝酰胺，两者都 有致癌作用。流行病学研究表明，硝酸盐摄入量大的人群，胃癌发生率高。 世界卫生组织( w h o ) 以及许多国家已经规定饮用水的硝酸盐含量标准：美国为 1 0 m g n 0 3 。- n l ，许多欧洲国家为3 0 - 1 0 0m g n 0 3 - n l t 6 1 。 ( 5 ) 增加污水的处理成本 污水中的氨氮的增加会增加污水的处理成本。以氯气处理法计，每增加1 9 氨氮则 需要增加8 - l o g 的氯气量【7 1 。若以化学中和法、沉淀法处理，也会增加化学沉淀剂的 投加量。除此之外氨还会与一些含铜及铜合金设备中的铜组分反应引起相关设备的腐 蚀。 综上所述，有效的降低废水氮含量已成为废水处理技术的一个重要课题。 1 3 传统生物脱氮理论 生物脱氮技术是2 0 世纪7 0 年代美国和南非的水处理专家们在对化学、催化和生物 2 长安人学硕士学位论文 处理方法研究的基础上，提出的一种经济有效的处理技术。其基本原理是在将有机氮转 化为氨氮的基础上，利用硝化细菌和反硝化细菌的，将氨氮通过硝化作用转化为亚硝态 氮、硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气，达到废水脱氮的目的。 1 3 1 生物脱氮的基本原理 1 3 1 1 硝化反应 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，利用无机碳化合物如c 0 3 2 。、h c 0 3 、c 0 2 为碳源，从无 机物( n h 3 、n h 4 或n 0 2 ) 的氧化中获取能量【8 1 。两类菌的特征如表1 1 t 9 1 。 表1 1 亚硝酸菌和硝酸菌的特征 项目亚硝酸菌硝酸菌 细胞形状椭球或棒球椭球或棒球 细胞尺寸p r o 1 0 x 1 50 5 x 1 o 革兰氏染色阴性阴性 世代周期i l8 3 61 2 5 9 自养性专性专性 需氧性 严格好氧严格好氧 最人比生长速率 l 。h 1 0 0 4 o 0 8o 0 2 0 0 6 产率系数y ( m g 细胞m g 基质) o 0 1 o 1 3o 0 2 o 0 7 饱和常数k s m g l 1 o 6 3 60 3 1 7 硝化作用的两步反应均需在有氧条件下进行，并以氧作为电子受体。其反应方程式 可表示为【8 1 ： n h 4 + + 1 3 8 2 0 2 + 1 9 8 2 h c 0 3 型堕b 0 9 8 2 n 0 2 。+ 1 0 3 6 h 2 0 + 1 8 9 1 h 2 c 0 3 + 0 0 1 8 c 5 h ，0 2 n ( 1 1 ) n 0 2 + o 4 8 8 0 2 + o 0 1 h 2 c 0 3 + o 0 0 3 h c 0 3 - + o 0 0 3 n h 4 + 堕马 n 0 3 。+ 0 0 0 8 h 2 0 + 0 0 0 3 c 5 h 7 0 2 n ( 1 2 ) 总反应式： n h 4 + + 1 8 6 0 2 + 1 9 8 2 h c 0 3 - 屿 0 9 8 2 n 0 3 。+ 1 0 4 4 h 2 0 + 1 8 8 1 h 2 c 0 3 + 0 0 2 1 c s h 7 0 2 n ( 1 3 ) 3 第一章绪论 式中的c 5 h 7 0 2 n 为亚硝酸菌和硝酸菌的细胞，根据式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 计算，它们 的产率分别为o 1 4 6 9 g n h 4 + - n 和o 0 2 9 g n h 4 + - n 。通过对上述反应过程的物料衡算可知， 在硝化反应过程中，将l m g 氨氮氧化为硝酸盐氮需耗氧4 2 7 m g ，其中亚硝化反应耗氧 3 1 6 m g ，硝化反应耗氧1 1 l m g ，同时需要消耗碱度约7 0 7 m g ( 以c a c 0 3 计) 【1 们。 1 3 1 2 反硝化反应 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。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、嗜气杆菌和产碱杆 菌) 可利用亚硝酸盐或硝酸盐中的氧为电子受体，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。当反硝化微生物以甲醇作为反硝化过程所需 碳源时的反应式如下【8 】： n 0 3 + 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3 o 4 烈2 个+ 1 6 8 h 2 0 + c 0 2 + o h 。+ 0 0 5 6 c 5 h 7 0 2 n ( 1 4 ) n 0 2 。+ o 6 7 c h 3 0 h + o 5 3 h 2 c 0 3 专 0 4 8 n 2 个+ 1 2 3 h 2 0 + c 0 2 + o h + 0 0 4 c s h 7 0 2 n ( 1 5 ) 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【8 】。当反硝化微生物以体内有机物为碳源时( 内源反硝化) ，反应式 如下： c s h 7 n 0 2 + 4 n 0 3 5 c 0 2 _ 小t h 3 + 2 n 2 + 4 0 h 。 ( 1 6 ) 其中，c 5 h 7 n 0 2 代表反硝化微生物的细胞组成。 1 3 2 传统的生物脱氮工艺 1 3 2 1 活性污泥法脱氮传统工艺 该工艺是由巴茨( b a r t h ) 开创的所谓三级活性污泥法流程，它是以氨化、硝化和 反硝化3 项反应过程为基础建立的。其工工艺流程见图1 1 【l l 】。 该工艺的优点是氨化、硝化、反硝化反应分别在各自的反应器内进行，反应速度快 而彻底，运行条件控制简单，b o d 去除效果和脱氮效果好。其缺点在于流程较长、处 理设备多、基建费用高。 4 长安大学硕士学位论文 外加碱刺外加碳源 好氧八好氧厂、缺氧厂、 型咂垫望堕竺淀池h _ 亟砸h 沉淀池_ l 迥：h 浣淀池) _ 些生 污泥凹流丫7污泥回流、丫7污泥叫流丫 。 ；。； 剩余污泥剩余污泥剩余污泥 图1 1 三相生物脱氮工艺流程图 1 3 2 2 缺氧好氧活性污泥法脱氮系统 19 7 3 年b a m a r d 对l u d z a c k e t t i n g e r 工艺进行改进，将缺氧和好氧反应器完全分离， 沉淀池污泥回流到缺氧反应器，同时从好氧反应器到缺氧反应器增加混合液回流系统。 通过这些改进，工艺的可控性增强，脱氮效率增加，而且缺氧反应器的容积减少。该工 艺被称为改良型l u d z a c k e t t i n g e r 工艺，即目前常用的a o 工艺。其流程见图1 2 【1 2 】。 a o 工艺具有不需要外加碳源、节省投碱量、工艺流程简单、构筑物少、建设费用 和运行费用均较低等优点，同时适合对推流式曝气池的改造。a o 工艺也存在不足之处， 出水中含有一定浓度的n 0 3 - - n ，如沉淀池运行不当，不及时排泥，在池内能够产生反 硝化反应，污泥上浮，影响处理水水质。同时如欲提高脱氮率，会加大内循环回流比( r ) ， 这样势必导致运行费用增加，此外内循环带来的大量溶解氧使反硝化反应器内难以保持 理想的缺氧状态，影响硝化进程。 图1 2a o i 艺流程示意图 剩余污泥 1 3 2 3 厌氧缺氧好氧脱氮工艺( a 2 o 工艺) 厌氧缺氧好氧脱氮工艺也称a 2 0 工艺，其工艺流程图如下： 5 第一章绪论 图i 3a a 0 工艺流程示意图 剩余污泥 a 2 o 工艺是一种同时具有脱氮和除磷功能的处理工艺，它是在a o 工艺的基础上 增设一个缺氧区，并使好氧区中的混合液回流至缺氧区使之反硝化脱氮。 本工艺的主要特征【1 2 】： ( 1 ) 本工艺流程较为简单，其基建费用和运行费用与传统的活性污泥法相比增加 较少，而与其他的除磷和脱氮工艺相比，是比较简单的同步脱氮除磷工艺，总水力停留 时间少于其它同类工艺； ( 2 ) 本工艺厌氧( 缺氧) 好氧交替运行，不易发生污泥膨胀； ( 3 ) 本工艺不需投药，厌氧和缺氧段只进行缓速搅拌，以不提高溶解氧含量为度， 故运行费用低。 但本工艺也存在以下问题【1 2 】： ( 1 ) 脱氮效果难以提高，内循环流量以两倍进水流量为限，不宣提高； ( 2 ) 污泥增长受到一定限制，因此除磷效果也不易提高； ( 3 ) 沉淀池要保持一定浓度的溶解氧，应降低污泥的停留时间，防止产生厌氧状 态和释放磷的现象出现，但溶解氧含量也不宜过高，以防止循环液对缺氧反应的干扰。 1 3 3 生物脱氮新技术研究 传统的硝化一反硝化生物脱氮工艺，如a o 工艺、a 2 o 工艺等，虽然在废水脱氮 方面起到了一定的作用，但仍然存在着以下问题【1 3 叫4 】： ( 1 ) 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，特别是在低温冬季，因此造 成系统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用； ( 2 ) 硝化过程是在有氧条件下完成的，需要大量能耗，另外后置反硝化工艺中， 由于曝气过程去除了大量的c o d ，在反硝化阶段外加碳源，由此使得运行费用较高； 6 k 安大学硕士学位论文 ( 3 ) 系统为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流 和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用； ( 4 ) 系统抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长； ( 5 ) 为中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用。 然而近年来，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，目前研究较多的生物脱氮新工艺主要有短程硝化反硝化工艺 ( 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 n ) 、同步硝化反硝化脱氮工艺( s i m u l t a n e o u s 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 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 m o x i d a t i o n a n aa 嗄 厦o x ) 等。 1 3 3 1 短程硝化反硝化生物脱氮工艺 该工艺又称s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rf o rh i g ha c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) i 艺， 1 9 9 7 年由荷兰d e l f t 工业大学提出并成功开发【1 5 】。该工艺采用c s t r 反应器，适合于 处理高浓度含氮废水( o 5 9n l ) ，其成功之处在于巧妙地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 - - - - 4 0 ) ，硝酸菌的生长速率明显低于亚硝酸菌的 生长速率。因此通过控制温度和h r t 就可以自然淘汰硝酸菌，使反应器中的亚硝酸菌 占绝对优势。s h a r o n 工艺的典型特征是【8 】：短程硝化和短程反硝化被放置在一个反应 器内实施，工艺流程短；反应器内不持留活性污泥，装置结构简单；操作温度比较 高( 3 0 - - 4 0 c ) ，处理效率较好；借助反硝化作用调控酸碱度，无需加碱中和。 由于s h a r o n 工艺只有氨氧化反应，没有亚硝酸盐氧化反应，耗氧量可比传统硝化 工艺降低2 5 ，供氧设备也可相应压缩。s h a r o n 工艺的还原反应起始于亚硝酸而不是 硝酸盐，甲醇消耗量可比传统反硝化工艺节省4 0 ，运输工具、贮存容器和投加设备 也可相应减少【1 6 】。因此，该工艺的经济性较好，既能节约基建投资，也能降低运行费用。 1 3 3 2 厌氧氨氧化生物脱氮工艺 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 生物脱氮工艺是指在厌氧条件下，微生物直接以n h 4 作为电子供体，以n 0 2 - 或n 0 3 - 作为电子受体，将n h 4 、n 0 2 和n 0 3 - 转变为n 2 的生物 氧化过程【1 7 1 。1 9 9 0 年，荷兰d e l f t 工业大学k l u y e r 生物技术实验室开发出了a n a m m o x 7 第一章绪论 ( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ) 工艺。 早在1 9 7 7 年，b r o d a 就提出自然界中应该存在一种能自养的细菌，它具有以n 0 2 或n 0 3 - 作为电子受体把氨氮氧化成氮气的能力。1 9 9 5 年，m u l d e r 等1 7 1 在反硝化流化床 反应器内发现了n h 4 十消失现象，氨去除速率最大可达0 4 k g n m - 3 d ，并伴随有气体产 生，证实了b r o d a 的预言。 1 3 3 3 同步硝化反硝化生物脱氮工艺 该工艺即s n d ( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ) 。同步硝化反硝化现象在一 些不存在严格缺氧的系统中得到证实 1 9 - 2 2 】。而基于传统的理论，反硝化过程一直被认为 是一个严格的厌氧过程。以往的研究表明反硝化细菌作为兼性菌优先利用d o 进行呼吸 ( 甚至在d o 浓度低达o 1 m g l 时也是如此) ，这一特点阻止了它以硝酸盐和亚硝酸盐 作为电子受体。然而，近几年人们不断地在实际工程中发现好氧条件下的总氮损失，对 此观察到在没有明显缺氧段活性污泥法中存在脱氮现象，在许多实际运行中的好氧硝化 池中常常发现有3 0 的总氮损失。 关于同步硝化反硝化的机理和研究进展将在下一节中作详细介绍。 1 4 同步硝化反硝化脱氮理论及其研究现状 1 4 1 同步硝化反硝化现象 目前国内外水处理研究者发现，在生物转盘、s b r 、氧化沟、c a s t 、传统活性污 泥法等工艺中，硝化和反硝化反应能同时发生，即存在同时硝化反硝化现象【2 3 之6 1 。 所谓同步硝化反硝化现象，简单地说即在同一个反应器中，同时发生硝化和反硝化 现象，使得氮的污染物得以转化为无害的n 2 而被去除。s n d 现象不同于时间上或空间 上分隔的a o 法，在反应器的一个单元内，硝化和反硝化现象在时间上或空间上不存 在分隔。与原有的传统脱氮工艺比较，同步硝化反硝化脱氮工艺从理论上具有以下特点 1 2 7 】： ( 1 ) 硝化和反硝化两个阶段在一个反应器中完成，无需污泥回流，具有简化工艺 流程，便于操作管理，减小反应器体积和占地面积，节约基建投资等优点； ( 2 ) 硝化产生的酸度可部分地和反硝化产生的碱度中和；按理论计算，硝化反应 过程中，氧化1 9 氨氮要消耗碱度7 1 4 9 ( 以c a c 0 3 计) ，而反硝化反应时，还原l g n o x - - n ， 将回收3 5 7 9 碱度，故当硝化、反硝化同时发生时，反硝化反应产生的碱度将可即时补 充部分硝化反应消耗的碱度； 8 长安大学硕十学位论文 ( 3 ) 节约部分外源性碳源。传统工艺中，反应器中溶解氧比较充足，在反应的初 期消耗了废水中的易降解的优质碳源，使得系统的反硝化反应阶段碳源缺乏，需要添加 外源性碳源。s n d 方式运行则可充分利用废水中的碳源。 1 4 2 同步硝化反硝化作用机理 到目前为止，人们对于同步硝化反硝化的反应机理存在不同的观点，对其机理的探 讨还尚未成熟。综合分析近年来相关的一些研究成果和理论，其机理主要有缺氧微环境 理论、微生物理论和宏观环境理论，现被大多数学者认同的主要是从物理学、生物学及 生物化学角度对同步硝化反硝化现象进行解释的缺氧微环境理论和微生物理论。 微环境理论( 物理学角度) 缺氧微环境理论是从物理学角度对同步硝化反硝化机理进行解释的，是目前已被普 遍接受的一种机理，被认为是s n d 发生的主要原因之一。微环境理论认为：由于微生 物个体形态非常微小，影响生物生存的环境也是微小的。而宏观环境的变化往往导致环 境的变化或不均匀分布，从而影响微生物群体或类型的活动状况，并在某种程度上出现 所谓的表里不一的现象。事实上，由于微生物种群结构、基质分布代谢活动和生物化学 反应的不均匀性，以及物质传递的变化等因素的相互作用，在活性污泥菌胶团内部和生 物膜内部存在多种多样的微环境类型，而每一种微环境一般只适合某一种微生物生存， 对其他微生物则可能是不利的【2 引。 活性污泥中影响微环境分布状况的因素有电子受体( d o 、n 0 3 ) 的传递速度、菌 胶团的结构特征、各类微生物的分布和活动状况等【2 9 1 。在宏观环境为好氧状态时，由于 氧扩散的限制，使得在微生物絮体内产生d o 梯度，即从外到内，溶解氧浓度逐渐下降 ( 如图1 4 ) 。在微生物絮体的外表面，溶解氧浓度相对较高，等于反应器内混合液的溶 解氧浓度；外表面主要以好氧菌和硝化细菌为主，在此发生硝化反应。进入絮体内部， 氧传递受阻，并且由于絮体外部氧的大量消耗，使得在微生物絮体内产生缺氧区，此区 内反硝化菌占优势，并进行反硝化反应。因此，微生物絮体内的缺氧环境是形成同步硝 化反硝化的主要原因，而缺氧环境的形成又依赖于水中溶解氧浓度的大小及生物絮体的 结构。因此，控制反应器内溶解氧浓度及微生物的絮体结构对能否进行同步硝化反硝化 及其发生的程度至关重要【3 0 1 。 宏观环境理论 由于生物反应器内的混合形态不均，如充氧装置的不同，可在生物反应器内形成缺 9 第一章绪论 氧及( 或) 厌氧段，此为生物反应器的宏观环境同时提供了硝化所需的好氧环境和反硝化 所需的缺氧环境，使得硝化和反硝化反应可以同时发生。而事实上，在生产规模的生物 反应器中，即使是完全混合的反应器整体均处于完全好氧状态的情况并不存在，总是存 在缺氧或厌氧区，故同步硝化反硝化反应也就有可能发生。 图1 4 微生物絮体内反应区的分布和底物浓度的变化 微生物理论 a 生物学解释 近年来，好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现，使得好氧反硝化和异养硝化的解释有 了生物学依据，它认为好氧反硝化反应和异养硝化反应的存在在同步硝化反硝化脱氮中 占有重要地位，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厌氧条 件下进行的观点。r o b e r t s o n 等提出好氧反硝化菌也是异养硝化菌，它可以直接将氨氮 转化为气态终产物。已知的好氧反硝化菌p s e u d o m o n a ss p p ，a l c a l i g e n e s f 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 o ，他们同时也是异养硝化菌 3 1 , 3 2 1 。正因为如此，能够直 接把氨转化成最终气态产物。关于好氧反硝化和异养硝化菌，其反应速率随着d o 增加 而减少的规律也有类似的报道【3 1 1 。然而，在浓度从1 0 到2 倍的空气饱和度的均质悬 浮细菌培养试验中，也明显发现了好氧反硝化【3 3 1 。与厌氧反硝化菌相比，好氧反硝化