（环境工程专业论文）摇动床缺氧—好氧工艺处理废水试验研究.pdf

大连理_ l 人学硕十学位论文 摘要 悬浮态和附着态微生物共存的活性污泥生物膜工艺结合了活性污泥法和生物膜法 各自的优点，b f 摇动床作为一种新型的生物膜处理技术，由于填料的特殊性，将其与 活性污泥组合之后的复合生长工艺，具有悬浮污泥浓度高、去除污染物能力强、耐冲击 负荷能力高、污泥产率低，易于运行管理等显著优点。 本试验作为工程应用的小试试验，选择大连湾渔业加工废水和大连经济技术开发区 污水处理二厂沉砂池出水( 综合废水) 为原水，设计了摇动床缺氧好氧( a o ) 工艺，分 别对两种废水进行“b f 反硝化池+ b f 曝气池”和“反硝化池+ b f 曝气池循环处理， 研究摇动床技术对两种废水的处理效果，重点考察了不同的工艺参数( b o d 5 容积负荷、 硝化液回流比、h r t 、b o d 5 t n ) 对处理效果的影响及试验过程中的污泥性能，为实际 工程提供设计依据。 两个试验分别进行了8 7 天和11 2 天，试验结果如下： ( 1 ) 在b o d 5 容积负荷为1 5k g ( m a d ) ，h r t 为5 9 4 7h ，曝气池d o 浓度为4 5m s l ， 硝化液回流比为1 0 以及温度为2 0 2 7 的条件下，摇动床缺氧好氧工艺对渔业加工废 水处理效果最佳，c o d 、t n 、n h 4 + - n 的平均去除率分别达到9 3 6 、7 2 7 和9 8 9 ， 出水浓度平均值分别为3 4 1m g l 、1 9 5m g l 和0 7m g l 。该系统的硝化液回流比从1 0 提高到2 0 对t n 的去除效果影响不大，考虑实际工程成本，最优回流比为1 0 。 由于填料的特殊构造，生物膜内部存在多样的微观环境，曝气池中发生了同时硝化 反硝化作用，提高了t n 的去除率。 ( 2 ) 在大连经济技术开发区综合废水处理试验中，整个试验阶段系统对c o d 和 n i - 5 + - n 的平均去除率为6 8 4 和9 5 5 ，出水平均浓度为4 9 1m g l 和1 7m g l 。由于原水 中b o d 5 t n 偏低，平均为2 4 ，系统对t n 的平均去除率仅为3 4 1 ，出水t n 均值为2 6 2 m g l 。试验中t n 的去除率随着b o d 5 t n 的增高而增加，所以可通过增加有机物含量来 提高t n 去除率。 。 ( 3 ) 研究发现，该系统拥有容易挂膜、系统启动快，m l s s 高( 可达1 0 ，0 0 0m g l 以 上) 、s v i 和污泥产率低( 两个试验分别为0 1 8 9 1 、o 1 5 1 3k g m l s s k g c o d o v a l ) 以及 丰富的微生物种群等方面的优点，从而大大降低了反应器占地面积，减少污泥处置费用， 易于管理，节省费用，具有较高的经济效益，适于实际工程中应用。 关键词：摇动床缺氧好氧工艺；废水处理；b o d 5 容积负荷；脱氮 摇动床缺氧好氧t 艺处理废水试验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ns w i m b e da n o x i ca n do x i cp r o c e s s f o rw a s t e w a t e rt r e a t ：m e n t a b s t r a c t a c t i v a t e d s l u d i g e b i o f i l mp r o c e s s c o e x i s t e do ft h e s u s p e n d e da n da t t a c h e d m i c r o o r g a n i s m si n c l u d e st h ea d v a n t a g e so fa c t i v a t e ds l u d g ea n db i o f i l m s w i m - b e db i o l o g i c a l t r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sak i n do fn o v e lb i o f i l mt e c h n o l o g yw h i c hb e i n gc o m b i n e dw i t h a c t i v a t e ds l u d g ew i l lh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hm l s s ，m o r ep o l l u t a n t sr e m o v a l ， s t r o n gr e s i s t a n c et oo v e r l o a ds h o c k ，l e s ss l u d g ey i e l d ，s t a b l eo p e r a t i o n ，e a s yc o n t r o la n ds oo n ， b e c a u s eo ft h es p e c i a lb i o l o g i c a lc a r r i e ro f b i o f r i n g e a sas m a l lp i l o ts c a l es t u d yf o rp r o j e c ta p p l i c a t i o n ，t h i se x p e r i m e n tw a sd o n et ot r e a t d a l i a nb a yf i s h e r yw a s t e w a t e ra n dd a l i a ne c o n o m i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tz o n e i n t e g r a t e dw a s t e w a t e ri na n o x i c o x i cs w i m - b e dr e a c t o r sb yp r e a n o x i cn i t r o g e n - r e m o v a l p r o c e s sw i t hb fm a t e r i a l sp a c k e di na n o x i ca n do x i ct a n k sa n do n l yi no x i ct a n k sr e s p e c t i v e l y t h es t u d yh a si n v e s t i g a t e dt w ok i n d so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp e r f o r m a n c ew i t hd i f f e r e n t t e c h n i c a lp a r a m e t e r si n c l u d i n gb o d sv o l u m e t r i cl o a d i n g ，m i x e dl i q u i dr e c y c l er a t i o ，h i 汀， b o d s t na n ds l u d g ep e r f o r m a n c e ，a l lo fw h i c hi su s e dt op r o v i d ed e s i g nb a s ef o ra c t u a l p r o j e c t t h et w oe x p e r i m e n t sl a s tf o r8 7d a y sa n d112d a y sr e s p e c t i v e l y , a n dr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) i nt h et r e a t m e n to fd a l i a nb a yf i s h e r yw a s t e w a t e r ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fb o d s v o l u m e t r i cl o a d i n go f1 5k g ( m 3 d ) ，t h eh r to f5 9 - 4 7kd oi na e r o b i ct a n ko f4 5m i x e d l i q u i dr e c y c l er a t i oo f1 0a n dt h et e m p e r a t u r eo f2 0 2 7 t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c i e s o fc o d ，t na n dn h 4 + nr e a c ht o9 3 6 ，7 2 7 ，9 8 9 r e s p e c t i v e l y ，w i t he f f l u e n ta v e r a g e c o n c e n t r a t i o no f3 4 1m e g l ，19 5m e d l ，0 7m g l t nr e m o v a le f f e c th a sn oo b v i o u s i m p r o v e m e n tb yc h a n g i n gm i x e dl i q u i dr e c y c l er a t i of i o m1 0t o2 0 t a k i n gt h ec o s ti n t o a c c o u n t ，t h eo p t i m a lm i x e dl i q u i dr e c y c l er a t i oi s1 0 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 nc a no c c u ri nt h eo x i c s w i m - b e db i o f i l m r e a c t o r ，b e c a u s et h e r ee x i s t sd i f f e r e n tm i c r o e n v i r o n m e n ti n s i d et h eb i o f i l mo nt h eb i o f i - i n g e c a r r i e r , w h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h er e m o v i n go ft n ( 2 ) i nt h et r e a t m e n to f d a l i a ne c o n o m i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tz o n ei n t e g r a t e d w a s t e w a t e r , t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c i e so fc o da n dn h 4 + nr e a c ht o6 8 4 a n d9 5 5 w i n le f f l u e n ta v e r a g ec o n c e n t r a t i o no f4 9 1m e d la n d1 7m e d l d u et ot h el o wb o d s t no f 人连理工大学硕十学位论文 2 4o fi n f l u e n t ，t na v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c i e si s o n l y3 4 1 ，w i t he f f l u e n ta v e r a g e c o n c e n t r a t i o no f2 6 2m g l t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so ft nr i s ew i t ht h ei n c r e a s eo f b o d s t ni nt h ee x p e r i m e n t ，t h e r e f o rw ec a ni n c r e a s et h eo r g a n i cc o n t e n ti ni tt oi m p r o v et h e t nr e m o v a lr a t e ( 3 ) t h es t u d yf i n d st h a tt h es w i m - b e da os y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，i n c l u d i n ge a s y b i o f i l ma t t a c h m e n t ，q u i c ks t a r t u p ，h i g hm l s s ( m o r et h a n10 ，0 0 0 m g l ) ，a n dt h el o wv a l u eo f s v ia n ds l u d g ep r o d u c t i o nr a t e ( 0 18 91a n d0 1513k g m l s s k g c o d r e m o v a ir e s p e c t i v e l yi nt w o e x p e r i m e n t ) ，a sw e l la st h em i c r o b i a lp o p u l a t i o n si na b o u n d a n c e ，t h e r e b yi tg r e a t l ys a v e st h e a r e ao ft h er e a c t o rf o o t p r i n t , r e d u c e ss l u d g ed i s p o s a lc o s t s ，a n di tc a l lb ee a s y - m a n a g e ，h i g h e c o n o m i cr e t u m s ，a n ds u i t e df o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n si ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s w i m - b e da n o x i ca n do x i cp r o c e s s ；w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；b o d 5v o l u m e t r i c l o a d i n g ；n i t r o g e nr e m o v a l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：左凌臣日期：塑望! ! 垒：兰乡 大连理t 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大 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，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：石凌覆作者签名：翌终 生匡 导师签名：至墅垤盘北 2 塑8 年盖月岛日 人连理工大学硕十学位论文 1 绪论 1 1污水生物脱氮除磷技术 1 1 1 生物脱氮机理 废水生物脱氮已经被证明是一种经济、高效和可靠的处理方法，其基本原理是，在 传统二级生物处理过程中污水中的含氮有机物首先被异养型微生物转化为氨氮，然后在 好氧条件下，通过好氧自养型硝化和亚硝化菌的作用，将废水中的氨氮氧化为亚硝酸盐 氮或硝酸盐氮，最后在缺氧条件下，利用反硝化细菌( 脱氮菌) 将亚硝酸盐和硝酸盐转 化为氮气从废水中逸出，从而达到脱氮的目的【l 。3 1 。图1 1 为生物脱氮过程示意副4 1 。 氮化菌亚硝酸菌硝酸菌反硝化菌反硝化菌 有机氮氨氮n 0 2 。n 0 3 1 n 2 0 n 2 ( 异养，氨化作用)( 自养，硝化作用)( 异养，反硝化作用) ( 厌氧或好氧，需有机物)( 好氧，不需有机物)( 缺氧，需有机物) 图1 1 生物脱氮过程示意图 f i g 1 1 s k e t c ho f b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s 根据传统生物脱氮理论，生物脱氮作用包括同化、氨化、硝化和反硝化作用。 同化作用：在生物处理过程中，污水中的一部分氮( 氨氮或有机氮) 被同化成微生 物细胞的组成成份。虽然微生物的内源呼吸和溶菌作用会使一部分细胞中的氮又以有机 氮和氨氮的形式回到污水中，但仍存在于微生物细胞及内源呼吸残留物中的氮可在二沉 池中以剩余污泥的形式得以从污水中去除。同化作用的氨氮去除率一般为8 2 0 。 氨化作用：在未经处理的新鲜废水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白质、尿 素、胺类化合物、氨基化合物以及氨基酸等形式存在的，此外也有少量的氨态氮，如 n h 3 及n 出+ 等。氨基酸是羧酸分子中羟基上的氢原子被氨基( 一n h 2 ) 取代后的生成物， 蛋白质是氨基酸通过肽键结合的高分子化合物。目前已知构成蛋白质的天然氨基酸有2 0 余种。蛋白质可以作为微生物的基质，在蛋白质水解酶的催化作用下，蛋白质水解为氨 基酸。蛋白质水解可以在细胞内进行，也可以在细胞外进行。氨基酸在脱氨基酶作用下 产生脱氨基作用，即从氨基酸分子上去除一n h 2 原子团。脱氨基后的氨基酸可以进入三 羧酸循环，参与各种合成代谢和分解代谢。由此可以说明污水中的蛋白质和氨基酸在生 物稳定化处理过程中通过氨化作用转化为氨氮。这些有机氮化合物在氨化菌的作用下， 摇动床缺氧一好氧j 二艺处理废水试验研究 分解、转化为氨氮的过程称为氨化反应。在氨化菌的作用下，有机氮化合物分解、转化 为氨态氮，以氨基酸为例，其反应方程如式( 1 1 ) ： r c h n h ，c o o h + o ，二基马r c o o h + c o ，+ n h ， ( 1 1 ) 硝化作用：氨氮在有氧存在的情况下以氮作为电子受体，被微生物氧化为亚硝酸盐 并进一步被氧化为硝酸盐的过程称为生物硝化过程。其反应过程可表示为( 1 2 ) ( 1 4 ) ： 亚硝化反应： 5 5 n h ：+ 7 6 0 + 1 0 9 h c o ( 些堂墼塑垫 c 5 h 7 0 2 n + 5 4 n o ：+ 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 ( 1 2 ) 硝化反应： 4 0 0 n o j + n i i ：+ 4 h 2 c 0 3 + 1 9 5 0 2 墼 c 5 h 7 0 2 n + 4 0 0 n o + 3 h 2 0 ( 1 3 ) 总反应： n h i + 1 8 6 0 ，+ 1 9 8 h c 0 3 塑骂 0 0 2 0 6 c 5 h 7 0 2 n + 0 9 8 n o ；+ 1 0 4 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c 0 3 ( 1 4 ) 式中c 5 h 7 0 2 n 为亚硝酸细菌和硝酸细菌的细胞，根据式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 计算， 它们的产率分别为o 1 4 6g g n 地+ - n 和o 0 2g 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1m g 氨氮氧化为硝 酸盐需耗氧4 2 7m g ，其中亚硝化反应耗氧3 1 6m g ，硝化反应耗氧1 1 1m g ，同时需要 消耗碱度约7 0 7m g ( 以c a c 0 3 计) 。 反硝化作用：硝酸盐作为微生物的最终电子受体，通过生物异化还原转化成气态氮 从水中逸出，或通过生物同化还原转化为氨氮进入生物合成过程。硝酸盐的这种还原过 程称为反硝化过程。反应过程中反硝化细菌在无分子氧的条件下，利用各种有机基质作 为电子供体，以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行缺氧呼吸【5 1 。这个过程可以用方程 式( 1 5 ) 和( 1 6 ) 表示： n o ；+ 3 h 魄子供体一有机物) 叫o 5 n2 + h ，o + o h 一 ( 1 5 ) n o ；+ 5 h i 电子供体一有机物) 一o 5 n ，+ 2 h ，o + o h 一 ( 1 6 ) 反硝化过程中n 0 2 - - n 和n 0 3 。- n 的转化，是通过反硝化细菌的同化作用( 合成代谢) 和异化作用( 分解代谢) 来完成。同化作用是n 0 2 - n 和n o a - n 被还原转化为n n 4 + - n ， 用以合成微生物细胞，氮成为细菌细胞的组成部分。异化作用是n 0 2 - n 和n 0 3 。n 被还 大连理丁大学硕士学位论文 原转化为n 2 ，这是反硝化反应的主要过程，n 0 3 - - n 在能量代谢中提供氮，作为电子接 受体，以有机物作为电子供给体，使n 0 2 - - n 和n 0 3 - - n 转化为n 2 ，反应过程见式( 1 5 ) 和式( 1 6 ) 。异化作用去除的氮一般占总去除量的7 0 7 5 。 生物脱氮过程是以上各种生化反应综合作用的结果，表1 1 列举了其生化反应特性。 表1 1 生物脱氮过程中各项生化反应特性 t a b 1 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f b i o c h e m i c a lr e s p o n s e si nt h eb n r p r o c e s s 摇动床缺氧好氧工艺处理废水试验研究 电子供给体( 有机物：t o d 或c o d c ，o ( m g ) ) 与h ( m g ) 的比值为1 6 2 ，故由式( 1 5 ) 和( 1 6 ) 可以算出，将1m g 的n 0 2 - - n 或n 0 3 - n 转化为n 2 ，分别需要有机物( t o d 或c o d c ，) 1 7 1m g 或2 8 6m g ，与此同时还产生3 5 7m g 的碱度( 以c a c 0 3 计) 。 在生物脱氮过程中有机物同时得到去除，通常认为污水b o d 5 t k n 比值在5 8 时碳 源充足【6 】，在反硝化过程中可以不考虑外加碳源。但是，城市污水b o d 5 t k n 通常低于 上述比值，如何提高城市污水生物脱氮效果、实现低c n 比条件下的完全反硝化一直是 城市污水生物脱氮技术研究的热点。 1 1 2 新型生物脱氮技术 根据传统生物脱氮理论，硝化和反硝化反应不能同时发生，硝化反应在好氧条件下 进行，反硝化反应在缺氧条件下进行。但是，微生物极易随着环境条件和基质的变化而 发生变异【j 7 1 ，即在新基质或新的环境状况下，形成新的优势菌群，微生物的这一特性为 污水生物脱氮处理提供了广阔的想象空间。 近年来，国内外专家学者对生物脱氮的机理进行了较深入的研究发现了生物脱氮过 程的硝化和反硝化已不再是两个完全独立的过程，它们不仅可以协同进行，而且参与反 应的微生物类型也呈现出多样化特征。许多研究表明：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；反硝化不只在厌氧条件下进行，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，并能把n h 4 + 氧化成 n 0 2 后直接进行反硝化反应【8 1 ，并探索出了一些生物脱氮的新途径，如短程硝化反硝化、 同时硝化反硝化、好氧反硝化、厌氧氨氧化、异养硝化、自养硝化反硝化等【9 以6 1 。 ( 1 ) 短程硝化反硝化( 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 r n i t r i t e ，s h a r o n ) 生物脱氨氮需经过硝化和反硝化两个过程。当反硝化反应以n 0 3 - 为电子受体时，生 物脱氮过程经过n 0 3 途径( n h 4 + 一n 0 2 一n 0 3 。一n 0 2 。一n 2 ) ，称为全程硝化反硝化； 当反硝化反应以n 0 2 - 为电子受体时，生物脱氮过程直接经过n 0 2 - 途径，不经过n 0 3 。 ( n h 4 + 一n 0 2 。一n 2 ) ，称为短程硝化反硝化。 短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理就是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，阻止 n 0 2 - 的进一步硝化，然后直接进行反硝化。从生物脱氮基本原理来看，短程反硝化属于 传统生物脱氮的范畴，只不过将传统的硝化过程控制在亚硝化阶段，缩短了电子转化历 程。与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下优点：硝化阶段可减少2 5 左右的需氧量，降低能耗；反硝化阶段可减少4 0 左右的有机碳源，降低运行费用； 大连理工大学硕士学位论文 反应时间缩短，反应器容积可减少3 0 - 4 0 左右；可具有较高的反硝化速率； 污泥产量降低；可减少投碱量。 短程硝化反硝化生物脱氮技术所需的微生物培养条件极为苛刻，运行成功率较低， 目前此技术还处于研究阶段，未见应用成功的报道。 ( 2 ) 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 nd e n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 传统观点认为硝化与反硝化反应不能同时发生，近年来好氧反硝化菌和异养硝化菌 的发现以及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展，使同时硝化反硝化成为 可能，并奠定了同时硝化反硝化( s n d ) 生物脱氮的理论基础。在s n d 工艺中，硝化 与反硝化反应在同一个反应器中同时完成。与传统生物脱氮工艺相比，s n d 具有以下主 要优点：节省反应器体积；缩短反应时间；不需要酸碱中和。其技术的关键 在于硝化与反硝化的反应动力学平衡控制。从微生物机制来看，同时硝化反硝化也属 于传统生物脱氮的范畴，它利用反应器中溶解氧和基质分布不均促进自养硝化和异养反 硝化在同一个反应器中异步进行，它和“好氧反硝化”有本质的差别。 目前，对s n d 生物脱氮技术的研究主要集中在氧化沟、r b c 、s b r 等反应器系统。 ( 3 ) 好氧反硝化( a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) 好氧反硝化机理是不同于传统生物脱氮理论的新的生物脱氮理论，它是好氧反硝化 菌诱导的生物脱氮过程。好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，比如p s e u d o m o n a ss p p ， a l c a l i g e n e sf e a e a l i s ，t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 等，它们能较好地适应厌氧好氧周期变化 的环境，将氨在好氧条件下直接转化为气态产物，反应速度随溶解氧增加而减少。 ( 4 ) 厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i a mo x i d a t i o n ，a n m m o x ) n 地+ n 2 卜- 图1 2 厌氧氨氧化a n a m m o x 反应机理模型 f i g 1 2 r e a c t i o nm e c h a n i s mm o d e lo fa n a m m o x 厌氧氨氧化指在厌氧条件下，微生物直接以n h 4 + 作为电子供体，以n 0 3 - 或n 0 2 作为电子受体，将n i - 1 4 十、n 0 3 或n 0 2 转变成n 2 的生物氧化过程。它是由厌氧氨氧化细 摇动床缺氧一好氧上艺处理废水试验研究 菌诱导的生物化学转化过程，实现了厌氧条件下的氨氧化脱氮。g l a a f 和s c h a l k 等人分 别用同位素1 5 n 示踪研究，提出了一个相似的厌氧氨氧化反应机理模型，见图1 2 。 目前，在a n m m o x 反应的基础上，正在开发的有关脱氮工艺有a n a m m o x 工艺 和o l a n d 工艺两种。 h 2 0 3 3 h 2 0 + 0 3 3 n 0 2 。 图1 3d e a m m o n i f i c a t i o n 的可能途径 f i g 1 3 p o s s i b l ea p p r o a c h e so fd e a m m o n i f i c a t i o n ( 5 ) 好氧反氨化( a e r o b i cd e a m m o n i f i c a t i o n ) 这是一个处理高浓度含氮废水的新工艺，在该系统中氨转化为氮气的过程不需要按 化学计量式消耗电子供体。反应机理可用图1 3 表示。 ( 6 ) 自养反硝化( d e n i t r i f i c a t i o nb ya u t o t r o p h i cn i t r i f y i n gb a c t e r i a ) 自养反硝化是由自养硝化菌引起的反硝化过程，从微生物角度来看它不同于专性厌 氧a n a m m o x 自养菌在厌氧条件下诱导的氨厌氧氧化过程。 1 1 3 生物除磷的生化过程 常规的好氧生物处理工艺中，废水中的含磷化合物除少部分被微生物用于自身的繁 殖而随活性污泥排出，大部分以磷酸盐的形式随处理出水排入环境。由l i e b i g 的最低定 律得到，磷浓度的高低将成为藻类生长的限制因子【5 】。因此，如何经济、有效地降低废 水中的含磷量成为防止富营养化的关键，而生物除磷工艺就是目前最好的方案i l 川。 到目前为止，国际普遍认可和接受的生物除磷理论是“聚合磷酸盐( p o l y p ) 累积微 生物_ a o s 的摄放磷原理：在厌好氧交替运行条件下驯化出聚磷菌( p a o s ) 一类 的微生物，它们能够在数量上超过其生理需要的从外部环境中过量的摄取磷，并将磷以 聚合磷的形式贮存在体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷的效果3 ，1 8 捌。 生物除磷过程通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程。 ( 1 ) 厌氧条件下 大连理工人学硕士学位论文 磷的释放：在没有溶解氧和硝态氮存在的厌氧状态下，聚磷菌水解体内的a t p ，形 成a d p 和能量，同时将胞内多聚磷酸盐( p o l y p ) 分解，以无机磷酸盐( p 0 4 3 ) 的形 式释放出来。另一方面，聚磷菌利用糖原酵解产物( n a d h 2 ) 和能量摄取废水中的有机 物来合成大量的有机颗粒p h b p h v ，贮存在细胞体内。此时表现的是磷的释放，其反 应方程式可以表示为： a t p + h ，o a d p + h ，p o 。+ 能量 ( 1 7 ) 曝气池 望r 1 磊 曩甄翮 i 同流污泥 水 由 磷 酸 士卜 浓 度 磷酸盐变化曲线 b o d 变化曲线 厌氧好氧 图1 4 以p a o s 为原理的e b p r 除磷工艺与p 0 4 3 。浓度变化图 f i g 1 4 e b p rp r o c e s sa n dt h ed y n a m i co fp h o s p h a t ec o n c e n t r a t i o nb a s e do nt h et h e o r yo fp a o s ( 2 ) 好氧条件下 磷的吸收：在好氧条件下，聚磷菌利用氧化分解体内储存的p h b 而产生的能量完 成繁殖代谢作用，而a d p 获得这个能量，可用来合成a t p ；同时，聚磷菌超量吸收溶 液中的磷酸盐来合成p o l y p 及糖原等有机颗粒，储存在细胞体内，此时反映出的是磷的 吸收，其反应方程式可以表示为： a d p + h 3 p 0 4 + 能量- - - a t p + h 2 0 ( 1 8 ) 满足p a o s 环境和基质需要强化生物除磷工艺( e n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h o r u s r e m o v a l ，e b p r ) 原理如图1 4 所示。这种除磷工艺现被称为a o 工型2 1 1 。 ( 3 ) 除磷系统 剩余污泥排放：通过剩余污泥排放，将磷从系统中除去。 1 1 4 同步脱氮除磷影响因素 传统生物脱氮和生物除磷是两个相互独立的生化过程。它们所需要的微生物、基质 类型和环境条件都不一样。在以下几个主要方面存在相互影响。 摇动床缺氧好氧丁艺处理废水试验研究 ( 1 ) 泥龄 因为硝化菌繁殖速度较慢，世代时间长，所以硝化反应需要较长的泥龄( 一般应高 于3 5 d ，有的甚至高达1 0 1 5 d ) ；而聚磷需要较短的泥龄，一般应将其控制在3 5 7 d 。 解决措施包括：把泥龄控制在一个较窄的范围内，兼顾脱氮和除磷；采用双 泥系统，使硝化菌和聚磷菌都可在各自适宜的泥龄下生长；采用生物膜与活性污泥 相结合的方法，即在好氧区投放填料，使泥龄较长的硝化菌固定在上面而不参与回流。 ( 2 ) 碳源 脱氮除磷系统中，碳源在释磷、反硝化和异养菌的生长时被消耗掉。而释磷和反硝 化速率与进水中易生物降解的有机物尤其是低分子挥发性脂肪酸的数量有很大关系。要 达到完全脱氮除磷的目的，城市污水的c n 至少要大于4 5 。但城市污水中的易降解c o d 的数量十分有限，反硝化菌和聚磷菌会竞争碳源。 为解决碳源不足问题，可以采取的措施：补充碳源，增加进水中易降解c o d 的 数量；改变进水方式，取消初沉池或缩短初次沉淀时间；采用为反硝化和除磷重 新分配碳源的工艺如倒置a ：o t 艺和j h b i 艺。 ( 3 ) 硝酸盐 若厌氧区存在硝态氮，则硝态氮会妨碍发酵作用的进行。因为微生物利用硝态氮作 为电子受体可获得更多能量，所以就不会有低分子脂肪酸的产生。并且即使进水中有这 样的低分子脂肪酸，硝态氮作为异养微生物的电子受体，也会导致乙酸盐等低分子有机 物的消耗。其结果是聚磷菌得不到低分子脂肪酸从而不能释磷。 为了减少硝态氮对厌氧释磷的干扰，开发了如u c t 、m u c t 、j h b 和e a s c ( 延时厌 氧污泥接触法) 工艺。 1 2 污水处理的生物膜法 生物膜法属于好氧生物处理方法。生物膜法实质上是微生物固定化技术，它是微生物 细胞固定在载体( 即填料) 上，细胞与载体间不发生任何化学反应，并在其上生长繁殖， 最后形成膜状生物污泥。它是利用固着于固体介质表面的微生物摄取污水中的有机污染 物作为营养来净化废水【2 2 1 。生物膜具有较大的表面积，能够大量吸附废水中的胶体和溶 解性物质并将有机物分解，使废水得以净化1 2 引。 1 2 1生物膜净化废水的原理及生物组成 ( 1 ) 生物膜净化废水的原理 大连理t 大学硕+ 学位论文 在净化构筑物中，填充着数量相当多的挂膜介质，当有机废水均匀地淋洒在介质表 层上时，便沿介质表面向下渗流，在充分供氧的条件下，接种的或原存在于废水中的微 生物，迅速进行降解有机物的生命活动，逐渐在介质表面形成黏液状的生长有极多微生 物的膜，即称之为生物膜。随着微生物的不断繁殖生长，以及废水中悬浮物和微生物的 不断沉积，使生物膜的厚度不断增加，其结果是使生物膜的结构发生变化。膜的表层和 废水接触，由于吸取营养和溶解氧比较容易，微生物生长繁殖的迅速，形成了由好氧微 生物和兼性微生物组成的好氧层( 1 2r a n l ) 。在其内部和介质接触的部分，由于养料和 溶解氧的供应条件差，微生物生长繁殖受到限制，好氧微生物难以生活，兼性微生物转 为厌氧代谢方式，某些厌氧微生物恢复了活性，从而形成了由厌氧微生物和兼性微生物 组成的厌氧层。厌氧层是在生物膜达到一定厚度时才出现的，随着生物膜的增厚和外伸， 厌氧层也随着变厚【2 4 】。 在负荷低的净化构筑物内，由于有机物氧化分解比较完全，生物膜的增长速度较慢， 好氧层和厌氧层的界限并不明显。但在高负荷的净化构筑物内，生物膜增长迅速，好氧 层和厌氧层的分界比较明显。 在处理过程中，生物膜总是在不断地增长、更新、脱落。造成生物膜不断脱落的原 因有：水力冲刷、由于膜增厚造成质量的增大、原生物动物的松动、厌氧层和介质的黏 结力较弱等。其中以水力冲刷最为重要的。生物膜是生物处理的基础，必须保持足够的 数量。一般认为，生物膜厚度介于2 3n l i i l 时一较为理想。生物膜太厚，会影响通风， 甚至造成堵塞。厌氧层一旦产生，会使处理水质下降，而且厌氧代谢产物会恶化环境卫 生。 生物膜是高度亲水性物质，在污水不断在其表面更新的条件下，在其外侧总是存在 着一层附着水层。生物膜又是微生物高度密集的物质，在膜表面和一定深度的内部生长 繁殖着大量的各类微生物和微型动物，并形成有机污染物一细菌一原生动物( 后生动物) 的食物链。 生物膜在形成与成熟后，由于微生物不断增殖，生物膜的厚度不断增加，在增厚到 一定程度后，在氧不能透入的里侧深部即将转变为厌氧状态，形成厌氧挂膜。这样，生 物膜便由好氧和厌氧两层组成。好氧层的厚度一般为2r l l l t l 左右，有机物的降解主要在 好氧层内进行。生物膜结构及其工作原理见图1 5 【2 5 1 ，从图中可以看出，由于生物作用， 在其表面有一层很薄的水层，称之为附着水层，附着水层内的有机物大多已被氧化，其 浓度比进水的有机物浓度低的多。因此，进入池内的废水尚在膜表面流动时，由于浓度 差的作用，有机物会从废水中转移到附着水层中去，进而被生物膜所吸附。同时，空气 中的氧溶入废水后，继而进入生物膜。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同 摇动床缺氧好氧工艺处理废水试验研究 化合成，产生的二氧化碳和其他代谢产物一部分深入附着水层，一部分析出到空气中去， 如此循环往复，使废水中的有机物不断减少，从而得到净化。 料 l 厌氟屡l 好瓴层 i 一苎 ， n 嚣，、 l _ _ _ h l s 篝l l 、k l l b o d 。q l l l 、l 一一 、一 生物膜辩着 承蔗 ；瀛动 水屡 图1 5 生物膜结构及其工作示意图 f i g 1 5 t h es t r u c t u r eo f b i o f i l m 在向生物膜细菌供氧的过程中，由于存在着气液膜阻抗，因而速度甚慢。所以随着 生物膜厚度的增加，废水中的氧将迅速的被表层的生物膜所耗尽，致使其深层因氧不足 而发生厌氧分解，积蓄了h 2 s 、n h 3 、有机酸等代谢产物。但当供氧充足时，厌氧层的 厚度是有限的，此时产生的有机酸类被异氧菌及时地氧化成c 0 2 和h 2 0 ，而n h 3 和h 2 s 被自氧菌氧化成n 0 2 ，n 0 3 和s 0 4 等，仍然维持着生物膜的活性。若供氧不足，从总体 上讲厌氧菌将起主导作用，不仅丧失好氧生物分解的功能，而且将使生物膜在下述作用 下脱落：微生物本身的衰老、死亡、微生物的内源呼吸代谢活动；内层微生物的 厌氧代谢，产生c 0 2 、n h 3 、h 2 s 、c i - 1 4 等气体，使生物膜的粘附力减少；不断增厚 的生物膜本身的重量；曝气或水力冲刷剪切作用下，使生物膜的剥落力大于附着力， 最终膜成片脱落。由于在整个处理系统中，脱膜仅在局部填料区域发生，并且裸露的填 料上会出现生物膜新一轮生长，因此这类局部的脱落更新是正常的现象。 ( 2 ) 生物膜的微生物组成 研究发现，构成生物膜的微生物主要有：细菌、真菌、藻类( 在有光条件下) 、原 生动物和后生动物，此外还有病毒1 2 6 1 。 细菌 人连理 二大学硕士学位论文 细菌是微生物膜的主体，而其产生的胞外多聚物为生物膜结构的形成奠定了基础。 生物膜上细菌的种类取决于其生长速率和微生物膜所处的环境，诸如水中营养状况、附 着生长状况、细菌在生物膜中所处的位置和温度等环境条件。根据所需营养的不同，细 菌可分为无机营养型的自养菌和有机营养型的异养菌，其中异养菌是生物膜中的主要细 菌类型，能够从流经生物膜表面的水中获得足够的能量底物。生物膜中常出现的细菌种 类有【2 7 】：球衣菌、动胶菌、硫杆菌属、无色杆菌属、产碱菌属、甲单胞菌属、诺卡式菌 属、色杆菌属、八叠球菌属、埃希式大肠杆菌、副大肠杆菌属、亚硝化单胞菌属和硝化 杆菌属等。 真菌 真菌是具有明显细胞核而没有叶绿素的真核生物，大多数具有丝状形态，包括单细 胞的酵母菌和多细胞的霉菌。真菌可利用的有机物范围很广，特别是多碳类有机物。当 污水中有机物的成分变化、负荷增加、温度降低、p h 降低和溶解氧水平下降时，很容 易滋生丝状菌。生物膜中常出现丝状菌【2 7 】：瘤胞属、灿烂微重真菌、红色桨酶、水镰刀 酶、皮状丝胞酶等。 藻类 藻类是受阳光照射下的生物膜中的主要成分，如在明渠和溪流的岩石上就经常发现 有藻类，普通生物滤池表层滤料的生物膜中及附着生长污水稳定塘的填料上【2 8 】亦有大量 的藻类。尽管藻类不是生物膜主要的微生物类群，但藻类却作为水生环境中生产者是受 阳光照射下水体中的生物膜微生物的主要构成部分。由于出现藻类的地方只限于生物膜 反应器中表层很小部分，因而对污水净化不起很大作用。生物膜中常出现的藻类有【2 7 】： 小球藻属、绿球藻属、席藻属、颤藻属、毛枝藻属和环丝属等。 原生动物 ， 原生动物是动物中最低等的单细胞动物，在成熟的生物膜中它们不断捕食生物膜表 面的细菌，因而在保持生物膜细菌处于活性细菌状态方面起着积极作用。原生动物或者 以胞饮方式摄