（环境工程专业论文）生活污水短程硝化反硝化的实现、稳定及过程控制.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 短程硝化反硝化工艺是近年来开发的一种新型生物脱氮工艺，与常规的生物 脱氮工艺相比，该工艺能节省曝气量和反硝化碳源，并具有污泥生成量小等一系 列优点，因而近期成为国内外的研究热点。但是短程硝化反硝化工艺的实现条件 较为苛刻，常规条件下更是很难维持稳定的短程硝化反硝化。针对这些特点，本 研究采用s b r 反应器，运用实时控制手段，以实际生活污水作为处理对象，系统 地研究了短程硝化反硝化的实现、维持、过程控制和实时控制条件下的短程硝化 反硝化的稳定性。 试验中发现，在污水脱氮的硝化过程中，当氨氮降解完毕时，d o 会突然大幅 度升高，p a 也会由下降转为上升，p h 曲线上出现指示硝化结束的特征点“氨谷”； 当反硝化结束时，o r p 值突然迅速下降，曲线上出现“硝酸盐膝”，同时p h 由上 升转为下降，凿线上出现指示反硝化结束的特征点“硝酸盐峰”。利用这些变化可 以相应建立硝化及反硝化过程控制策略。 本试验采用小区生活污水，试验中未对水质进行调解，在反应温度为2 8 + 1 ， 污泥浓度为2 4 0 0 m g l ，d o 2 m g l 时，以p h 和d o 为参数对曝气时间进行实时 控制。污泥经过两个月的培养驯化，亚硝化率稳定在9 5 以上，实现了生活污水 的短程硝化。当改变氨氮负荷从平均o 0 5 4 k g n h 4 + - n k g m l s s d 升高到平均 o 0 7 9 k gn h 4 + 一n 瓜g m l s s d 时，发现亚硝化率从1 0 0 迅速降至0 了8 0 ，经一 段时间的运行亚硝化率并未提高。说明了突然增大系统氨氮负荷，使得亚硝酸盐 累积率明显下降。 本试验对前置厌氧运行方式进行了研究，研究结果表明：此运行方式可在短 时间内使系统亚硝化率明显升高，但不能长期维持较高的亚硝化率。氨氮冲击负 荷导致系统发生丝状菌污泥膨胀，增加前置厌氧段后，污泥沉降性能有所恢复。 本试验在不同d o 水平下，长期利用实时控制实现了系统内污泥种群的优化， 稳定了短程硝化反硝化，并以p h 和曝气量q 作为控制参数建立了恒定d o 条件下 的硝化过程控制策略。 试验在低d o ( 0 5 1 0 r a g l ) 条件下实现了亚硝酸型同步硝化反硝化，进水总氮 中约有4 7 的氮经同步硝化反硝化去除。简要探询了同步硝化反硝化的机理。 青岛理工大学工学硕士学位论文 从硝化过程中的需氧量和供氧量，足量碳源时的比反硝化速率，以及硝化及 反硝化过程中n 2 0 产生量三个方面对全程与短程硝化反硝化脱氮系统的性能进行 了比较，结果表明，短程硝化反硝化比全程硝化反硝化具有更大的优势和发展空 间。 关键词s b r ；短程硝化反硝化；p t i ：d 0 ；o r p ；实时控制；同步硝化反硝化 重量矍圭奎兰三耋堡圭耋堡篁圣 a b s t r a c t b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lv i an i t r i t ei san e wb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l l m o c e s s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g y , t h i sh e w p r o c e s sc a l ls a v ea e r a t i o n 豇i e r g ya n dd e n i t r i f i c a t i o nc a r b o ns o u i ，a n di tc a na l s oy i e l d l e s sw a s t eb i o m a s sd u r i n gt r e a t m e n tp r o c e s s ，s oi ta t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sa l l a r o u n dt h ew o r l d b u tt h ea c h i e v e m e n to ft h en e w n i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s si sv e r y d i f f i c u l t , a n di ti sm o r ed i f f i c u l tt om a i n t a i nh j 曲n i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ed u r i n g a m b i e n tc o n d i t i o n sf o ral o n gt i m e a c c o r d i n gt ot h e s ef e a t u r e s ，t h er e s e a r c hf o c u s e do n t h ea c h i e v e m e n t ，m a i n t e n a n c e ，r e a l - t i m ec o n t r o la n dt h e f e a s i b i l i t y o fn i t r i t e a c c u m u l a t i o nu n d e rr e a l t i m ec o n t r o lc o n d i t i o n s s b rr e a c t o rw a su s e dt ot r e a tr e a l d o m e s t i cw a s t e w a t e rd u r i n gt h er e s e a r c hp r o g r e s s t h ed ov a l u ew i l li n e r e a s es h a r p l ya n da l s ot h ep ht u r nf r o md e c r e a s et oi n c r e a s e w h e na m m o n i ai se x h a u s t e dd u r i n gn i t r i f i c a t i o n t h eb e n d i n gp o i n t a m m o n i av a l l e y w i l la p p e a ro nt h ep hc u r v e ，a sf o r d e n i t r i f t c a f i o n , t h eb r e a kp o i n t s i l i 呲k n e e o no r p c u r v ea n d n i t r a t ea p e x o nt h ep r o f i l eo fp hc a na l s oi n d i c a t et h ee x h a u s to f n i t r a t e b y a p p l y i n gt h e s ed i s c i p l i n e sc a l lw eb r i n gf o r w a r dn 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 o n t r o l s t r a t e g i e s t h ed o m e s t i cw a s m w a t r rt r e a t e di nt h i se x p e r i m e n tw a sn o ta d j u s t e d t e m p e r a t u r e , m l s sa n dd oc o n c e n t r a t i o nw a sm a i n t a i na t2 8 - q ：1 ，2 4 0 0 m g la n dh i g h e rt h a n 2 m g lr e s p e c t i v e l y p ha n dd ow a su s e da sc o n 打o lp a r a m e t e r sf o rt h er e a l - t i m e a e r a t i o nc o n t r 0 1 a f t e rt w om o n t h si n c u b a t i o nu s i n gr e a l - t i m ec o n t r o l ，t h en i t r i t e a c c u m u l a t i o nr a t ew a sa c h i e v e dh i g h e rt h a n9 5 t h e ns h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o nw a s s u c c e s s f u l l ya c h i e v e d t h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ed e c r e a s e df r o m1 0 0 t o8 0 a s , 自o o na s t h ea m m o n i al o a d i n gr a t ei n c r e a s e df r o m0 0 5 4 k g n i - h + - n k g m l s s dt o o 0 7 9 k gn h 4 十- n k g m l s s d t w ow e e k sl a t e r , t h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ed i dn o t i n c r e a s e i tw a si n d i c a t e dt h a tt h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t es i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e ds i n c e i n c r e a s i n gt h ea m m o n i al o a d i n gr a t es h a r p l y t h ep r e a n a e r o b i co p e r a t i o nm o d ew a si n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r t h er e s e t s s h o w e dt h a tt h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ei n c r e a s e da f t e ra d d i n gp r e a n a e r o b i co p e r a t i o n w h i l en i 缸i t ea c c u m u l a t i o nr a t ec a nn o tk e e ps t a b l ef o ral o n gt i m e a m m o n i al o a d i n g i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 i m p u l s i o nl e dt ot h e0 c r i t c a l c 它o ff i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n g ，w h i c hw a sc o n t r o l l e d a f t e rp r e - a n a e r o b i co p e r a t i o nm o d e i f a p p l y i n gl o n g - t e r mr e a l - t i m e c o n t r o ls t r a t e g yt 0s u p e r v i s et h en i t r i f i c a t i o n c o u r s e , t h es l u d g ep o p u l a t i o no p f m a i z a t i o nc o u l db ea c h i e v e da n dt h es y s t e mc o u l d m a i n t a i nh i 曲n i t r i t ea c c u m u l a t i o n 硪u n d e rd i f f e r e n td ol e v e l ms t r a t e g yt a k i n gp 8 a n dt h eq u a n t i t yo fa 髓a t i o n ( q ) a sc o n m s lp a r a m e t e r sf o rn i t r i f i c a t i o ni ns b rp r o c e s s w a sb r o u g h tf o r w a r du n d e ri n v a r i a b l ed oc o n d i t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no fl o wd o ( 0 s - 1 0 m 班) , t h es h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o nw a sa c h i e v e di nt h es a m er e a c t o rw i t hs 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 d e n i t r i f i c a f i o n ( s n d ) 1 1 璩r e m o v e dn i 仃o g e nv i as n da c c o u n t e df o ra b o u t4 7p e r c e n to f t ni ni n f l u e n t f u r t h e r m o r e w es i m p l yd i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo f s n d n l ec o m p a r i s o no fs h o r t - c u ta n dt r a d i t i o n a ln i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i e a t i o nw a s s h o w no nt h i sp a p e rf r o mt h r e ea s p e c t sw h i c hw e r ea sf o l l o w s ：t h eo x y g e nn e e d e da n d s u p p l i e dd u r i n gn i t r i f i c a t i o n , t h ev e l o c i t yo fd e n i t r i f i c a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no f p r o v i d e de n o u g h c a r b o n r e s o u r c e ，t h en 2 0p r o d u c t i o nd u r i n gn i t r i f i c a t i o na n d d e n i a d f i c a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h o r t - c u tn 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 nh a d m o r ep r e d o m i n a n c et h a nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s k e yw o r ds b r ；s h o r t - c u tn 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 ：p h ：d o ；o i t p ： r e a l - t i m ec o n t r o l ：s n d i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景及来源 第1 章绪论 1 1 1 课题研究的背景 氮元素是自然界广泛存在的基本元素之一，是农业生产的重要肥料，人类以 及动、植物的生长都离不开它。但是，氮在水环境超标会造成对人类以及动、植 物的危害。目前，水环境的氮污染问题己成为世界性的环境问题，并日益引起人 们的高度重视，研究水环境氮污染的机理，并提出有效的防治措施，是当前亟待 解决的问题之一。 近年来，随着城市人口的进一步集中，城市和村镇生活污水和生活垃圾中的 含氮量越来越高，如上海市生活污水总氮含量最高可达9 0 m g l 。生活污水中氮元 素的主要存在形式是氨氮，占生活污水含氮量的5 0 6 0 ，其次是有机氮，占 4 0 6 0 ，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮仅占o 5 。过多的氮化合物进入天然水体不 仅使得水环境质量恶化，影响渔业、旅游业、养殖业的发展，而且还对人体健康 以及动、植物的生存产生严重的危害，加速水体“富营养化”的进程“1 。 水体富营养化是由于水中氮、磷等营养物质的富集而使水质恶化的过程。国 外通常将总氮浓度超过0 3 m g l ，总磷浓度超过0 0 2 m g l 作为判断富营养化水质 标准。我国在1 9 8 4 年实施的地面水环境质量标准规定：总氮浓度超过1 o m g l ， 总磷浓度超过0 3 m g l 作为富营养化水质。富营养化水体会促使藻类迅速繁殖， 使饮用水产生霉味和臭味；由于藻类过度的代谢，使水体透明度降低，影响感官， 并阻碍水体的复氧过程；许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不仅危害动物， 而且对人类健康产生严重影响：藻类死亡分解腐烂时，会消耗大量的溶解氧，同 时散发出恶臭。据环保部门监测显示，氮在水体中的富集是水质富营养化的重要 因素。一。 城市污水的氮、磷含量商，而且排放量随着经济的发展也越来越大，如进入 江、湖和海洋，则造成藻类过度生长，导致我国近年内陆湖泊富营养化现象日趋 严重。表1 1 列举了我国部分富( 重) 营养型湖泊营养物质的来源统计数据，来 自城市污水的占湖泊营养物质总量的6 0 以上，而湖面降水、湖区径流及其他来 青岛理工大学工学硕士学位论文 源尚不足4 0 0 , 4 。可见，城市污水中含氮量过高是导致湖泊富营养化的主要原因。 表l l 我国部分富( 重) 营养型湖泊营养物质的来源统计“1 t a b l e l 一1t h es t a t i s t i c so f n u t r i e n ts o u r c eo f p a r te u t r o p h i cl a k e si nc h i n a 1 、( s a ) ，( ，魁指捧教敏承l 矫，i 比慨： 2 、冀绝来源为潮区旗游人群、潮碗舰 ，船其、养殖救饵和入潮她f 水笛 2 0 0 2 年以前，我国城镇污水处理厂出水执行污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 。根据城镇污水处理厂出水的排放去向，其第二类污染物项目应分别执行 一级标准和二级标准，其中氨氮指标应执行标准中“其他排污单位”的标准值， 如表1 2 所示。 表1 2 部分污染物最高允许排放浓度( m g l ) 一级二级三级 序号污染物适用范围 标准标准标准 1悬浮物( s s )城镇二级污水处理厂2 03 0 五日生化需氧量 2城镇二级污水处理厂 2 03 0 ( b o d s ) 3化学需氧量( c o d )城镇二级污水处理厂6 0 1 2 05 0 0 4石油类一切排污单位5 1 02 0 5 动植物油一切排污单位 1 01 51 0 0 阴离子表面活性剂 6一切排污单位5l o2 0 ( l a s ) 7 氨氮其它排污单位 1 52 5 8磷酸盐( 以p 计)一切排污单位o 51 0 9色度( 稀释倍数)其它排污单位 5 08 0 1 0 p h一切排污单位 6 9 6 96 9 2 0 0 2 年，国家环保局和国家质量监督检验检疫总局联合发布的城镇污水处 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 ) 并于2 0 0 3 年7 月1 日起实施。其中规定 了1 2 种常规处理工艺可以去除的基本控制项目的最高允许排放浓度。如表1 3 和表卜一4 所示。 比较表1 2 、l 一3 与表1 4 ，可看出过去的排放标准中只对出水氨氮作出要 求，而没有总氮或硝态氮要求，那么采用各种处理工艺的二级污水处理厂脱氮控 制的重点目标是去除氨氮。对于连续流工艺，通过好氧池中的硝化反应去除部分 氨氮，并尽可能节省曝气能耗和污泥回流能耗。而缺氧池的控制对反硝化效率并 没有要求，这部分控制目标仅限于使系统通过反硝化反应维持适宜的碱度，或者 通过内循环消耗原水中的部分有机碳源，从而节省这部分有机物好氧降解消耗的 曝气能耗，或者预防和控制污泥膨胀的发生等；如果系统内碱度充分或者内循环 能耗大于曝气能耗，那么控制目标甚至可以不考虑缺氧池的控制。对于间歇工艺 ( s b r 法) 则减少了缺氧运行的工序及相应的设备及能耗。 表l 一3 基本控制项目的最高允许排放浓度( m g l ) 序 基本控制项目 一级 二级三级 四级标准 ( 或达到括号内去除率要求， 号标准标准 标准 ) 5 万m 3 d6 0 8 01 2 01 5 0 ( 6 0 ) lc o d1 一sh m 3 d6 01 0 01 2 01 5 0 ( 6 0 ) 5 万m 3 d 1 02 03 08 0 ( 5 0 ) 2b o d1 5 万m 3 d1 53 04 08 0 ( 5 0 ) 5 万m 3 d 5 08 0l o o lc o d 1 5 万m d 5 08 0l o o 5 万m j d 1 02 03 0 2b o d 1 5 万m d 1 02 03 0 1 万m j ，d 1 52 03 0 3s s 1 52 03 0 4 动植物油 135 5石油类135 6l a so 512 7 总氮1 5 2 0 8n h l 一n552 5 9总p ( 以p 计)o 5o 53 l o色度( 稀释倍数)3 03 0 3 0 1 l p h 6 96 96 9 1 2 粪大肠菌群数+ ( 个l ) 1 0 31 0 41 0 4 适用于2 0 0 6 年1 月1 日以后建成( 包括新建、扩建、改建) 的城镇污水处理厂 新标准中增加了总氮、总磷最高允许排放浓度，同时也对出水氨氮提出了更 严格的要求。因此，如何提高污水生物脱氮除磷的效果和效率是当今的研究热点。 从以上标准的提高可以看到，污水的脱氮处理已成为污水处理的关键所在。 1 1 2 课题来源 本课题来自国家自然科学基金项目“不同污水脱氮工艺中氧化亚氮产生量与 过程控制”( n o 5 0 4 7 8 0 4 0 ) 1 2 传统生物脱氮的原理及工艺 1 2 1 传统生物脱氦的原理 污水生物脱氮的基本原理是在微生物作用下，将污水中含氮化合物转化为氮 气的过程，其中包括硝化和反硝化两个过程。 硝化反应是由一群自养好氧微生物完成的，它分为两个阶段，分别由亚硝酸 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 菌和硝酸菌完成。第一步是由亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮；第二步是由硝 酸菌将亚硝酸盐氮迸一步氧化为硝酸盐氮。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，这 类细菌的生理活动不需要有机性营养物质，主要从c 0 2 获取碳源，从无机物的氧 化中获取能量。 硝化反应方程式可表示为： n h + 丧o l 垩玉勤骘n o i + h p + 2 h + n 0 2 一+ 委d 2 堕k d ，一 反硝化是由一群异养型兼性厌氧微生物完成的，它的主要作用是在无氧或低 氧条件下，将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为氮氧化物或氮气。广义上讲，微生物 将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为低价态氮的过程统称为生物反硝化，它包括同化 还原和异化还原。在溶解氧浓度极低的环境中，反硝化菌可利用亚硝酸盐和硝酸 盐中的氧为电子受体，同时有机物作为电子供体被氧化而提供能量，将硝酸盐或 亚硝酸盐还原为氮气，反应方程式为： 5 c ( 有机碳) + 2 日2 0 + 4 n 0 3 - 垦堕量堕寸2 2 + 4 0 h 一+ 5 c 0 2 反硝化反应一般以有机物作为碳源和电子供体，但是，当反应体系中缺乏有 机物时，无机物如h 2 、h 2 s 等也可作为反硝化反应的电子供体，微生物还可以通 过消耗自身细胞进行内源反硝化，反应式可表示为： c 5 日7 n 0 2 + 4 n 0 3 斗5 6 0 24 - 日3 + 2 n 2 + 4 0 h 一 其中，c 5 h 7 n 0 2 代表反硝化微生物的细胞组成。 目前公认的从n 0 3 - 还原为n 2 的过程为： n 0 3 一_ n 0 2 一寸n o n 2 0 斗n 2 因此传统生物脱氮途径可以简写成： 日4 + 一n 0 2 一斗n o ，一n 0 2 一号2 扣1 酊蕊确r _ 卜丐再酊耶丽尹 生物脱氮过程本身是一个矛盾的统一体，一方面，硝化反应需要氧气，硝化 菌是一类严格好氧菌；另一方面，反硝化反应需要在缺氧环境中进行，反硝化菌 是一类兼性厌氧菌。同时，二者对有机物的存在也是矛盾的，一方面自养硝化菌 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 在大量有机物存在时，对氧气和营养物的竞争不如好氧异养菌，从而导致反应器 内异养菌占优势：另一方面，反硝化反应又需要有机物充当电子供体完成脱氮过 程。因此，硝化菌和反硝化菌性质的差异导致了生物脱氮反应器的不同组合，如 硝化与反硝化由同一污泥系统完成的单一污泥工艺和由不同污泥系统完成的双污 泥工艺。前者通过交替的好氧区和厌氧区来实现，后者则通过使用分离的硝化和 反硝化反应器来完成。如果硝化在后，需要将硝化废水进行回流；如果硝化在前， 反硝化时需要外加碳源作为电子供体，这就给传统生物脱氮工艺在实际运行时带 来许多问题。传统的生物脱氮工艺普遍存在着基建投资和运行费用较高且运行控 制较为复杂等不足。 1 2 2 传统生物脱氮工艺 生物脱氮工艺中，根据微生物的生理特性可以将处理构筑物分成好氧处理构 筑物和缺氧处理构筑物。根据微生物在构筑物中的生长条件，可以分为悬浮生长 型和附着生长型两大类。悬浮生长型包括：a 2 o 工艺、a o 工艺、s b r 法、氧化 沟等。附着生长型包括：生物滤池、生物转盘、生物流动床等。 ( 1 ) a 2 o 脱氮除磷工艺 混合液回流 剩余污泥 图1 19 2 o 脱氮除磷工艺 f i g 1 1p r i n c i p a ld i a g r a mo f a 2 op m c sf o rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s 如图1 1 所示，在厌氧一好氧( a 2 o ) 工艺的厌氧池之后增加一个缺氧池， 并将沉淀池污泥回流到厌氧池，则形成典型的厌氧一缺氧一好氧即( a 2 o 工艺) 。 该工艺的总停留时间与a o 工艺基本相同，具有同时除磷脱氮功能。在实际运行 中，高负荷运行状态可取得良好的除磷效果。设计停留时间为缺氧区0 5 1 o h ， 好氧区3 5 6 o h 。混合液回流比为1 0 0 4 0 0 ，污泥回流比为1 0 5 0 。 ( 2 ) a o 法脱氮工艺 6 青岛埋工大学工学硕士学位论文 该工艺于八十年代初开发，其主要特点是将反硝化段设置在系统之首，故又 称前置反硝化生物脱氮系统，这是目前采用较为广泛的一种脱氮工艺，其流程图 如图1 2 所示。 内循环 图1 - - 2 a o 生物脱氮工艺 f i g 1 - 2p r i n c i p a ld i a g r a mo f m op r o c e s so f n i t r o g e nr e m o v a l 反硝化反应以污水中的有机物为碳源，曝气池中含有大量硝酸盐的回流混合 液，在缺氧池中进行反硝化脱氮，在反硝化反应中产生的碱度可补偿硝化反应中 所消耗碱度的5 0 左右。该工艺流程简单，无需外加碳源，基建费用及运行费用 较低，脱氮效率在7 0 左右。但由于出水含有一定浓度的硝酸盐，在二沉池中可 能会进行反硝化反应，造成污泥上浮，影响出水水质。另外，对于a o 系统，试 验表明：在运行管理中应注意污泥负荷、废水的c n 、回流比等问题。废水污泥负 荷以0 1 0 o 2 0 k g b o d s ( k g m l s s d ) 为宣。在理论上，废水的c n 必须大于 2 8 6 才能充分满足反硝化细菌对碳源的需要。污泥回流比r 与最大可能脱氮效率r 的关系为r 寻r ( 1 + r ) 。因此，在具备必要条件时( 如缺氧段有足够的碳源，好氧 段的硝化作用完全等) ，增大污泥回流比可以提高氮的去除率。 。 ( 3 ) s b r 法 s b r 法是序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 的简称，其工艺流程 如图1 3 所示。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 进水期反应期沉淀期排水期闲置期 图1 - - 3s b r 法工艺过程不意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd r a w i n go f s b rp r o c 脚 s b r 工艺是国内外近些年来新开发的一种活性污泥法。其工艺特点是将曝气 池和沉淀池合二为一，生化反应呈分批进行。基本工作周期可由进水、反应、反 应呈分批进行。基本工作周期可由进水、反应、沉降、排水和闲置5 个阶段组成。 s b r 工艺将除磷脱氮的各种反应通过时间顺序上的控制在同一反应器中完 成。它通过控制合适的充气、停气为硝化细菌和反硝化细菌创造适宜的好氧硝化、 缺氧反硝化脱氮条件。此外，反硝化细菌在闲置期还能进行内源反硝化，因此脱 氮效果好。 本试验所采用的是序批式活性污泥法( s b r ) 。 1 3 生物脱氮新工艺的研究现状 传统的硝化反硝化工艺在废水脱氮方面起到了一定的作用，仍存在以下问题： ( 1 ) 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，特别是在低温冬季。因 此造成系统总水力停留时间( 瑚玎) 长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行 费用。 ( 2 ) 硝化过程是在有氧条件下完成的，需要大量的能耗。 ( 3 ) 反硝化过程需要一定的有机物，废水中的c o d 经过曝气有一大部分被 去除，因此反硝化时往往要另外加入碳源( 例如甲醇) 。 ( 4 ) 系统为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回 流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 为中和硝化过程产生的酸度，需要加碱中和。 最近的一些研究表明：生物脱氮过程出现了一些超出人们传统认识的新发现， 如硝化过程不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以参与硝化作用；某些微生物在 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 好氧条件下也可以进行反硝化作用；氨氧化也可以在厌氧条件下发生。这些现象 的发现为水处理工作者设计处理工艺提供了新的理论和思路并研究了许多新的脱 氮工艺，有关废水脱氮的理论也日臻完善。目前，生物脱氮技术的研究热点主要 集中在同步硝化反硝化生物脱氮工艺、厌氧氨氧化生物脱氮工艺、s l r o n a n a m m o x 组合工艺和短程硝化反硝化生物脱氮工艺方面。 1 3 1 同步硝化反硝化生物脱氮工艺 近十几年来，尽管生物脱氮技术有了很大的发展，但是硝化和反硝化两个过 程仍然需要在两个隔离的反应器中进行，或者在时间或空间上造成交替缺氧和好 氧环境的同一个反应器中进行。因此，在实际工程应用中，传统生物脱氮工艺存 在不少问题。随着人们对生物脱氮技术的不断研究，近年来开发出很多新型生物 脱氮工艺，其中同步硝化反硝化( s n d ) 生物脱氮工艺就有可能克服传统生物脱 氮工艺中存在的上述问题。 同步硝化反硝化工艺，就是使一个反应器内同时存在好氧环境和缺氧环境， 则硝化反应和反硝化反应就有可以同一反应器内同时发生，从而达到去除含氮化 合物的目的。因此与传统生物脱氮工艺相比，s n d 工艺将省去第二阶段的缺氧反 硝化池或减少其体积，这将大大缩短生物脱氮流程，降低工程造价。 目前，国内外研究报道显示s n d 生物脱氮工艺己成为污水生物脱氮技术领域 的研究热点。日锄g d u 吼【6 】等应用s b r 实现了s n d 生物脱氮工艺，系统对总氮去 除率达到9 5 以上。在此基础上，作者又对影响s n d 的因素进行了研究，得出有 机碳源、溶解氧浓度和茵胶团都是形成s n d 的主要因素。另外，污水处理厂的曝 气系统是通过溶解氧( d o ) 和氧化还原电位( 0 r p ) 联合控制的，使得曝气他内 d o 浓度始终保持在0 3 0 6 m g i l ，并根据o r p 值的大小判断硝化效果。 s n d 不仅可以发生在活性污泥系统，而且，也可以发生在生物膜反应器中， 如流化床曝气生物滤池。p u z n a v a l 7 】等通过适时控制溶解氧浓度在上向流生物曝气 滤池中实现了s n d 生物脱氮由于溶解氧浓度控制在0 5 3 0 m g l ，使得溶解氧 不能完全渗入到生物膜中。由此造成生物膜中一定程度上存在着可以发生反硝化 反应的缺氧区。因此，在生物膜的不同深度以同时发生硝化和反硝化反应。试验 中还得出s n d 曝气生物滤池比传统硝化反硝化曝气生物滤池节约空气量5 0 以 匕。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 在国内，对s n d 的研究也十分活跃。吕锡武等1 8 】研究了溶解氧及活性污泥浓 度对s n d 效率的影响。研究结果表明，随着反应器内溶解氧浓度的降低，总氮去 除率里上升趋势；同时，反应器混合液污泥浓度越高，总氮去除率也相应提高。 好氧反硝化现象越明显。因此，在实际废水脱氮工艺中，将含氦有机物的氧化、 硝化和反硝化在一个活性污泥系统中实现是完全可行的。该工艺不仅能提高脱氮 效果，而且能节约曝气所需的能源消耗。邹联沛 9 1 等研究了d o 、c n 、p h 等生 态因子对膜生物反应器同步硝化反硝化的影响。结果表明，只有在各生态因子保 持得当的条件下，s n d 才能顺利的进行。d o 为1 0 m g l 左右、c n 为3 0 左右、 进水p h 值约为7 2 时c o d 、n h 4 + - _ n 和t n 的去除率分别为9 6 、9 5 和9 2 。 赵玲等 1 0 1 采用内置弹性立体填料的复合s b r 系统处理模拟废水，试验中发现，在 有氧条件下，存在着反硝化现象，即同步硝化反硝化。当d o 为3 o 5 0 m g l 时， 总氮去除率可达8 0 ，同时c o d 去除率达9 5 。 综上所述，同步硝化反硝化脱氮工艺只是在最近几年才受到普遍关注，其理 论系统还很不完善，尤其在反应机理研究上还需进一步加强。 1 3 2 厌氧氨氧化生物脱氮工艺 厌氧氨氧化生物脱氮工艺是指在厌氧条件下，微生物直接以氨氮为电子供体， 以亚硝酸氮或硝酸氮为电子受体，将氨氮、亚硝酸氮或硝酸氮转变为氮气。早在 1 9 7 7 年，b r o d a 根据计算自由能已经预测到自然界应该存在反硝化氨氧化菌 ( d e n i t f i f y i n ga m m o n i ao x i d i z e r s ) h i 。1 9 9 5 年，m u l d e r 用流化床研究生物反硝化 时，发现了氨氮的厌氧生物氧化现象，证实了b r o d a 的预言【1 2 1 。1 9 9 0 年，荷兰d e l f t 技术大学开发了a n a m m o x 工艺，在厌氧条件下直接利用氨氮作为电子供体，无 需供氧、无需外加碳源维持反硝化、无需额外投加酸碱中和试剂，降低能耗，节 约了运行费用，同时还避免了因投加中和试剂可能造成的二次污染【1 3 】。目前推测 的a n a m m o x 主要有三种途径：一种为羟氨和亚硝酸氮生成n 2 0 的反应，n 2 0 可进一步转化为氮气，氨被氧化为羟氨；另一种是氨和羟氨反应生成联氨，联氨 被转化成氮气并生成4 个还原【h 】，还原性【明被传递到亚硝酸还原系统形成羟氨； 第三种为一方面亚硝酸被还原为n o ，n o 被还原为n 2 0 ，n 2 0 再被还原为n 2 ；另 一方面，n h 4 + 被氧化为n h 2 0 h ，n h 2 0 h 经n 2 h 4 、n 2 h 2 被转化为n 2 1 4 - 1 5 1 。郑平 等对厌氧氨氧化菌的基质特性、厌氧氨氧化的电子受体及流化床反应器的性能等 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 进行了较深入的研究0 6 - 1 柳。周少奇从生化反应电子流守衡原理出发，推导了厌氧 氨氧化反应的生化反应计量方程式，从理论上证明出：厌氧氨氧化需一定量的c 0 2 作碳源，说明a n a m m o x 过程是在自养微生物作用下完成的；a n a m m o x 反应 以氨氮作为细胞合成的氮源时，需要消耗一定量的碱度；所有a n a m m o x 反应都 有矿产生【1 9 1 。 1 3 3s h a r o n a n 舢o x 组合工艺 目前s h a r o n 工艺主要用于处理高氨氮浓度废水，其出水氨氮浓度仍然较高， 而且反硝化阶段仍需要消耗有机碳源。s h a r o n a n a m m o x 组合工艺在 s h a r o n 工艺中完成硝化反应，在a n a m m o x 工艺中完成反硝化反应，可以充 分发挥这两种工艺的优点。通常情况下s h a r o n 工艺可以控制硝化进行到亚硝酸 氮阶段，使出水中的氨氮与亚硝酸氮比例为1 ：l ，其出水作为a n a m m o x 工艺 的进水。该工艺具有耗氧量少、污泥产量少、不需外加碳源等优点，是迄今为止 最简捷的生物脱氮工艺，具有很好的应用前景。但是如何控制组合工艺的运行条 件和运行参数等问题仍需进一步研究。 上述生物脱氮新工艺中，除了s n d 工艺外，其他工艺主要处理高氨氮浓度废 水，而且如何维持亚硝酸氮长期稳定的积累仍是困扰水处理工作者的难题。另外， 低氨氮浓度废水是否可采用上述工艺处理也是目前的研究方向。 1 3 4 短程硝化反硝化生物脱氮工艺 1 3 4 1 短程硝化反硝化工艺简介 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氮阶段， 阻止n 0 2 一的迸一步氧化，然后直接进行反硝化。因而整个生物脱氮过程可以通过 n h + 寸n 0 2 一_ n 2 的途径完成。影响亚硝酸氮积累的因素有：游离氨( e a ) 浓度，p h 值，游离羟胺( f i - i ) 浓度，温度，溶解氧浓度，曝气时间，泥龄，有毒 物质等。短程硝化反硝化生物脱氮的典型工艺主要有：s h a r o n 工艺和o l a n d 工艺。 ( 1 ) s h a r o n 工艺( 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 ) 该工艺由荷兰d e l f t 技术大学于1 9 9 7 年开发。其巧妙的应用了在较高温度 下，硝化菌和亚硝化菌的生长速率不同，通过控制温度( 3 0 3 5 ) 和停留时间 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 该工艺中无污泥停留，污泥停留时间由水力停留时间决定，控制系统的水力停 留时间介于硝酸菌和亚硝酸菌最小停留时间之间) ，将生长速率较慢的硝酸菌从反 应器内冲洗出去( w a s h o u t ) ，使反应器内亚硝酸菌占绝对优势，实现短程硝化。 由于在较高温度下，硝化菌对氨有较高的转化率，缩短了h r t ，反应器的容积也 就相应减小。另外，硝化和反硝化在同一个反应器中完成，减少了投碱量，简化 了工艺流程。这项专利技术已经应用到荷兰r o t t e r d a m 和u t r e c h 两座城市污水二 级处理厂污泥消化上清液及垃圾渗滤液等高氨氮废水的生物处理中【2 l 】。 ( 2 ) o l a n d 工艺( o x y g e n l i m i t e da u t o t r o p h i cn 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 ， 限氧自养硝化反硝化) 比利时g e n t 微生物生态试验室研究开发的o l a n d 工艺的 技术关键就是控制溶解氧浓度，利用低溶解氧条件下硝酸菌和亚硝酸菌动力学特 性上的差异，使硝化过程仅进行到亚硝酸氮阶段【2 2 】。亚硝酸菌的氧饱和常数一般 为0 2 - - 0 4 m g l ，硝酸菌的为1 2 一1 5 m g l 。低溶解氧下亚硝酸氮大量积累的主 要原因是由于亚硝酸菌对溶解氧的亲合力要比硝酸菌强田】。另外，也有研究表明， 低溶解氧下亚硝酸菌生长速率加快，补偿了由于低氧所造成的代谢活动下降，整 个硝化阶段中氮氧化未受到明显影响 2 4 1 。 1 3 4 2 短程硝化反硝化理论的提出 长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直认为要实 现废水生物脱氮就必须使氨经历典型的硝化和反硝化过程才能被安全的除去，这 条途径也可称之为全程( 或完全) 硝化反硝化生物脱氮。 实际上，从氨的微生物转化过程来看，氨被氧化为硝酸盐是由两类独立的细 菌催化完成的两个不同反应，应该可以分开。对于反硝化菌，无论是亚硝酸盐还 是硝酸盐均