（环境工程专业论文）生物膜反应器内亚硝化及反硝化试验研究.pdf

上坶大学硕士学位论文 摘要 本论文首先综述了废水生物脱氮的原理与新技术、亚硝化的影响因素及其研 究进展。本论文工作以固定床生物膜反应器处理人工合成含氮废水为研究对象， 研究和探讨了亚硝化反应器的启动、稳定运行和不同工艺条件对亚硝化过程的影 响，研究了以n o l 3 n 和n 0 2 - - n 为基质的反硝化性能，还初步研究了生物膜反 应器内亚硝化、反硝化和反亚硝化的动力学。主要研究结果和结论分述如下： ( 1 ) 在固定床生物膜反应器内，在温度为3 0 + 2 、h r t 为5 5 h 、d o 浓 度为2 0 + 0 1 m g l 和p h 为8 0 o 1 的条件下，进水n h 4 + - n 浓度以5 0 m g l ( 4 d ) 的速率由5 0 3 m g f l 提高到3 0 5 m g l ，连续运行2 4 d 后，在反应器内可成功实现 亚硝化； ( 2 ) 在亚硝化稳定运行阶段，亚硝态氮累积率基本维持在8 0 左右，出水 n 0 3 - n 浓度在1 0 m g l 以下。在本反应器中，污泥平均停留时间远大于硝酸菌和 亚硝酸菌的最小停留时间，系统中的硝酸菌不能被“淘洗”掉；但是在本试验条 件下，生物膜中亚硝酸菌生长速率为硝酸菌生长速率的3 倍，通过两类硝化菌的 竞争，使亚硝酸菌成为优势菌种； ( 3 ) 当d o 为1 2 1 ，5 m g l 时，亚硝态氮累积率高达9 0 以上，出水n 0 3 一n 浓度在1 0 m g l 以下，n h 4 + - n 和n o z n 浓度比约为1 ：1 0 8 。当d o 为2 5 2 8 m g l 时，亚硝态氮累积率下降至5 0 左右。d o 是控制n o ：- - n 累积的关键因素； ( 4 ) 当进水中外加有机碳源时，生物膜中异养菌和硝化菌产生对氧的竞争， 硝化菌的生长和硝化作用受到抑制，导致氨氮去除率下降；当d o 为1 0 1 5 m g l 、 进水c o d 浓度为2 8 0 m g f l 时，亚硝化过程受到破坏；系统在两个不同d o 浓度 段分别实现了3 0 和4 0 左右的总氮去除，出现了同步硝化反硝化现象； ( 5 ) 当h r t 为5 5 h 和6 o h 时，出水的n 0 2 - n 浓度在约为2 0 0 m g l ，且亚 硝态氮累积率在9 0 左右； ( 6 ) 在相同氨氮容积负荷下，氨氮去除率随温度的下降而下降，到2 5 2 9 4 c 时，氨氮去除率下降显著：当温度下降至1 7 - - - 2 1 时，系统开始向全程硝化转变： 当温度为1 7 2 1 时，总氮去除率为3 0 - - 4 5 ，认为在反应器内发生了自养反 硝化。 ( 7 ) 在不同h r t 、c 麒比、碳源和温度条件下，研究了系统的反硝化性能， 上海大学硕士学位论文 结果表明：当h r t = 2 8 h 时，n 0 3 - - n 去除率为9 6 8 ：当c n = 4 7 时，n 0 3 - n 去除率为9 9 5 ；当温度在2 7 , - i 时，出水出现了n 0 2 - n 的累积：以醋酸为碳 源时，系统c o d 和n 0 3 - n 去除效果最好，以丙三醇为碳源时，出水出现了n c 2 n 的累积。通过对反硝化与反亚硝化的对比试验和理论分析，可知在本试验条件下， 反亚硝化可节省约4 5 的碳源，反亚硝化速率比反硝化速率快了近一倍，相应地， 反应器的容积可减少一半。 ( 8 ) 在作出适当假设的基础上，采用相关的动力学基础模型，再根据试验 数据对动力学模型进行参数估计，得到了亚硝化过程中n h 4 + n 转化、反硝化过 程中n 0 3 - n 转化和反亚硝化过程中n c 2 - n 转化的动力学模型。 关键词：固定床生物膜反应器，亚硝化，亚硝态氮累积，反硝化，动力学 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p r i n c i p l e a n dn e wt e c h n o l o g yo f b i o l o g i c a ln i t r o g e n r e m o v a lf r o m w a s t e w a t e ra n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nn i t r i t a t i o na sw e l la si t sr e s e a r c hp r o g r e s s a r er e v i e w e df i r s ti n t h i sp a p e r h i g hs t r e n g t hs y n t h e t i cw a s t e w a t e r sc o n t a i n i n g n i t r o g e nw e r et r e a t e di n ap a c k e d - b e db i o f l h nr e a c t o rt os t u d yt h es t a r t - u po f n i t r i t a t i o np r o c e s sa sw e l la si t ss t a b i l i t y , a n dt h ee f f e c to fd i f f e r e n tp r o c e s sc o n d i t i o n s o i ln i t r i t a t i o np r o c e s s t h ep e r f o r m a n c eo fd e n i t r i f i c a t i o ns t a r t i n gf r o mn i t r a t ea n d n i t r i t ew a si n v e s t i g a t e d t h ek i n e t i c so fn i t r i t a t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i t a t i o ni n t h eb i o f i l mr e a c t o rw a sp r e l i m i n a r i l ye x p l o r e d t h em a j o re x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d c o n c l u s i o n sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h ep a c k e d b e db i o f i l mr e a c t o r , n i t r i t a t i o nw a sa c h i e v e d a f t e rt h e c o n t i n u o u so p e r a t i o no f 2 4 d ，w h e nt e m p e r a t u r ew a sc o n t r o l l e dt ob e3 0 + 2 c ，h r t 5 。5 h ，d oc o n c e n t r a t i o n2 0 o t m g l ，p h8 0 o 1a n dt h ea m m o n i an i t r o g e n c o n c e n t r a t i o ni nt h ei n f l u e n tc h a n g e df r o m5 0 3 m g lt o3 0 5 m g la tt h er a t eo f 5 0 m g l ( 4 d ) ( 2 ) i nt h ep e r i o do fs t a b l en i t r i t a t i o n ，t h ea c c u m u l a t i o nr a t eo fn i t r i t en i t r o g e n r e a c h e da b o u t8 0 ，a n dt h en i t r a t en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nw a sl o w e rt h a n10 m g l i n t h eb i o f i l mr e a c t o r , m e a ns l u d g er e t e n t i o nt i m ew a sf a rg r e a t e rt h a nt h es m a l l e s t r e t e n t i o nt i m eo fn i t r i f y i n gb a c t e r i aa n dn i t r i t eb a c t e r i a ，s ot h en i t r i f y i n gb a c t e r i a c o u l dn o tb ew a s h e do u tf r o mt h er e a c t o r h o w e v e r , t h eo b s e r v e dg r o w t hr a t eo f n i t r i t eb a c t e r i aw a s2t i m e sh i g h e rt h a nt h a to fn i t r i f y i n gb a c t e r i ai nt h eb i o f i l m n i t r i t eb a c t e r i ap r e d o m i n a t e di nt h eb i o f i l mt h r o u g ht h ec o m p e t i t i o nb e t w e e nt h et w o t y p e so f b a c t e r i a ( 3 ) w h e nd oc o n c e n t r a t i o nw a si 2 - 1 5 m g l ，t h ea c c u m u l a t i o nr a t eo fn i t r i t e n i t r o g e nw a sm o r et h a n9 0 ，t h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r a t en i t r o g e nw a sl o w e rt h a n 1 0 m g l ，a n dt h er a t i oo fa 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 ni nt h ee f f l u e n tw a s a b o u t1 ：1 0 8 w h e nd oc o n c e n t r a t i o nw a s2 5 2 8 m g l t h ea c c u m u l a t i o nr a t eo f n i t r i t en i t r o g e nw a sa b o u t5 0 i nt h eb i o f i l mr e a c t o r ，d oc o n t r o li so n eo f t h ek e yt o t h en i t r i t a t i o np r o c e s s ( 4 ) w h e nt h ei n f l u e n tw a sd o s e dw i t ho r g a n i cc a r b o ns o u r c e ，t h ec o m p e t i t i o nf o r i i i 上海大学硕士学位论文 o x y g e nb e t w e e nh e t e r o t r o p h i cb a c t e r i aa n dn i t r i n gb a c t e r i ai nt h eb i o f i l mo c c u r e d ， t h eg r o w t ho fn i t r i w i n gb a c t e r i aa n dn i t r i f c a t i o nw e r ei n h i b i t e dl e a d i n gt o t h e d e c r e a s e da m m o n i u mn i t r o g e nr e m o v a l n i t f i t a t i o ns y s t e mw a su p s e tw h e nd o c o n c e n t r a t i o nw a s1 0 - 1 5 m g la n dt h ei n f u e n tc o dc o n c e n t r a t i o nw a s2 8 0 m g l i n a d d i t i o n ，t h e r ee x i s t e da b o u t3 0 a n d4 0 t nr e m o v a lr e s p e c t i v e l yf o rt w od i f f e r e n t d oc o n c e n t r a t i o nr a n g e s ，a n di tw a sa s s u m e dt h a tt h e r ew a ss i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n a n dd e n i t r i f i c a t i o np h e n o m e n o ni nt h er e a c t o r ( 5 ) w h e nh r tw a s5 5 ho r6 o h ，n i t r i t en i t r o g e nc o n c e n t r a t i o ni nt h ee f f l u e n t w a sa b o v e2 0 0m g la n dt h ea c c u m u l a t i o nr a t eo fn i t r i t en i t r o g e nw a sa b o u t9 0 ( 6 ) a tt h es a m ev o l u m e t r i cl o a d i n gr a t e ，a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a ld e c r e a s e d w i t ht h ed e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e w h e nt h et e m p e r a t u r ew a sl o w e r e dt o2 5 2 9 * c ， a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a ld e c r e a s e ds u b s t a n t i a l l y w h e nt h et e m p e r a t u r er e a c h e d 17 21 ，t h en i t r i f i c a t i o nm o d et r a n s f o r m e df r o mn i t r i t a t i o nt oc o m p l e t en i t r i f i c a t i o n ， m e r ee x i s t e dt nr e m o v a lo fa b o u t3 0 6 o - - 4 0 a n di tw a sa s s u m e dt h a t 血e r ew a s a u t o t r o p h i cd e n i t r i f i c a t i o ni nt h eb i o f i l m r e a c t o r ( 7 ) t h ep e r f o r m a n c eo fd e n i t r i f i c a t i o ni nt h er e a c t o rw a si n v e s t i g a t e du n d e rt h e c o n d i t i o n so ft h ed i f i e r e n th r t , c n ，c a r b o ns o u r c e sa n dt e m p e r a t u r e w h e nh r t w a g2 8 h ，n i t r a t en i t r o g e nr e m o v a lw a s9 6 8 w h e nt h ec nr a t i ow a s4 7 ，n i t r a t e n i t r o g e nr e m o v a lw a s9 9 5 n i t r i t ea c c u m u l a t i o nt o o kp l a c ew h e nt h et e m p e r a t u r e w a s2 7 + 1 t h em a x i m u mr e m o v a l so fc o da n dn i t r a t en i t r o g e nw e r ea c h i e v e d w i t ha c e t i ca c i d n i t r i t ea c c u m u l a t i o no c c u r e dw i t hg l y c e r 0 1 b a s e do nt h et h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，i tw a sa s s u m e dt h a tu n d e r t h e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h ep a t h w a yo fd e n i t r i f i c a t i o nv i an i t r i t ec o u l ds a v e4 5 o f c a r b o ns o u r c ea n d5 0 o f r e a c t o rv o l u m ed u et ot h ef a s t e rk i n e t i cp r o c e s s ( 8 ) o nt h eb a s i so f t h ea p p r o p r i a t ea s s u m p t i o n ，d i f f e r e n tb a s i ck i n e t i cm o d e l sa n d e x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ep a r a m e t e r so fk i n e t i cm o d e l sw e r ee s t i m a t e da n dk i n e t i c m o d e l so fn i t r i t a t i o n ，c o m p l e t ed e n 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 nv i an i t r i t ew e r e e s t a b l i s h e d k e y w o r d s ：p a c k e d b e db i o f i l mr e a c t o r , n i t r i t a t i o n ，n i t r i t e n i t r o g e n a c c u m u l a t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o n ，k i n e t i c s 上海大学硕士学位论文 图形清单 图l - 1 氮素循环1 图1 - 2s h a r o n a n a m m o x 工艺12 图2 - 1 硝化试验装置图1 7 图2 - 2 反硝化试验装置图1 8 图2 - 3 反硝化反应器结构图1 8 图2 - 4 反应器底部管道布置图1 8 图2 5 聚丙烯多面球1 9 图2 - 6 组合填料俯视图1 9 图2 7 组合填料主视图1 9 图2 - 8 系统挂膜启动时c o d 浓度与去除率的历时变化2 2 图2 - 9 系统挂膜启动时n f h + - n 浓度与去除率的历时变化2 2 图3 - 1p h 对亚硝酸菌和硝酸菌生长速率的影响2 4 图3 - 2 亚硝化启动阶段三氮浓度与n h 4 + n 去除率的历时变化2 6 图3 - 3 亚硝化启动阶段亚硝态氮累积率与进水n h 4 + - n 浓度的关系j 2 6 图3 - 4 亚硝化稳定阶段三氮浓度与n 1 4 4 + - n 去除率和运行时间的关系2 8 图3 5 亚硝化稳定运行阶段亚硝态氮累积率与运行时间的关系2 8 图3 - 6d o 浓度改变阶段三氮浓度与n i - 1 4 + - n 去除率的历时变化3 1 图3 7d o 浓度改变阶段系统亚硝态氮累积率的历时变化。3 1 图3 - 8 亚硝化恢复阶段三氮浓度与n h 4 + - n 去除率的历时变化3 2 图3 - 9 亚硝化恢复阶段亚硝态氮累积率的历时变化一3 3 图3 1 0 不同有机物浓度下n h 4 + - n 去除率与运行时间的关系。3 4 图3 - 11 不同有机物浓度对亚硝化过程的影响3 5 图3 1 2 纯硝化条件下不同d o 浓度对n h 4 + n 去除的影响3 6 图3 - 1 3c o d = 2 8 0 m g l 时不同d o 浓度对n h 4 + - n 去除的影响3 6 图3 - 1 4c o d = 2 8 0 m g l 时不同d o 浓度对亚硝化过程的影响3 7 图3 1 5 不同c o d 浓度下n i - h + n 和t n 去除率与运行时间的关系3 9 图3 1 6 不同d o 浓度下n h 4 + - n 和t n 去除率与运行时间的关系4 0 图3 1 7 生物絮体内d o 和基质分布示意图4 2 v i i i 上海大学硕士学位论文 图3 - 1 8 在不同h r t 下三氮浓度与n i l 。+ - n 去除率的历时变化 图3 1 9 在不同h r t 下亚硝态氮累积率的历时变化 图3 - 2 0 在不同运行阶段出水n h 4 + - n 及去除率与运行时间的关系 图3 2 1 在不同运行阶段出水n 0 3 n 、n 0 2 - n 及累积率与运行时间的关系 图3 2 2 硝化菌比增长速率与温度的关系 图3 2 3 在不同运行阶段n i q 4 + - n 和t n 去除率与运行时间的关系 图4 - lh r t 对c o d 去除率的影响 图4 - 2h r t 对n 0 3 - n 去除率的影响 图4 3c n 对c o d 去除率的影响 图4 4c n 对n 0 3 - - n 去除率的影响 图4 5 温度对c o d 去除率的影响 图4 - 6 温度对n o 。 - n 去除率的影响 图4 。7 不同碳源对c o d 去除率的影响 图4 - 8 不同碳源对n o x - n 去除率的影响 图4 - 9h r t 对n 0 2 - n 去除率的影响 图4 - 1 0 c n 对n 0 2 - n 去除率的影响 图4 1 1c n 对反硝化与反亚硝化性能的影响。 图5 1r t d 密度函数 图5 - 2 不同h r t 下亚硝化反应器内电导率与停留时间的关系一 图5 3 不同h r t 下反硝化反应器内电导率与停留时间的关系 图5 4 完全混合反应器的生物膜模型 图5 5 反硝化反应器示意图 图5 - 6n 0 3 - - n 转化动力学模型的参数求解 图5 7n 0 2 州转化动力学模型的参数求解 4 4 4 4 4 6 4 7 4 9 5 0 5 4 5 4 5 5 ，3 5 6 5 6 5 8 5 8 5 9 6 0 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 7 0 7 2 7 3 上海大学硕士学位论文 表格清单 表1 - l 亚硝酸菌和硝酸菌特性比较4 表1 2 亚硝化相关工艺与传统硝化反硝化的比较1 4 表2 - 1 硝化反应器填料的技术参数1 9 表2 - 2 反硝化反应器填料的技术参数1 9 表2 - 3 硝化反应试验水样的组分和配比2 0 表2 - 4 微量元素溶液的组分和配比2 0 表2 - 5 硝化反应人工合成废水的水质2 0 表2 - 6 反硝化反应试验水样的组分和配比一2 1 表2 7 微量元素溶液的组分和配比2 1 表3 - 1 硝化菌与好氧异养菌增殖比较3 8 表3 2 各测试阶段反应器的运行条件4 5 表4 - i 反应器启动阶段进出水水质和去除率5 3 表4 - 2 不同碳源下进出水水质和去除率5 7 表4 - 3 外加c o d 浓度对反硝化与反亚硝化性能的比较61 表5 - 1n h 4 + - n 转化动力学模型参数求取的试验数据6 9 表5 - 2n 0 3 - n 转化动力学模型参数求取的试验数据7 l 表5 3 模型常数列表7 2 表5 - 4n 0 2 - n 转化动力学模型参数求取的试验数据7 2 x 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：监日 本论文使用授权说明 期型兰 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 龌嘿型靼知 上海大学硕士学位论文 第一章前言 废水生物处理脱氮被认为是种经济、有效方式，除碳与脱氮同时进行，节 省了处理费用，可谓一举两得。因此，废水生物脱氮技术在近3 0 年来取得了飞 速的发展，诞生了许多生物脱氮新工艺。本章首先介绍了传统生物脱氮原理和工 艺，并介绍了三种新型生物脱氮新技术短程硝化反硝化、同步硝化反硝化和 厌氧氨氧化；其次重点介绍了亚硝化( 短程硝化) 工艺，及其影响因素和实现途 径。 1 1 废水生物脱氮原理与新技术 1 1 1 废水生物脱氮原理与工艺 1 1 1 1 生物脱氮基本原理 在自然界存在着氮循环，如图1 1 1 i 】所示。废水生物脱氮处理过程实际是将 氮在自然界中循环的基本原理应用于废水生物处理，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，将生物去碳过程中转化产生及原废水中存在 的氨氮转化为氮气而从废水中脱除的过程。 图1 - 1 氮暴循环 因此，废水生物脱氮的基本原理是先将废水中有机氮转化为氨氮，然后通过 硝化反应将氨氮氧化为硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮还原成气态氮从水中 逸出，从而达到废水脱氮的目的。如果废水中只存在硝态氮，只需反硝化作用就 可达到脱氮的目的。 ( 1 ) 氨化反应 上海大学硕士学位论文 废水中的有机氮化合物在微生物( 氨化菌) 的作用下，分解产生氨的过程称 脱氨基作用，常称氨化反应，主要发生如下反应： r c h n h 2 c o o h + o2 一r c o o h + c o2 + n h 3 ( 1 - 1 ) ( 2 ) 硝化反应 硝化反应是将氨氮氧化为硝态氮的过程。它包括两个基本反应步骤：一是由 亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 参与的将氨氮氧化为亚硝酸盐( n 0 2 ) 的反应；二是 由硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 参与的将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐( n o r ) 的反应 1 2 。这两项反应均需在有氧的条件下进行。常以c 0 3 、h c 0 3 - 和c 0 2 为碳源。 亚硝化反应：2 n h 4 + + 3 0 2 _ 2 n 0 2 + 4 h + + 2 h2 0 一e ( 1 2 ) e = 2 7 8 4 2 k j 硝化反应： 2 n 0 2 + 0 2 2 n 0 3 - - a e ( 1 3 ) e = 7 2 2 7 k j 总反应式为： n h 4 + + 2 0 2 一n 0 3 + 2 h + + h 2 0 - a e ( 1 - 4 ) e = 3 5 ；l k j 研究表明，硝化反应速率主要取决于氨氮转化为亚硝态氮的反应速率。 ( 3 ) 反硝化反应 反硝化是在无氧条件下，反硝化菌将硝酸盐氮( n 0 3 ) 和亚硝酸盐氮( n 0 2 - ) 还原为氮气的过程。 反应式为【3 l ： 6 n 0 3 。+ 2 c h3 0 h 一6 n o2 + 2 c o2 + 4 h2 0 ( 1 5 ) 6 n 0 2 。+ 3 c h j o h 一3 n 2 + 3 h 2 0 + 6 0 h + 3 c 0 2 ( 1 - 6 ) 总反应式为： 6 n 0 3 + 5 c h 3 0 h 一5 c 0 2 + 3 n 2t + 7 h 2 0 + 6 0 h ( 1 - 7 ) 反硝化过程中从n 0 3 还原为n 2 的过程经历如下4 个过程： n 0 3 n 0 2 。 n 0 n 2 0 n 2 在反硝化反应过程中，硝态氮通过反硝化菌的代谢活动，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，成为菌体的组成部分； 2 上海大学硕士学位论文 另一为异化反硝化( 分解) ，最终产物是气态氮。反硝化菌代谢活动的同时，伴 随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程，其反应为： 3 n 0 3 + 1 4 c h ) o h + c o2 + 3 h + _ 3 c5 h 7 02 n + 1 9 h2 0 ( 1 - 8 ) 式中c s h 7 0 2 n 为反硝化微生物的化学组成。在整个反应过程中，约9 6 n 0 3 - n 经异化过程还原，4 经同化过程合成微生物。 1 1 1 2 传统生物脱氨工艺 传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化反应分别 由硝化菌和反硝化菌作用完成，由于对环境条件的要求不同，这两个过程不能同 时发生，而只能序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应发生在 缺氧或厌氧条件下。由此而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区与好氧区分 开，形成分级硝化反硝化工艺，以便硝化与反硝化能够独立地进行。1 9 3 2 年 w u h r m a n n 利用内源反硝化建立了后置反硝化工艺，l u d z a c k 和e t t i n g e r 于1 9 6 2 年提出了前置反硝化工艺，1 9 7 3 年b a r n a r d 结合前面2 种工艺又提出了a o 工 艺，其后又出现了各种改进工艺如b a r d e n p h o 、p h o r e d o x ( a 2 o ) 、u c t 、j b h 、 a a a 等工艺【。 然而传统生物脱氮工艺存在不少问题【5 j ：( 1 ) i 艺流程较长，占地面积大，基 建投资高；( 2 ) f 1 3 于硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，特别是在 低温冬季，造成系统的h r t 较长，需要较大的曝气池，增加了投资和运行费用； ( 3 ) 系统为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥和硝 化液回流，增加了动力消耗和运行费用：( 4 ) 系统抗冲击能力较弱，高浓度n h 3 一n 和n 0 2 废水会抑制硝化菌生长；( 5 ) 硝化过程中产生的酸度需要投加碱中和，不 仅增加了处理费用，而且还有可能造成二次污染等等。 1 1 2 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理论的认识，许多研究表明 ，8 且1 0 l ：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 地+ 氧化成n 0 2 一后直接进行反硝化 反应。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( s h o r t c u t n 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 n ) 、同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d 上海大学硕士学位论文 d e n i t r i f i c a t i o n - s n d ) 、厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，a n a m m o x ) 等。 1 1 2 1 短程硝化反硝化 所谓短程硝化反硝化是在硝化过程中造成一定的特殊环境使n h 4 + 正常硝化 到n 0 2 一，抑制n 0 2 进步氧化到n 0 3 ，形成所谓的“n 0 2 - 累积”后直接进行反 硝化，也可称为不完全硝化反硝化“一”1 。 当前的研究表明【1 ，硝化反应是由硝酸菌和亚硝酸菌相互配合完成的，至 今尚未发现有一种细菌能直接把n h 4 + 氧化为n 0 3 。此外，由表l 一1 【“】可见，亚 硝酸菌和硝酸菌的特性基本相似，但是亚硝酸菌的生长速率快、世代期较短，较 易适应水质水量的变化和其它不利环境条件。 表1 - 1 亚硝酸菌和硝酸苗特性比较 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 一 的累积及影响n 0 2 累积的因素有哪些便成为研究的重点和热点。影响n 0 2 。累积的 主要因素有温度【1 5 】、p h 16 1 、游离氨口a ) 【”1 、溶解氧( d o ) 、游离羟胺( f h ) b g 以及有害物质【2 0 1 和污泥泥龄等。 与全程硝化反硝化相比，显然，短程硝化反硝化的主要优点有 2 1 , 2 2 , 2 3 i ：1 减 少了2 5 左右的需氧量，降低了能耗；2 由于硝化产生的酸度可以部分地由反硝 化产生的碱度中和，减少了投碱量：3 在反硝化阶段可减少4 0 左右的有机碳源； 4 污泥生成量减少可达5 0 ；5 反应器体积减少3 0 一4 0 ；6 缩短了反应时间，提 高了反应效率。 上海大学硕士学位论文 1 1 2 2 同步硝化反硝化 所谓同步硝化反硝化1 2 4 1 现象就是硝化反应和反硝化反应在同一反应器中、 相同操作条件下同时发生的现象。目前，对s n d 生物脱氮技术的研究主要集中 在生物膜反应器b5 1 、氧化沟陋】、r b c 2 ”、s b r l 2 8 l 、间歇曝气反应器嗍等反应器 系统。 同步硝化反硝化具有以下特点 2 , 1 , 3 0 , 3 1 1 ：( 1 ) s n d 使得两类不同性质的菌群( 硝 化菌和反硝化菌) 在同一反应器中同时工作，脱氮工艺更加简化而效能却大为提 高；( 2 ) 在废水脱氮工艺中，将有机物氧化、硝化和反硝化在反应器内同时实现。 既提高脱氮效果，又节约了曝气所需和混合液回流所需的能源：( 3 ) 在s n d 工艺 中，反硝化产生的o h 。可以中和硝化产生的部分h + ，减少了p h 值的波动，从而使 两个生物反应过程同时受益，提高了反应效率；( 4 ) 在反应过程中，碳源对硝化 反应有促进作用，同时也为反硝化提供了碳源，促进同步硝化反硝化的进行。 但目前对s n d 现象的机理还没有一致的解释，国内外学者对同步硝化反硝化 的机理可以从微环境理论( 物理学) 、异养硝化和好氧反硝化菌的作用理论( 微 生物学) 、中间产物理论等理论来分析2 “。关于同步硝化和反硝化机理的研究大 多数仍在实验阶段，离投入工程运行还有距离。总的来说，目前还存在以下问题 有待进一步解决：( 1 ) 许多微生物的特性还没有全面的了解。好氧反硝化和异氧 硝化的机理也不十分明确，对他们的研究大都是在纯的或混合的细菌培养中进行 的：( 2 ) 许多工艺在实际运行时的稳定可靠性还需进一步证实；( 3 ) 一些工艺过程 中可能会产生副作用，亚硝酸盐是一个关键的中间产物，其浓度较高，很容易与 脂肪胺、芳香胺等生成亚硝酸盐和硝酸盐的衍生物；( 4 ) 一些工艺的处理效率有 待提高。 1 i 2 3 厌氧氨氧化 所谓厌氧氨氧化咒1 是指在厌氧条件下，微生物直接以n h 4 + 为电子供体，以 n 0 2 和n o a 为电子受体，将n h 4 + 和n 0 2 或n 0 3 - 转变成氮气的生物氧化过程。 早在1 9 7 7 年，b r o d a 3 3 】就作出了自然界应该存在反硝化氨氧化菌( d e n i t r i f y i n g a m m o n i ao x i d i z e r s l 的预言。1 9 9 4 年，k u e n e n 等3 4 1 发现某些细菌在硝化反硝化 反应中能利用n 0 2 或n o r 作电子受体将n h 4 + 氧化成n 2 和气态氮化物：1 9 9 5 年， m u l d e r 和v a nd eg r a a f 等p 1 1 用流化床生物膜反应器研究生物反硝化时，发现了氨 上海大学硕士学位论文 氮的厌氧生物氧化现象，从而证实了b r o d a 的预言。 厌氧氨氧化具有不少突出的优点。主要表现在。翌1 ：( 1 ) 无需外加有机物作电 子供体，既可节省费用，又可防止二次污染；( 2 ) 耗氧能耗大为降低；( 3 ) 可以节 省可观的中和试剂。 厌氧氨氧化在废水生物脱氮领域具有良好的应用前景。然而，厌氧氨氧化菌 生长缓慢，f u x 等p5 】用了一年多时间启动a n a m m o x 反应器，生物倍增时间为2 5 d ， 报道的最快倍增时间为1 l 6 i 。所以要开发这个生物反应，必须找到合适的接种 污泥，并设法促进接种污泥的生长，以加速a n a m m o x 反应器的启动。正因为厌 氧氨氧化菌的世代时间长，采用生物膜法是有优势的。 1 2 亚硝化研究进展 早在1 9 7 5 年，v o t e s 等【2 2 ：1 在进行高浓度氨氮废水处理研究中，发现了硝化过 程中n 0 2 累积的现象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。1 9 8 6 年 s u t h e r s o n 等闭经小试研究证实了经n 0 2 途径进行生物脱氮的可行性，1 9 8 9 年 t u r k 和m a v i n 一2 11 进行了经n 0 2 途径稳定生物脱氮的研究并取得了成功。 1 2 1 亚硝化的影响因素 由于废水生物处理反应器均为开放的非纯培养系统，如何控制硝化停止在亚 硝化阶段是实现短程生物脱氮的关键。影响亚硝酸累积的因素主要有f a 、温度、 d o 、p h 、泥龄及有害物质等。 1 2 1 i 游离氨( f a ) f a 是对n 0 2 累积有重要影响