（环境工程专业论文）生物接触氧化法对生活污水脱氮效果的试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 生物接触氧化法对生活污水脱氮效果的试验研究 摘要 随着我国城市化发展进程的加快，城市缺水日益严重，水资源短缺是 制约我国经济和社会发展的重要因素，同时大量的生活污水、含氮工业废 水和农业施用的氮肥进入江河、湖泊和水库等，对环境造成的污染日益严 重。水污染降低了水体的使用功能，使水资源供需矛盾更加尖锐。城市生 活污水的再生利用是开源节流、减轻水体污染程度、解决城市缺水问题的 有效途径之一，去除水中的氮是水污染防治研究的重点和热点之一。脱氮 的方法主要有物理化学法和生物法，其中生物处理法由于成本较低、工艺 简单、投资和运行费用低，无二次污染而被认为是一种最佳的处理方法。 因而如何经济有效地运用生物学方法去除水体中的氮是目前国内外水资源 控制领域研究的方向。 生物接触氧化法是符合我国国情的简易、高效、低耗的生活污水处理 工艺，近十几年来发展迅速，将成为解决我国所面临的严峻的水环境污染 和水资源短缺问题的主要技术途径之一。本课题在生物接触氧化池中加入 半软性填料，对处理模拟生活污水进行了试验研究和理论分析，考察了该 工艺的处理效果。试验内容包括氧化池的挂膜启动、氧化池在不同水力停 留时间( h r t ) 下处理生活污水的性能及气水比、温度、p h 值对处理效果 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 的影响等。 试验采用人工配水作为反应器的进水，结果表明： ( 1 ) 接触氧化池采用“接种活性污泥再连续流培养”的挂膜启动方式，所 需时间较短，当水温在2 6 - - 3 0 c 、进水c o d c r 在1 2 1 7 4 4 9 0 m g l 、氨氮在 5 1 5 5 1 1 5 3 m g l 的范围内、气水比3 ：l 时，1 5 d 左右便可完成挂膜过程， c o d 。和氨氮的去除率分别稳定到8 5 和6 0 ，处理效果稳定，认为挂膜 成功。 ( 2 ) 生物接触氧化池处理性能的影响因素主要有：气水比、温度、h r t 、 p h 等。其中随着气水比的增加，各污染物去除率也相应增加，对c o d 的 去除影响逐渐减小，而对氨氮的影响却较大，保持气水比3 ：1 即可保证碳 氧化和硝化的正常进行。 随着温度的降低，各污染物去除率下降，在c o d 。，、氨氮两项指标中， 氨氮去除率下降较为明显。当温度由1 6 ( 2 升高到2 6 。c 时，c o d 。，、氨氮去 除率随温度的升高而上升很快。 当p i - i 值由6 0 增加至8 2 时，对c o d c ，去除率影响很小，对氨氮的去除 率影响较大。 进水c o d 。浓度对c o d 。、氨氮去除效果有一定的影响作用，当进水 c o d 。，浓度增加时反应器对c o d 。的去除率也有所增加；而随着c o d c r 浓 度的升高，氨氮的去除率却有所下降。 关键词：生活污水，生物接触氧化法，生物膜 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e s t u d yo f d e - n i t r i f i c a t i o no f d o m e s t i cw a s t e w a t e ru s i n gb i o c o n t a c t0 x i d a t i o np r o c e s s a b s t r a c t w i t ht h es p e e du po fu r b a n i z a t i o n ，t h ep r o b l e mo fs h o r t i n go fw a t e r r e s o u r c e sb e c o m e si n c r e a s i n g l yc r i t i c a l i nm o s tc i t i e s i ti sa n i m p o r t a n t r e s t r i c t i n g f a c t o rf o rt h ee c o n o m ya n ds o c i e t yd e v e l o p m e n ti nc h i n a w h i l e p l e n t yo fd o m e s t i ca n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e rh a sb e e nd r a i n e di n t or i v e r s ，l a k e s a n dr e s e r v o i r s ，a m m o n i u mc o n t a m i n a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n ti sb e c o m i n g m o r ea n dm o r es e r i o u st h a ne v e r i tr e d u c e st h eu t i l i t yo ft h ew a t e rb o d y , h e n c e e x a c e r b a t e st h ep r o b l e mo fs h o r t i n go fw a t e rr e s o u r c e s r e c l a m a t i o no f m u n i c i p a ld o m e s t i cw a s t e w a t e ri s a ne f f e c t i v ew a yo fe x p l o r i n gn e ww a t e r r e s o u r c e sa n dr e d u c i n gd i s c h a r g e s ，l e s s e n i n gw a t e rp o l l u t i o np r o b l e m sa n d m e a n w h i l eg e t t i n gr i do ft h et r o u b l e so fw a t e rs h o r t a g ei nm o s tc i t i e s t h e nt h e n i t r o g e nr e m o v a lb e c o m e st h ef o c a la n dk e yp o i n tf o rt h es t u d i e so fw a t e r p o l l u t i o np r e v e n t i o na n dc o n t r 0 1 b i o l o g i c a ld e - n i t r i f i c a t i o np m c e s si sr e g a r d e d i i i 太原理工人学硕士研究生学位论文 a st h eb e s to n ea m o n gm a n ya l lt h ep r o c e s s e ss u c ha sc h e m i c a l p h y s i c a la n d p h y s i c a l - c h e m i c a lp r o c e s s e sr e g a r d i n gi t s l o wi n i t i a l c o s t ，o p e r a t i n gc o s t ， t o g e t h e rw i t hu n c o m p l i c a t e dm a n a g e m e n ta n dw i t h o u ts e c o n d a r yp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，t h es t u d ya l lo v e rt h ew o r l di so r i e n t e dt oh o w t or e m o v et i l en i t r o g e n i nt h ew a t e rb o d ym o r e e f f i c i e n t l ya n de c o n o m i c a l l y t h eb i o c o n t a c to x i d a t i o np r o c e s si sas i m p l e ，h i g he f f i c i e n t ，l o wc o s t i n g w a yf o rd o m e s t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n te s p e c i a l l ys u i t a b l et o c h i n a s oi t d e v e l o p e dm p i d l yi nt h el a s tt e ny e a r si nc h i n aa n ds u r e l yi tw i l lb eo n eo f t h e m o s ti m p o r t a n tt e c h n i c a la p p r o a c h e st os o l v et h ew a t e rp o l l u t i o na n ds h o r t a g e p r o b l e mi nc h i n a t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo na n d m e c h a n i s ma n a l y s i so ft r e a t m e n to fd o m e s t i cw a s t e w a t e rb yt h eb i o c o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s si nw h i c hs e m i s o f tp a d d i n gi s a d o p t e d t h es t u d yi n c l u d e s s t a r t u po ft h ea e r a t i o nb a s i n ，a n dt r e a t m e n te f f e c t so fa e r a t i o nb a s i no nd o m e s t i c w a s t e w a t e ru n d e rd i f f e r e n th r t , a n dt h ei n f l u e n c e so f t h ea m b i e n tp a r a m e t e r s ： t h er a t i oo fa i ra n dw a t e r , t e m p e r a t u r ea n dp hv a l u e i nt h i ss t u d y , t h em a n m a d ew a s t e w a t e ri su s e da st h ei n f l u e n to ft h er e a c t o r t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e ： ( 1 ) i tt o o kr e l a t i v e l ys h o r t e rt i m et os u c c e e di nc u l t i v a t i n gb i o f i l mu s i n gt h e c o n t i n u o u sf l o wm e t h o da f t e rs e e d i n gw i t ha c t i v a t e ds l u d g e w h e nt h ec o d c ro f i n f l u e n tb e t w e e n 1 2 1 7 4 - - 4 9 0 m g l ，t h en i - 1 4 + - h i i ni n f l u e n tb e t w e e n 5 1 5 5 - 1 1 5 3 m g l ，t h e r a t i oo f a i r t o w a t e r i s3a n d t h e t e m p e r a t u r e i sb e t w e e n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 6 - u 3 0 c ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d 口，n h 4 + - nc a nb e8 5 a n d6 0 r e s p e c t i v e l y w h e nt h ee f f e c ti sf i x e d ，i ti st h i n kt h a tt h ec u l t i v a t i o no fb i o f i l m i ss u c c e s s ( 2 ) a i r - w a t e rr a t i o ，t e m p e r a t u r e ，h r ta n dp hv a l u ea n do t h e rf a c t o r sw i l l i n f l u e n c et h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h eb i o - c o n t a c to x i d a t i o np r o c e s s t h ea i rt o w a t e rr a t i oh a sn oe v i d e n te f f e c to nt h er e m o v a lo fc o d ，b u th a sm u c hg r e a t e r e f f e c to nt h er e m o v a lo f n h 4 + - n w h e na i r - w a t e rr a t i oi s3 ：1 ，b o t ht h eo x i d a t i o n o fc a r b o na n dn i t r i f i c a t i o nc a nb ea c h i e v e d t h en h 4 一nr e m o v a le f f i c i e n c yd e c l i n e df a s t e rw i t ht h e d e c r e a s i n go f t e m p e r a t u r et h a nt h ec o d 。r e m o v a le f f i c i e n c y o nt h eo t h e rh a n d ，b o t ht h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d 口a n dn h 4 + - ni n c r e a s e v e r y f a s tw h e nt h e t e m p e r a t u r er a i s ef r o m1 6 ct o2 6 c t h ep hv a l u eh a sn oe v i d e n te f f e c to nr e m o v a lo fc o d c r ，b u th a sa ne v i d e n t e f f e c to nt h er e m o v a lo f n h 4 + - nw h e ni tc h a n g e sf r o m6 0t o8 2 t h ec o n c e n t r a t i o no fc o d 。o ft h ei n f l u e n tw i l la f f e c tt h ec o d 。a n d n h 4 + - nr e m o v a lr a t e t h er e m o v a lr a t eo fc o d c ，w i l li n c r e a s ei ft h ec o d 。 c o n c e n t r a t i o ni si m p r o v e d ，h o w e v e ri tw i l ld e c r e a s et h er e m o v a lr a t eo f n h 4 + - n k e yw o r d s ：d o m e s t i cw a s t e w a t e r , b i o c o n t a c to x i d a t i o n ，b i o - f i l m v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：邀拦签 日期： 2 丝z ：壶! 涩 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 引言 随着社会经济的迅速发展，水体遭受氮污染的问题日益严重，引起了人们的密切 关注。氮是引起水体富营养化的主要因素，并且可转化为“三致”物质亚硝酸盐而严重威 胁人类的健康。因此，研究开发经济、高效的废水脱氮处理技术，已成为水污染控制工 程领域的重点和热点。废水中氮的脱除方法主要有折点氯化法、选择性离子交换法、空 气吹脱法、生物脱氮法等。折点氯化法是把氯气或次氯酸钠投入污水，将污水中氨氮氧 化成氮气的脱氮方法。选择性离子交换法是利用离子交换树脂( 如沸石) 对氨离子的选择 性吸附而将其去除的方法。空气吹脱法是利用水中氨离子与游离氨之间的平衡关系，通 过调控p h 和通气量，使氨挥发而去除的方法。 由于污水处理项目侧重于环境效益和社会效益，在建设和运行过程中常常会受到资 金的限制，资金不足与技术水平低就成为解决我国水污染的瓶颈问题。开发高效节能又 适合我国国情的脱氮处理技术，是众多水处理工作者共同努力的方向。因此生物膜法便 日益受到人们的重视。 按照污水处理生物反应器中微生物的生长状态，污水生物处理可划分为悬浮生长工 艺和附着生长工艺( 固定膜) ，前者称活性污泥法，微生物在曝气池内以活性污泥的形 式悬浮于水中：后者称生物膜法，微生物以膜状固着在某种载体的表面上。活性污泥法 是当今世界范围内应用最为广泛的一种生物处理工艺，具有处理能力高、出水水质好等 优点，但传统活性污泥法的基建与运行费用较高、能耗较大、管理复杂、易出现污泥膨 胀和污泥上浮等问题，对n 、p 等营养物质去除效果有限，因而近2 0 年来研究者们在对 活性污泥法本身改进的同时，又致力于寻找活性污泥法的替代工艺或革新与代用处理技 术。生物膜法是污水土地处理的人工强化，微生物附着在载体上繁育，并形成膜状生物 污泥。它作为与活性污泥法平行发展起来的生物处理工艺，在许多情况下不仅能代替活 性污泥法用于城市污水的二级生物处理，而且还具有一些独特的优点，如运行稳定、抗 冲击负荷、更为经济节能、无污泥膨胀问题、具有一定的硝化与反硝化功能、可实现封 闭运转防止臭味等，引起了广大研究者的极大兴趣。到了2 0 世纪7 0 年代，生物滤池、 生物转盘、接触氧化法工艺和生物流化技术都得到了比较多的研究和应用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于生物接触氧化法具有处理效率高、占地面积小、基建及运行费用低、管理方便 和抗冲击负荷能力强等特点，特别适合我国水处理现状。随着研究的深入，发现其不但 能有效去除s s 、c o d e r 、b o d ，还有较好的脱氮作用。这值得我们进行深入的理论探 讨和工艺研究，对其工作原理和有关影响因素做迸一步的分析，使之在我国的水处理实 践中发挥更大的作用。 本研究试图从生物接触氧化池脱氮的运行特点、脱氮途径、反应器内生态环境等几 个方面开展研究工作，在此基础上研究生物接触氧化池脱氮的工艺特征，探讨处理生活 污水最佳工艺参数及脱氮机理，为工程应用提供依据。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 水体中氮的形态及危害 第一章绪论 水体中的氮主要来源于城市生活污水、工业废水和农业灌溉污水三方面，分无机氮 和有机氮两类。其中无机氮包括氨态氮和硝态氮，氨态氮包括游离态氮n h 3 - n 、铵盐态 氮n h 4 + n ，硝态氮包括硝酸盐态氮n 0 3 - n 和亚硝酸盐态氮n 0 2 - n ：有机氮有尿素、 氨基酸、蛋白质和核酸等含氮有机物。 氮污染的危害主要有以下几方面【1 刃： 1 、氮是水体富营养化主要原因。富营养化水指的是富含磷酸盐和某些形式的氮素 的水。在光照和其他环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的 藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解 氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏，这就是所谓的水体富营养 化现象。水体富营养化是我国当今水环境面临的重大问题，水体富营养化的危害主要表 现在下述方面：( 1 ) 恶化水源水质，增加给水处理难度和成本；( 2 ) 水体感官恶化，降低 水体的美学价值；( 3 ) 破坏水体生态平衡，降低水体的经济价值。严重时会使水体中溶解 氧下降，鱼类大量死亡，甚至会导致湖泊消失。 2 、化合态氮对人和生物有毒害作用。鱼类对游离氨非常敏感，即使水体中游离氨 的含量很低，也会影响鱼鳃中氧的传递。对大部分鱼类而言，水体中游离氨对鱼的致死 量为l m l 。在正常的健康人体中硝酸盐和亚硝酸盐都很快被肠胃吸收，被吸收的亚硝 酸盐能与人体中的血红蛋白起反应形成高铁变性血红蛋白，变性蛋白的增加能使不满三 个月的婴儿以及年幼的动物产生一种特殊的临床病症状变性血红蛋白症。此外，硝酸 盐和亚硝酸盐有可能转化为亚硝胺，亚硝胺是致癌、致突变和致畸物质，对人体有潜在 威胁。 3 、增加水的处理成本。氨氮的存在增加了给水消毒和工业循环水杀菌处理过程中 的用氯量( 每克n h 4 + - n 须增加8 1 0 克c 1 2 ) ；对某些金属，特别是对铜具有腐蚀性；在 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 利用含氮污水回用时，将促进输水管和用水设备中微生物的繁殖，并易形成生物絮体堵 塞管道和用水设备，且影响换热效率。 1 2 污水生物脱氦技术概况 1 2 1 传统生物脱氦技术概述 1 2 1 1 传统生物脱氮原理 废水生物脱氦的基本原理是在传统二级生物处理中，将有机氮转化为氨氮的基础 上，由硝化菌和反硝化菌，将氨氮通过硝化作用转化为亚硝态氮和硝态氮，再通过反硝 化作用将硝态氮转化为氮气，从而达到从废水中脱氮的目的。废水生物脱氮的过程实际 上是将氮在自然界中循环的基本原理应用于废水生物处理中，并借助于不同微生物的共 同协调作用以及合理的人为运行控制。这一氮的转化过程包括氨化、同化、硝化、反硝 化作用【4 7 】。 ( 1 ) 氨化作用 污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在，蛋白质先在蛋白质分解菌的作 用下水解成氨基酸，然后在好氧或厌氧的状态下再被微生物转化为氨氮，不同的细菌、 真菌和放线菌都具有这种作用，但速度随菌种而异。有机氮可进行氨化作用的温度在2 6 5 c 间，最佳范围为4 0 6 0 ；与其它许多微生物参加的反应一样，发生氨化作用的最 佳p h 值为7 8 ；较长的废水停留时间能使可观的有机氮转化为氨氮。 ( 2 ) 同化作用 生物处理中污水中的一部分氨氮和有机氮被微生物吸收并参与了细胞的合成。 ( 3 ) 硝化作用 硝化作用是将氨氮在好氧状态下转化为硝酸盐氮的过程。包括两个基本反应步骤： 由亚硝酸菌参与的将氨氮转化为亚硝酸盐的反应；由硝酸菌参与的将亚硝酸盐转化为硝 酸盐的反应过程。这两类菌都是专性好氧的化能自养菌，它们利用无机碳化物作为碳源， 从n h 3 、n i - h 或n 0 2 的氧化反应中获取能量，统称为硝化菌。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 反硝化作用 反硝化作用是反硝化菌在缺氧条件下利用硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐为 最终电子受体，通过生物异化还原为气态氮，从水中逸出，或通过生物同化还原转化为 氨氮进入生物合成的过程。反硝化菌是一群异养型兼性微生物，既可进行有氧呼吸又可 进行无氧呼吸，当同时存在分子态氧和硝酸盐时优先进行有氧呼吸，因为有氧呼吸可产 生较多的能量，所以为保证反硝化的顺利进行必须确保缺氧状态。 硝化和反硝化反应分别由硝化细菌和反硝化细菌作用完成，由于两种细菌对环境条 件的要求不同，这两个过程不能同时发生，只能序列式进行，因此，传统生物脱氮工艺 是将缺氧区与好氧区分开的分级硝化反硝化工艺，在空间或时间上造成分别缺氧和好氧 环境，以便硝化与反硝化能够独立地进行。生物脱氮过程如图所示： 有机氮黼氨氮型箸窘马n o ；等辫卜n o ；号黔n ：o 寸n ： ( 厌氧或好氧，需有机物，碱增加)( 好氧，不需有机物，碱减少)( 缺氧，衙有机物，碱增加) 氨化作用硝化作用 反硝化作用 n o ； n o ；哼n h 2 0 h 斗( 同化反硝化，成为有机体原生质) n o ； n o ； 2 0 一n 2 ( 异化反硝化，成为气态氮) 硝化反应方程式为： n h ；+ 1 8 6 0 2 + 1 9 8 肌何j 型墨塑童斗o 0 2 1 c 5 h 7 0 2 n + i 8 8 h 2 c 0 3 + 1 0 4 h 2 0 + o 9 8 n o ； 可见硝化作用，每去除1 克n h 4 + - n 约消耗4 5 7 克氧气、生成0 1 5 克新细胞、减少7 1 4 克碱度( 按c a c 0 3 计) 、消耗0 0 8 克无机碳。 反硝化反应方程式为( 以甲醇为碳源) ： n o ；+ 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2c 0 370 0 6 3 c 5 h 7 n 0 2 + 0 4 7 n 2 + 1 6 8 h 2 0 + h c o ； n o ；+ 0 6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 h 2 c 0 3 0 0 4 c 5 h 7 n 0 2 + 0 4 8 n 2 + 1 2 3 h 2 0 + h c o ； 可见，每1 克n 0 3 - n 被反硝化，就要消耗2 4 7 克甲醇( 约合3 7 克c o d e r ，2 8 6 克b o d ) ，产生o 4 5 克新细胞和3 5 7 克碱度，所以生物硝化过程必须提供足够的有机 5 太原理上大学硕士研究生学位论文 物( 碳源) ，保证一定的碳氮比，如b o d 5 t n = 4 时，才能使硝化反应顺利进行。 1 2 1 2 传统生物脱氮技术的不足主要表现 经过多年的实践，人们总结出传统生物脱氮技术有如下不足1 8 , 9 1 ： ( 1 ) 硝化细菌是自养细菌，生长缓慢，在混合培养的活性污泥系统中无法与异养细菌 竞争，难以取得优势； ( 2 ) 硝化细菌易受外界环境影响，对环境冲击尤其是毒物冲击非常敏感，而系统重新 启动又相当困难； ( 3 ) 硝化和反硝化过程难以在时间和空间上统一，脱氮效果差，造成生物脱氮这一多 步骤生物催化反应受基质传递速率、底物和产物抑制等限制： ( 4 ) 较高的氧消耗。要把氨氮完全氧化成硝酸盐，1 9 氨氮需耗氧4 5 7 9 ，这意味着需 要大量的能耗； ( 5 ) 较高的有机碳也即c o d 。，消耗。异氧型的反硝化菌需要有足够的有机碳源来还原 硝酸盐到氮气，同时为异氧菌的生长提供碳源。 1 2 1 3 生物脱氮处理的控制要点： 1 、硝化反应的影响因素： 生物脱氮的硝化过程是在硝化菌的作用下，将氨态氮转化为硝酸氮。硝化菌是化能 自养菌，其生理活动不需要有机性营养物质，它以c 0 2 获取碳源，从无机物的氧化中获 取能型3 ，4 。 ( 1 ) 溶解氧( d o ) 废水生物脱氮工艺运行中混合液的d o 浓度控制十分重要。脱氮过程中的硝化反应 必须在好氧条件下进行，同时d o 浓度也会影响硝化反应速率。一般建议硝化反应中 d o 浓度大于2 m g l ，当d o 浓度低于0 5 0 7 m g l 时氨的转化过程将受到抑制。对于附 着型硝化系统，由于生物膜存在一定的传递阻力，为增加氧的浓度梯度，液相主体d o 浓度较悬浮型的要高。d o 对反硝化过程有抑制作用，这主要是因为氧会与硝酸盐竞争 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 电子供体，同时分子氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及活性。一般认为悬浮型系统中， 反硝化过程中混合液的d o 浓度应控制在o 5 m g l 以下；而附着型系统因生物膜对氧的 传递阻力较大可允许较高的d o 浓度，有研究表明，当反硝化池内d o 浓度达l 2 m g l ， 发现只要有充足的碳源存在，并不影响反硝化的进行，因为生物膜内层仍里缺氧状态， 仅仅是反硝化能力下降了。 ( 2 ) 温度( t ) 生化处理温度以2 0 3 0 c 最佳，1 5 3 5 可行，低于8 出水水质变差。对于生物 脱氮处理，温度是尤其重要的影响因素。硝化反应的最适温度为3 0 3 5 c ，低温状态对 硝化菌有强烈的抑制作用，如1 2 1 4 时易出现亚硝酸盐积累；当温度低于5 c 时，硝 化反应几乎停止，可能是蛋白质合成过程受阻，细胞处于休眠状态。对于同步去碳和硝 化的脱氮系统，低温对硝化速率的影响更为明显，温度低于1 5 即发现硝化速率快速下 降：反硝化作用可在1 5 3 5 进行，研究表明：温度低于1 0 c 时，反硝化速率明显下 降，低于3 c 完全停止，但当温度超过3 0 反硝化速率亦开始下降。温度对反硝化速率 的影响与反硝化设备的类型及硝酸盐负荷有关，有试验结果表明填料床反硝化速率受温 度的影响要比悬浮活性污泥法小。 ( 3 ) 酸碱度 h 值) p h 值是影响废水生物脱氮工艺运行的一个重要因素。对硝化过程而言，当p h 值低 于6 或高于9 6 时，硝化反应都将停止，硝化菌的最适p h 值为8 8 4 。对反硝化过程而 言，当p h 值低于6 5 或高于9 时，反硝化速率将很快下降，当p h 值为7 5 左右时，反 硝化处于最佳状态。硝化l g 氨氮要消耗废水中7 1 4 9 ( c a c 0 3 ) 的碱度，而反硝化反应每 还原l g 硝酸盐氮可产生3 5 9 碱度( c a c 0 3 ) ，这样即便是采用前置反硝化脱氮工艺也不能 完全弥补废水在硝化过程中所损耗的碱度，所以系统中废水的p h 值总体将下降，因而 应根据原废水中碱度情况适当的调整其p h 值，并保持废水中一定的剩余碱度。 ( 4 ) 泥龄 泥龄是悬浮型脱氮工艺重要的设计参数，决定着连续流反应器内硝化菌和反硝化茵 的数量和性能。实际运行中，系统的泥龄一般为硝化菌和反硝化菌世代期的两倍。较长 的泥龄可增加生物硝化能力并减轻有毒害物质的抑制作用，但同时泥龄也不宜过长，过 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 长的泥龄会降低污泥的活性而影响处理效果。根据理论分析，脱氮工艺中的泥龄主要由 亚硝化菌的世代期控制，因而泥龄的确定应依据亚硝化菌的世代期来确定，一般而言生 物脱氮工艺的泥龄应控制在3 5 d 以上，有的可达1 5 2 0 d 。 ( 5 ) 混合液回流比( r ) 对于前置反硝化形式的各种脱氮工艺混合液的回流是使工艺获得脱氮效果的先决 条件，而混合液的回流比大小是直接影响脱氮效果的重要因素。理论上，前置反硝化工 艺的混合液回流比越大，氮的去除率越高，但当回流比增大到一定程度后，氮的去除率 的增加速率将减缓，进一步提高脱氮效果会很难，而且氮的去除率除与回流比有关外， 还与反硝化菌的反硝化速率、反硝化区的环境条件等有关。因而混合液的回流比不能取 得过高，一方面回流量太大带入缺氧池的溶解氧浓度过高，会对反硝化菌产生抑制作用； 另一方面，过高的回流比无疑将增加系统的运转费用，造成系统的不经济性。所以取得 合适的混合液回流比值十分关键。 ( 6 ) 碳源( c n ) 在活性污泥系统中j 硝化菌只占活性污泥微生物的5 左右，这是因为与异养型细菌 相比，硝化菌的产率低，比增长速率小。而b o o i x k n 值的不同，将会影响到活性污泥系 统中异养菌与硝化菌对底物和溶解氧的竞争，从而影响脱氮效果。一般认为处理系统的 b o d 负荷低于0 1 5 9 b o d ；( g m l s s d ) ，处理系统的硝化反应才能正常进行。 ( 7 ) 有害物质 对硝化反应产生抑制作用的有害物质主要有重金属、高浓度的n h 4 + - n 、n 0 3 - n 络 合阳离子和某些有机物。有害物质对硝化反应的抑制作用主要有两个方面：一是干扰细 胞的新陈代谢，这种影响需长时间才能显示出来；二是破坏细菌最初的氧化能力，这种 影响在短时间里即会显示出来。一般来说，同样的毒物对亚硝酸菌的影响比对硝酸菌的 影响强烈。对硝化菌有抑制作用的重金属有a g 、h g 、n i 、c r 、z n 等，毒性作用由强到 弱，当p h 值由较高到低时，毒性由弱到强。而一些含n 、s 元素的物质也具有毒性， 如硫脉、氰化物、苯胺等，其他物质如酚、氟化物、c 1 0 4 、i ：2 c r 0 4 、三价砷等也具有毒 性，一般情况下，有毒物质主要抑制亚硝酸菌的生长，个别物质主要抑制硝酸菌的生长。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、反硝化反应的影响因素 1 0 - 1 2 】： 生物脱氮的反硝化过程是在反硝化菌的作用下，将硝酸氮和亚硝酸氮还原为气态 氮。反硝化茵是异养兼性厌氧菌，它只能在无分子态氧的情况下，利用硝酸和皿硝酸盐 离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。 ( 1 ) 温度 虽然反硝化细菌对温度变化不如硝化细菌敏感，但反硝化效果也会随温度变化而变 化。温度低于1 5 时，反硝化速率将明显降低，温度低至零度，反硝化菌的活动即终 止。温度超过5 04 c 时，酶活性变性，反硝化速率急剧下降。 ( 2 ) p h p h 值是反硝化反应的重要影响因素，反硝化过程最适宜的p h 值范围为6 5 7 5 ， 不适宜的p h 值会影响反硝化菌的生长速率和反硝化酶的活性。当p h 值低于6 0 或高于 8 0 时，反硝化反应将受到强烈抑制。由于反硝化反应会产生碱度，这有助于将p h 值保 持在所需范围内，并可补充在硝化过程中消耗的一部分碱度。 ( 3 ) 溶解氧 反硝化菌一般为兼性菌，即在有溶解氧存在的条件下，利用分子氧作为最终电子受 体，进行呼吸。当水中没有溶解氧，同时又存在n 0 3 - 时，反硝化菌才以n 0 3 - 作为最终 电子受体，进行呼吸。研究表明，当0 2 和n 0 3 - 共存时，反硝化菌将首先利用0 2 作为 最终电子受体，只有当水中溶解氧趋近于零时，才开始利用n c 0 3 - 呼吸，进行反硝化。 出现上述情况的原因是，有机物的有氧呼吸和n 0 3 - 呼吸产生的能量不同。由于有氧呼 吸得到的能量多，因此，反硝化菌将优先进行好氧呼吸，也就是说，分子氧的存在，妨 碍了n 0 3 - 的缺氧呼吸。因此，通常把溶解氧也看作为反硝化的抑制物质。但是在生物 絮体以及生物膜内存在一个缺氧区，因此，在曝气池及生物滤池内，即使存在溶解氧， 反硝化过程仍可发生。一般认为，活性污泥系统中，溶解氧应保持在o 5 m g l 以下，才 能使反硝化正常进行。 ( 4 ) c n 生物脱氮的反硝化过程是异养型微生物在溶解氧极低的条件下利用硝酸盐中的氧 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 为电子受体，有机物为碳源及电子供体。理论上还原1 9 硝酸盐氮需要有机碳源 ( b o d 5 ) 2 8 6 9 ，才能保证反硝化的顺利进行。一般认为当污水中b o d r k n 大于4 6 时 即为碳源充足。但由于b o d 中的一些有机物并不能被反硝化细菌利用或迅速利用，所以 一般b o d 假n 应大于此值。否则应增加碳源，提高脱氮效果。反硝化的碳源可分为三 类：第一类是易于生物降解的溶解性有机物，如甲醇、乙醇、葡萄糖等；第二类是可慢 速生物降解的有机物，如淀粉、蛋白质等；第三类为细胞物质。以第一类有机物为碳源 的反硝化速率最快，以细胞物质进行内源反硝化的速率最慢。 1 2 2 生物脱氮新技术研究进展 1 2 2 1 同步硝化反硝化工艺 同步硝化反硝化( 简称s n d ) 目g 为在同一反应器中相同的操作条件下，硝化和反硝化 反应同时进行的过程。传统生物脱氮理论认为硝化与反硝化反应是不能同时发生的，而 近年来的一些新发现却突破了这一认识。生物学家们发现反应器中有好氧反硝化菌或异 养硝化菌的存在，使硝化反应能由异养硝化菌完成和反硝化也能在好氧条件下进行。并 且还发现有些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，能够在好氧条件下直接把氨转化成最 终气态产物而去除。好氧反硝化菌和异养硝化菌等的发现以及好氧反硝化、异养硝化、 自养反硝化等概念的提出，也奠定了s n d 生物脱氮新技术的理论基础【1 3 , 1 4 】。如许多好 氧反硝化菌如t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a ，p s e u d o m o n a ss p p ，a l c a l i g e n e sf a e c a l i s 等同时也是 异养硝化菌，并因此能够直接的把n h 4 + 转化为最终气态产物而逸出 1 5 】。正是由于好氧 反硝化菌、低d o 下的硝化菌、异养硝化菌及自养反硝化菌等的存在，使得s n d 能够 进行。 f = l 前，对s n d 生物脱氮的机理虽然还需有待进一步的了解与认识，但己初步形成 了三种解释：即宏观环境解释、微环境理论和生物学解释。 宏观环境解释认为【16 1 ：由于生物反应器的混合形态不均，如充氧装置的不同，可在 生物反应器内形成缺氧及( 或) 厌氧段，此为生物反应器的大环境，即宏观环境。例如， 在生物膜反应器中，生物膜内可以存在缺氧区，硝化在有氧的膜上发生，反硝化同时在 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 缺氧的膜上发生。类似的如生物转盘( r b c ) ，s b r 反应器及氧化沟等。事实上，在生产 规模的生物反应器中，整个反应器均处于完全均匀混合状态的情况并不存在，故s n d 也就有可能发生。 微环境理论是目前己被普遍接受的观点。微环境理论研究活性污泥和生物膜的微环 境中各种物质( 如d o 、有机物等) 传递的变化，各类微生物的代谢活动及其相互作用， 从而导致微环境的物理、化学和生物条件或状态的变化。该理论认为“：由于氧扩散 的限制，在微生物絮体内产生d o 梯度( 如图1 1 所示) 。微生物絮体的外表面d o 较高， 以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧微 区，反硝化菌占优势；正是由于微生物絮体内缺氧微环境的存在，导致了s n d 的发生。 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，在微生物絮体和生物膜内部会存在多种多样的微环境；一般而 言，即使是在好氧性环境占主导地位的微生物系统中，也会存在不同状态的微环境，使 s n d 的发生成为可能。由于缺氧微环境的形成有赖于系统中d o 的浓度以及微生物的絮 体结构特征，因此，控制系统中的d o 浓度以及微生物的絮体结构对能否进行s n d 及 其发生的程度至关重要。 微环境理论中的活性污泥絮体双氧区模型已经成为好氧状态下单级活性污泥同时 硝化反硝化生物脱氮的理论基础，不过该模型也存在着一个重大的缺陷，既有机碳源问 题。有机碳源既是异养反硝化的电子供体，又是硝化过程的抑制物质，而在双氧区模型 中，污水中的有机碳源在穿过好氧层时，首先被好氧氧化，处于厌氧区的反硝化菌由于 得不到电子供体，反硝化速率降低，s n d 的脱氮效率也就不会很高。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 1 微生物絮凝体内反应区和基质浓度分布示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cf i g u r eo fd i s t r i b u f i o no f r e a c t i o nr e g i o na n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n 综上所述在s n d 工艺中，硝化反硝化反应能够在同一个反应器中同时进行，可节 省占地面积，并且微生物硝化过程与反硝化过程中对氧、碱度的需求相反且互补。将大 大简化生物法脱氮的工艺流程、提高生物脱氮的效率，并节省投资。这正好克服了传统 生物脱氮工艺的缺点与不足，有广阔的应用前景。 1 2 2 2 短程硝化反硝化工艺 短程硝化反硝化就是利用亚硝化细菌和硝化细菌性质的不同，在硝化过程中造成一 定的特殊环境使n h 4 + _ - n 正常硝化到n 0 2 。- n ，而n 0 2 i n 氧化到n 0 3 二n 的过程受 阻，形成n 0 2 - - n 积累后直接进行反硝化，也可称为不完全硝化反硝化。 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；当反硝化反应以n 0 2 。为电子受体时，生物脱氮过程则经 过n 0 2 。途径【l s 】。前者可称为全程硝化反硝化，后者可称为短程( 或简捷) 硝化反硝化。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 n h ：n o ： 一o ；+ n o ；，n 2 i硝隹阶段l 反硝化阶段 i 全程硝化反硝化生物脱氮途径 由此可知，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。 实现短程硝化反硝化的关键在于将n h 4 + 氧化控制在n 0 2 。阶段，阻止n 0 2 的进一步 氧化，然后直接进行反硝化。因此，如何持久稳定地维持较高浓度n 0 2 的积累及影响 n 0 2 积累的因素也便成为研究的重点和热点所在。影响n 0