（环境工程专业论文）carrousel氧化沟强化生物脱氮研究.pdf

摘要 氧化沟利用沟内溶解氧分布的不均匀性，通过合理设计，使沟中产生交替循 环的好氧段和缺氧段，可以达到脱氮的目的。但是，同一沟中好氧段与缺氧段各 自的体积和溶解氧浓度很难准确地加以控制，因而脱氮效果不理想。为此，本课 题主要针对c a r r o u s e l 氧化沟工艺脱氮性能展开了讨论，配合s b r 间歇试验，探 讨了c a r r o u s e l 氧化沟工艺在处理生活污水的过程中，基于溶解氧、污泥负荷以 及碳源这三方面强化脱氮的控制策略。 试验用c a r r o u s e l 氧化沟装置由3 部分组成：水箱、附有前置厌氧区( 7 l ) 和 缺氧区( 2 1 l ) 的氧化沟系统、二沉池，各部分的有效容积分别为5 0 0 l 、2 8 0 l 和 9 5 l 。缺氧区和厌氧区分别设搅拌器进行搅拌，氧化沟好氧区内设磨砂曝气头进 行充氧，同时设置搅拌器以推动混合液的循环流动。 为使氧化沟内曝气、推流所占空间比例更为合理，在恒定曝气量的情况下， 考查了最优氧化沟布气方式。研究发现，于直沟段设置3 个曝气头的布气方式最 合理。此时，不仅氧的利用率高，而且有利于系统脱氮，脱氮率达6 7 7 8 。若 布置2 个曝气头，d o 偏低区域过大，硝化条件不充分。设置4 个曝气头时，容 易导致沟内d o 浓度偏高，缺氧反硝化条件不足，使得脱氮效果较差。 此外，为优化氧化沟d o 控制，在采用3 个曝气头布气方式及保持曝气点 d o 浓度相同的基础上，探讨了不同d o 水平对系统脱氮效果的影响。结果表明， 在进水负荷为0 0 4 0 0 7 k g b o d ( k g m l s s d ) 及污水水温维持在2 2 2 8 时，宜 控制d o 浓度在1 1 6 m g l 的范围内，满足出水氨氮零排放要求的同时，系统的 脱氮效果最佳，脱氮率达6 7 0 8 。0 1 o 2 m g l 的d o 水平严重偏低，远不能满 足硝化所需的溶解氧要求，脱氮率仅有4 9 8 6 。d o 为0 5 1 m g l 时，出水氨氮 ( 4 4 m g l ) 达到排放标准，但充氧不足不能很好地起到混合推流作用，导致系统效 果降低。d o = i 9 2 7 m g l 时，因d o 偏高致使反硝化条件不能满足而影响系统 脱氮，而且过量曝气又造成能量浪费。合理的d o 控制，需要根据进水水质、水 温等的变动和氧化沟运行工况的改变适时调整，以期提高氧的利用率，同时最大 限度地改善工艺脱氮性能。 考察污泥负荷( m ) 对c a r r o u s e l 氧化沟工艺运行效果的影响时，发现对于冬季 ( 水温维持在( 1 4 o 士o 6 ) ) 运行的c a r r o u s e l 氧化沟工艺，宜选择 0 1 0 k g b o d ( k g m l s s d ) 的污泥负荷，以保证硝化作用的充分进行，进而取得理 想的脱氮效果。m 为o 1 0 k g b o d ( k g m l s s d ) 时，氨氮去除效果最好，氨氮去除 率在9 9 以上，出水氨氮在o 6 m g l 以下，而且此时的脱氮效果较为理想，平均 脱氮率为5 4 7 ，最高达6 2 8 。s 为0 1 7 k g b o d ( k g m l s s d ) 时的最高氨氮去 除率只有5 9 8 ，出水氨氮在2 3 m g l 以上，而脱氮率仅3 1 5 。当s 为 o 1 3 k g b o d ( k g m l s s d ) 时平均氨氮去除率为7 5 3 4 ，最低7 1 3 ，出水氨氮在 1 8 m g e 以下，脱氮率为4 8 4 。 针对该生活污水c n 比不足以及低温( 1 5 4 0 + 0 8 ) 下系统反硝化速率较低 的问题，探讨通过碳源补偿以改善c a r r o u s e l 氧化沟工艺脱氮性能的优化控制。 为了研究低温环境下反硝化细菌对各种碳源的直接反应，利用c a r r o u s e l 氧化沟 系统的活性污泥，以甲醇、乙醇，乙酸钠，丙酸钠、葡萄糖、生活污水及内源物 质为碳源，在1 5 4 c + 0 8 c 低温状态下展开序批式缺氧反硝化试验。考查不同碳 源系统最大比反硝化速率( m s d r ) 的变化，其由大到小依次为6 5 1 0 、3 6 2 9 、3 2 6 1 、 1 4 3 2 、1 3 5 0 、o 9 0 9 、o 1 4 7 4 m g n o x - n ( g v s s h ) ，相应的碳源分别为乙酸钠、生 活污水、丙酸钠、葡萄糖、乙醇、甲醇、内碳源。研究发现，虽然乙酸钠为碳源 时系统的m s d r 最高，反硝化效率却最低，只有0 4 8 1 9 ，且存在亚硝酸盐积累 现象，这是选择乙酸钠为碳源的局限性。丙酸钠为碳源时的反硝化效率是五种单 一碳源中最高的，达0 9 1 0 0 ，需兼顾反硝化速率和反硝化效率时宜选取丙酸钠作 碳源。反硝化菌在极度饥饿的状态下，能利用自身体内的原生物质进行内源反硝 化，取得一定的脱氮效果，其反硝化速率最低。 甲醇作为外碳源需要一定的适应时间方可实现令人满意的脱氮效果，而严格 控制其投加量可较早实现预期目标。在前置反硝化c a r r o u s e l 氧化沟及后置反硝 化s b r 系统中，均研究考察了长期使用甲醇外碳源的过程中生物反硝化性能的 变化情况。结果显示，相对后置反硝化s b r 工艺系统3 7 天实现稳定( 比其他相 关文献报道的时间少) ，前置反硝化c a r r o u s e l 氧化沟工艺需要较短的时间适应甲 醇碳源( 2 9 天) 。通过长期投加甲醇驯化后，两系统的脱氮性能均得到强化。s b r 工艺反硝化速率由运行之初的0 3 7 8 m g n o x - n ( g v s s - h ) d 提高到 2 4 0 6 m g n o x n ( g v s s h ) ，而c a r r o u s e l 氧化沟工艺反硝化效率由0 0 8 2 提高到 0 1 2 3 ，且脱氮率由原来的5 0 以下增长到7 0 3 。此外，用驯化后的污泥进行 氮吸收速率( n u r ) 试验，发现甲醇作碳源的t o c n 适宜范围是1 1 0 - 2 6 8 ，依此 确定的甲醇投加量不仅保证反硝化完全，同时能使反硝化速率达到最大值且不造 成碳源浪费。 根据原水水质、工艺运行状况、出水要求等适时调整d o 、污泥负荷以及碳 源投加，实现其优化控制，可以改善c a r r o u s e l 氧化沟工艺的脱氮性能，满足更 高要求的脱氮效果。 关键词氧化沟；脱氮；碳源；污泥负荷；d o a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ei n h o m o g e n e i t yo fd i s s o l v e do x y g e ni nd i t c h ，a e r o b i cz o n ea n da n o x i c z o n eh a v eb e e na l t e r n a t i n gb yr e a s o n a b l ed e s i g n ，a n dt h a tt h en i t r o g e nc o u l db e r e m o v e d h o w e v e r ，t h ee x a c tc o n t e n to fa e r o b i cz o n ea n da n o x i cz o n e ，b e s i d e st h e d oc o n c e n t r a t i o n ，a r en o te a s yt oc o n t r o l ，t h u st h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yo f d i t c hi sl i m i t e d f o rt h i s ，t h en i t r o g e nr e m o v a lp e r f o r m a n c eo ft h ec a r r o u s e lo x i d a t i o n d i t c hh a sb e e n e x p l o r e dt h o r o u g h l y , c o m b i n e d w i t hs b ri n t e r m i t t e n tt e s t f u r t h e r m o r e ，t h em a i ne f f o r tf o c u s e do nd e t e r m i n i n gt h eo p t i m a lc o n t r o l o v e r d i s s o l v e do x y g e n ，s l u d g el o a d i n ga n dc a r b o ns o u r c e ，r e s p e c t i v e l y , t oi m p r o v et h e n i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yo fc a r r o u s e l o x i d a t i o nd i t c ht r e a t i n g d o m e s t i c w a s t e w a t e r t h es y s t e mc o n s i s t e do ft h r e ep a r t s ：i n f l u e n tt a n k 1 a b s c a l ec a r r o u s e lo x i d a t i o n d i t c hw h i c hw a sm o d i f i e db yp l a c i n gs e p a r a t ea n a e r o b i cz o n e ( 7 l ) a n da n o x i cz o n e ( 21l ) a h e a do fa e r a t e dz o n e ，a n ds e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n k ，w i t hw o r k i n gv o l u m e o f5 0 0 l ，2 8 0 l ，a n d9 5 lr e s p e c t i v e l y t h em i c r o p o r o u sd i f f u s e r sw e r eu s e df o r a e r a t i n ga n d t h em i x e r sw e r es e t t l e dt ok e e ps l u d g es u s p e n g d e d o np u r p o s eo fm a k i n gt h es p a c ep r o p o r t i o no fa e r a t i o nz o n ev e r s u sp l u gf l o w z o n ea p p r o p r i a t e ，t h es e t t i n go ft h r e ea e r a t i o nd i f f u s e r sw a sa d v i s a b l e t h e r e f r o m ，n o t o n l yt h eu t i l i z a t i o no fo x y g e nb e c a m eb e t t e r ，b u ta l s ot h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y w a si m p r o v e dt ob e6 7 7 8 o nt h ec o n d i t i o nt h a to ft w oa e r a t i o nd i f f u s e r ss e t t i n g ， t h ea r e aw h e r ed oc o n c e n t r a t i o ns e e m e dr e l a t i v e l yl o ww a so v e r s i z e ，t h u st h e n i t r i f i c a t i o nc o n d i t i o nw a si n s u f f i c i e n t ，a n di tw a sp o s s i b l e t o e x p e c t t h a t d e n i t r o g e n a t i o ne f f e c tw a sp o o r w h e no f f e r i n g f o u ra e r a t i o nd i f f u s e r s ，t h ed o c o n c e n t r a t i o ni nd i t c hw a st o oh i g ht om e e ta n o x i cd e n i t r i f i c a t i o nq u a l i f i c a t i o n ，s ot h e n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a s l o w e r m o r e o v e r , t h ea p p r o p r i a t er a n g eo fd oc o n c e n t r a t i o nw a s1 - 1 6 m g r l ，w h e nt h e i n f l u e n tl o a d sw e r e0 0 4 0 0 7 k g b o d ( k g m l s s d ) a n dt h ew a t e rt e m p e r a t u r ew a s k e p ta tt h el e v e lo f2 2 - 2 8 i ns u c hc a s e t h ea m m o n i a n i t r o g e ni ne f f l u e n tr e a c h e d z e r od i s c h a r g e a n dt h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sa tt o pl e v e l ，w h i c hw a s 6 7 0 8 w h e nd oc o n c e n t r a t i o nw a si nt h er a n g eo f0 1 0 2 m e l ，t h ed i s s o l v e d o x y g e ni n d i t c hw a ss i g n i f i c a n t l yl e s st h a nt h ed e m a n df o rc o m p l e t en i t r i f i c a t i o n ， t h e r e f o r e ，t h ee f f l u e n ta m m o n i an i t r o g e nw a sh i g ha n dt h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y w a so n l y4 9 8 6 。w h e nd ow a sk e p ta tt h el e v e lo f0 5 - 1 m g l ，t h ee f f l u e n t i i i a m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o no f4 4 m g lh a sa c h i e v e dt h ew a s t e w a t e rd i s c h a r g e s t a n d a r d ，b u tt h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sn o tg o o d ，a st h ea e r a t i o ni n t e n s i t y c a nn o tm i xa n dp u s ht h ef l o wi nd i t c hs u c c e s s f u l l y , w h i c hr e d u c e dt h en i t r o g e n r e m o v a le f f e c t i fd ow a sc o n t r o l l e da t 1 9 2 7 m g l ，s i n c e t h eh i g h e rd o c o n c e n t r a t i o ne x c e e d e dt h er e q u i r e m e n t sf o ra n o x i ce n v i r o n m e n tg r e a t l y , t h en i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yw a ss t i l la ta1 0 w e rl e v e l b e s i d e s ，w i t hd oo f1 9 - 2 7 m g l ，i tn o t o n l yw e n ta g a i n s tt h en i t r o g e nr e m o v a lf o rs y s t e m ，b u ta l s ow a s t e dt h ea e r a t i o np o w e r i ns u m m a r i z e ，t h ed oc o n t r o ls h o u l ds u i tt oi n f l u e n tq u a l i t y , t e m p e r a t u r ea n d o p e r m i n gc o n d i t i o n s ，o np u r p o s et h a ti m p r o v i n gb o t ht h eo x y g e nu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y a n dt h en i t r o g e nr e m o v a lp e r f o r m a n c et oam a x i m u me x t e n t b a s e do nt h ee x p l o r a t i o no fc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c ho p e r a t e da td i f f e r e n ts l u d g e l o a d i n g ( s ) ，t h em o fo 10 k g b o d ( k g m l s s d ) w a st h ec h o i c ef o rt h ed i t c hr u n n i n g i nw i n t e ra t ( 1 4 0 士0 6 ) ，s oa st oe n s u r et h es u f f i c i e n tn i t r i f i c a t i o nr e a c t i o na n di d e a l d e n i t r i f i c a t i o ne f f e c t d i f f e r e n ts l u d g el o a d i n g sw e r eo b t a i n e db ya d j u s t i n gt h e i n f l u e n tf l o wr a t e ，w h i c hw e r e0 10 k g b o d ( k g m l s s d ) ，0 1 3 k g b o d ( k g m l s s d ) ， 0 17 k g b o d ( k g m l s s d 、t h er e s u l t ss h o w e dt h a tg o o dr e m o v a le f f i c i e n c i e sf o r a m m o n i an i t r o g e na n dt o t a ln i t r o g e nc o u l db ea c h i e v e d ，c o r r e s p o n d i n gt o9 9 a n d 6 2 8 ，r e s p e c t i v e l y , w h e nmw a s 0 10 k g b o d ( k g m l s s d ) w h e n 越w a s o 17 k g b o d ( k g m l s s 。d ) ，n i t r i f i c a t i o nc a p a c i t yw a sr e d u c e dal o t ，w h i c hr e s u l t e di n t h a ta m m o n i an i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a sl o w e rt h a n5 9 8 a n dt o t a ln i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yw a so n l y31 5 i na v e r a g e b e s i d e s t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so f a m m o n i an i t r o g e na n dt o t a ln i t r o g e nw e r ea v e r a g e da t7 5 3 ，4 8 4 ，r e s p e c t i v e l y , w i t hmo fo 13 k g b o d ( k g m l s s d ) i tw a sn o ta d v i s a b l et oc h o o s es l u d g el o a d i n g h i g h e rt h a n0 10 k g b o d ( k g m l s s d ) f o rc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c hr u n n i n gi nw i n t e r ， f o rt h es a k eo ft h ee n h a n c e m e n to fn i t r i f i c a t i o na n dd e n l t r i f i c a t i o n i nl i g h to fc ni nd o m e s t i cw a s t e w a t e rb e i n gi n s u f f i c i e n ta n dt h a ts y s t e m d e n i t r i f y i n gp a c es l o w i n gd o w na tl o wt e m p e r a t u r e ( 1 5 4 c + 0 8 ) ，t h eo p t i m a l c o n t r o lo fc a r b o ns o u r c es u p p l e m e n t ，t oi m p r o v et h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yo f c a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c h ，w a ss t u d i e d t oi n v e s t i g a t et h er e s p o n d i n gb e h a v i o ro f d e n l t r i f y i n gb a c t e r i at od i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e ( i e m e t h a n o l ，e t h a n o l ，s o d i u ma c e t a t e ， s o d i u mp r o p i o n a t e ，g l u c o s e ，d o m e s t i cw a s t e w a t e ra n de n d o g e n o u sc a r b o ns o u r c e ) ， s e v e r a lb a t c he x p e r i m e n t su s i n gt h es l u d g ef r o mt h ec a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c hw e r e c a r r i e do u t b a s e do nt h ee x p l o r a t i o no fm a x i m u m s p e c i f i cd e n i t r i f i c a t i o nr a t e ( m s d r ) v a r y i n g 谢mc a r b o ns o u r c e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a to r d e ro fm s d r f r o mh i g ht ol o w w a s6 5 1 0 、3 6 2 9 、3 2 6 1 、1 4 3 2 、1 3 5 0 、o 9 0 9 、0 1 4 7 4 m g n o 工- n ( g v s s h ) ，a n dt h e i v c o r r e s p o n d i n gc a r b o ns o u r c e w a ss o d i u ma c e t a t e ，d o m e s t i cw a s t e w a t e r , s o d i u m p r o p i o n a t e ，g l u c o s e ，e t h a n o l ，m e t h a n o la n de n d o g e n o u sc a r b o ns o u r c e ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sf r o ms o d i u ma c e t a t ef e e d i n ge x p e r i m e n ts h o w e dt h eh i g h e s tm s d r ，b u t t h ed e n i t r i f i c a i o ny i e l dw a sa tl o w e s tl e v e la n da no b v i o u sa c c u m u l a t i n go fn i t r i t ew a s o b s e r v e di nt h i ss t u d y w h e nt h es o d i u mp r o p i o n a t ew a su s e da ss o l ec a r b o ns o u r c e ， t h ed e n i t r i f i c a t i o n y i e l d w a s h i g h e s t t ob eo 910 0 g i v i n gc o n s i d e r a t i o nt o d e n i t r i f i c a t i o nr a t ea n dd e n i t r i f i c a i t o ny i e l d ，t h es o d i u mp r o p i o n a t ew a st h ep r e f e r r e d s e l e c t i o n w h e nt h er e a c t o rw a so p e r a t e dw i t h o u te x o g e n o u sc a r b o ns o u r c e ， d e n i t r i f y i n gb a c t e r i ac a nu s et h ee n d o g e n o u sc a r b o ns o u r c ea se l e c t r o nd o n o rf o r d e n i t r i f i c a t i o n ，b u tt h es p e c i f cd e n i t r i f i c a t i o nr a t ew a sa tl o w e s tl e v e la c c o r d i n g l y m e t h a n o lu s e df o rc a r b o ns o u r c er e q u i r e ds o m ea d a p t a t i o nt i m et oo b t a i n s a t i s f e dn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y , a n das t r i c tc o n t r o lo v e rm e t h a n o la d d i t i o nc a n m a k ec l o s et ot h e o b je c t i v e c h a n g e s i nf u n c t i o n a l p r o p e r t i e s o fb i o l o g i c a l d e n i t r i f i c a t i o ni nt h e l o n g - t e r mu s eo fm e t h a n o lw e r ee x p l o r e d i nb o t hc a r r o u s e l o x i d a t i o nd i t c hp r e - d e n i t r i f i c a t i o ns y s t e ma n ds b rp o s t d e n i t r i f i c a t i o ns y s t e m w i t l l a d d i t i o no fm e t h a n o la tt h es t a r to f a n o x i cp h a s ei ns b r s t a b l en i t r a t er e d u c t i o nr a t e s r e a c h e da f t e r3 7d a y s e l a p s e d ，w h i c hw a sl e s st h a no t h e rr e f e r e n c e s ，a n ds p e c i f i c d e n i t r i f i c a t i o nr a t ei n c r e a s e df r o m 0 3 7 8 m g n o 工二n ( g v s s h ) 。1 t o 2 4 0 6 m g n q - n ( g v s s h ) t 1 1 ec a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c he q u i p p e dw i t has e p a r a t e p r e d e n i t r i f i c a t i o nz o n e ，a sc o m p a r e dw i t hs b rt h a t s e tp o s t - d e n i t r i f i c a t i o ni n t e m p o r a ls e q u e n c e ，t o o kf e w e rd a y s ( 2 9d a y s ) t or e a c hac o n s t a n te f f l u e n tn i t r a t e m o r e o v e r , o nt h eb a s i so fa d a p t a t i o nt om e t h a n o l ，t h ed e n i t r i f i c a t i o ny i e l di n c r e a s e d f r o ma ni n i t i a lv a l u eo fo 0 8 2t o0 1 2 3 a n dt h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yw a s e l e v a t e df r o ma p p r o x i m a t e l y5 0 t oal e v e lo f7 0 3 b e s i d e s f r o mn i t r o g e nu p t a k e r a t e ( n u r ) t e s t s 谢t hm e t h a n o l - a d a p t e ds l u d g e ，t h ea p p r o p r i a t er a n g eo ft o c nr a t i o s f o rc o m p l e t ed e n i t r i f i c a t i o nw a s1 10 - 2 6 8 i naw o r d ，t h ed o ，s l u d g el o a d i n g ，a n dc a r b o ns o u r c ea d d i t i o na l ls h o u l dh a v e b e e na d j u s t e dt oi n f l u e n tq u a l i t y , o p e r m i n gc o n d i t i o n so rw a s t e w a t e rd i s c h a r g e s t a n d a r d ，a n ds oo n ，a n do p t i m i z e dt h ec o n t r o l ，s ot h a tt h ed e n i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c e o fc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c hc a nb ei m p r o v e dt om e e ts t r i c tr e q u i r e m e n tf o rn i t r o g e n r e m o v a l k e y w o r d sd i t c h ；d e n i t r i f i c a t i o n ；c a r b o ns o u r c e ；s l u d g el o a d i n g ；d o v 物理量名称及符号表 说明： 表中符号按在正文中出现的先后顺序加以说明。 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲强蛊羔嗍扯 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：匡墨墨笠导师签名：勃塑益日期：丛! 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 课题来源 本课题为北京市教委科技创新平台项目( p x m 2 0 0 80 1 4 2 0 40 5 0 8 4 3 ) “污 水脱氮除磷新理论与新工艺及节能降耗关键技术 和城市水资源与水环境国家重 点实验室开放研究项目( q a k 2 0 0 8 0 2 ) 中的部分研究内容。 1 1 2 课题目的和意义 我国是一个水资源严重短缺的国家。我国拥有水资源量约为2 8 0 0 0 亿m 3 ， 居世界第六位，但人均水资源量仅为2 2 2 0 m 3 ，为世界平均水平的1 4 ，是一个干 旱、严重缺水的国家。进入2 1 世纪，我国人口持续增长，2 0 3 0 年前后我国人口 将达到1 6 亿高峰。根据人口增长、工农业生产发展，初步估计2 0 3 0 年需增加供 水2 0 0 0 2 5 0 0 亿m 3 才能满足各方面的需要【lj 。水资源贫乏已严重地制约着我国 社会经济的发展，解决水资源短缺问题是加快我国经济发展的基本要素。 水资源短缺，一方面是由于用水量增加所导致的，另一方面则是由于水环境 污染造成的。根据国家环保局中国环境状况公报【2 j ，2 0 0 7 年，七大水系( 长 江、黄河、珠江、松花江、淮海、海河、辽河) 4 0 7 个国控断面中，劣v 类水质 的断面比例达2 3 6 ，其主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量和高锰酸盐指数 等。 此外，我国大部分湖泊还存在着相当严重的水质富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) i 口- 题。湖泊学家认为天然富营养化是水体衰老的一种表现，而过量的植物性营养元 素氮、磷进入水体则是人为加速了水体的富营养化过程。一般认为，当水体中氮 的含量超过o 2 0 3 m g l ，磷含量大于0 0 1 0 0 2 m g l ，在p h 值7 - 9 的淡水中细 菌总数每毫升超过1 0 万个，表征藻类数量的叶绿素0 【含量大于l o g t g l 时，水体 就发生了富营养化p j 。 2 0 0 7 年，2 8 个国控重点湖( 库) 中，劣v 类的1 1 个，占3 9 3 ，主要污染 指标为总氮和总磷。在监测的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的2 个，占7 7 ； 中度富营养的3 个，占1 1 5 ：轻度富营养的9 个，占3 4 6 。 应该说，水环境污染、水体富营养化严重降低了水资源的利用价值，对于城 市经济、政治和自然环境构成了严重威胁。因此，发展新型工艺、研究提高现有 污水脱氮除磷工艺的处理效率，达到对污水的再生利用、降低造价和运行费用都 是非常必要的。 1 。2 污水生物脱氮理论及工艺技术现状 1 2 1 生物脱氮的原理 污水生物脱氮技术的基本原理是在微生物的作用下，将污水中的含氮化合物 转化为氮气的过程，其中包括氨化、硝化和反硝化的反应过程。 废水中氮的主要存在形式是氨氮和有机氮化合物，一般废水处理工艺中的微 生物都能降解蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等含氮化合物以获得生命活动所需能 量和其他小分子物质，并生成氨氮。这个过程称为氨化【4 j 。其反应式为： r c h n h 2 c o o h + 0 2 鱼马r c o o h + c 0 2 + n h 3( 1 1 ) 硝化反应是在好氧状态下由亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 和硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 共 同完成的。第一步是由亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝态氮，第二步由硝酸菌将亚硝 态氮进一步氧化为硝态氮。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，硝化细菌几乎生活 在所有污水处理过程中，它们都是革蓝氏染色阴性。亚硝酸菌和硝酸茵的特征见 表1 1 【5 1 。 亚硝酸菌和硝酸菌以无机化合物c 0 3 玉、h c 0 3 及c 0 2 为碳源，以及n 】f 和 n 0 2 为电子供体，0 2 为电子受体，使氨氮氧化并合成新细胞，反应式可表示为： 5 5 n h ：+ 7 6 02 + 1 0 9 h c o i 驾c 5 h 7 n 0 2 + 5 4 n o ；+ 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c o3 ( 1 - 2 ) 4 0 0 n o ；+ n h ：+ 4 h 2 c 0 3 + h c o ；+ 19 5 0 2 骂c 5 h 7 n 0 2 + 4 0 0 n o ；+ 3 h 2 0( 1 3 ) 生物反硝化是指污水中的硝态氮和亚硝态氮在无氧或缺氧的条件下，被反硝 化细菌还原为氮气的过程，其中反硝化细菌是异养型兼性厌氧菌。这个过程可用 下式表示： n o ；+ 5 h 俺子供给体一有机物) jn ：+ 2 h ：o + h o 。 ( 1 - 4 ) z n o i + 3 h 吨子供给体一有机物) 去n2 + h ：o + h o ( 1 - 5 ) z 近年来，许多研究表明：硝化反应不仅能由自养菌完成，某些异养菌也可以 进行硝化作用，反硝化作用不只在缺氧条件下进行，某些细菌也可以在好氧条件 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，并能把氨氮氧化成 亚硝态氮后直接进行反硝化反应。由此，污水生物脱氮的途径如图1 1 【6 】所示， 而生物脱氮技术在概念和工艺上的新发展主要有：短程硝化反硝化、同步硝化反 硝化、厌氧氨氧化。 短程硝化反硝化生物脱氮，即是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，标志是稳 定且较高的亚硝酸盐积累( 5 0 ) ，随后进行反硝化，也可以称为不完全硝化反 硝化生物脱氮。实现短程生物脱氮的关键在于如何控制硝化过程停止在亚硝酸盐 讴1 琶绪诊 寡曼苎毫曼鼍曼曼鼍=：= m = m 曼曼曼曼! 曼曼曼曼蔓曼曼皇曼皇皇皇皇! 皇曼曼曼曼 阶段，而影响亚硝酸盐积累的因素主要有温度、p h 值、游离氨浓度、氮负荷、 d o 、有害物质及泥