（环境工程专业论文）复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮除磷现场小试及生产性试验研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 水环境污染与水体富营养化问题己成为备受瞩目的全球性问题，近年来我 国水环境污染状况与水体富营养化问题也日趋严重，并已成为限制我国经济与社 会快速稳定发展的瓶颈问题。水体富营养化发生的根本原因是水体中氮、磷等营 养性物质含量过高，因此，有效控制城镇污水氮、磷等营养性物质排放是解决富 营养化问题的重要途径之一。 现有各种污水生物脱氮除磷技术普遍存在脱氮除磷效率不高、运行稳定性差 及低温硝化效果差等技术难题。本研究提出的复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮 除磷技术通过铁离子介入微生物生化反应与能量代谢过程，强化铁离子介入电子 传递作用与酶促反应激活剂作用，提高生物脱氮除磷效率，为污水高效深度脱氮 除磷提供新的思路。在前期已有的研究成果基础上，本研究以实际城镇污水为研 究对象，在低温条件下，通过现场对比小试试验研究，从脱氮除磷处理效果、 硝化速率及微生物活性等角度进行比较分析，揭示了复合铁酶促活性污泥强化生 物脱氮除磷效果的反应机制。在某污水处理厂生物池进行了复合铁酶促活性污 泥的现场生产性试验研究，对培养过程中污泥性能、脱氮除磷效果、硝化速率及 复合铁酶促活性污泥培养成熟后系统的工艺优化进行了研究，分析复合铁酶促 活性污泥生物脱氮除磷作用原理并确定其污泥系统运行的最佳控制参数。 研究结果表明：( 1 ) 在低温( 7 1 6 ) 条件下，两平行对比系统脱氮除磷 能力和微生物活性均随着温度的降低而有所下降，但复合铁酶促活性污泥对污水 的处理效果及微生物活性均优于普通活性污泥。在1 3 - 1 6 。c 条件下，其对于 n h 4 + - n 、p 0 4 3 - _ p 及有机物的平均去除率分别较普通活性污泥提高4 8 4 、2 1 3 6 和2 7 2 ；在1 0 1 30 c 条件下，其对于n h 4 + - n 、p 0 4 3 - _ p 和有机物的平均去除率 分别提高1 6 5 7 、3 9 7 9 $ d5 1 3 ；在7 - 1 0 c 条件下，其对于n h 4 + - n 、p 0 4 3 - _ p 及有机物的平均去除率分别较普通活性污泥提高2 6 8 7 、5 2 13 和6 6 6 。( 2 ) 在低温( 9 5 、11 6 。c ) 条件下，两系统活性污泥脱氮除磷反应过程对比分析结果 表明，在整个好氧过程中，复合铁酶促活性污泥与对比活性污泥比硝化速率分别 为1 2 0 m g n h 4 + n ( g m l v s s h ) 和0 6 8m g n h 4 + - n ( g m l v s s h ) ，其比硝化 速率提高4 3 3 3 。( 3 ) 复合铁酶促活性污泥的现场生产性试验表明在污泥培养 青岛理工大学工学硕士学位论文 过程中，污泥浓度有所提高，形成了大而结实的污泥絮体结构，污泥沉降性能大 大提高；培养成熟后出水c o d 和s s 的去除效果分别达到了8 3 9 5 币i8 7 2 0 ， 去除效果较高且稳定，t n 和t p 较培养前分别提高了3 9 0 0 、4 6 3 8 。 ( 4 ) 复合铁酶促活性污泥培养成熟后，通过回流比、溶解氧、进水方式和是否外加碳 源等条件变化，考察各工况条件下复合铁酶促活性污泥脱氮除磷效果，确定最佳 工艺控制参数。在最优运行条件下，复合铁酶促活性污泥系统硝化、反硝化、除 磷效果稳定，对该类水质具有良好的处理效果，c o d 、t n 、n h 3 n 、t p 平均去 除率分别为9 0 9 、7 5 6 、9 9 3 、9 1 0 ，出水水质能够满足城镇污水处理 厂污染物排放标准一级a 标准要求。 关键词：铁；活性污泥；酶促反应；脱氮除磷；微生物活性 i i a b s t r a c t w a t e rd o l l u t i o na n de u t r o p h i c a t i o nh a v eb e c o m eh i g h p r o f i l eg l o b a li s s u e s ，t h e s i t u a t i o no fw a t e rp o l l u t i o na n de u t r o p h i c a t i o ni nc h i n aa r ei n c r e a s i n g l ys e r i o u si n r e c e n ty e a r s , a n dh a v eb e c o m et h eb o t t l e n e c kp r o b l e m st h a tl i m i tar a p i da n ds t e a d y d e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m ya n ds o c i e t y h i g hc o n t e n to fn i t r o g e n a n d p h o s p h o r u sn u t r i e n ts u b s t a n c e si nw a t e rb o d yi s t h er o o tc a u s eo fe u t r o p h i c a t i o n t h e r e f o r e e f f e c t i v ec o n t r o lo fu r b a ns e w a g en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa n do t h e r n u t r i e n ts u b s t a n c e sd i s c h a r g ei sa ni m p o r t a n tw a y t os o l v et h ee u t r o p h i c a t i o np r o b l e m t h ee x i s t i n gw a s t e w a t e rb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g y h a st h ep r o b l e m so fl o w e rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c y ，p o o r o p e r a t i o n a ls t a b i l i t ya n dm o r ed i f f i c u l tn i t r i f i c a t i o ni n l o wt e m p e r a t u r e t h ef e r r i c e n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g eb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g y i s t h r o u g hf e r r i ci r o ng e t t i n gi n v o l v e di n t om i c r o b i a lb i o c h e m i c a lr e a c t i o n sa n de n e r g y m e t a b o l i s m s t r e n g t h e nf e r r i ci r o np a r t i c i p a t ei nt h ee l e c t r o nt r a n s f e ra n d t h er o l eo f e n z y m a t i cr e a c t i o na c t i v a t o rt oe n h a n c eb i o l o g i c a ln 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 e f f i c i e n c y ，p r o v i d ean e w i d e af o rt h ed e v e l o p m e n to fe f f i c i e n td e e pn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g y o nt h eb a s eo fp r e - e x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t si n t h i s s t u d y ，u r b a ns e w a g ea st h er e s e a r c ho b je c t ，r e v e a lt h ep r i n c i p l eo ff e r r i ce n z y m a t i c a c t i v a t e ds l u d g er e a c t i o nm e c h a n i s mo fb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t h r o u g ht h ev i e wp o i n t so f t h ep o l l u t i o n sr e m o v a lr a t e ，n i t r i f i c a t i o nr a t ea n dm i c r o b i a l a c t i v i t yu n d e rh y p o t h e r m i ec o n d i t i o n b y t h ep r o d u c t i v ee x p e r i m e n t ，a n a l y z et h e p r i n c i p l eo ff e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g eb i o l o g i c a l 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 la n dd e t e r m i n e dt h eb e s tc o n t r o lp a r a m e t e r s ，t h r o u g ht h ev i e wp o i n t so f t h e p o l l u t i o n ss e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c eo fa c t i v a t e ds l u d g e ，r e m o v a lr a t e n i t r i f i c a t i o n r a t ea n dt h es t u d yo np r o c e s so p t i m i z a t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e d ：( 1 ) a tl o w t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，m i c r o b i a la c t i v i t y a n dt r e a t m e n ta b i l i t yo ff e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ea n dc o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g ea l l s u f f e r e dt h ei m p a c tw i t hd i f f e r e n tm a g n i t u d e s ，b u tt h e c o n t r a s t r e s u l t s h o w e dt h a tt h ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g e h a dc o n s p i c u o u sr e s i s t a n c e n l 青岛理工大学工学硕士学位论文 t e m p e r a t u r ec h a n g e sa b i l i t y ，a n d i t sm i c r o b i a la c t i v i t ya n dt r e a t m e n ta b i l i t yw e r e s u p e r i o rt ot h o s eo fc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e a tt h el o wt e m p e r a t u r eo f13 16 。c ，c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e ，t h en h 4 + - n ，p 0 4 3 - _ pa n d c o dr e m o v a lr a t eo ff e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ew e r er e s p e c t i v e l yi n c r e a s e db y 4 8 4 ，21 3 6 a n d2 7 2 a tt h el o wt e m p e r a t u r eo f1o 13 。c ，c o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e ，t h en h 4 + n ，p 0 4 3 - pa n dc o dr e m o v a lr a t eo ff e r r i c e n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ew e r er e s p e c t i v e l yi n c r e a s e db y16 5 7 ，39 7 9 a n d 5 13 a tt h el o wt e m p e r a t u r eo f7 10 。c 。c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a la c t i v a t e d s l u d g e ，t h en h 4 + - n ，p 0 4 3 - pa n dc o d r e m o v a lr a t eo ff e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e d s l u d g ew e r er e s p e c t i v e l yi n c r e a s e db y2 6 8 7 ，5 2 1 3 a n d6 6 6 ( 2 ) t h es p e c i f i c n i t r i f i c a t i o nr a t eo ft h ec o m p o s i t ei r o ne n z y m a t i cs y s t e ma n dt r a d i t i o n a ls y s t e mw e r e 1 2 0 m g n h 4 + - n gm l s s ha n d0 6 8 m g n h 4 + - n gm l s s 。h ，w h i c hw a s4 3 3 3 h i g h e r t h a nt h a to ft r a d i t i o n a ls y s t e m ；a tl o w t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n so f9 5 11 6 c 。 ( 3 ) w h e nt h ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ew a sg r a d u a l l yf o r m i n g ，i t ss l u d g e c o n c e n t r a t i o nw a so b v i o u s l yi m p r o v e d ，f o r m e dl a r g ea n dd e n s ef l o c c u l e n ts t r u c t u r e ， a n de n h a n c e dt h es e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c eo fa c t i v a t e ds l u d g e c o m p a r e dw i t h b e f o r et h ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ew a sf o r m e dt h ec o d ，s s ，t na n dt p r e m o v a lr a t eo ff e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g ew e r er e s p e c t i v e l yi n c r e a s e db y 8 3 9 5 ，8 7 2 0 ，3 9 0 0 a n d4 6 3 8 ( 4 ) a f t e rt h ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g e w a sf o r m e d ，d e t e r m i n e dt h eb e s tc o n t r o lp a r a m e t e r st h r o u g ht h ee f f e c to fb i o l o g i c a l n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a li n d i f f e r e n tc o n d i t i o n so fd o ，r e f l u xr a t i o ，f e e d m o d e ，e x t e r n a lc a r b o na d d i t i o n t h ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g eh a ss t a b l e e f f e c ta n dh i g h e rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yi nt h eb e s tc o n t r o l p a r a m e t e r sc o n d i t i o n ，h ec o d ，t n ，n h 4 + - na n dt pr e m o v a lr a t eo ff e r r i ce n z y m a t i c a c t i v a t e ds l u d g er e s p e c t i v e l y9 0 9 ，7 5 6 ，9 9 3 a n d91 0 t h ee f f l u e n tq u a l i t y s a t i s f yt h ep r i m a r ys t a n d a r dao ft h e c i t i e ss e w a g et r e a t m e n tp l a n tp o l l u t a n t d i s c h a r g es t a n d a r d k e yw o r d s ：f e r r i c ；a c t i v a t e ds l u d g e ；e n z y m a t i cr e a c t i o n ；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 ；m i c r o b i a la c t i v i t y i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国的水环境现状 水是自然界的基本要素，也是一种非常宝贵而有限的自然资源，是人类生存 的基本条件。我国多年平均水资源总量为2 8 万亿m 3 ，2 0 0 6 年我国人均水资源占 有量为1 9 0 0m 3 ，预测到2 0 3 0 年我国人均水资源占有量将降到1 7 6 0 m 3 ，将达到世 界公认的缺水警戒线。我国水资源分布存在严重不均问题，其从空间分布来看， 占水资源总量的8 0 集中分布在长江以南地区，其中4 0 以上又集中于西南五省 区，就区域人均淡水资源占有条件来看，北方最低地区和南方最高地区相差数1 0 倍，西部比东部甚至相差5 0 0 6 0 0 倍，这种区域分布导致的水资源短缺的问题在 相当长的时间难以解决，而南方地区水资源尽管比较丰富，但由于水体污染，水 质型缺水的状况也相当严峻。在我国6 0 0 多座城市中，有3 0 0 多座缺水，4 0 多座严 重缺水。城市可供给缺水量达n 6 0 亿m 3 ，6 0 0 0 万人长年饮水困难。缺水不仅对 人们的正常生活产生严重影响，对我国的经济建设和发展的影响也十分严重。 1 9 8 6 年我国因缺水就损失3 0 0 0 多亿工业产值和2 0 0 0 多亿农业总产值，粮食减产 2 0 0 亿公斤。有关统计资料表明，缺水年我国工业经济损失达2 3 0 0 爹；亿元【2 】。同 时，缺水和水污染造成了水体生态环境的严重恶化，加剧了水资源的供求矛盾。 从我国水环境状况来看，2 0 1 0 年中国环境状况公报显示 3 ：2 0 1 0 年全国地表 水污染依然较重，七大水系总体为轻度污染，浙闽区河流和西南诸河水质良好， 西北诸河水质为优，湖泊( 水库) 富营养化问题突出。长江、黄河、珠江、松花江、 淮河、海河和辽河七大水系总体为轻度污染。2 0 4 条河流4 0 9 个地表水国控监测断 面中，i 一i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 9 9 、2 3 7 和 1 6 4 。主要污染指标为高锰酸盐指数、五日生化需氧量和n h 4 + - n 。其中珠江、 长江水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度 污染。2 6 个国控重点湖泊( 水库) 水质见表1 1 ，从表1 1 可以看出满足i i 类水质 的1 个，占3 8 ；i i i 类的5 个，占1 9 2 ；i v 类的4 个，占1 5 4 ；v 类的6 个，占 2 3 1 ；劣v 类的1 0 个，占3 8 5 。主要污染指标为总氮和总磷。营养状态为重 度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的2 个，占7 7 ；轻度富营养的1 1 个，占 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 2 3 ；其他均为中营养，占4 6 2 。太湖水质总体为劣v 类，主要污染指标为 总氮和总磷，湖体处于轻度富营养状态，滇池水质总体为劣v 类，主要污染指标 为总磷和总氮。草海处于重度富营养状态，外海处于中度富营养状态。巢湖水质 总体为v 类，主要污染指标为总磷、总氮和石油类，西半湖处于中度富营养状态， 东半湖处于轻度富营养状态。 9 个重点国控大型淡水湖泊见表1 2 ，表中显示洱海、镜泊湖和博斯腾湖为 i i i 类水质，洪泽湖、鄱阳湖和南四湖为v 类水质，达赉湖、白洋淀和洞庭湖为劣 v 类水质。各湖主要污染指标为总氮、总磷和高锰酸钾盐指数。与上年相比，洪 泽湖水质好转，鄱阳湖、南四湖和洞庭湖水质变差，其它大型淡水湖泊水质无明 显变化。镜泊湖、洱海和博斯腾湖为中营养状态，洪泽湖、鄱阳湖、南四湖和洞 庭湖为轻度富营养状态，达赉湖和白洋淀为中度富营养状态。 表1 - 1 重点湖( 库) 水质类别 t a b l e l - 1w a t e rq u a l i t yo fk e yl a k e 幸：三湖是指太湖、滇池和巢湖 青岛理工大学工学硕士学位论文 表1 - 2 重点大型淡水湖泊水质状况 t a b l e l - 2w a t e rq u a l i t yo fk e yl a r g el a k e 以上数据显示，我国水环境污染仍然比较严重，氮磷污染引起的水体富营养 化问题没有明显改善。水资源短缺、水污染严重和水环境恶化已经成为当前制约 我国经济和社会可持续发展的突出问题。 1 2 我国控制氮磷污染排放标准 近年来，虽然我国城镇污水处理规模和污水处理率不断提高，但是由氮磷污 染引起的水体富营养化问题不仅没有解决，而且有日益严重的趋势。国家和地方 政府为了保护水环境，相继出台了各类排放标准，其中对氮磷的排放要求趋于严 格。鉴于国内氮磷污染日趋严重，我国对原有污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 9 6 ) 进行了修订，颁布了针对全国所有城镇污水处理厂的城镇污水处理厂污染物排 放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) ，对城镇二级污水厂的排水水质做了严格的规定，除提 高一级排放标准、二级排放标准和三级排放标准外，还在级标准中增设了更加 严格的a 标准，其中对氮、磷的排放标准都提出了具体要求【4 j ，见表1 3 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 表1 3 基本控制项目最高允许排放浓度( 日均值) 单位：m g l t a b l e l - 3t h eh i g h e s td i s c h a r g ec o n c e n t r a t i o no ft h eb a s i cc o n t r o li t e m u n i t ：m g l 国家环境保护部于2 0 0 6 年在关于发布( 城镇污水处理厂污染物排放标准) ( g b1 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 修改单的公告( f 2 0 0 6 1 2 1 号，以下简称公告) 中规定， 城镇污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭 水域时，执行一级标准的a 标准，排入g b3 8 3 8 地表水i i i 类功能水域( 划定的饮 用水源保护区和游泳区除外) 、g b3 0 9 7 海水二类功能水域时，执行一级标准的 b 标准。一些地方的排放标准也陆续出台，山东省环保厅陆续出台并实施了地方 性水环境质量标准，如山东省南水北调沿线水污染物综合排放标准、山东 省海河流域水污染物综合排放标准、山东省小清河流域水污染物综合排放标 准、山东省半岛流域水污染物综合排放标准等标准。2 0 0 8 年1 月1 日开始在 江苏省大范围内执行的全国最严格的省内排放标准太湖流域城镇污水处理厂主 要水污染物排放限值，上述标准针对城镇污水处理厂提出了更为严格的水污染 物排放要求，特别对于氮、磷等污染物的控制甚至严于国家标准。 现有污水生物脱氮除磷系统存在的诸如不同世代周期自养型微生物与异养 型微生物之间的泥龄矛盾、厌氧释磷与反硝化脱氮对碳源竞争的矛盾、硝酸盐回 流对厌氧释磷影响等问题造成污水处理厂运行稳定性差、总体脱氮除磷效率不高 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 以及低温硝化性能差等技术难题，研究经济高效的污水脱氮除磷技术成i 厂水处理 领域关注的热点。 1 3 生物脱氮除磷技术发展现状 1 3 1 生物脱氮除磷原理 1 3 1 1 生物脱氮原理及其影晌因素 生物脱氮作用主要有三种方式【5 ：一部分在反应过程中被结合到细胞或被微 生物内吸附，随剩余污泥排除；另一部分转化为n 2 ，n 。o v 等氮的气体形态从反 应器上方逸入大气；余者则随出水排出。这三种方式主要通过同化作用、氨化作 用、硝化作用和反硝化作用完成。 l 、同化作用 污水中的一部分有机氮和氨氮会被同化为微生物细胞的组成成分。按细胞干 重计算，微生物细胞中约含氮1 2 5 t 6 1 ，其微生物同化作用去除的( 氨) 氮量可以 表示为： n 合成= 0 1 2 5 x b ，h( 1 ) 式中：n 合成同化作用所除的氮量，k g n a 或m g l 进水 x b h 活性生物固体产量，k gv s s d 或m gv s s l 进水 2 、氨化作用与硝化作用 在未经处理的新鲜污水中，含氮化合物存在的主要形式有：有机氮，如蛋 白质、氨基酸、尿素、胺类化合物、硝基化合物等；氨态氮( n h 3 、n h 4 + ) ；一 般以前者为主。 含氮化合物在微生物的作用下，相继产生下列各项反应。 ( 1 ) 氨化反应 有机氮化合物，在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮，这一过程称之为 “氨化反应”，以氨基酸为例，其反应式为： r c h n h 2 c o o h + 0 2 堑丝堕jr c o o h + c 0 2 + n h 3( 2 ) ( 2 ) 硝化反应 在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，就此分两个阶段进行，首先在 亚硝化菌的作用下，使氨( n h 4 + ) 转化为亚硝酸氮，其反应方程式为： 青岛理工大学工学硕士学位论文 n h 4 + + 0 2 塑些堕一n 0 2 + h 2 0 + 2 h + 一a f( 3 ) 继之，亚硝酸氮在硝化菌的作用下，进一步转化为硝酸氮，其反应方程式为： n 0 2 。+ 专0 2 ! ! ! 墼童专n 0 3 - - a f( 4 ) 硝化反应的总反应方程式为： n h 4 + + 2 0 2 n 0 3 。+ h 2 0 + 2 h + - a f ( 5 ) ( 3 ) 硝化菌 亚硝酸菌和硝酸菌统称硝化菌，硝化菌是化能自养菌，革兰氏染色阴性，不 生芽孢的短杆状细菌，广泛存活于土壤中，在自然界的氮循环中起着重要的作用。， 这类细菌的生理活动不需要有机性营养物质，从c 0 2 获取碳源，从无机物的氧 化中获取能量【7 1 。 ( 4 ) 硝化反应正常进行应保持的环境条件7 】： 要保证硝化反应正常就进行，应保持好氧条件，满足“硝化需氧量”的要求， 并保持一定的碱度。由前式可以看出，在硝化过程中，l m o l 氨氮( n h 4 + - n ) 氧化 成硝酸氮( n 0 3 n ) ，需2 m 0 1 分子氧( 0 2 ) ，即1 9 氨氮完成硝化反应，需要消耗4 5 7 9 溶解氧，这个需氧量称为“硝化需氧量”( n o d ) 。 适宜的p h 条件也是保证硝化反应正常进行的必要条件。在硝化反应过程中， 将释放出h + 离子，致使混合液中h + 离子浓度增高，从而导致p h 值下降。硝化 菌对p h 值的变化十分敏感，为了保持适宜的p h 值的变化，起到缓冲的作用， 一般来说，1 9 氨态氮( 以n 计) 完全硝化，需要消耗7 1 4 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 。 3 、反硝化作用 ( 1 ) 反硝化反应过程与反硝化菌 反硝化反应是指硝酸氮和亚硝酸氮在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮的 过程。 反硝化菌是属于异养型兼性厌氧的细菌。在缺氧条件下，以硝酸氮为电子受 体，以有机物( 有机碳) 为电子供体。 在反硝化过程中，硝酸氮通过反硝化茵的代谢活动，可能有两种转化途径， 即：同化反硝化( 合成) ，最终形成有机氮化合物，作为茵体有机体的一部分；另 一途径为异化反硝化( 分解) ，最终产物是气态氮。 6 f 2 ) 影响反硝化反应的环境因素婵j 碳源对反硝化的影响：能为反硝化菌所利用的碳源是多种多样的，但从污水 生物脱氮工艺来考虑，可分为污水中所含碳源和外加碳源两种。利用污水中所含 碳源是比较理想和经济的，优于外加碳源。一般认为，当污水中b o d 5 t n 3 5 时，即可认为碳源充足，勿需外加碳源。当原污水中c n 比值过低，如b o d 5 t n 3 5 ，即需另投加有机碳源，现多采用甲醇等可快速降解有机物，因为它被分 解后的产物为c 0 2 和h 2 0 ，且可获得较高的反硝化速率。 p h 值是反硝化反应的重要影响因素，对反硝化茵最适宜的p h 值为6 5 7 5 ， 在该p h 值范围内，反硝化速率最高，当p h 值高于8 或低于6 时，反硝化速率 将大为下降。 溶解氧也是影响反硝化速率的重要因素。反硝化菌是异养兼性厌氧菌，只有 在无分子氧而同时存在硝酸和亚硝酸离子的条件下，它们才能够利用这些离子中 的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。如反应器内溶解氧过高，将使反硝化菌利用氧进 行呼吸，抑制反硝化菌体内硝酸盐还原酶的合成，同时其优先利用氧为电子受体， 抑制硝酸氮的还原。但是，另一方面，在反硝化菌体内某些酶系统组分只有在有 氧条件下才能合成，因此，反硝化菌以在厌氧、好氧交替环境中生活为宜。 温度对反硝化速率的影响：反硝化反应的适宜温度为2 0 4 0 ，低于1 5 时，反硝化菌的增值速率降低，代谢速率降低，从而降低了反硝化速率。在冬季 低温季节，为了保持一定的反硝化速率，应考虑提高反硝化反应系统的污泥龄( 生 物固体平均停留时间) ；降低负荷率；提高污水的水力停留时间。 有研究结果表明，温度对反硝化速度的影响与反应设备的类型有关，以流化 床为反应器的反硝化反应，温度对其影响明显小于以生物转盘或悬浮污泥为反应 器的反硝化反应。 1 3 1 2 生物除磷原理及其影响因素 1 、生物除磷基本原理 磷是微生物生长繁殖所必需的营养物质9 1 。污水中的磷主要以无机态磷酸盐 ( p 0 4 3 p ) 和有机磷( 聚磷酸脂、核酸、胞壁酸等) 的形式存在；和生物脱氮不同， 由于磷及其化合物在常温常压下不存在稳定的气体形态，因此随污水进入生化反 应系统的总磷只有两条出路：或者被微生物吸附结合入细胞随剩余污泥排除，或 青岛理工大学工学硕士学位论文 者随出水排出。在常规活性污泥系统中，活性污泥含磷量通常仅为污泥干重的 1 0 2 0 ，通过剩余污泥排放只能去除总磷的1 0 3 0 。但有研究结果表明【1 0 ， 在厌氧一好氧交替运行的条件下，某些被称为聚磷菌( p a o p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n go r g a n i s m ) 1 1 1 的微生物种群能够以比普通活性污泥高3 - 7 倍的水平 摄取磷。 生物除磷的目的在于提高剩余污泥的含磷量，而努力减少出水中t p 的浓度。 对在特定条件下活性污泥微生物能过量积累磷的现象的研究过程中曾产生两个 比较有代表性的假说【1 2 1 ，第一个是生物诱导的化学沉淀作用；第二个是生物吸 磷作用。其中生物吸磷作用机理认为，活性污泥中某些微生物能够在特定条件下 完成磷酸盐的过量吸收，然后通过剩余污泥排放将磷从系统中去除。生物吸磷作 用机理因较好地解释了活性污泥过量吸磷现象，并在实际除磷系统中也确实观察 到了某些微生物过量吸收磷酸盐并以异染粒的形式储存在体内，所以被越来越多 的人所认可。近三十年来，围绕生物过量吸磷展开过大量的分析研究，人们在以 下几个方面达成了共识l 】： ( 1 ) 生物除磷主要是由被称为聚磷菌( p a o s ) 的一类微生物完成的，现已知的 包括：不动杆菌属，假单胞杆菌属，气单胞菌属和棒杆菌属等，该类微生物属于 异养型细菌。其主要特征是能够在细胞内合成储能物质聚b 羟基丁酸( p h b ) 矛i 糖 原，并以有机颗粒的形式储存于细胞内。 ( 2 ) 在厌氧条件下，聚磷菌将细胞中的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外，利 用此过程获得的能量将污水中的溶解性可快速降解有机物合成聚d 羟基丁酸 ( p h b ) 等贮能物质贮于胞内。 ( 3 ) 在好氧条件下，聚磷菌氧化体内聚p 一羟基丁酸( p h b ) 产生能量，然后利 用产生的能量吸收磷酸盐，大量磷酸盐被吸收，该能主要用于提供其从废水中摄 取磷所需的能量，过量吸收的磷酸盐被转化为多聚磷酸盐，并作为能量贮于胞内。 好氧摄磷量大于厌氧释磷量，故可以通过排放剩余污泥实现高效除磷的目的。 ( 4 ) 研究表明，好氧条件下，细胞内p h b 含量随时间呈指数关系减少；厌 氧条件下则呈线性关系增加，且p h b 的增加与胞内聚磷的减少之间呈线性关系。 在一定条件下，聚磷菌厌氧有效释磷越彻底，其在好氧条件下的吸磷量就越大。 可见，p h b 的合成与降解是与聚磷菌的释磷和摄磷过程密切相关的 ”】。 。丝塑垒鎏竺些丝堡一一 ( 5 ) 研究表明，一部分聚磷菌具有脱氮功能，在无游离氧条件下可利用硝酸 盐中的氧进行呼吸，将硝酸盐还原为n 2 或n x o y ，同时还可大量吸磷。但当厌 氧段混入硝酸盐时，一部分易降解有机物被反硝化消耗，对聚磷菌释磷产生不利 影响。 ( 6 1 聚磷菌厌氧释磷的程度与基质类型关系很大。大多数聚磷菌通常只能利 用易降解挥发性有机酸( v f a s ) 类小分子有机物合成p h b 。有些观点认为：聚磷 菌可直接利用挥发性脂肪酸，其它底物必须要转化成为挥发性脂肪酸( v f a ) 后才 能被利用 1 2 】。 应该指出，迄今为止人们对于生物除磷机理的许多重要问题的认识并不如对 生物脱氮机理认识的那么深入。生物除磷的机理有待于进一步研究，充分挖掘生 物除磷的潜力。有关生物除磷机理也可简单描述如下图所示叫： 厌氧生境 d 至三 71 聚p 菌 。 图1 - 1 生物除磷机理图解 f i g 1 - 1s c h e m eo fb i o d e p h o s p h o r i z a t i o np r i n c i p l e 2 、生物除磷影响因素 ( 1 ) 温度 生物除磷工艺无论在高温低温条件下均能够成功运行，由此生物除磷能力似 乎不受温度影响，但有研究表明，随着水温的变化生物除磷系统中磷的比释放速 率和比吸磷速率发生变化，尤其是在生产性和中试试验与小试试验对比研究中发 现不同季节不同温度条件下，生物除磷系统表现出不同的除磷能力的变化，其原 因可能是不同季节水质的变化与温度的变化导致了生物系统中生物种群的变化 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 吲。 ( 2 ) p h 值 以往的试验结果表吲1 4 】，p h 值对污泥生物除磷影响很大，特别是在厌氧释 磷阶段。p h 值高低将影响乙酸盐进入细胞的过程，p h 值偏低还会导致厌氧释磷 速度和乙酸盐吸收速率的降低。 ( 3 ) 溶解氧( d o ) 由生物除磷机理可知【”】：d o 的浓度可能会影响好氧区的磷吸收速率。但 是只要好氧时间足够长就不会影响磷的去除量。在同步脱氮除磷工艺里，好氧区 的d o 浓度控制在1 5 - 3 m g l 即可达到较好的脱氮除磷效果，d o 浓度过高会造 成不必要的能量损失，过低则不利于聚磷茵的吸磷作用和硝化茵的硝化作用。 ( 4 ) 硝态氮( n o x - n ) 在缺氧条件下，与聚磷菌相比反硝化菌处于竞争优势，优先利用有限的底物， 使得聚磷菌得不到足够的底物而释磷不充分，进而影响除磷效果。一般认为硝态 氮的浓度控制在1 5 m g l 以下。 ( 5 ) 碳磷比, ( b o d j t p ) 废水的b o d 5 t p 是影响生物脱氮除磷系统除磷效果的重要因素之一， b o d 5 1 t p 值过低，聚磷菌胞内p h b 的合成较少，影响好样阶段对磷的吸收，使 系统除磷能力下降，处理效果变差。有研究证明，每去除l m g 磷约需要1 2 5 - 2 5 m g 的b o d 5 。为使出水t p 低于l m g l ，废水中b o d 5 t p 应大于2 0 ，或溶解性b o d 5 溶解性磷大于1 2 1 5 。 影响生物除磷系统除磷性能的因素很多，除上述因素外，还有诸如泥龄、厌 氧停留时间及剩余污泥处理方法等。 1 3 2 生物脱氮除磷工艺 2 0 世纪6 0 年代，通过不断的实践研究，人们成功开发了好氧、缺氧的生物 脱氮系统。在脱氮系统发展的同时，在一些生产性活性污泥系统中观察到了强化 除磷过程。生物脱氮除磷工艺的发展主要经历以下几个阶段： 1 9 3 2 年w u h m a a n n 利用内源反硝化建立了后置反硝化工艺 1 6 】，如图1 2 硝 化产生的硝酸盐在反应器后端进行内源反硝化，但是内源反硝化效率很低，需要 的反应容积也很大。为了提高脱氮效率，后期出现了改进的l u d z a c k e t t i n g e r 【1 7 】 l o 青岛理工大学丁学硕士学位论文 工艺如图1 3 ，其反硝化效率明显提高，主要是因为硝酸盐能直接与进水易生物 降解基质接触，解决了碳源问题。 外加碳源 图1 - 2w u h r m a n n 工艺 f i g 1 - 2w u h r m a n np r o c e s s 图1 - 3l u d z a c k - e t t i n g e r 工艺 f i g 1 - 3l u d z a c k - e t t i n g e rp r o c e s s 在以上流程基础上，增加一个缺氧区和一个小型好氧区，实现了进一步脱氮， 如图1 - 4 示的四阶段b a r d e n p h o 工艺一样。在第一个缺氧段，来自硝化段的内回 流混合液中含有大量的硝态氮，在与进水大量有机物接触反应后，硝态氮代替溶 解氧作为电子受体，被还原为氮气，经过该段硝态氮去除约7 0 ，剩余的硝态氮 则经第二缺氧池去除，之后加入一好氧区吹脱氮气并充氧，避免沉淀池厌氧释磷。 内循环 图1 - - 4a r d e n p h o 工艺 f i g 1 - 4a r d e n p h op r o c e s s 在该工艺的研究中，b a r n a r d 发现当硝酸盐量较低被快速去除，前置反硝化 池存在厌氧区时，系统具有明显的除磷效果。为了强化这种效应，它们在工艺的 最前端