（环境工程专业论文）深度厌氧反应器中cod对氨氧化的启动和影响的研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文 摘要 摘要 由于厌氧氨氧化在无外加碳源情况下进行，但由于在实际废水中，碳源是不可 避免的。本文就深度厌氧条件下c o d 对氨氧化的影响进行了研究，深度厌氧过程实 验条件控制在可以产生甲烷并且污泥不经过好氧阶段，一直处于厌氧阶段。主要 研究内容包括三方面：在c o d 影响下的厌氧氨氧化工艺的启动规律：在c o d 存在下 两种负荷提高方式对厌氧氨氧化反应的影响；c o d 对氨氧化反应的影响。主要研究 结果如下： ( 1 ) 厌氧氨氧化启动以u a s b 反应器为试验装置，在恒温3 7 下，以厌氧颗粒 污泥为接种污泥，在c o d = 2 5 0 m g l ，进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度为1 0 0 m g 几、1 3 0 m g l 。运行了1 0 0 天实现了厌氧氨氧化反应的启动，并获得了厌氧氨氧化污泥。同 时研究了厌氧氨氧化反应的最佳p h 为7 o 一7 5 ，最佳温度为3 7 。 ( 2 ) 两种负荷提高方式，以两个5 0 0 m l 反应器为实验装置，以启动实验生成的 厌氧氨氧化污泥为接种污泥，在保持进水c o d = 2 5 0 m g 几下，做进一步的负荷提高实 验，在实验条件相同的情况下，分析两种负荷提高方式( 缩短水力停留时间；同时 提高进水的氨氮、亚硝酸盐浓度) 对反应器脱氮性能的影响。反应器1 # 由原停留时 间2 天缩短为1 5 天，反应器2 # 进水氨氮和亚硝酸盐氮浓度由1 0 0 m g l 、1 3 0 m g l 提 高到1 5 0 m g l 、2 0 0m g l ，由该试验可以看出，在完全相同的环境条件下，运行时 间一样，通过缩短水力停留时间提高负荷与提高进水浓度来提高负荷相比，后者 能够得到较好的脱氮效率，并能在长时间内得到稳定运行。 ( 3 ) 以5 0 0 m l 反应器为实验装置，以启动实验污泥为接种，研究了不同c o d 浓 度对氨氮、亚硝酸盐氮硝酸盐氮降解的影响，发现当反应器进水中c o d 存在时，共 生在颗粒污泥中的异养菌与厌氧氨氧化菌同时竞争营养物，从而影响了反应器的 厌氧氨氧化性能。迸水中c o d 浓度越低，氨氮的去除速率越快，c o d 浓度越高，其 去除效率就越低。 实验所得到的结论对该脱氮新工艺运用于含氮污水处理有着理论和工程意义。 关键词：厌氧氨氧化，启动，负荷，c o d 苏州科技学院硕士学位论文a b s r a c t a b s t r a c t a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o nh a p p e ni nt h ea b s e n c eo fe x t e m a lc a r b o ns o u r c ec o n d i t i o n s ，b u ti nt i l ea c n l 2 i l 、；l s t e 、 ，a t e r ，c a r b o ni si n e v i t a b l e i nt h i sp a p e r t h ed e p t ho fa n a e r o b i cc o r l d i t i o n so o do nt h ei m p a c to fa m m o n i ao x i d a t i o nw a ss t l l d i e d t h ed e p t ho f t h ea n a e r o b i cp r o c e s sc o m r o le x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa i l di nt h es l u d g ep r o d u c em e t h a n ea tt h ea n a e r o b i cs t a g e t h j ss t u d yi n c l u d e st 1 1 i e ea s p e c t s ：t os t a r ta n a e r o b i ca m m o n i 啪o x i d a t i o np r o c e s s ；t l l ei m p a c to ft w ow a y st oi n c r e a s et h en i t r o g e nl o a dh a v e b e e nd i c u s s e di nt h es 锄ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ；t h ei m p a c tc o dt oa m m o n i ao x i d a t i o nr e a c t i o n t h em a i nf i n d i n g sa 】汜a sf o l l o w s ： ( 1 )s t a r t u pa n a m m o xu s eu a s br e a c t o r a st h et e s td e v i c e ， a tc o n s t a n t t e m p e r a t u r ea t37 ， a n a e r o b i cg r a i l u l a rs l u d g e2 l si n o c u l a t i o ns l u d g e ， i n n u e n tc o d ， a m m o n i ai l i t r o g e na n dn i 研t en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o no f2 5 0m g l ，l0 0 m g l ， 1 3 0 m l 1 0 0 d a y sl a t e r ，c o n f i 肌e d2 u 1 锄m o xr e a c t i o nt os t a r t ，a n dg a i na n a m m o x s l u d ；验。a tt h es 锄et i m ek n e wt h eb e s tp hi s7 。o 一7 5 ， t h eb e s tt e m p e r a t u r ei s3 7 ( 2 ) i n c r e a s et h en i t r o g e nl o a db yt w o 、w l y s ， f i r s ti ss h o r t e n i n gt h eh r t ，u s et w o 5 0 0 m lp l a s t i cb o t t l e sa st h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e ，m a k eu s eo fs t a r t u pa n a m m o xs l u d g e ， t od on i r t h e ri n c r e a s el o a de x p e r i m e n t sa tt h es 锄ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，a n a l y s i s t h ei m p a c to ft h et w o 、v a y si n c r e a s el o a do nt h ed e n i t r i f i c a t i o nr e a c t o rp e r f o m a n c e ( f i r s ti ss h o n e n i n 2t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n ds e c o n di si 1 1 c r e a s et h ei n f l u e n t c o n c e n t r a t i o n ) r e a c t o rl 牟o r i g i n a lt w od a y sr e t e n t i o nt i m es h o r t e n e dt o1 5d a y s ， 2 拌 r e a c t o ri n n u e n ta m m o n i an i t r o g e na n dn i t r i t en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n sf r o m10 0 m g l ， 1 3 0 m g lt o1 5 0 m g l ，2 0 0 m g l ， t h er e s u l t si s ：a te x a c t l yt h es 锄ee n v i r o m n e n t a l c o n d i t i o n s ，t h es 锄er u n n i n gt i m e ，a l sb ys h o n e n i n gt h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n d i n c r e a s et h ei n f l u e n ts u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s el o a d ，t l l el a t t e rb ea b l et og e ta b e t t e fd e 1 1 i 埘矗c a t i o ne 硒c i e n c y ， a n dc a nb es t a b l ej 王lt h el o n 2 姗 ( 3 ) 5 0 0 m lr e a c t o rb o t t l ef o r t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e ，m a k eu s eo fs t a r t u pa n a m m o x s l u d g e ， r e s e a r c h 也ed i f - f e r e n ta d dc o n c e n t r a t i o ni m p a c to n 也ea m m o 血am t r o g e n ， i l i t r i t en i t r o g e nd e 目a d a t i o no fn i t r o g e n ，f i o u n dt h a tw h e ni n f l u e n tc o dr e a c t o re x i s t ， f o u n d t h a tm e c o m p e t i t i o n b e t 、v e e nh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i aa i l da n a e r o b i c a m m o m 1 1 o x i d i z i n gb a c t e r i at h u sa f 佗c tt h er e a c t o rp e d l o 肌a n c eo fa n a e r o b i c a m m o n i u mo x i d a t i o n t h el o w e ri n 丑u e n to fc o dc 鲫c e n t r a t 主o n ，缸t e rr e m o v 嗣o f ， k g h e rc o n c e n t r a t i o no fo o d ， t h el o w e rt h er e m o v a le f i c i e n c yo fa m m o m ai l i t r o g e n t h er e s u l t so fe x p e r i m e n tw h i c hd i s c o v e r e dp r o m o t i o nt h en e wt e c l u l i q u e sa p p l i e d t 01 1 i t r o g e nr e m o v a l 、v a s t e w a t e rt h et h e o 眄a n de n 百n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：a n a m m o x ，s t a r tu p ，l o a d ，c o d i i 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 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 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：! 雪：复日期：丝乒年l 月j l 日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文 的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于 收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意 学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全 部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 日月 一r 矿乡一彩 月年 二一叩 年 ： 互期丝日 期 舅i i i 如黟 j 一 ：雏鹳 ：师名教签导者指 作文 苏州科技学院硕士学位论文绪论 第一章绪论弟一早殖了匕 在自然生态系统中，氮既是维持生态系统营养物质循环的重要元素之一，也 是引起水质恶化、生物多样性降低和生态系统失衡的主要因素。 1 1 水体中的氮素 1 1 1 水体中氮素的来源 水体中的氮素主要有以下来源：大气干湿氮沉降、农田土壤流失、降雨径流、 电源及其他面源以及水体内部沉积物释出等，另外大气中的氮也可以通过蓝绿藻 和某些细菌的生物固氮作用而进入地面水体。氮素直接进入水体的方式见下表 表卜1氮素直接进入水体的方式1 蝴匝巫亟困 图卜1 水体中营养物氮来源阱 水体中氮素来源组成及各自所占的比例也会因其所处的地域和周边环境的 苏州科技学院硕士学位论文 绪论 不同而有所差异。 以1 9 8 7 1 9 8 8 年度太湖独立水体( 不考虑环湖河道氮素的输入输出) 为例， 太湖氮素污染物可以分为点源和面源两部分( 见表1 2 ) ，从表1 2 可以看出，氮 素面源污染较点源污染严重，分别占7 7 0 2 和2 2 9 8 。氮素点污染源又以生活 污水所占比重最大。每年入湖1 0 2 6 7 t ，站入库氮素量的1 3 0 5 。氮素面污染源 中大气干湿氮沉降和农田氮肥流失分列一、二位，分别为2 7 5 9 5 以和2 5 5 0 0 讹。 表卜21 9 8 7 1 9 8 8 年进入太湖的氮素量盘1 入湖统计 7 8 6 4 8 01 0 0 与之对照的是，美国j 日金山海湾盆地的调查结果显示，城市污水、工业废水 和畜禽养殖场是水体氮素污染物的主要来源，分别占水体氮素污染来源总量的 4 9 0 、3 0 0 和1 1 1 。 1 1 2水体中的氮素形态及特性 ( 1 ) 水体中氮素的形态 氮在水体中的主要存在形式有分子态氮、有机态氮和无机氮。无机态氮包括 氨态氮、亚硝态氮以及硫化物和氰化物，有机氮有尿素、氨基酸、蛋白质、核酸、 尿酸、脂肪酸、有机碱、氨基糖等含氮有机物。可溶性有机氮主要以尿素和蛋白 质形式存在，在好氧或厌氧条件下可以通过氨化等作用转化为氨氮。例如蛋白质 首先在蛋白质分解菌的作用下水解成氨基酸再转化为氨氮，尿素通过下列水解反 2 刃、州科技学院硕十学位论文 绪论 应使有机氮变成氨氮： ( n h 2 ) 2 c o + h 2 0 营2 n h 3 + c 0 2 ( 1 一1 ) 在天然水体中从含氮有机物的生物化学净化过程( 见图1 2 ) 可以看出其氮 化物存在的种类和基本形态。 河流：半獭蝴乌蒜一篙乌胁然鸟胁 可沉看机物 c 0 2 枞泥一撕狮揪瓣用生m c h ，f h = ! s f c 0 2 f 上。一。一。竺三。= ：二竺竺竺篡竺竺。三竺型。型。； 图卜2天然水体中含氮有机物的生物化学净化示意图“3 废水中氮存在的形态有四种，在一定条件下各种形式的氮可以相互转化。在 未处理的原废水中，有机态氮和氨氮是氮的主要存在形式：经二级生化处理后出 水中氨氮和和硝态氮是氮的主要存在形式1 4 j 。 有机氮( n )( c 2 h 5 ) x n h y 、h 2 n c 2 h 4 n h 2 、n ( c 2 h 5 0 h ) 3 、谷氨酸、蛋氨酸 等。 有机氨氮( 凡h + n ) 鼬h + c l 、& 扩s 0 4 。( 如十二烷基氯化铵、萨帕明 m s 、十二烷基二甲基甜菜碱) 等。 氨氮( n h 4 + - n ) ，实际上是无机氨氮( n h 4 ) 2 c 0 3 、n h 4 c l 、n h 3 等。 亚硝酸盐氮( 凹一) 、硝酸盐氮( 防一) 。 在生活污水中，有机氮占4 0 6 0 、朋对一占5 0 6 0 、劣一和 n o i n 占o 5 o ( 2 ) 水体中氨氮的特性 水体中的氮化物分为无机氮化物和有机氮化物，又以不同形态存在。为有效 控制氮素的污染，有必要分析了解水体中含氮化合物的理化性质、反应性及毒理 学特性等，部分氮素特性具体见表1 3 。 苏州科技学院硕f ：学位论文 绪论 表卜3部分含氮化合物的特性一览表眠帕 4 苏州科技学院硕士学位论文 绪论 殊气味 1 1 3 氮素在水体中的危害 各种形式的含氮化合物排入水中引起了严重的水体氮素污染，氨氮和硝氮是 其中的主要氮素污染物，在近几年我国七大水系的主要污染指标中，氨氮位居第 三位，成为水体污染的首恶。 表卜42 0 0 4 2 0 0 7 年我国废水、氨氮、生活垃圾清运总量情况表7 9 1 据统计，2 0 0 7 年我国废水排放总量分别为5 5 6 ：8 亿吨，其中氨氮排放量1 3 2 3 万吨。另外，2 0 0 7 年我国生活垃圾清运量为1 5 2 1 5 万吨，其中无害化处理量为9 4 3 3 万吨，无害化处理率为6 2 。在解决“垃圾围城 问题后，垃圾填埋渗滤液污染 又成了新的问题，渗滤液含氮量( 主要为氨氮) 高达数百甚至数千m g l ，是一个严 重的氮素污染源【7 j 。 水体氮素污染造成的环境危害日益严重，最主要的是引起藻类的过度繁殖， 导致水体富营养化。水体富营养化不但给水体环境造成了严重的危害，而且造成 了巨大的经济损失。主要表现为：藻类散发出的腥臭使水味变得腥臭难闻；藻类 形成的“绿色浮渣”使水质浑浊，水体透明度降低；许多藻类向水体释放有毒有 害物质，引起鱼、贝中毒；作为城市供水水源时，影响供水水质并增加制水成本； 破坏水生生态，导致农渔业欠收。2 0 0 7 年5 月2 9 日6 月上旬无锡市城区自来水水 质突然发生变化，并伴有难闻的气味，无法正常使用，导致无锡市城区停水。太 湖蓝藻时间在全国范围内引起广泛的影响。 水体氮素污染还会引起生态以及健康方面的有害影响，最直接的影响是氨对 5 苏州科技学院硕十学位论文 绪论 水生生物的毒害。氨在水中以离子( n h 4 + ) 和分子q m 3 ) 的形态存在，引起毒害作 用的主要是n h 3 。对大部分鱼类而言，水体中n h 3 的致死剂量为lm g l 。 进入水体的氨氮在硝化菌的作用下，可氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，消耗大量 氧气。完全氧化1m g 氨氮约需4 6m g 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n d o ) ，在二级处 理出水中，氨氮需氧量占总需氧量的比例可高达7 1 3 。假如水体没有足够的稀 释能力，二级处理出水排入水体后，氨氮将大量消耗d o ，降低水体质量，严重 影响水生生态系统。另外，硝酸盐和亚硝酸盐( 直接排放或由氨转化而来) 也是严 重威胁人类健康的有害物质。人体吸收亚硝酸盐后能诱发高铁血红蛋白症，因主 要发生于婴儿中，又被称为“蓝婴症”，可导致婴儿窒息。硝酸盐与驻硝酸盐在 人体中还会转化成亚硝胺，具有致畸、致癌、致突变作用，对人体有严重的潜在 威胁。研究表明，硝酸盐摄入量大的人群，胃癌发生率也高。环境污染的加剧以 及公众环境意识的增强，促使越来越多的国家和地区制定更加严格的氨氮排放标 准。我国于1 9 9 6 年颁布实施的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，在保留 原二级氨氮排放标准的基础上，制定了更加严格的氨氮一级排放标准。这意味着 今后绝大多数城市污水和工业废水处理设施都要考虑氨氮处理。 国外发达国家，对排入水体的氨氮排放量的要求较比我国高，德国1 9 9 9 年， 规定城市污水处理厂的水必须满足总无机氮5 m l ；奥地利规定，排入水体的 氨氮5 m g l 。我国自从去年发生太湖蓝藻事件后，也加大了对排入水体的氨氮 量的控制。如江苏省公布的太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污 染物排放限值规定了太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业排入水体的污水 氨氮5 m g l 【1 2 】。 总之，我国对排入水体的氨氮量的控制越来越严格，要求越来越高。 1 2 传统脱氮技术和脱氮技术新进展 1 2 1 传统物化处理技术 因为氮素污染的种种危害，所以开发控制氮素污染的技术得到了社会各界的 重视。在废水脱氮技术的研发和应用中，涌现了一大批行之有效的处理技术和工 艺，构成了废水脱氮处理的技术体系。针对水中的氨氮污染，目前常用的控制技 术可分为物化处理技术和生物处理技术。 1 ) 物化处理技术主要包括：空气吹脱法、折点氯化法、选择性离子交换法【l 引、 磷酸氨镁沉淀法。 ( 1 ) 空气吹脱法 空气吹脱法就是通过提高废水中的p h 值，并采用空气吹脱技术，促使氨从水 6 苏州科技学院硕士学位论文 绪论 中逸出的物化脱氮技术。 水中的氨氮多以n h 4 + 和n h 3 的形式存在，两者存在以下平衡关系： n 日j + h 2 0 _ n h 3 + o h 一( 1 - 2 ) 这一关系主要受p h 与水温的影响，当p h 值为7 时，氨氮多以n h 4 + 形态存在， 而当p h 值为1 1 左右时，n h 3 占到9 0 以上。通常以石灰调节p h 值到l l 左右，通过 吹脱塔吹脱氨气，其工艺流程见图1 5 。该技术处理二级处理出水时，氨氮去除 率可达7 5 一8 5 。 图卜5 空气吹脱法工艺流程图 空气吹脱法具有效果稳定、操作简便、容易控制等优点，但存在如下缺点： 逸出的氨可能造成大气污染：石灰易形成水垢；水温降低则脱氨效果下降。 ( 2 ) 折点氯化法 利用氯气或次氯酸钠将废水中的氨氧化成氮气的化学脱氮技术，称为折点氯 化法，其反应式为： 吁鬈+ 1 5 肋c z _ o 5 2 + 1 5 h 2 d + 2 5 + + 1 5 c r ( 1 3 ) 在折点氯化法中，余氯浓度和残留氨氮浓度与氯氨氮重量之比有关，氯投加 量与氨氮重量比为7 6 ：1 时，化合余氯量最小，称为折点。越过折点后，所投加 氯产生自由余氯，为了保证反应进行完全，实际投氯量往往超过理论值，通常为 8 ：1 1 0 ：l 。折点氯化法的主要产物为氮气，其它少量副产物为n 0 3 。和n c l 3 ，出水 氨氮可小于0 1m g l 。 ( 3 ) 选择性离子交换法 利用选择性阳离子交换剂置换出废水中n h 4 + 的物化脱氮技术，称为选择性 离子交换法，可用下式表示： 出? a + + b n + h 飞。b n + + n a 。( 1 4 ) 沸石( z e o l i t e ) 是一种分布广泛开采量很大的天然离子交换物质。由于它的价 格低于人工合成的离子交换树脂，并且对于氨氮具有选择吸附能力，因此常用于 污水中氨氮的去除。污水连续通过沸石交换柱，使沸石的交换能力趋于饱和而不 断下降，当出水中n h 4 + 浓度超过运行要求时，需对沸石进行再生处理。 选择性离子交换工艺主要由离子交换柱、再生贮液槽和吹脱塔三部分组成， 7 苏州科技学院硕士学位论文 绪论 其工艺流程如图1 6 所示。选择性离子交换法对氨氮的去除率可达9 0 9 7 ，但 对硝氮、亚硝氮以及有机氮没有去除能力。 进 图卜6 选择性离子交换法除氨工艺 ( 4 ) 磷酸氨镁沉淀法 向废水中投加磷酸盐和氧化镁，使氨形成磷酸氨镁沉淀而去除的废水脱氨技 术称为磷酸氨镁沉淀法。形成磷酸氨镁( m a p ) 的化学反应式为： m g 抖+ p 研一+ w + 6 d 专尥h 4 p d 4 6 d 山( 1 - 5 ) m a p 为碱式盐，在酸性条件下易溶解，沉淀反应最好在较高的p h 下进行。 但若p h 超过9 5 ，产生的m a p 会释放出刺鼻的氨味。采用磷酸氨镁沉淀法去除氨 氮时，理想的投加比例是m g ：p ：n = 1 3 ：1 ：1 。 采用物化技术脱氮，具有快速高效的优点，但物化法往往需要消耗化学药品， 费用昂贵，而且易产生二次污染。因此，只有在某些特殊情况下才采用物化技术 脱氮，主流脱氮技术是生物处理技术。 1 2 2 传统废水生物脱氮技术 生物法( 即生物脱氮技术) 是目前应用最广的废水脱氮技术。它通常由硝化 工艺和反硝化工艺组成。 废水生物脱氮的机理： 废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等四种形式存在， 生活污水中：有机氮占4 0 6 0 ；氨氮占5 0 6 0 ；亚硝酸盐氮和硝酸盐氮占o 5 。 废水的生物脱氮就是在传统的二级生物处理过程中，将有机氮转化成氨氮的 基础上，通过硝化的作用，将氨氮转化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，再通过反硝化 的作用将亚硝酸盐氮和硝酸盐氮转化为氮气，从而达到从废水中去除氨氮的目的 【1 4 】 o 简而言之：废水生物脱氮就是硝化和反硝化菌参与的反应过程。 8 苏州科技学院硕上学位论文绪论 ( 1 ) 硝化反应过程：硝化反应是将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程， 亚硝酸菌和硝酸菌是好氧菌，它们利用c 0 2 、，c 0 3 、和h c 0 3 做碳源，通过 n h 3 和n h 4 + 或n 0 2 的氧化还原反应获得能量。 硝化反应包括两个基本的反应步骤： 1 ) 由亚硝酸菌参与的将氨氮转化为亚硝酸盐的反应： 亚硝化反应：w + q + 日鹏垩骘晖+ 吼d + h 2 c d 3( 1 6 ) 2 ) 由硝酸菌参与的将亚硝酸盐转化为硝酸盐的反应： 硝化反应：m 骘+ 旧：- + 皿c q + 朋q 一+ d 2 堡骘g + 4 d ( 1 7 ) 总的反应：磁+ d 2 + 解毋竺+ h ：d + c d 3( 1 8 ) ( 2 ) 反硝化反应过程：反硝化反应是亚硝酸盐和硝酸盐还原成n 2 的过程反 硝化菌是缺氧型微生物，其反应在缺氧条件下进行。反应过程中反硝化菌利用各 种有机基质作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体而进行缺氧呼吸l l 引。 从n0 3 一还原成n 2 经历了一系列连续的4 步反应的过程： n o j 一n o j _ n o 一n p 一n 2 反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源( 如甲醇) 作为电子供体，利用no 一3 中的氧离子进行缺氧呼吸。其反应过程表示如下： n 旺七c h p h + h ! c o l _ n t 弋+ h 2 q + h c o ；q q 晖+ c 乩0 日+ 日2 c q 一2 t + 日2 d + 们凹( 1 1 0 ) 废水生物脱氮工艺： 1 ) 传统的脱氮工型1 6 j 根据生物脱氮硝化和反硝化的机理可知，要使废水中的氨氮最终转化为氮气 而从废水中逸出去除，首先要通过好氧硝化作用，将氨氮转化为硝态氮，然后再 在缺氧条件下，进行反硝化脱氮。因此作为生物脱氮工艺，从逻辑上应是先好氧 硝化，再缺氧反硝化的工艺流程。传统的脱氮工艺流程就是如此： 图卜7 传统脱氮工艺流程 传统的脱氮工艺将含碳有机物的去除、硝化和反硝化脱氮反应分别在三个反 应器( 曝气池、硝化池和脱氮池) 中独立进行，并分别设置了污泥回流系统。处 理过程中向脱氮系统投加了碳源( 甲醇) 。 9 苏州科技学院硕士学位论文绪论 该工艺的优点：运行条件易于控制：可以获得良好的b o d 去除率和脱氮效果。 缺点：流程长、处理构筑物多、基建费用高；由于需要外加碳源，运行费用高。 2 ) 改进的生物三级脱氮工艺 在传统的工艺基础上改进，将曝气池和硝化池合并，减少了一个处理构筑物。 进 图卜8 改进的生物三级脱氮工艺流程 3 ) 内碳源生物脱氮工艺 在传统的工艺基础提出了内碳源生物脱氮工艺，将一部分原水引入脱氮池作 为碳源，以节省外碳源的投加，降低运行成本。 进 图卜9 内碳源生物脱氮工艺流程 但由于原水中的碳源多为复杂的有机物，因而反硝化菌利用这些碳源进行脱氮时 的反应速率将无疑下降，同时，出水中的b o d 去除率也将下降。 4 ) 、有后曝气的生物脱氮工艺 为了解决内碳源生物脱氮工艺带来的问题，提出了有后曝气的生物脱氮工 艺，解决了出水b o d 去除率不高的问题，但显而易见的加长了工艺流程，增 加了工程投资和运行费用。 l o 苏州科技学院硕十学位论文 绪论 进 图卜1 0 有后曝气的生物脱氮工艺 5 ) o 工艺 0 工艺是在前四种工艺的基础上发展起来的较为实用、简单的，在生物除氮中 目前应用较多的工艺。 进 曝气池 图卜1 1a 0 工艺 特点：流程简单、工程造价低；脱氮过程能直接利用原水中的有机碳源，可 省去外投加的有机碳源，降低了处理成本；通过硝化液回流使其中的n 0 3 一和n 0 2 一 在脱氮池中进行反硝化。o 工艺中只有一个污泥回流系统使硝化菌和反硝化菌 都处于缺氧一好氧交替的环境中，构成一个混合菌群系统，使不同菌属在不同的 条件下充分发挥他们的优势。由于反硝化过程的前置，可以借助反硝化过程中产 生的碱度来补充硝化过程中消耗的碱度。 6 ) 膜法0 工艺 膜法a o 工艺是在a 池( 脱氮池) 和o 池( 曝气池) 设置填料，利用生物 膜上面的生物菌种进行生物除氮。除氮原理与活性污泥们工艺相同，但省去 了污泥回流。 苏州科技学院硕士学位论文绪论 硝化液回流2 o 3 1 2 3 生物脱氮技术新进展 图1 1 2 膜法a o 工艺 1 ) 传统生物脱氮工艺存在的问题 由于传统的废水生物处理工艺以含碳有机物和悬浮固体为主要处理目标，可 通过微生物同化去除污水中的氮素量很少，通常只有1 0 1 3 ，因此对生活污 水和含氮的工业废水采用常规的活性污泥法处理，出书中仍含有大量的氮素。这 就促使人们对常规的活性污泥流程进行改造，以提高氮的去除率，最具有代表性 的就是o 法、b a r d e n p h o 法等工艺。这些传统硝化反硝化工艺在废水脱氮方面 起到一定的作用，但仍然存在着许多问题。 硝化茵群增殖速度慢，且硝化菌世代长，难以维持较高的生物浓度，因 此造成系统的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。 传统工艺中的反硝化过程中需要一定量的有机物，而废水中的c o d 经 过曝气后有一大部分被去除，因此反硝化时往往要另外加碳源，增加运 行费用。 为中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加处理成本。 氨氮完全硝化需要大量的氮氧，使动力费用增加。 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。 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 回流和消化液回流，增加了动力消耗及运行费用。 运行控制相对较为复杂等。 因此，研究废水处理工艺中的脱氮新思路、新技术及适合的控制条件是有效 去除废水中氨氮量，进而为控制水污染、保护水环境提供科学依据的重要研究课 题，也是废水深度处理研究中的核心问题。 2 ) 脱氮理论新认识 随着近代生物学的发展以及人们对生物技术的掌握，脱氮技术有单纯工艺改 革向着以生物学特性促使工艺改革的方向发展，以达到高效低耗。近年来，国内 1 2 苏州科技学院硕上学位论文 绪论 外学者对污水生物脱氮工程实践中暴露的问题和现象进行了大量理论和试验研 究，力求缩短氮素的转化过程，并提出了一些突破传统理论的新认识及新发现【i n l8 】 o ( 1 ) 亚硝化反应和硝化反应是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应， 而参与作用的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌因其时代周期、生长速率等的不 同，可以互相分开，生物脱氮可经历以n 0 2 为电子受体的反硝化反应过程。 ( 2 ) 硝化反应不仅有自养菌完成，某些异氧菌也可以进行硝化作用，一些硝 化细菌除了能够进行正常的硝化作用外，还能进行反硝化作用，如n i t r o s o m o n a s e u r o p a e r 和n i t r o s o m o n a se u r o p h a 等【1 9 - 2 0 1 。 ( 3 ) 反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可以在好氧条件下进行反硝 化，如t h i o s p h a e r ap a j l t o t r o p h a 和a l c a l i g e n e ss p 等【2 1 2 2 1 。 ( 4 ) 在厌氧条件下，发现某些细菌在硝化反硝化反应中能利用n 0 3 。或n 0 2 作电子受体将n h 4 + 氧化成n 2 和气态氮口3 2 4 t2 5 1 。 在这些认识的基础上，提出了一些新的生物脱氮理论，如：氨氮氧化成亚硝 酸盐后直接进入反硝化、硝化和反硝化过程同时进行而不是序批式进行，在有 氧条件下进行反硝化，让一些细菌彼此序列式合作把氨氮转化为氮气等。氮素可 能转化新途径如下图【2 6 2 7 2 8 】 n h 3 n 2 、n n o ； 亚硝酸性硝化 反硝化 一一好氧反氯化 n2 好氧反硝化 厌氧氨氧化 可能的同时 硝化反硝化 图卜1 3 生物脱氦可能转化的新途径 3 ) 生物脱氮新技术 近年来，生物脱氮技术的新发展突破了传统的认识。各种新型脱氮技术的开 发不仅丰富了人们的微生物知识，也为研究和开发脱氮技术提供了理论依据。 ( 1 ) 短程硝化反硝化过程的两步反应是分开的，所谓短程硝反硝化是将硝 化过程控制在n 0 2 。阶段，阻止n 0 2 4 进一步氧化为n 0 3 。，直接以n 0 2 作为电子最 终受氢体进行反硝化【2 9 l 。短程硝化一反硝化生物脱氮，就是抑制硝酸菌的细菌 苏州科技学院硕t 学位论文 绪论 活性，把硝化阶段控制在亚硝酸阶段，使整个生物脱氮过程通过n h 3 小卜- n 0 2 1 n n 2 这样的途径完成。但到目前为止，经n 0 2 。途径在实际工程中实现生物 脱氮的成功应用并不多见。其主要原因是影响n 0 2 积累的控制因素比较复杂， 并且硝酸菌能够迅速地将n 0 2 转化为n 0 3 。，因此，造成已经实现的短程硝化脱 氮工艺又恢复为全程硝化过程。 ( 2 ) 同时硝化反硝化由于传统硝化反硝化过程是在两种不同的条件下发生 的，即硝化反应在有氧条件下进行，而反硝化反应则在严格的厌氧或缺氧的条件 下惊醒，使得硝化和反硝化不能同时发生。同时硝化和反硝化( 简称s n d ) 是 指硝化和反硝化反应同时在相同操作条件下和同一反应器中实现。 ( 3 ) 全程自养脱氮全程自养脱氮是指将部分氨氮氧化为亚硝酸盐即亚硝酸 型硝化，然后进行厌氧氨氧化。属于全程自养脱氮技术有：限氧自养硝化一反硝 化生物脱氮系统( o x y g e ni i m i t e da u t o t r o p h i cn i t r i 矗c a t i o na n dd e n t r i f i c a t i o ns y s t e m ， 简称0 l a n d ) 、一体化完全自养脱氮系统( c o m p l e t e l ya u t r o p h i cn i t r o g e nr e m o v a l o v e rm t r i t e ，简称c a n o n ) 、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 够锄m o n i a r e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 、厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i 啪o x i d a t i o n ，简称 a n a m m o x ) 、s h a r o n a n a m m o x 等。这类工艺以亚硝酸脱氮工艺为核心， 力求缩短氮转化过程，具有低耗能、低物耗等优点，能较好的适用于低c n 比、 中高浓度含氮废水。这些工艺的出现，弥补了传统生物硝化反硝化工艺的缺陷， 为开发新的高效生物脱氮工艺提供了新的思路和方向。 o l a n d ：o l a n d 工艺是由比利时g e n t 大学微生物生态试验室开发出的一 种脱氮工艺。它基于亚硝酸型硝化厌氧氨氧化脱氮技术而开发出的生物脱氮 新工艺。该工艺首先采用限制溶解氧浓度实现氨氮的部分亚硝化并实现亚硝酸盐 的浓度积累，接着进行厌氧氨氧化反效应，从而达到去除含氮污染物的目的，氮 由于厌氧氨氧化反应阶段的生物量生长非常缓慢，仍处于试验室研究阶段。其反 应可表示为方程 ：峨一+ 1 5 q 争a q 一+ 2 日+ + d d 2 一+ 乩+ 叶2 + 哎d( 1 1 1 ) 2 a 伍+ + 1 5 q 2 + 2 h + + 3 致0 c a n o n ：2 0 0 2 年首先由荷兰d e l r 工业大学提出的新型生物脱氮工艺【3 0 】。 该工艺是指单个反应器或生物膜内通过控制溶解氧来实现亚硝化和厌氧氨氧化， 从而达到脱氮的目的。c a n o n 工艺是基于亚硝化和厌氧氨氧化而发展起来的新 型工艺具体方程是见式( 1 一1 2 ) ( 1 - 1 3 ) 。环境中的氨氮和溶解氧是决定c a n o n 工 艺的两个关键因素。目前c a n o n 工艺还处于研究阶段，没有真正用到工程实践 中。 1 4 苏州科技学院硕士学位论文绪论 僵，4 一+ 0 8 5 q 0 11 鸭一+ 0 1 4 日+ + 1 4 3 也d ( 1 一1 2 ) 蟹+ + 1 3 2 q 一+ 日+ 争o 2 6 q 一+ 1 0 2 2 + 2 皿0 ( 1 1 3 ) s h a r o n ：由荷兰d e l r 科技大学开发的s h a r o n 工艺，其基本思想就是利 用呀硝酸菌在高温条件下增长速率大于硝酸菌这一特点实现亚硝酸菌的积累，而 使硝化反应只进行到亚硝酸盐阶段。其基本原理可用( 1 1 4 ) 表示，即在监督充足 的有氧条件下，废水中的5 0 的n h 4 + 被氧化成n 0 2 乙- n ；而后在缺氧条件下， 以有机物为电子供体，将n 0 2 刊反硝化生成n 2 。目前已在两个污水处理厂获 得了运行。 o 5 4 m l 一+ 0 7 5 d 叫o 5 崛一+ 日+ + 0 5 见d d 2 一+ 3 【日 _ o 5 2 + 2 日2 d 4二2z ( 1 _ 1 4 ) a n a m m o x ：a n 锄m o x 工艺是由荷兰d e l r 工业大学于2 0 世纪末提出的一 种新型脱氮工艺。是将氨氮经过短程硝化后生成的电子受体n 0 2 ，或者通过额 外加硝酸盐做电子受体，在厌氧条件下将氨氮氧化成氮气的过程。其生化反应式 可表示为( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 5 帆一+ 3 崛一一4 札+ 9 致d + 2 胃+ g = 2 9 7 k j m o l n h 4 + ( 1 - 1 5 ) d 一+ 人w ：_ + 2 儿d g - 3 5 8 k j m o l n h 4 + ( 1 - 1 6 ) s h a r o n a n a m m o x ：该工艺分 别在两个反应器中实现部分硝化和厌氧氨氧化，能优化两类细菌的生存环境，运 行性能稳定，已获得了小试【3 1 1 和中试【3 2 】的研究。 此外，n 0 x 及需氧反氨化工艺( a e r o b i cd e a m m o n i 丘c a t i o n ) 也是近年来发现 的新型生物脱氮工艺。n o x 工艺主要是利用n o x 能提高n e u t r o p h a 纯培养液的 硝化速率、比氨氧化速率、细胞生长速率、最大细胞密度及好氧反硝化能力来达 到高效脱氨。其更为重要的作用体现在亚硝酸菌的厌氧氨氧化中，当厌氧氨氧化 系统中n 0 2 浓度增加时，n 1 4 + - n 和n 0 2 乙- n 的消耗速率和n 0 3 n 的生成速 率会增加。目前该工艺已在中试中得到应用。 需氧反氨化工艺是一种不需要添加c o d 的一步除氨过程。已在中试试验和 污水处理厂中进行了测试，即转化部分n h 4 l _ n 和n 0 3 硝，部分至氮气。它的 发现是基于c a n o n 工艺，即在氧限制条件下，利用了硝化菌和厌氧氨氧化菌的 协同作用。但由于其包括了传统硝化过程，因而效果不是很理想，总氮负荷及去 除率均较低。 。稚娘忙耧睃芒礤昧斛g靶删冥籁孤枘 hg*瑙匿林剐文讳已叹牛叩nv姒酃譬s厘誓蒋 翟g黎毯呕菌蹄立蚕笔=ii型骤穴鼙选d器d长 垦苔臀雩g蹄 毯蟋妪+域啦擎嚣r爨毕划s剥器睾噼城1骞毯 铤罂避翟穴葚簿链罂甾诞茸婆瑙鼎警涩遵留鼍 回棣熙蛾鄹羞懒区器鞘g隧警键罂餐翟管誉醴 。器裂虫赵星=山g塞 蛉熏1骞餐赛林墨炭卜熙逛星匠警然裂挂翘如理趟 。cf毯七b醛h篮林始态镶瞎区耳c1 忡缒彩辔鼍穴基馨件超罂督普夸婆霉蚓凰警耀短 程普回采茹螺腻搿丑懈区器裂g雕聚辎窿翟巨墨醴 蚕球螺蛞餐蝴避口 篷s划址导醛捌摹翟一蘩廿毯髻器秘榷一爨醛墨忙曩辎榷罩普哒k堪龊始埘卜枣礤星1骞忙榭瞰婪捌晕鼍惺斌鞘裂蝴k娶瞳舞旬立鄂蒌燔枘h 。黎犍卜文期；鉴泛餐篷【l收