（环境工程专业论文）生物滤池硝化及自养脱氮特性研究.pdf

摘要 水体的氮素污染对人类的生存环境造成了臣大危害，氮氮是承体氮素污染的 主要来源，已成为人怕关注的焦点。寻求经济、高效的污水深度处理技术，对促 进污永酷用事业的发展和水环境的恢复有着现实和深远的意义。近年来，在污水 再生工艺的理论与实践研究中，生物滤滟以其集生物膜氧化降解能力和滤车辜的物 理截留效能于一体的优势和高效、低耗的特点，逐步成为城市污水大规模荐生的 主导工芑。 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 技术是项具有广阔应用前景的新型生物脱氮技 术，具有很高的开发徐傣。基于厌氧氮觏化作用与鞘化作用的相似性，本文首次 以生物滤池做为反应器，通过以硝化葭作为a n a m m o x 反应接种物的策略，栗 用低氮废水傲为实验反应器进水，成功地启动和稳定运行了a n a m m 0 x 生物滤 池并对a n a m m 0 x 生物滤浊用于园阐水处理遴行了实验研究。 实验首先针对城市二缀处理出水永虞特点，对曝气生物滤池( b a f ) 的挂膜启 动、基蕊去除的运行特性、反冲洗特性进行了优亿。实验考察了b a f 去除有机物 的异葬膜和硝化目养膜成熟的过程，结果表明，异养生物膜大约8 天就能达到比 较稳定状况，菰硝化菌( 包括亚硝酸菌和硝酸萤) 的硝他作弼要滞后，在启动的第 6 天才开始出现氨氮降低，大约在1 7 天硝黢盐氮浓度齐始达到稳定。 b a 对c o d c r 、n h 4 + _ n 、浊度具有较好的去除效果，出水水质稳定，两且具 有缀好的抗冲_ 击受精能力。温度对氨氮的去滁效果有穰大影响，在进水温度1 5 以上，氨氮的平均去除效果可达到7 8 2 ，而在1 5 以下，氯氮的去除效栗降低 劐2 0 2 。 通过对b a f 沿程去除效果对比发现，有机物和氨氮沿滤层变化规律是相同 豹，邵有机物和氢氮闻时得到去除，但b a f 对氮氮的去除主要集中在滤池避水端 2 5 1 0 5 c m 之闻。水力冲击负荷对硝化菌的影响相对较小，丽对碳化异养菌的影 响较大。 在硝化生物膜滤池成熟以后，利用硝化越的基质多样性和代谢多样性，通过 好氧硝化生物膜的硝化作用向a n a m m o x 作用转变，成功地启动了a n a m m o x 生物滤池。生物滤池在7 0 d 内完成由硝化作用向a n a d h x 作用豹过渡，n m + n 和n o i - n 去除率分剐为9 5 0 9 和9 64 6 。 实验中稳定地运行了a n a m m o x 生物滤池。通过改变进水基质负荷，研究 了a n m m o x 生物滤池的处理效能。实验结果显示，一定程度上亚硝酸盐浓度 的提离有利于加快反应的进程，嵩浓度的n 0 2 疆对a n a m m o x 反应也存在明 显的抑制幸挈用，僵此对n 0 2 _ n 的抑制作用具有自身的特点。 北京工业丈毕工掌博士学位 e 文 温度是厌氧氨氧化反应的重要影响因素之一，实验发现氨氮去除速率及黛氦 客积负穗率均随温度的升高箍升高，同时，分析了进水中碳含爨对厌簌氨氧化的 影响，结聚表明：t o c 的介入将会降低滤池的脱氮速率和能力，不乖l 予厌氧氨氧 化蔷的生长。 揭示了a n 删o x 反应器效能的指示参数。在a n a m m o x 生物滤池崩动 和运行过程中，n 风+ - n 去除掇与n 0 2 ：n 去除量、两者之间的比值，以及滤池内 p h 俊和污掂颜色的变化，可鞋指示a n a m m o x 反应器的运行性熊。稳定运行 对，滤池内混台波偏碱性，p h 蝗随反应进行逐渐升高；n h 4 + _ n 与n 0 2 - n 去除 量之阆的比例约为：l ：1 2 8 。 对a n a m m o x 滤池的作用机理进行了探讨，提出厌氧氮氧化生物膜可划分 为活性层和非活性屡二二层结构：活性屠为该滤沲生物膜进行厌氧氨氧化脱氮反应 的主要功能区，非活性层主要是生物膜的支撑结构。根据物料平衡，建立了 a n a m m o x 生物膜的动力学模型。 关键词生物滤池；硝化；厌氧氨氧化：运行性能；脱氮 玎 a b s 下r a g t t h e l i v i n gs 硼棚n g 。f h 啪8 n i s p o l l u t e d b y n i t r o g e n c o m p o u n d s ，0 f 讪i c h a m m o i l i 鱼st h ec h i e fp o l l u t a ma r l dh 鹪a t t r a c t e dal o to fa n e n t i o n t b ：丘n dal l i 曲 e 饿c e n c ya n dl o wi r e s 切1 e n t 妣 m o i o g y 璐e df 研a d v 靴c e dw 矗s t e w a t e r 缸啦n e n t h 船g r e a ti m p o r t a n c en d t0 n l yt ob o o s tw a t e rr e l l s e d 血“s t r yb u ta l s ot 。h e l p 、v a t e r e n v 讯m m e n tr e c o v 。r y ，i nt h ep r o c e s s e so fa l lw a s l e w a t e fr e u s e d 协c b n o l o g i e s ，血e a e r o b i cb i o l o 硝c a if i i t e rh 明b e e nt a 虹n gm ei e a d ，w i t la d v a n t a g e so fs t r o n g o x i d a d v cd e c o m p o s i t i o no f b i o 壬i l m ，血c ti n t e r c e o nc 印a b i l i l yo f n i t e r i “g1 a y e r ， 黼d h es u p e f i o 工主茸o f h i 曲e m c i e n c ya n d l o wc o s tc o 璐u m p t i o n ， a n a e m b i c 砌0 1 1 i ao x i d a t i o n ( a n a m m 0 x ) i san o v e lp r o m i s i n gb i 0 1 0 舒c a l i l i 自g e nr e m o v a 圭p f o e e s s b a s e do n s i 盥主l a r 匆b 烈、转e na n a m m o xa n d i l i 砸f l c a n o n ， ab i o f i l t e ri sn t s t l yi l s e da sa n a m m o x r e a c t o r ， b yw h i c ha d o 砸n g 如t a 嘶ct h a t 慨n 酝铷g b i o f i l m 啪s 触t l yc u l 西v 珏t e d8 n d 她t 瑚s 矗e df r o m n i t r i f i c m o n t o a n d m m o x ，a n a 删0 x b i o f i n e r w a ss u c c e s s 伽1 vs t a n c d u d 蛆d o p 唧t e dw i t hs y n t l l e t i cw 船t e w a t e rw h i c hi st ot a l = e 畦l eb i o - w w te 饿u e n ta d d i l l g n i h 乱ea n da 玎m l o n i i l i n a n d 也ee x r i m e i l 诅lr e s e a r c hw 船p 糟c t i c e dt oa n a m m o x b i o f i l t e ru s e df o rw a t e rr e u s e d 。 b a s e do 丑也ec h a r a c t e f so f b i 。l o z i c a lw a s t e w a t e rt r e a t n l e n t ( b i o w w t ) e 棚u e 拄t a n dt h eo p e r a t i o nm e c 量1 a n i s m so fb a f ，也ep e r f b r m a i l c c so f b a fh a db e e ns t u d i e d a i l d 叩6 m i z e d 跏n ) 啦l y 妇i d 啦ms 珏雌o f8 a f ，觑c h a c 例s t i c so f n i 衄f y 吨，b k w a 5 h i l l g ，e t c t h 。g r o w i i l gp f o c e s s e so fh e t e r o 们p h i cb i o m ma n d a u t o 廿o p h i cb i o 丘h nh a db e e n 阴最l y z e di t i l i ss t u d y ， a n dt h e 陀s u l t ss b o w 也a t 也e f 0 姐a t i o nd u r a t i o no f h e 蛐帕p h i cf n mw h i c hm a yt & k e8d a y si sm u c hs h o n e f 岫 t h a to f a u t o t r o p l l i cf i l mw t l i c hm a y 协k e1 7d a y s b a fi se 瓶c i e n tt or e m o v a lc “，n h 4 + o a n dt u r b i d i t y ，a n dw i 出s t c a d y e 锄u e n tq u a h t yb a fh a s 目e a tp o t e n t i a l _ c 0a g a m s ti m p a c t l o a d t e m p e r 帅eh s g r e a te d 套c to n 锄m o 工i i nr e m o v a l ra 蛹t h er e m o v a lc o u 琏r c h7 8 2 a tt h e c o r i d i t i o no f o v e r1 5 ，b u to n l v2 0 2 u n d e r1 5 c o m p a r i s o nt h ed 龟c t so f s u b s t r a 把r e m o v a l 谢t l ld i 觑r e n t 也i c k n c g so f 6 h e r i n g i a y e r ，t h er e s u h si i l d i c a t em a tm u c h o f o 唱n i cc a r b o nw i l 王b ed e g f a d e da tt h oo 8 5 c mf o r e d a no fb a f 阻d 啪m o n i 嘲o x i d i z e da t2 5 1 0 5 c m 1 1 l ev a r i a 丘o no f o 坞a n 主cc a f b o na l o n gf i h e r i n gl a y e fi s8 a m e8 sa m m o n i u m ，a n dh y 出a u h ci m p a c t l o a d 甜f e c c1 j 廿i eo nn j 订墒c a d o n ，b u tm u 曲m o r eo no r g a j l i s n ld e g r a d a 石o n a n a m m o xb i o f i t c rw 鹄s 眦。髓曲王l l ys t a 咄du pb yn i 翻砖f m gm o 五l h l b a s e d l i i 兰量三兰銮茎王耋兰圭茎堡童耋 ， o ns u b s 廿a t ed i v e r s i t ya n dm e t a b o l i cd i v e r s i t y ，t h en m i f y ；n gb i 0 6 l mw 船f l r s n y c l l l t i v a t e da n dt h e nu 石l i z e da si n o c u i u mt os t a r tu da n a m m o xb i o n l t e rw h e n t r e 撕n gs y n m e t i ca 衄o i u m c o n t a i n e di nw a s t e w a t e r t h er e a c t o rw a ss u c e e s s 如l l y t 唧i t e df b mi 血晒f i c a t i o nt oa n a m m o x 、v i t h j n7 0d a ，a n l m o n i ar e m o v a l p e r c e n t o f 9 5 0 9 蛆d l l i 试姆r e m o v a l p e r c e 越o f 9 6 4 6 r s p e c 蛀v e l y 。 1 k r l i t m g o nr c m o v a le m c i e n c yo f 吐l ea n a m m o x b i o 矗l t e rw a st e s t e du n d e f d i 彘r e n tn 0 2 一- nl o a d n et 。s tr e s u l t ss u g g e s t 吐l a ti a i s i n g 工i i 砸钯n c e “讯m o n 贰 s o m ee x t e n tc a nh e l pq u i c k e nm er e a c t i o np r o c e s s h i g hn i 砸t ec o n c e n t r a t b nm a y o b v i o u s l yl i m 讧a n a m m o xp r o c e s s ，b u t t h i sh m i t a 廿o nh a sbu n i q u ec l l a r a c t e r s t e m p e r 鲁t 哪ei so n eo f i l n p 叫a ti 加憎n c ef a c t o r so f a n 砧憎讧o x 憾缸o n t h e d a ar e v e a l e dt h a tt h er e m o v a lr a t eo fm m d n i 啪n i t m 霹na l 】d 删o n i u mv o l u m e l o a d ( a v l i n c a s e da s 吐壕诎n p e f a t u r eg o th i 醢e ti na d d i t i o n a l l y ，驻地e 彘c t s i n 丑u e tc m o no na n a m m o xb i o n l t e r 州r ei v e s t i g a t e dt h er e s u l t ss h o w e dt h a t 也ei b t r o d u c 怕no ft o cw i l ld e c r e a s e 曲啪m o n i a 湖l o v a lr a t o 雠d 妇n i 舡。弘n r e 脚心v a lc a p 卵i t yo f 吐l eb i o 丘l t e a l l dw i nd oh a r i i lt on l e 群o w 血o fa n a m m o x b a c t e r h t h ep a r 蛳e t e r s r e f l e c t i n gp e r f 0 兀i l 柚c e o fa n a m m o xr e a c f o rw 啪 d e t e n n i n e d d u r i l l gs t a r t u pa i l dr u i i n i n go f a n a m m o x b i o m t e c ，m em o i a rr a t i 0o f 釉盟o n 主ar c m 。v 毫1 ，士l i 砸t e 托m o v a la sw 嗣la s 蝴a n dk o m a s sc o l o u rc o m di n d i c 毗e 廿l ep e r f o m l a n c eo fa n a m m o xr e a c t o lw h e nr u n n i n ga ts t e a d ys t a t e ，t 1 1 eb u l k i i 唾u 主do f e 她t o rw a s 越k a l e s c e n 耄，t h em 0 1 8 r r a d oa m m o n 罐r e 瑚o v a l - n i 牺t e 理m o v a i w a sl ：1 2 8 ，印p r o x i m a t e l y b e s i d e s t h ef e a c 蛀o nm e c h 明i s mo fa n a m m o xb i o 丘l t e rw a sd i s c u s s c d a c c o r d i n gt ot 1 1 er e s u ，i tc o u l db ec o n c l u d e d 也a tt l ea n a m m o x b i 0 6 l mc a nb e d j _ v i d e di i i _ t ot w op 矾s ：粥石v el a y e ra r l d n a c t h el a y e r t h ea c d v el a y e r r v e sa s 吐l e m 8 遮a n a m m o xf e 鑫c 墩mc h 如1 b e r 删t h ci n a c t i v el a y e r 船u n d e r p 证n s m 王c 缸r e o f a n n 蕾0 x b i o f i l m t h e h n e t i c s m o d e l i i l g o f a n 6 m m o xb i o f i l m w a sa l s os e t u p n 斑i sp 8 p e f k e p o r db i o f i l t c r ；i l i t 工i f i c 矗t i 0 i l ；a n a e r o b i c 椭m o n i 啪o x ；d a t i o n ( a n a m m o x ) p e d b r 玎1 a n c e ；i l i t r o g e nr e m o v a l l v 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 宽成果。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，也不电含为获得i 索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。 签名：旌趣垫 关手论文使用授权的说睛 日期：h d 加，t 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、缩印或其链复制乎段保存沧文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 魏勉垒导师虢雄嗍型坦 第1 章绪论 水是地球上可以循环使用的宝贵的自然资源，是人类生存和发展不可替代的 资源，也是国民经济和社会可持续发展的基础。但是，1 8 世纪产业革命以来， 特别是近半个世纪以来，人类社会采取的是大量生产，无度消费，大量废弃的生 产、生活方式，这些都反映出入们对自然界的错误认识一认为自然界的能源、资 源是取之不尽、用之不竭的。随着社会的不断发展，现代科学技术的突飞猛进， 经济快速发展，人口剧增并向大都市集中，导致人类对水的需求量越来越大，水 的供需矛盾日益加重，进一步加剧水环境的恶化，使得大自然不堪负重，生态环 境遭到严重破坏，人类的生存发展受到威胁，人类逐渐意识到地球资源与环境容 量是有限的。而建立循环型的城市是拯救资源、能源和环境的有效措旆，是2 1 世纪社会生产与消费的新秩序，是人类社会持续发展的基础”。我国水资源的短 缺、污染、浪费等问题若得不到很好地解决，水资源必将成为制约我国经济发展 的瓶颈。 1 1 氮素污染与控制 随着工农业生产的发展和人们生活水平的提高，含氮化台物的排放量急剧增 加，水体氮污染以及由此造成的水体富营养化问题已成为世界上许多国家、地区 共同关心的环境问题。因此，经济有效地降低废水中氮磷的古量已成为废水处理 技术的一项新课题。 有机碳源污染会使水体严重缺氧，发黑发臭，破坏水生生态系统，甚至使水 生生物灭绝。而氮、磷的污染致使闭锁性水域富营养化，藻类疯长，赤潮频频发 生，使江、河、湖、泊丧失水体功能，恶化水环境危害全流域。在自然状态下， 水体的富营养化过程极为缓慢，可能要持续几千甚至几万年。但在人为因素影响 下，例如向水体中排入大量含营养物质的废水，水体的富营养化过程就会加速， 可能在几十年甚至几年时间内形成。水体富营养化后将恶化水环境条件，降低水 资源的使用价值。 在自然界中，氮素主要以0 + 5 及3 等价态存在，生物作用可使氮素在这些价 态之间相互转化，构成氮素循环( n i 订o g e nc y c l e ) 。氮素循环的破坏会导致中间产 物的积累，造成环境污染，危害人类和整个生态系统。因此，维持正常的氮素循 环是控制氮素污染的根本途径。在上个世纪，人们以硝化作用与反硝化作用为基 础建立起废水生物脱氮的技术体系。咀工程手段强化硝化和反硝化作用是人类 平衡氮素循环，控制氮素污染的伟大创举。近十几年来，生物技术的迅猛发展， 为废水生物脱氮技术的创新提供了难得的机遇】。 为废水生物脱氮技术的创新提供了难得的机遇】。 j e 衷工业走学王学博士学垃论文 1 。1 1 氮素的循环 根据生态学理论，地球可分为大气圈、水圈、岩石圈和生物圈。其中生物圈 位于其它三鄹的交接丽上，与人类的生存和发展直接相关。从总体上说，氮素的 种类和数量都是相对稳定的，但是，氮索时刻不停地进行莆空闻上的迁移和形态 上的转化。氮豢转化主要由生物反应所致( 见袁1 1 炉q ，各生物反应的方式见图 l l 。 表l 一1 氨循环的生物反应 氨素转优生物作用 涉及的生物 n 2 _ n h j生物固氮作用固氨细萄 n h 3 一有橇物 间忧作用植物、细菌、低等真核生物 有机物一n h 3 氨佬作用 多种( 微) 生物 n h 3 一n o - ，n o -硝佬作用i 自化缅茹 n 0 3 ，n0 1 2 n 0 ，m 0 ，叶n 2度硝化作用 疫硝化继蒴 n o 3 h 0 j 二_ n h 】异化性硝融盐还原作用发酵性蜘翦 m 一氮化作用 s 同纯作用d e 一厦硝化作用 n p 生物露氨一硝优掉用r e 一硝酸赫还糠作用 图i l 菰素循环 f 嘻i ln i r o g 。nc y c i i n g ，1 2 氯素的污染与危害 据2 0 0 1 年中置环境状况公报，2 0 0 1 年度七太水系监测的7 5 2 个重点断茛 中，i i 类水质占2 9 5 1 、，类水质占1 7 7 ，v 类和劣v 类水质占5 2 8 。其 中，七犬永幕干流1 5 4 个翻控婿褥中，i l i i 炎水质断面占5 06 ，i v 炭占2 6 o ， v 类秘劣v 类占2 3 4 ；主要湖泊部分指标超标，富营养化闽题突出，太湖和滇 涟外海均耩中度富营养状态，巢湖属轻度富营养状悉：地下水局部受到一定程度 的点源或蘼源污染，三氮污染在全国备地区均较突出。地下水水位总的发展趋势 仍以下降为主，下降区比例高达6 2 。而据2 0 0 4 年中国环境状况公报的数据 显示，我国七大水系的4 1 2 个水质监测断面中，v 类和劣v 类水质的断面比 第l 草培论 例分别为：3 0 3 和2 7 9 。其中，氨氮为主要污染指标之一。“三湖”水质均为 劣v 类，污染较重，主要污染指标为总氮和总磷。南水北调东线的1 0 个监测断面， v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 0o 和2 0 o ，主要污染指标为氨氮 和五日生化需氧量。目前水资源短缺已经影响到人类的生存和进一步的发展，成 为亟待解决的全球性问题。 根据资料显示，城市污水、工业废水和农业( 养殖) 污水是水体氮素污染物主 要来源。在新鲜的生活污水中，有机氯约占6 0 ，氨氮约占4 0 。在陈腐的生 活污水中，因受生物分解，有机氮所占比例下降，氨氮比例升高。 氨氮污染对水体的危害主要有以下几方面j ： 氨氮要消耗水体中的溶解氧 氨氮进入水体后，可在硝化细菌的作用下氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，氧化每 毫克的n h 4 + _ n 为n 0 3 。n ，需要消耗水体中的溶解氧45 7 m g 。大量的n h 4 + - n 排 入，会耗尽水体中的溶解氧而使水体成为“死水”。 提高水处理的成本 氨氮与氯作用生成氯胺，并被氧化为氮气。当以含有较高浓度氨氮的水体作 水源，或对含氢氮量较高的污水厂出流进行消毒时，要增加氯的消耗量。 氮化合物对人和生物有毒害作用 氨氮会影响鱼鳃的氧传递，浓度较高时甚至会使鱼类死亡。当水中氨氮超 过l m g ，l 时，会使水生生物血液结合氧能力降低；当超过3 m g l 时，对金鱼、 鲈鱼、鳊鱼可于2 4 9 6 小时内致死。硝酸盐和亚硝酸盐有可能转化为亚硝胺， 而亚硝胺是“三致”物质，长期饮用高浓度的硝酸盐水，会对人体健康产生危害。 加速水体的富营养化过程 研究表明目；藻类同化1 k g n ，会新增1 6 k g 的生物量，相当于同化2 0 k g c o d 所产生的生物量。由此可看出，极少量的营养盐将会刺激藻类的大量繁殖，从 而引起水体的富营养化( e u 曲p h i c a t i o n ) ，并由此衍生出一系列不良后果：水生植 物和藻类大量繁殖，覆盖水面，影响景观；藻类密度过高，阻塞鱼类和贝类水孔， 影响呼吸作用；藻类产生毒素，可引起鱼类和贝类中毒；藻类产生气味物质，使 水体散发异常气味，如土腥味、霉腐味、鱼腥味等；藻类可堵塞滤池而影响水厂 生产，所含的毒素和气味物质则影响饮水的质量。 近3 0 年来我国淡水湖泊水质污染现象呈迅速增长之势。全国大型淡水湖泊 均达到中度和重度污染，其污染程度由重到弱依次为滇池、巢湖、南四湖、洪泽 湖、太湖、洞庭湖、镜泊湖。滇池和巢湖全湖水质劣于v 类。 我国近海海域水质污染严重并有继续恶化之趋势。2 0 世纪6 0 年代之前，渤 海海域曾发生过3 次赤潮，7 0 年代发生9 次，8 0 年代7 4 次，而1 9 9 7 年一年猛 增发生3 4 次，1 9 9 9 年7 月间渤海出现了前所未有的赤潮大爆发，赤潮面积达 6 3 0 0 k m 2 ，延续9 天时间。据统计，2 0 0 0 2 0 0 3 年，我国近海发生赤潮3 0 3 次， 北皋工业太学工学博士掌位论文 其中，2 0 0 2 年7 9 次，2 3 年1 1 9 次，赤潮发生频率急剧上升，而且发生面积也 大幅度增长，每年赤潮面积慕计均超过l o ，o o o k l 日2 。因此，有效降低废水中的氨 氦含量成为废水处理技术中的一项薰要任务。 1 1 3 氮素污染控制技术 水体一旦发生富营养化现象，很难恢复。因此，对尚未发生富营养化的水 体要积投防止，慰已经发生富营养化的水体要妥善治理。防止和治理静关键是 源头控制与污染治理，即一方面减少含磷洗涤剂的生产、使用，减少化肥、农 药使用，在工业生产中推广寿洁生产”；舅一方面，对城市污承进行脱氮豫磷 处理，从而减少排入水体的氮、磷元素。 为了全瑟消除永环境的严重污染，欧美等发达国家在2 0 世纪6 0 7 0 年代 开始全面普及污水二级处理。但由于二级生化处理均以去除有机物和悬浮固体 为封标，并不考虑对氮、磷等无机营养物质的去豫。一般丽菪，城市污水经传 统活性污泥法等二级处理后，b o d 5 去除攀可达9 0 以上，但脱氮率一般仅为 2 0 s o ，出水蔼氮含量为l o 3 0 m g m ，远远超出了富营养化豹临界浓度。 因此常规二级污水处理的普及并不一定能够全面解决水污染问题。 过去遥常认为，富营葬纯哭发生在像湖泊这类水流速度十分缓慢的水体 中，但2 0 世纪7 0 年代以来。在某些水浅的急流河段，由于生活废水和工业废 水的丈量摊入，河床砾石上也大量生长着藻类，出现了十分明显的富营养化现 象。因此强化已建或农建污水处理厂的处理能力、提高污水深度处理普及率， 是改善水环境和缓解水资源紧缺的必经之路。 在废水脱氮技术的研究、开发和应用中，涌现出了一大批行之有效的处理工 艺，构成了废水脱氮处理的技术体系。这些废水脱氮技术可分为物理化学法和生 物法两大类，其中物化法主要包括空气吹脱法、折点氯化法、选择性离子交换法、 磷酸铵镁沉淀法、反渗透法、电渗析法等。物化法脱氮通常只能去除氨氮；生物 法主要有传统的鞘纯一反磷化工艺及厌氧氨氧化等新工艺。 1 。2 废水生物脱氮技术及工艺 传统的废水生物处理工艺多以含碳有机物和悬浮固体为主要处理目标，而对 水中的氮、磷等植物营养物质的去除率则比较低。近2 0 年来，废水生物脱氮技 术得到了较快的发展，许多研究者提出了一系列的脱氮工艺，并在实际工程中得 到应用，有关废水脱氮的理论也日臻成熟。 1 2 生物脱氯原瑾 废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等四种形态存在， 生活污水中氮的主要存在形态为有机氮和氨氮。其中有机氮占生活污水含氮量的 4 0 6 0 ，氨氮占5 0 6 0 ，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮仅占o 5 。在废水生 第l 章鳍论 物脱氮工艺中，废水中总氮的变化有三条途径：一部分转化为n 2 及气态含氮 化舍物( n 。o ，、n h 3 等) 从反应器中逸入大气而达到从玻水中脱氮的目的：一部 分通过微生物的同化作用转化为新细胞物质，以剩余污泥的形式从污水中去 除；剩余的总氮仍存在于水中并随着出水排出( 图1 ，2 ) 。 图l - 2 生物脱氮途径 f gl _ 2p m w a yo f b o 昭n i 竹o g e n 瑚v a 按细胞干重计算，微生物细胞中氮的含量约为1 2 ，考虑吸附等因素，以剩 余污泥的排放实现的塍氮量一般为2 0 左右。因此，为降低出水中氮豹含量，把 各种形态的氮转化为气体形态并排入大气则是目前生物脱氮的主要途径。通常涉 及以下a 个过程： 有机氮曼些一n h 。+ 一- 兰塑堡斗n o ，一一n 卫! _ + n 0 ，一n 点! ! i 呻n ，个，n ，o 。t ( 1 ) 氨化过程 将有机氮转化为蟹氮的生化反应过程称为氨化作用( “m o n i 盎c 撕。n ) 。通 过氨化作用生成的氨，一部分被其他生物重新利用，其余部分则积累与环境中。 在自然界，氨化作用使有机氮无机他，是实现氮素弦环的使用的璧要环节。 污水中的有机氮主要蛆蛋白质和氨基酸的形式存在。蛋白质水解为氨基 酸，氨蒸酸在脱氮基酶的作用下去除一n 也官娆期。即污水的中蛋白质耜氨基酸 通过氪化作用转化为氨氮。氨化是一种普遍存在的生化作用，它的功能是把太 分子的有机氮转化为氮氮。几乎疆有的异养垄鲴菌都具有氨亿功能，所以在脱 氮工艺中氢化阶段的生化效率很高，通常不作为控制步骤考虑。 ( 2 ) 硝纯过程 硝化反应是在有氰的情况下微生物将氨氨氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的 过程。它包括两个基本反应步骤：由亚硝酸菌槲i 的s a m o n a s ) 将氨氮氧化为亚硝 酸盐( n 0 2 。) 的反应：在生理浓度条件下，n h 。+ 氧化为n 0 2 。产生的能量为 2 4 2 8 3 5 1 7 k j m o l ，亚硝酸蔼可利用其能壁的5 扯1 4 。由硝酸菌m i 怕b a c t e n 将亚硝酸盐氧化为硝酸盐( n o 】) 的反应：n o ：。氧化为n 0 3 产能约为 6 4 5 8 7 5 k j m o l 磷酸菌的能量利用率为5 l o 。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝 化菌硝化菌的特性如表1 2 所示。 硝纯萤都是化能自养菌，属专性好养菌，它们利用c q 、c o ，2 和h c o ，。等 无机碳作为碳源通过与n h ” 4 + 或n 0 2 一的氧化还原反应获得能量。硝化反 应过程需在好氧条件下进彳亍，并班氧作为电子受件。硝化过程可用_ f 式表示； 亚磷化反应：2 a w ：+ 3 0 z _ + 2 o i + 2 珂：d + 4 片+ 硝化反应：2 d i + 0 2 _ 2 0 i ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 靶京工业大学工学博士学位论文 如果采用c ， i 州0 2 作为硝化菌的缁魏组成，则硝化过程的化学计量方程 大致可用下式表承： s 5 h j + 7 6 0 ，+ 1 0 9 月c 0 i 曼丝塞_ c 5 h 7 n o2 + 5 4 n 0 ；+ 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 +。 f 1 - 3 ) 4 0 0 c i ；+ n 峨+ 4 h 2 c 0 3 + 1 9 5 0 2 + 脚c g 盟丛呻、 c s h7 n 0 2 + 4 0 0 n 0 ；+ 3 h2 0 硝化反应的总方程为： 删+ 1 8 6 。2 + 1 9 8 册霹呻 ( 1 - 5 ) 0 0 2 c 5 h7 n 0 2 + o 。9 8 n 0 ；+ 1 0 4 h 2 0 + l ，8 8 2 c o j 通过对上述反应过程的物料衡算可知，在硝化反应过程中，壤l g 氨氮氧化 为磷酸盐氮器耗氧4 s 7 9 ( 其中亚硝化反应需耗氧3 - 4 3 9 ，硝化反应需耗瓤l1 4 9 ) ， 亚硝酸营和硝酸蘸分别增殖o 1 4 6 9 和o ，0 1 9 9 ，磷酸蔷的产率仅为噩硝酸菌的 l ，7 。若不考廖硝恍过程中硝化菌的增殖，则氧化1 9 n h 4 + n 为n 0 3 n 将消耗 7 1 4 9 碱度( 以c a c 0 3 计) ，因此，若污水中碱度不足，鞘化反应将导觋p h 下 降，使反应速率降低：此外还可以看出，硝化过程的需氧量是很大的。如果在 污水二级处理中不加强对爨氮的去除，则其出水中繇需氧量( n i t r 0 r e n o u s o x y g e nd e m a n d ，n o d ) 占总需氧量( t o t a io x y g e nd e m a n d ，t o d ) 的比例可高 达7 1 3 ( 衷l - 3 ) 。假如水体没有足筘的稀释能力，传统二级处理出水排入水 体后，氨氮的戴纯反应将耗尽水体中的溶解氧。 硝化细菌是自养菌，世代时间长，只有在泥龄长的生化反应器中才能存活并 占有一定的优势。自莽硝化细菌与异葬碳化菌相比，繁殖能力弱，只有在低基质 o d 5 5 0 0 m g l ) 废水的处理工 艺尤其适用于具有脱氮要求的预处理或旁路处理，如污泥消化浊上清液的处 理。目魏祷兰已有两家污水处理，一采用了此工艺* 虬处理污裾消纯上清漓及垃 圾渗滤波等高氮氮废z k 。 但是，该工艺是在较高温度下实现短程硝化反硝化的，这对大多数废水处理 来说是不现实的，这也限制了该工艺的广泛应用。从( 1 - 1 1 ) 式还可看出：s h a r o n 工艺出水中还残留5 0 氨氮，对出水氨氮含最有严格要求时不宜使用，故还应有 后续处理过程以降低氨氮浓度。 与传统的硝化反硝化工艺相比，s h a r o n 工艺县毒以下优点：( 1 】硝化与 反硝化在同一个厦应器中完成，箍化了工艺流程；( 2 ) 反硝化产生的碱度可部分 补充硝化所消耗的碱度；( 3 ) 本力停馨时间( h r 即短，减少了反应器容积和占地面 积；( 4 ) 不需要岁 加碳源：( 5 ) 可节省供气基2 5 左右，减少动力消耗。 l _ 3 。3 2 嗣步硝化反硝化f s i l u i 恤n e o h $ n i 喇矗c a 娃。日a dd e n i t r 强鼢t i o n ，s 孙) 脱 氮工艺 传统躐念认为，硝亿菌是自养、化能营养、专性好氧萤，它们只可利用 0 2 来呼吸，反硝化菌为兼性化能异养细菌：硝化反应需要在好氧务件下完成， 丽反硝化菌反应在缺氧条件下需要有有机物存在，作为电子供体宛成脱氮过 程。因此，硝化和反硝化过程不可能同时进行。然而，近年国杰外研究者发现 在生物转盘、m b r 、氧化沟、s b r 和传统活性污泥法等工艺中硝化和反硝化 反应能同对进行，即存在同步硝化反硝化反应p ”“。好氧反硝化菌和茹养硝 仡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，奠定了s n d 生物脱氮的理论基础。 目前，研究人员对同时硝化反硝化的机理研究仍处于探索阶段，对s n d 现 象主要有物理学( 环境理论) 和生物学( 存在好氧反硝化藏等) 鼹方面的解释： ( 1 ) 溶解氧分布不均。在宏观上，由于充氧不均或混合不均匀，在生物反应 器内不同部位形成缺氧一一好氧区域，分别为反硝化蓠和鞘化菌提供优势环境。此 群情况在流化庶、生物滤池、瓤；c 、s b r 及氧纯沟中均有不简程度携存在。在 微观上，由予受到氧扩散的限制，在菌胶团或生物膜表面到其内棱的不同层面上， 氧的浓度分布是不均匀的。蓝胶团或生物膜的外表面d 0 浓度较高，形成好氧区， 以好氧硝化菌为主，发生硝化反应：随着氧的传递受阻及外部氧的大璧消耗， 在菌胶团或生物膜内部便会产生缺( 厌) 氧的微环境，反硝化菌占优势，发生反硝 化反应l ”m 。菌胶团或生物膜内侧的缺氧区是形成同步硝化反硝化的主要原 因，所以控制系统内溶解氧的浓度和微生物絮体结构、大小或生物膜厚度是进 行同步硝化反硝化的关键。但是，反硝化除了需要缺氧环境外，还需要有机物 作为电子供体，而同步硝化反硝化的碳源来源至今仍没有一个很好的解释。 ( 2 ) 生物化学作用。在过去几年中，许多新的脱氮生物化学菌族被鉴定出来， 其中部分菌种以组团形式起s n d 作用，包括起反硝化作用的自养硝化菌及起硝 化作用的异养菌。总之，s n d 是由多种微生物在多种因素影响下共同作用的结 果，至于哪些是限制因子应视具体工艺情况进行分析确定。 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，所以，与 传统生物脱氮工艺相比，s n d 工艺具有明显的优越性，主要表现在：( 1 ) 反应器 体积小；( 2 ) 反应时间短；( 3 ) 无需添加碱度。 目前，在荷兰、丹麦、意大利等国已有污水厂在工艺运行中，利用同时硝化 反硝化作用进行生物脱氨处理。 在s n d 工艺中，有机碳源的可生化利用性对反硝化速率的影响以及同时硝 化反硝化过程中除磷特性的研究都是有待深化的问题。目前，s n d 生物法脱氮 已经成为国内外研究的热点，国内的清华大学、同济大学、西安建筑科技大学及 华南理工大学等都在进行这方面的研究。 同步硝化反硝化工艺具有流程简单，操作运行管理方便的特点。在运行过程 中，硝化和反硝化分别在同一个处理构筑物的不同区域中进行，这样可省去o 工艺中硝化段出水混合液的回流，而且废水在处理构筑物中循环流动，交替的经 历好氧和缺氧区。同时在工艺的设计上，将进水点设在反硝化区，这样也不必向 系统投加外碳源，因而工艺的运行费用较低，是一种良好的脱氮工艺。 同步硝化反硝化s n d 工艺最近几年才受到普遍关注，其作用机理和长期 运行的稳定性和可靠性还需进一步研究。另外，溶解氧浓度是s n d 工艺的一 个主要限制因素，传统观念认为低d o 浓度会引起活性污泥系统内的污泥膨 胀；也有研究表明在低溶解氧浓度条件下，可形成好氧颗粒污泥改善污泥沉降 性能n “。但在实际的曝气池中，应怎样控制曝气强度及污水的搅动，才能培 养出理想的活性污泥还需进一步研究。 1 3 3 3 厌氧氨氧化( 时憎m m 0 均工艺 a n m m o x 工艺是荷兰d e l f i 工业大学于2 0 世纪末开始研究，并于2 1 世 纪初成功开发的一种新型的废水生物脱氮工艺。它以厌氧氨氧化反应为基础，在 理念和技术上都大大突破了传统硝化反硝化工艺的框架。厌氧氨氧化就是在厌 氧条件下，微生物直接以n 地+ - n 为电子供体，以n 0 2 一n 或n 0 3 。n 为电子受体， 将n h 4 + 、n 0 2 或n o 转化为n 2 的微生物作用过程。 北京工业大学工学博圭学位论空 在厌氧氨氧化反应的基础上，开发出的生物脱氮新工艺有a n a b 心l o x 工艺 和o 毛a j 工艺。这部分瘫容将在第4 、5 、6 章传详细描述。 1 4 课题研究的意义和内容 1 4 。1 课题来源及研究意义 水是全社会全人类和全球生物菇有的资源。为维系鬼好的水环境，要求人类 社会在水使用之后排放莉必须进行处理和荐生净化，达到健康水循环。就我善实 隧情况丽害，污水深度处理与再生农利用楚维系良好水循环的必由之路。对于进 入渤海湾、深圳湾、滇池东湖、南四湖、巢湖等封闭性水域的水进行深度处理是 防止富营养亿，恢复水体功能的急需。 生物滤池是生物过滤技术在污水深度处理中的具体应用形式，虽然经历了接 近一个世纪的发展，但还有很多方耍有待干进一步完善。到目莉为止，对生物滤 池污染物击除机理尚不十分明确， 未能充分发挥处理潜力，以及如何进一步强 化其生物作用等诸如此类的问题还没有进行系统深入的研究。显然这些问题的解 决对进一步提高生物滤池的效能和生物滤池技术的推广应用都是大有樟盏的。厌