（环境工程专业论文）膜生物反应器营养物去除性能研究.pdf

中文摘要 摘要：随着水体“富营养化”问题的日益突出，污水的排放标准也随之更加严格。 这就使得污水处理工艺从单一去除有机物的阶段逐渐进入有机物与氮、磷共同去 除的深度处理阶段。脱氮除磷技术也就成为了当今污水处理领域的研究热点之一。 本论文利用厌氧，缺氧微氧好氧膜生物反应器处理低碳源生活污水，研究了反 应器的脱氮除磷性能；并考察了水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e 。h r t ) 、污 泥龄( s l u d g er e t e n t i o nt i m e , s r t ) 、回流比( r e c i r c u l a t i o n , r ) 、进水碳氮 ( c a r b o n n i t r o g e n , c n ) 等因素对膜生物反应器的脱氮除磷性能的影响。研究结果如 下； ( 1 ) 膜生物反应器中膜对微生物细胞的完全截留，使得反应器中维持了较高 的污泥浓度，强化了硝化作用；同时在反应器中存在着反硝化除磷、同步硝化反 硝化、短程硝化反硝化等过程。 ( 2 ) 系统在进水c o d e r 、总氮( t o t a ln i t r o g e n , 1 n ) 、总磷( t o t a lp h o s p h o r u s , t p ) 为2 6 0 - - 3 0 0 、4 6 4 8 、7 - 8m g l ，h r t 为3 h 的条件下，其出水c o d e r 、n h 4 + - n 维持在5 0 、o 5 m g l 以下； i n 、t p 的去除率达到8 0 、9 5 以上，具有良好的脱 氮除磷性能。 ( 3 ) h r t 、s r t 、回流比、c n 等因素对系统的c o d e r 、n i g + - n 、t p 的去除 并未产生显著影响。 ( 4 ) h r t 和c n 对脱氮效果存在着较大影响。h r t 由8 h 升至4 h 后，系统 i n 的去除率由原来的6 0 升至7 5 ；但进一步提高至3 h ，脱氮效果并未提高反 而出现一定程度的下降。进水c n 由原来的5 , - 6 提升至7 5 后，出水的 i n 去除率 由原来的8 0 提高至8 7 5 ，脱氮效果比较明显。 ( 5 ) s r t 、回流比等因素虽然对系统的脱氮效果没有显著的影响，但是改变 了出水1 n 中各种状态氮的组成和反应池的作用性能。 ( 6 ) 系统厌氧池磷酸盐浓度高达3 6 - 6 0 1 1 1 班，可以进行化学沉淀回收磷。 关键词：膜生物反应器；脱氮除磷；低碳源；反硝化除磷；同步硝化反硝化 分类号：x 7 0 3 1 ；6 2 8 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ew a s t e w a t e re f f l u e n ts t a n d a r d sh a v eb e e nc o n t i n u o u s l yc o n t r o l l e d m o r es t r i c t l yw i t ht h es e v e r ee u t r o p h i c a t i o ni s s u e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h e r e f o r e ，t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p e dg r a d u a l l yf r o mt h es i n g l e s t a g eo fc o d c r r e m o v a lt ot h es t a g en o to n l yo fc o d or e m o v a l ，b u ta l s ot h ed e e p t r e a t m e n to fn i 仃o g a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l 1 kn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t e c h n o l o g yf o rt h ep u r p o s eo fe u t r o p h i c a t i o nc o n t r o lh a sb e e nt h er e s e a r c hf o c u si nt h e w a s t e w a t c rt r e a t m e n td o m a i n t i l i sp a p e ri si nt h ev i e wo ft h el o wg a r b o ns o u w 七s a n i t a r ys e w a g e , f o c u so n n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lp e r f o r m a n c ei nt h ea n a e r o b i c a n o x i c m i c r o o x i c o x i cm e m b r a n eb i o r e a c t o rt oc o n d u c tt h er e s e a r c h , i nw h i c hi n s p e c t e dt h eh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ( h r t ) ，s l u d g er e t e n t i o nt i m e ( s r t ) ，r e d r c u l a t i o n , i n f l u e n tc ；n ，a n do t h e r f a c t o r so nt h em e m b r a n eb i o r e a c t o rp e r f o r m a n c eo f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l t h er e s u l t sa g ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es y s t e mo fh i g hc o n c e n t r a t i o ns l u d g ew a sn o to n l ys t r e n g t h e n i n gt h e n i t r i f i c a t i o n , b u ta l s oe x i s t i n gt h ed e n i t r i f i c a t i o no fp h o s p h o r u sr e m o v a l ，n i t r i f i c a t i o n s i m u l t a n e o u sw i t i id e n i t r i f l c a t i o na n ds h o r t 删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 p r o c e s s e s - ( ? ) s y s t e m c o d c r i n 、t p i i l m e i n f l u e n t w a s 2 6 0 3 0 0 、4 6 - , 4 8 ，7 - 8 m g l u n d e r s u c hal o wc n ( c n = 扣6 ) ，i t se f f l u e n tc o d c n i - h + - nm a i n t a i n e db e l o w5 0 、0 5m g ，l ； t h er e m o v a lo ft n t pr e a c h e d8 0p e r c e n t , 9 5p e r c e n ta n da b o v e , , w i t i lg o o dn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c t h r t , s r t , c r a t i oo nt h er e m o v a lo fc o 氓t pa n dn i t r i f i c a t i o nd i dn o t h a v eab i gi m p a c to f t h es y s t e m , a n dm a i n l yf o c u s e do nd e n i t r i f i c a t i o ne f f e c t ( 4 ) h r tr a i s e dt ot h e8 hf r o m4h ，t nr e m o v a ls y s t e mh a v et h e 嘶g i n a l6 0 t o 7 5 ，b u tf u r t h e rr a i s e dt o3h t h ei n c r e a s ei nn i t r o g e na n de f e c th a sn o ta p p e a r e db u t s i i g i cd o w n w a r dt r e n d n f l u e n tc nr a t i of r o m5 幻6 印伊a d e 幻7 5 t h ee f f i u 髓t r e m o v a lo f f o r m e r t ns o m e8 0p e r c e n ti n c r e a s et o8 7 5 t h ee f f e c ti so b v i o u s ( 5 ) t h e r ew a sn os i g n i f i c a n te f f e c to ft h ei m p a c to fs r t , r e c i r c u l a t i o n , a n do t h e r f a c t o r s0 1 1t h ed e n i t r i f i c a t i o ns y s t e m ，j u s to n l yac h a n g ei nt h ed i s t r i b u t i o no f t h ee f f l u e n t i nf o r ma n dt h ep c r f o r m a n c eo f t h et a n k ( 6 ) t h ec o n c e n t r a t i o no f p q pi na n a e r o b i c t a n kw a s3 0 - 6 0m g 化w h i c h m i g h tb e r e u s e db yc h e m i c a lp r o c e s s k e y w o r d s ：a n a e r o b i c a n o x i c m i c r o o i x c y o i x cm 锄b r a n eb i o r e a c t o r , p h o s p h o r u s a n dn i t r o g e nr e m o v a l ；l o wc l f b o n s o u r c e ； 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 d e n i t r i f i c a t i o n ；d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e l n o v a l c l a s s n o ：x 7 0 3 1 ：6 2 8 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 潲 义 i 签字日期：妒哆7 年i 2 月 ，孵 日 (：呵7 二名 刖 叨噍 k 繇 年 签刀， 者 弘 凇1 刘 鼽 论 日 位 字 学 鉴 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 粼姗躲舶i o 孵 一期：妒卜肛月c 7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师许兆义教授的悉心指导下完成的，许兆义教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来许兆义教授对我的关心和指导。 李久义老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向李久义老师表示我衷心的谢意。 李进、于海琴、全连琴、刘灵琴、李义山等老师对于我的科研工作和论文都 提出了许多的宝贵意见，在此向这些老师表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘滢、王淑莹、倪帆、王国田、张慧、于晓 霞、杨静、朱霞，吴亚男、苑维双、杜一立等同学对我的实验室工作给予了热情 帮助；张玉磊、吕开雷、杨全亮、苗起璋、赵文杰、许国光、刘李等同学在我论 文撰写期间给予了许多意见，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 研究背景 1 绪论 在污水处理技术发展初期，人们仅把有机污染物即生化需氧量( b i o c h e m i c a l o x y g e nd e m a n d ，b o d 5 ) 和悬浮固体( s u s p e n d e ds o l i d , s s ) 的去除作为污水处理的 主要水质目标。随着常规二级生物处理技术在工业化国家的普及，人们发现仅仅 去除b o d 5 和s s 还不够，氨氮的存在依然导致水体的黑臭和溶解氧浓度过低，于 是常规二级生物处理技术从单纯有机物去除发展到有机物和氨氮的联合去除，即 污水的硝化处理。 到7 0 年代和8 0 年代，随着水质富营养化问题的日益严重，对污水进行氮磷 去除的实际需要使二级生物处理技术逐渐进入了具有脱氮除磷功能的处理阶段。 世界各国都在广泛深入地开展废水生物脱氮除磷技术的研究，开发了许多特色工 艺。随着对最终处理出水中氮、磷要求的日益严格，许多国家也相继制定了严格 的处理要求或出水标准。我国污水综合搀放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 就比g b 8 9 7 8 8 8 更为严格，该标准不但增加了更为严格的一级标准( b o d s 2 0 m g l ，s s 2 0 m g l ， c o d 6 0 m g l ，p 0 4 o 5 m g l ，n i - 1 4 + - n 1 5 m g l ) ，而且将磷处理标准扩大到所 有排污单位。对我国而言，今后绝大多数城市污水处理厂都要考虑脱氮除磷处理。 近些年，脱氮除磷新技术的发展，如同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌 氧氨氧化、反硝化除磷，使得推出了许多脱氮除磷的新工艺。这些新工艺的开发 基于对传统工艺认识的深化和微生物学及生物化学方面的新发现或新认识。传统 脱氮除磷工艺在脱氮和除磷之间存在碳源竞争，而城市污水碳源浓度普遍较低， 难以满足同时高效脱氮除磷的要求，尤其南方城市污水低碳高氮磷的特点使得该 矛盾更加突出。反硝化除磷新技术即可一定程度缓解该矛盾，它是指在缺氧条件 下某些微生物利用硝态氮为电子受体进行超量摄磷，同时将硝态氮反硝化为氮气， 从而达到同时脱氮除磷的效果 膜生物反应器是膜组件和生物处理结合的一种新型的污水处理工艺，系统运 行时几乎所有的微生物被截留在生物反应器中，污泥具有很强的有机物去除能力， 出水水质好，流程简单，结构紧凑，装置占地省，能耗低。在废水回用和资源化 领域具有极广阔的应用前景。近年来有关它的研究在国内外受到广泛关注，己被 逐步应用于城市污水和工业废水处理中。如何运用新的脱氮除磷技术，将膜生物 反应器与现有的污水处理系统进行优化组合，是解决当前城市污水低碳源条件下 脱氮除磷效率普遍偏低的有效途径。 1 2 污水生物脱氮除磷原理 1 2 1 生物脱氮原理 污水生物脱氮已经被证明是一种经济、可靠的处理方法。其基本原理为在传 统的二级生物处理中，通过生物化学反应将污水中的有机氮在氨化作用下转化为 氨氮；然后在好氧条件下通过硝化菌将氨氮氧化为硝态氮，最后通过反硝化作用 将硝化过程产生的硝态氮转化为氮气，从而达到废水脱氮的目的【”，同时部分氨氮 通过同化作用合成新细胞并最终以剩余污泥形式捧放，生物脱氮过程中氮的转化 如图1 1 所示1 2 】。完整的生物脱氮过程包括氨化、硝化和反硝化三个过程。 硝 化 作 用 有机氯f ( 蛋白质)l l 氧化作用 嘉 ! 兰壁，厂百鬲 n h 4 * n li ( 细胞体) r i 柏潭代谢和自氧亿广一 气态氮 n z 有机氯 ( 净增值) 有# l 物( 碳潭) 图i - i 生物脱氮过程中氮的转化 ( 1 ) 氮化作用 含氮化合物经微生物降解释放出氨( n h 4 + n ) 的过程，称为氨化作用。污水中的 有机氮首先在微生物产生的水解酶作用下逐步水解为氨基酸，这个过程可以在细 胞内或细胞外进行；然后水解形成的氨基酸在氨化细菌脱氮基酶作用下产生氨。 很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物。其中分解能力强并释 放出n h z - n 的微生物为氨化微生物。氨化微生物无论在好氧还是厌氧、中性、 酸性还是碱性环境中都能进行，只是作用的微生物种类不同、作用的强弱不一习。 由于氨化反应速度很快，通常在生物脱氮工艺中不将其作为控制步骤。 ( 2 ) 硝化作用 氨基酸脱下的n h 4 + - n 在有氧条件下，经亚硝化单胞菌属( n i t r o s o m o n a s ) 蓍0 硝 化菌属( n i t m b a c t c r ) 作用转化为硝酸氮( n 0 3 - n ) 的过程，称为硝化作用。硝化作用 有两类菌属参与，亚硝化单胞菌属将n h 4 + - n 氧化为亚硝酸氮( n 0 2 。n ) ，硝化菌属 2 茎黼 将n 0 2 - n 氧化为n 0 3 - - n 。这两类菌属都属于化能自养菌，而且形态相似，革兰氏 染色皆为阴性。都严格好氧，但它们却是两种截然不同的菌属，硝化菌属的世代 时间远远大于亚硝化单胞菌属【4 j 。w a g n e r 等使用寡聚核普糖探针证明，在活性污 泥系统中氨氧化菌亚硝化单胞菌属是很常见的【5 1 。t e s k e 等发现：对于活性污泥中 亚硝酸盐的氧化，硝化菌属是普遍存在的1 6 】。是由于不同的生长条件会选择不同的 菌属还是这两类菌属的反应动力学存在着明显的差别造成两类菌属成为优势种群 的差异，这一问题至今在积极的研究中。 如果不考虑细菌的增殖，硝化反应过程可表示如下： 2 n h 4 + + 3 0 2 2 n 0 2 - 十2 匝d h 矿 2 n 0 2 + 0 2 2 仍。 ( 3 ) 反硝化作用 ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) 反硝化作用是指在缺氧条件下，通过硝酸还贩酶作用将n o z - n 和n 0 3 甘i 还 原为气态氮( 主要为n 2 ) 的过程。生物反硝化是由异养菌利用可获得的碳源作为电 子供体，利用n 0 2 - n 或n 0 3 - n 作为电子受体完成的。很多细菌都具有反硝化作 用，但是未发现藻类和真菌具有这样的能力。假单胞菌属是所有反硝化菌中最常 见、分布最广泛的一类，它可以利用多种有机化合物，包括碳水化合物、有机酸、 醇类、苯甲酸盐和其它芳香族化合物 7 1 。反硝化的碳源可以是废水中的有机质，也 可以是外加有机物；另外细胞体内的有机质也可以作为碳源充当电子供体。在反 硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体的合成过程。反硝 化总方程式为： n 0 2 - + 3 h ( 电子供体有机物) 一o 5 n 2 + h 2 0 + o h ( 1 3 ) n o s 。+ 5 俄电子供体有机物) 一o 5 n 2 + h 2 0 + o h ( 1 - 4 ) 通过细胞合成排除剩余污泥也可除氮，薪合成的细菌细胞( 以硝化菌为例) 的化 学组成用c 5 h 7 0 2 来表示，根据硝化菌的异化、同化合成新细胞的反应式： s 强h i 7 6 0 2 + 1 0 9 h c o s 一c s h t n 0 2 + 5 醐o i 5 7 2 0 + 1 0 4 h c 0 3 。( 1 - 5 ) 4 0 0 n 0 2 + n h i + 4 h 啦o p h c o j + 1 9 5 0 2 一c s h t n 0 2 + 3 h 2 0 + 4 0 0 n 0 3 ( 1 - 6 ) 将式( 】5 ) 与式( i - 6 ) 合并，褥到式( 1 7 ) ： 朋盯+ 1 8 3 0 2 + i 9 8 h c 0 3 一o 0 2 1 c 5 h t n o 2 + o 9 8 n o s + 1 8 8 h 2 c 0 3 + 1 0 4 h 2 00 - n 依细胞干重计算，微生物细胞中氮含量约1 2 5 ，由生物同化作用去除的氮 含量为： n e t ：o 1 2 5 x b ，h o 1 2 y n a b o d s( 1 8 ) 式中n 虎- 吐物同化作用去除的氮，k g n d 或m g l 迸水 x b 盯一微生物产量，k g v s s d 或m g v s s l 进水 y h 异养菌产率系数，通常不大于0 6 5 b o d 厂同化作用去除b o d 5 量，k gb o d 5 臌m g l 进水 由于微生物的内源呼吸作用导致剩余活性污泥中氮含量减少，因此通过排放 剩余污泥去除氮量往往比式( 1 8 ) 计算出的数值低。由此可见对微生物对氮的去除 分两种形式：通过反硝化菌的反硝化作用脱氮和通过细胞合成排除剩余污泥除氮。 1 2 3 生物除磷原理 目前被研究人员普遍接受的理论是聚磷微生物( p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m 。p a o ) 的释磷吸磷原理，即在厌氧好氧交替运行条件下驯化出聚磷微生 物，它能够过量、超出其生理需要的从外部环境中摄取磷，并将磷以聚合磷的 形式储存在体内。形成高磷污泥，通过排泥达到从废水中除磷的目的。生物除磷 主要由这类统称为聚磷菌的微生物完成，该类微生物均属异养型细菌悼】。 厌氧释磷：聚磷菌将体内储藏的聚磷分解，产生的磷酸盐进入溶液中，同时 产生的能量可供聚磷菌在厌氧压抑条件下生理活动之需，还可用于主动吸收外界 环境中的可溶性脂肪酸，在菌体内以聚1 3 一羟基丁酸( p o l y - h y d r o x y b u t y r a t e , p h b ) 的形式储存。细胞外的乙酸转移到细胞内生成乙酰c o a 的过程需要耗能，该能量 也来源于聚磷的分解，聚磷分解导致可溶性磷酸盐从菌体内的释放和金属阳离子 转移至细胞外【9 j ( 见图1 2 ) 。 图1 _ 2 厌氧条件f 聚磷匿的代谢 好氧吸磷：好氧条件下，聚磷菌体内的p h b 分解成乙酰c o a ，一部分用于细 胞合成，大部分进入三羧酸循环和乙醛酸循环，产生氢离子和电子；从p h b 分解 过程中也产生氢离子和电子，这两部分氢离子和电子经过电子传递产生能量，同 时消耗氧【l o l 。产生的能量一部分供聚磷菌正常的生长繁殖，另一部分供其主动吸 收环境中的磷，并合成聚磷，使能量储存在聚磷的高能磷酸键中，这就导致菌体 从外界吸收可溶性的磷酸盐和金属阳离子进入体内i l l 】( 见图1 3 ) 4 图1 - 3 好氧条件下聚磷菌的代谢 生物除磷化学计量学： 厌氧磷释放反应方程式： ( c h 3 c o o h ) l 2 + o 5 ( c 6 q o d 5 ) l 6 + o 3 6 h p 0 3 + o 0 2 3 皿o 乙酸糖原聚磷 斗t 3 3 ( c , 瓯q ) i 4 + 0 1 7 c 0 2 + o 3 6 h 3 l p 0 4 ( 1 - 9 ) p h b 正磷酸盐 h p 0 3 + h 2 0 - a t p + h 3 p 0 4 ( 厌氧磷释放) 聚磷正磷酸盐 ( 1 1 0 ) 好氧磷吸收反应方程式： 毛屿p 0 4 ( 删+ n a d h 2 + 1 2 0 2 寸h 3 p 0 4 l 州+ 致0 体外磷酸盐氧气胞内磷酸盐 ( 1 1 1 ) 马p 0 k 娜+ 彳t p h p 0 3 + 凰d ( 好氧磷吸收) 胞内正磷酸盐聚磷酸盐 ( 1 1 2 ) 聚磷菌是一类生长较慢的细菌，它之所以能在厌氧和好氧系统中占优势，与 的其能够进行聚磷和储存，分解p h b 有关1 2 1 。在厌氧条件下，聚磷菌不能分解外 界有机物来获得能量，可以分解体内的聚磷来获得能量而生长繁殖；在好氧条件 下，聚磷菌在外界可获得的营养基质很少的情况下，分解体内的p h b 获得能量而 生长繁殖。因此，聚磷菌同不聚磷的微生物相比，更能适应厌氧和好氧交替的环 境而成为优势菌群。 1 2 3 生物脱氮除磷技术的新进展 传统的硝化一反硝化生物脱氮工艺，如a o 工艺、a 2 o 工艺等，虽然在废水 5 脱氮方面起到了一定的作用，但仍然存在着以下问题 1 3 , 1 4 。 ( 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较长，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，需要大量能耗，另外后置反硝化工艺 中，由于曝气过程去除了大量的c o d ，在反硝化阶段外加碳源，由此使得运行费 用较高； ( 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 回流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用； ( 4 ) 系统抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长； ( 5 ) 为中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用。 近年来生物脱氮技术的新发展突破了传统理论和认识。许多研究表明1 1 5 - 1 9 1 ， 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( 如t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a ) ，并能把n h 4 + 氧化成n 0 2 。， 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、同步硝化反硝化和厌氧氨氧化。 1 2 3 1 短程硝化一反硝化( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nd e n i t d f i c a t i o n l 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i 删。前者可称为全程硝化反硝化，后者可称为短程硝化反硝 化，见图1 姒、b 。 n h 4 + 一n 0 2 一一n 0 3 一j n 0 2 一- + 2 卜_ 一硝化阶段卜反硝化阶段一i a 全程硝化反硝化生物脱氮途径 n h 4 + 一n 0 2 一j 2 b 短程硝化反硝化生物脱氮途径 图1 4 生物脱氮流程简图 由图l - 4 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 硝盐阶段，阻止n o z 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 + 可氧化控制在n 0 2 骱段，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 的积累及影响其积累的因素也便成为研究的重点和热点所在。影响n 0 2 积累的主 6 要因素有温度、p h 值、游离氨0 认) 、溶解氧( d o ) 、游离羟胺( f h ) 以及水力负荷、 有害物质和污泥龄等( 2 ”5 】。虽然有很多因素会导致硝化过程中n 0 2 的积累，但目 前对此现象的理论解释还不充分。因此，持久稳定地维持n 0 2 。积累的途径( 如选择 性抑制、d o 控制、温度选择等) 还有待进一步的探索。 显然，与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有如下优点田“】：硝化 阶段可减少2 5 左右的耗氧量，降低了能耗；反硝化段可减少4 0 左右的有机 碳源，降低了运行费用；反应时间缩短，反应器容积可减小3 0 - 4 0 左右； 具有较高的反硝化速率( n 0 2 的反硝化速率通常比n 0 的高6 3 左右) ：污泥产 量降低( 硝化过程可少产污泥3 3 弓5 左右，反硝化过程中可少产污泥5 5 左右) ； 减少了投碱量等。因此，对许多低c n 比废水( 如：焦化、石化废水及垃圾填埋 渗滤水等) 的生物脱氮处理，短程硝化反硝化显然具有重要的现实意义。此外，考 虑到致癌、富营养化等因素，系统中n 0 2 的积累和彻底去除应予以高度重视。 1 2 3 2 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 nd e - n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 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，使得同步硝化反硝化成为可能。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【2 瑚】。在s n d 工艺中，硝化与反硝化在同 一个反应器中同时完成。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：节省反应器体积；缩短反应时间；无需要酸碱中和。目前， 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，但已初步形成了三种 解释：即宏观环境解释、微环境鳃释和生物学解释。 宏观环境解释认为例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 硝化同时在缺氧的膜上发生类似的如生物转盘( r b c ) 、s r b 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。 微环境解释是目前已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【现 3 0 】：由于氧扩散的限制，在微生物絮体内产生d o 梯度( 见图1 - 5 ) 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 7 a t 哀銮通盘堂亟堂焦j 金塞! 绪i 金 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。 图1 - 5 微生物絮体内反应区和基质浓度分布示意图 生物学方面对s n d 的解释突破了传统生物脱氮理论的认识。近年来，好氧反 硝化菌和异养硝化菌等的发现，打破了传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成 和反硝化反应只能在厌氧条件下进行的认识。对于好氧反硝化、低d o 下的硝化、 异养硝化、自养反硝化等现象，近年来生物学上的发现和进展己经可以给出令人 满意的答案。许多好氧反硝化菌如7 , i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a 、p s e u d o m o n a s s p p 、 a l e a l i g e n e s f a e e 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 ；- n 转化为最 终气态产物而逸出【3 l 】。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。 但目前尚未有完全使用s n d 进行脱氮的工艺，主要原因是要实现s n d ，溶解 氧必须控制在较低水平，但低溶解氧容易造成污水中的氨氮由于得不到充分硝化 进而影响出水水质。因此目前s n d 只是被利用来辅助脱氮，在保证出水氨氮浓度 达标的前提下，尽量减少溶解氧浓度，如优化氧化沟中转刷曝气机的曝气量和曝 气位置等，提高反应池中s n d 发生的程度，从而降低污水厂的能耗。 1 2 3 3 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 o x ) 。 在催化剂的作用下，通过硝酸盐氧化氨氮进行脱氮在电厂的烟气脱氮处理中 已经大量应用。这个反应同时也给污水氨氮的生物处理提供了一个新思路，能否 直接以h n 4 + 为电子供体，以n 0 3 或n 0 2 为电子受体，在某类微生物的作用下将 n i - h + 转化成n 2 。b o r d a 曾经预言自然界应存在此类反硝化氨氧化菌，其理由是以 n 0 3 或n 0 2 。作为电子受体时m - u * 的氧化所释放的自由能与以氧作为电子受体相 当。1 9 9 0 年，m u l d e r 和g r a a f 等在一个反硝化流化床中发现了厌氧氨氧化现象， 8 从而提出了a n a m x o 工艺。此后，g r a a f 等通过进一步试验，证实了厌氧氨氧化 是由微生物引起的生化反应，最终产物是n 2 ，从而证实了b o r d a 的预言，并发现 厌氧氨氧化中n 0 2 才是关键的电子受体而不是n 0 3 巾2 1 。 厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，微生物直接以n h + 为电子供体，以n 0 3 。或 n 0 2 为电子受体，将n h 4 + 、n 0 3 或n o z 。转变为n 2 的生物氧化过程【2 8 t3 3 瑚1 。目前 推测厌氧氨氧化有多种途径：其中一种包括经n h 4 + 和n 0 2 生成n 2 0 的反应，而 n 2 0 可以进一步转化为n 2 ，n h 4 + 被氧化为n h 2 0 h ：另一种是n h 4 + 和n h 2 0 h 反 应生成n 2 h 4 ，n 2 h 4 被转化为氮气并生成4 个还原性【h 】，还原性【h 】被传递到n c h 还原系统形成n h 2 0 h ；第三种是一方面n c h 被还原为n o ，n o 被还原为n 0 2 ， n 0 2 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 1 4 、n 2 h 2 被转 化为n 2 ，三种可能的途径见图l _ 6 。 在厌氧氨氧化反应的基础上，正在开发的脱氮工艺有a n a m m o x 工艺和 o l a n d 工艺两种。 a n a m m o x 发生的反应可假定为【2 8 】： 5 n h 4 + + 3 n 0 3 一- - h4 n 2 + 9 h z o + 2 h + 或： n h 4 + + n 0 2 一_ 2 + 2 h 2 0 2 9 7 k j m o ln h 4 + - 3 5 8 k j m o ln h 4 + 图l 击厌氧氨氧化的可能代谢途径 与传统的硝化反硝化工艺或同步硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化具有不少 突出的优点。主要表现在：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；硝化反应每氧化lm o ln h 4 + 耗氧2 t o o l ，而在厌氧氨氧化反应中， 每氧化lm o ln h 4 + 只需要耗氧o 7 5 m o l ，耗氧下降6 2 5 ( 不考虑细胞合成时) ，所以， 可使耗氧能耗大为降低；传统的硝化反应氧化l m o l n i - 1 4 + 可产生2 m o l h + ，反硝化 还原l m o ln 0 2 或n 0 3 将产生i m o l o h ，而厌氧氨氧化的生物产酸量大为下降，产 碱量降至为零，可以节省可观的中和试剂。故厌氧氨氧化及其工艺技术很有研究 价值和开发前景 9 j e 瘟奎墟去堂亟堂僮论毫i 缝监 可见a n a m m o x 工艺的污泥活性及其反应器能力都远远高于普通硝化反硝 化工艺，但是氨氧化菌生长速率十分缓慢，仅为o 0 0 3 h ，即倍增时间为l i d 左右， 因此要实现氨氧化菌的富集，需要有较长污泥龄的反应器，如u a s b 、流化床、固 定床和s r b 等；并且氨氧化菌的活性容易受到基质( 氨和亚硝酸盐等) 、p h 值和温 度等的影响，因此目前a n a m m o x 工艺所能达到的负荷并不高。 1 2 3 4 反硝化除磷( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ) 1 9 9 3 年荷兰d e l f t 理工大学的k u b a 在试验中观察到：在厌氧缺氧交替的运行 条件下易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能利 用0 2 或n 0 3 - n 作为电子受体，且其基于胞内p h a s 和糖原的生物代谢作用与传统 a o 中的聚磷菌( p a 0 ) 相似【3 9 钟】。后来，荷兰d e l f t 理工大学和日本东京大学研究 人员确认了这种反硝化菌的生物强化除磷作用，并称之为反硝化聚磷茵 ( d e n i t f i f y i n gp h o s p h o i b $ r e m o v i n gb a c t e r i a , 简称d p b ) 。 反硝化聚磷菌以n 0 3 n 作为电子受体进行吸磷反应时，反应方程式： 岛h 3 e o , ( ) + n a d h z + 2 5 h n 0 3 h 3 p 0 4 + i 5 2 + 6 5 h 2 0 外聚磷酸盐硝态氮胞内磷酸盐 ( 1 1 3 ) 凰p q ( m ) + a t p - - h p 0 3 + h z o ( 缺氧磷吸收) 胞内正磷酸盐聚磷酸盐 ( 1 1 4 ) 基于d p b 和队o 具有相似的代谢机理，研究学者们提出两种假设进行解释： 两类菌属假谢引1 ，即生物除磷系统中的p a o 可分为两类菌属，其中一类只能 0 2 为电子受体，而另一类既能以0 2 为电子受体又能以n 0 3 - n 为电子受体，因此 它们在摄磷的同时还可以进行反硝化；一类菌属假说【4 2 l ，即在生物除磷系统中 只存在一类p a o ，它们在一定程度上都具有反硝化能力，其能否表现出来关键看 a o 交替的环境是否能得到强化，如果严格控制a 区的缺氧条件和0 区的好氧条 件，p a o 具有较强反硝化能力，反之则系统中的p a o 反硝化能力较弱，即p a o 不能进行反硝化除磷。这两类假说都有一定的支持者，但大都赞同两类菌属假说。 m e i n h o l d 在四个平行的反应器中发现，部分除磷污泥在厌氧且无n 0 3 - n 时释放磷， 但加入n 晚- - n 后，n 0 3 - - n 浓度减少，且胞内出现超量摄磷现象l “，说明p a o 在 一定外部条件下可以转变为d p b ，后来大量的报道验证了该结论 4 4 , 4 5 ，并指出聚 磷前厌氧阶段的存在是实现该转变必不可少的前提洳】。m u m l e i m e r 等人还确立了 一种量化d p b 比例的方法，即缺氧摄磷速率和好氧摄磷速率的比值 4 7 1 ，这种方法 对于将反硝化除磷应用于e b p r 模型提供了极大的便利。 1 0 k u b a 等从动力学性质研究认为d p b 在以n 0 3 n 为电子受体时的产能效率较 以p a o 以0 2 为电子受体低4 0 ，缺氧摄磷速率较好氧慢，但d p b 和p a o 具有同 样高的强化生物除磷性能。这是因为合成聚磷的能量小于氧化p h a s 产能，所以聚 磷的合成量与可利用能量的减少没有很大的关系；另一方面p a o 和d p b 的除磷能 力远远大于污水中磷的负荷，所以表观上d p b 和p a o 具有相似的强化生物除磷性 能【郫l 。d p b 比p a o 的产能效率低，即增值速率慢，所以在同样磷负荷的情况下， 污泥产量就少，m u m l e l t u e r 等人报道厌氧缺氧e b p r 工艺的污泥产率较厌氧好氧 低2 0 e 4 9 1 ，k u b a 等通过a e n s b r 双污泥系统试验得出污泥产率较常规脱氮除磷工 艺低5 0 e m l 。由于d p b 可以在缺氧环境下摄磷，这使得摄磷和反硝化( 脱氮) 两个 化学过程借助同一种细菌在同一种环境下完成，实现了“一碳两用”，降低了对碳 源的需求量，k u b a 等通过a 2 n s b r 双污泥系统对磷、氮同时去除所需的最小c o d 进行分析，得出双污泥系统对碳源的需求较常规脱氮除磷工艺低约5 0 c o d 孔】。 缺氧段硝态氮浓度是影响d p