（环境工程专业论文）规模化猪场废水新型生物脱氮除磷技术研究.pdf

摘要 掣iii1 1 1 i iii i ii i ii i 1 1 9 4 2 6 6 i i l l | 6 1 一。y 1 一 摘要 猪场废水是典型的高浓度有机畜禽养殖废水，当前广泛应用于猪场废水处 理的沼气工程( 或厌氧) 产生的沼液由于低c n 增加了后续处理难度，尤其是 规模化猪场沼液的氮磷排放不达标问题日渐突现。猪场沼液的处理逐渐成为水 污染控制及水质保护技术研究热点。本课题立足于猪场废水实验室研究成果上， 开展了猪场沼液的s b b r ( s e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ) 示范工程优化处理研 究，主要结论有： ( 1 ) 猪场沼液属于典型的低c n ( o 9 9 ) 和低c p 废水( 7 0 7 ) 废水，以传 统单一的好氧或厌氧型脱氮除磷工艺直接处理猪场沼液，如课题中的s b b r ，无 法获得较好的处理效果，出水难以达标排放。 ( 2 ) 示范工程运行优化结果证明添加3 0 猪场原水补充碳源方法对沼液的 优化处理在工程上是可行的。优化后的沼液的c o d 、n h 3 - n 和t p 的去除率分 别提高至7 0 、8 3 、和6 8 ，示范工程s b b r 出水c o d 、n h 3 n 和t p 平均 值降低至2 2 0 m g l 、5 3 m g l 和1 3m g l 。 ( 3 ) 示范工程优化后沼液c n 和c p 分别提高到3 0 和1 8 3 ，添加3 0 猪 场原水可以从根本上改善了沼液的可生化性，促进了系统反硝化作用，最终可 减少了6 0 的亚硝酸盐累积量，使t n 去除率提高至6 2 8 。 由于示范工程s b b r 出水t p 含量偏高，仍需进一步处理，而传统生物脱氮 除磷之间的相对独立达不到集成高效处理。为实现猪场废水生物脱氮除磷的有 机融合，本课题通过了解国内外脱氮除磷工艺最新发展，开展了猪场废水的反 硝化除磷和磷化氢释放效能实验室研究，为将来猪场废水新型脱氮除磷工艺的 工程化提供基础数据。猪场废水新型脱氮除磷技术实验室研究主要结论有： ( 1 ) 由于模拟沼液的c p 偏低，a 2 n s b r 直接处理模拟猪场沼液除磷效果 不佳，t p 去除率只有5 3 ，猪场沼液无法实现较好的反硝化除磷效果。 ( 2 ) 提高进水c o d 浓度，即c p 的提高有利于a 2 n s b r 的反硝化除磷能 力，当进水浓度提高7 0 0 m g l 时，a ：n s b r 的对模拟废水的t p 去除率提高到了 7 8 。因此，实际猪场沼液仍需调节其水质，提高c p 才能获得较好的反硝化除 磷效果。 ( 3 ) 猪场原水和猪场沼液的磷化氢释放量分别可达0 0 4 8 m g h 和o 0 3 3 m g h ， 摘要 合计磷化氢产生浓度为9 6 m g m 3 和6 6 r a g m 3 ，比文献报道的最大值高出2 3 数 量级，磷化氢在猪场废水的除磷中有较大的去除潜力。 ( 4 ) 通过不同浓度猪场废水的磷化氢释放量研究发现：c o d 和磷化氢的产 量具有较好正相关性，相关系为o 8 8 ，相关方程为：y ( p h 3 ，m g ) = 0 0 2 8 6 6 + 0 0 0 0 1 6 x ( c o d ，m g l ) ；t p 与磷化氢的产量也呈一定的正相关性，说明c o d 和1 1 p 浓度的 增加能加强微生物对磷的还原作用，有利于磷化氢的产生；n 0 3 浓度的增加将 抑制磷化氢的产生，这在一定程度上说明了磷化氢的还原受了n 0 3 抑制，可能 是因为n 0 3 的还原与磷的还原在电子供体上形成了竞争关系。 关键词：猪场废水；反硝化除磷；磷化氢；脱氮除磷 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s w i n ew a s t e w a t e ri sat y p i c a ll i v e s t o c ka n dp o u l t r yo fh i g ho r g a n i c c o n c e n t r a t i o nw a s t e w a t e r , b i o g a ss l u r r y ( o ra n a e r o b i cd i g e s t i o n ) w h i c hc o m ef r o m b i o g a sp r o j e c t ，aw i d e l yu s e dt r e a t m e n to fs w i n ew a s t e w a t e r ，i sh a r dt ob et r e a ta n d d i s p o s e d ，e s p e c i a l l yt h ep r o b l e mo f e f f l u e n tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h ef u l l s c a l e b i o g a ss l u r r yc a nn o tr e a c hs t a n d a r d sw h i c hi sm o r ea n dm o r es e r i o u s 。t h et r e a t m e n t o fb i o g a ss l u r r yb e c o m e st h er e s e a r c hf o c u so ft h ew a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n dw a t e r q u a l i t yp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nt h er e s u l t so fl a b o r a t o r yr e s e a r c ho ns w i n e w a s t e w a t e r , t h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c to fs b b r ( s e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ) c a r r i e do u tt op u r i f yb i o g a ss l u r r yw i t ha no p t i m i z a t i o ns t u d y , t h em a i nc o n c l u s i o n s a r e ： ( 1 ) t h eb i o g a ss l u r r yw a sat y p i c a ll o wc n ( o 9 9 ) a n dl o wc p ( 7 0 7 ) w a s t e w a t e r , i tc o u l dn o tg e tag o o dt r e a t m e n te f f e c tb yas i n g l ea e r o b i co ra n a e r o b i c t y p eo fn u t r i e n tr e m o v a lt e c h n o l o g yd i r e c t l yt r e a t m e n t , s u c ha ss b b r , a n de f f l u e n t w a sh a r dt or e a c hs t a n d a r d s ( 2 ) t h er e s u l to fo p t i m i z e do p e r a t i o ni nd e m o n s t r a t i o np r o j e c tp r o v e dt h a tt h e m e t h o do fa d d i n ga d d i t i o n a lc a r b o ns o u r c e s 、) l ，i t l l3 0 p i gr a ww a t e rw a sf e a s i b l ef o r t h eo p t i m i z e dt r e a t m e n to ft h eb i o g a ss l u r r yt h er e m o v a lr a t e so fc o d ，n h 3 - na n d t pi no p t i m i z e db i o g a ss l u r r yc o u l db ei n c r e a s e dt o7 0 ，8 3 ，a n d6 8 r e s p e c t i v e l y , a n dt h e e f f l u e n t a v e r a g e c o n c e n t r a t i o no fc o d ，n 1 - 1 3 - n ，t pi ns b b ro f d e m o n s t r a t i o np r o j e c tc o u l db er e d u c e dt o2 2 0 m g l ，5 3 m g l ，a n d13m g l ( 3 ) mc na n dc po fo p t i m i z e db i o g a ss l u r r yi nd e m o n s t r a t i o np r o j e c th a d b e e ni m p r o v e dt o3 0a n d18 3r e s p e c t i v e l y , a d d i n g 淅n l3 0 p i gl a ww a t e rc o u l d r a d i c a l l yi m p r o v et h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fb i o g a ss l u r r ya n dp r o m o t ed e n i t r i f i c a t i o n , w h i c hf i n a l l yc o u l dr e d u c e6 0 o fn i t r i t ea c c u m u l a t i o na n dc a nm a k et nr e m o v a l r a t ei n c r e a s e dt o6 2 8 - e f f l u e n to fs b b ri nd e m o n s t r a t i o np r o j e c ts t i l lf b r t h e rt r e a t m e n tf o rt h el i t t e r h i g h e rc o n c e n t r a t i o no ft p , w h i l et h et r a d i t i o n a lr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n c eo ft h e n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lc a l l tr e a c hi n t e g r a t e da n de f f i c i e n tt r e a t m e n t e f f e c t i no r d e rt oa c h i e v eo r g a n i ci n t e g r a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a li n i i i a b s t r a c t n u t r i e n tr e m o v a lo fs w i n ew a s t e w a t e r , t h i st o p i cc a r r i e do u te x p e r i m e n to n 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 la n dr e l e a s eo fp h o s p h i n ef o rs w i n ew a s t e w a t e rt o p r o v i d eb a s i sd a t af o rf u l t h e rp r o j e c to fn e wn u t r i e n tr e m o v a lt e c h n o l o g yi ns w i n e w a s t e w a t e r t h ee x p e r i m e n ts t u d i e do nn e wn u t r i e n tr e m o v a lt e c h n o l o g yo fs w i n e w a s t e w a t e rc o n c l u d e dt h a t ： ( 1 ) b e c a u s e c pr a t i oo fw a sl o w , t h ee f f e c to fp h o s p h o r u sr e m o v a li n s i m u l a t e dd i r e c t l yb i o g a ss l u r r yt r e a t m e n tb ya 2 n s b rw a sb a d , t h er e m o v a lr a t e so f t pr e m o v a lw a so n l y5 3 ，b i o g a ss l u r r yc o u l dn o ta c h i e v eg o o d d e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v a l ( 2 ) t h ei n c r e a s eo fi n f l u e n tc o n c e n t r a t i o na n dt h ec pr a t i ow a sb e n e f i c i a lt o i m p r o v ed 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 lc a p a b i l i t i e so fa 2 n s b r , w h e ni n n u e n t c o dc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dt o7 0 0 m g l ，t h er e m o v a lr a t eo ft pi n c r e a s e dt o7 8 i n s i m u l a t e dw a s t e w a t e rb ya 2 n s b r t h e r e f o r e ，t h ea c t u a lb i o g a ss l u r r ys t i l ln e e d st o a d j u s ti t sw a t e rq u a l i t y , i n c r e a s e dc pt og e tg o o dd 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 ( 3 ) r e l e a s eo fp h o s p h i n ei np i gr a ww a t e ra n db i o g a ss l u r r yc o u l dr e a c h o 0 4 8 m g ha n do 0 3 3 m g hr e s p e c t i v e l y , a n dg e n e r a t e dc o n c e n t r a t i o nw e r e9 6 m g m 3 a n d6 6 m g m sr e s p e c t i v e l y , w h i c hw e r e2 - 3 o r d e r so fm a g n i t u d eh i g h e rt h a nt h e m a x i m u mc o n c e n t r a t i o nr e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e ，p h o s p h i n eh a dag r e a tp o t e n t i a li n p h o s p h o r u sr e m o v a lo fs w i n e w a s t e w a t e r ( 4 ) s t u d yo np h o s p h i n er e l e a s ei nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fs w i n ew a s t e w a t e r f i g u r e do u t ：c o n c e n t r a t i o n so fc o da n dp h o s p h i n er e l e a s ey i e l dh a dag o o dp o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t hac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fo 8 8 ，t h er e l e v a n te q u a t i o nw a s ： y ( p h 3 ，m g ) = 0 0 2 8 6 6 + 0 0 0 0 16 x ( c o d ，r a g l ) ；c o n c e n t r a t i o n so ft pa n d p h o s p h i n e r e l e a s ey i e l da l s os h o w e ds o m ep o s i t i v ec o r r e l a t i o n , w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ei n c r e a s e c o n c e n t r a t i o n so fc o da n dt pc o u l de n h a n c et h e p h o s p h o r o u sr e d u c t i o no f m i c r o o r g a n i s m sa n dw a sc o n d u c i v et ot h eg e n e r a t i o no fp h o s p h i n e ；i n c r e a s eo f n 0 3 w o u l ds u p p r e s st h ep r o d u c t i o no fp h o s p h i n e ，w h i c ht os o m ee x t e n ts h o w e dt h e i n h i b i t i o no fn 0 3 o np h o s p h o r o u sr e d u c t i o n , t h a tm i g h tb ed u et ot h er e d u c t i o no f n 0 3 a n dp h o s p h o r u sh a dac o m p e t i t i v er e l a t i o n s h i po nt h ee l e c t r o nd o n o r k e yw o r d s ：s w i n ew a s t e w a t e r ；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 ；p h o s p h i n e ； n u t r i e n tr e m o v a l i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 我国水环境整体形势较为严峻。根据2 0 1 0 年中国环境状况公报，2 0 1 0 年七 大水系的2 0 4 条河流4 0 9 个地表水国控监测断面中劣于类水质的断面比例已 达4 0 1 ，总体为轻度污染；2 6 个国控重点湖泊( 水库) 中有2 0 个水质已无法 满足类水质要求，主要污染指标为总氮和总磷。在各大重点湖泊中鄱阳湖水 质较好，面对发展中的鄱阳湖，“一湖清水”的保护压力也逐渐增大。2 0 0 9 年鄱 阳湖全年i i i 类水占6 7 8 ；劣于类水占3 2 2 ，表现为汛期水质好于非汛期， 主要污染物为总磷、氨氮。2 0 0 7 、2 0 0 8 、2 0 0 9 年鄱阳湖全年营养状态指数为4 5 、 4 9 4 、5 0 4 ，2 0 1 0 年鄱阳湖营养状态指数提升到5 0 5 ，呈轻度富营养，鄱阳湖富 营养化趋势凸显。随着鄱阳湖生态经济区上升为国家战略，鄱阳湖定位为长江 中下游水生态安全保障区，其水环境功能的重要性日益彰显，鄱阳湖水污染控 制及水质保护技术也成为了众多研究学者的热点。 水污染源分为工业污染源、农业污染源、生活污染源和集中式污染治理设 施，全国污染源普查结果显示农业污染源( 不包括农村生活污染源) 为主要污 染源；农业污染分别来自于种植业、畜禽养殖业和水产养殖业，其中畜禽养殖 业排放的化学需氧量、总氮和总磷为分别占全国农业污染源总量的9 5 8 、3 7 9 和5 6 3 。江西亦是如此，畜禽养殖业排放化学需氧量、总氮和总磷分别占农业 污染源总量的9 4 0 、3 3 2 和4 1 4 ，畜禽养殖业已然成为重要污染源之一。 我国畜禽养殖业废水一直以来缺乏有效的管理和处理，尤其是规模化养殖 废水。由于规模化养殖场粪污处理技术的不完善，当前全国约有8 0 养殖场粪 污未经处理直接排放，造成日益严重环境污染不容忽视i l 】。统计江西各县( 市、 区) 畜禽养殖污染物排放率，2 6 个县c o d 排放率超过5 0 ，3 9 个县总氮排放 率超过5 0 ；有3 5 个县畜禽养殖总磷排放率超过5 0 ，其中有5 个县甚至超过 8 0 。江西畜禽养殖污染物的处理处置能力亟待加强。 猪场废水属典型的高浓度有机畜禽养殖废水，猪场排放的大量粪尿与冲洗 水混合废水，所含氮、磷污染物浓度非常高，基本上是生活污水的2 0 5 0 倍1 2 j 。 由于猪场规模化饲养能够大大提高生产效率和饲料转换率，生产成本低，规模 第1 章绪论 化猪场养殖迅速繁荣，江西年出栏3 0 0 0 头以上规模养猪场1 3 0 0 多个，出栏万 头以上养猪场3 0 0 个左右，主要分布在鄱阳湖生态经济区内的宜春、南昌和九 江等地。猪场废水的强化处理研究，尤其是高效脱氮除磷工艺的研发对倍受总 氮、总磷污染困扰的鄱阳湖水质保护有着重要意义。 1 2 废水生物脱氮除磷理论及工艺 在众多的废水脱氮除磷技术中，生物法以其经济有效、二次污染低等优点 被广泛运用。近十多年来，许多国家加强了对生物脱氮除磷的研究，以“短程硝 化反硝化”、“厌氧氨氧化”和“反硝化除磷”为标志的一大批新型生物脱氮除磷技 术的先后问世，不仅弥补了传统脱氮除磷工艺的缺陷，提高了废水脱氮除磷效 率，进一步降低了废水脱氮除磷成本，也发展了废水生物脱氮除磷理论。 1 2 1 生物脱氮理论及工艺 传统的生物脱氮理论认为生物脱氮分为三步：第一步氨化作用是将有机氮 转化成氨的生物反应( o r g - n - - - ，n h 3 ) ；第二部硝化作用是将氨氧化为亚硝酸盐和 硝酸盐的生物反应( n h 3 叶n h 2 0 h n o _ n 0 2 。_ n 0 3 ) ，根据微生物类型可分为 自养型硝化作用和异养型硝化作用；第三步反硝化作用是将硝酸盐和亚硝酸盐 还原为氮气的生物反应( n 0 3 。_ n 0 2 。_ n o 蝌2 0 n 2 ) 。相关反应方程式如下： ( 1 ) 硝化作用： n h ：+ 1 3 8 2 0 2 + 1 9 8 2 h c o ；：骂o 9 8 2 n o ；, + 1 0 3 6 h 2 0 + 1 8 9 1 h 2 c 0 2 + o 0 1 8 c 5 h 7 0 2 n n o ；+ 0 4 8 8 0 2 + o 0 1 h 2 c 0 3 + 0 0 0 3 h c o ；+ 0 0 0 0 3 n h ：马n o ；+ 0 0 0 8 h 2 0 + 0 0 0 3 c 5 h 7 0 2 n n h ：+ i 8 6 0 2 + 1 9 8 2 h c o ；马0 9 8 2 n o ；+ 1 0 0 4 h 2 0 + 1 8 8 1 h 2 c 0 3 + o 0 2 1 c 5 h 7 0 2 n ( 2 ) 反硝化作用( 以甲醇为例) ： n o h 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3 骂0 4 7 n 2 个+ 1 6 8 h 2 0 + h c o ；+ 0 0 5 6 c 5 h 7 0 2 n n o ；+ 0 6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 h 2 c 0 3 骂o 4 8 n 2 个+ 1 2 3 h 2 0 + h c o ；+ 0 0 4 c 5 h 7 0 2 n 随着人们对硝化和反硝化细菌的深入研究，对硝化和反硝化过程的认识日 臻全面，氮素的转化和循环过程逐步完善( 如图1 1 ) 。一直归类为严格好氧自 养的硝化细菌通过近年来研究发现其具有丰富的基质多样性和代谢多样性。在 正常情况下，亚硝酸细菌以n h 3 为电子供体，以0 2 为电子受体进行好氧呼吸； 2 第1 章绪论 在0 2 浓度较低的条件下，同时利用0 2 和n 0 2 。作为电子受体；在无0 2 条件下， 单独以n 0 2 作为电子受体。以n 0 2 作为电子受体时，亚硝酸细菌还能利用h 2 、 n h 3 和有机物等多种电子供体，其中利用有机物为电子供体的是短程硝化反硝 化，利用n h 3 为电子供体则为短程硝化厌氧氨氧化作用【3 j 。在正常情况下，硝酸 细菌进行好氧呼吸，即可以n h 3 为电子供体，以0 2 为电子受体，自养生长；而 在无0 2 但存在n 0 3 。的条件下，转变为厌氧呼吸，即以有机物为电子供体，以 n 0 3 为电子受体，即同步硝化反硝化作用；在没有0 2 和n 0 3 的条件下，甚至进 行发酵作用，即以有机物为电子供体和电子受体，异养生长【4 】。 而反硝化作用则实质上是一个n 0 3 生物还原过程，可分为同化n 0 3 还原和 异化性n 0 3 还原，区别在于同化性n 0 3 还原产物( n h 3 ) 被用于合成细胞物质， 异化性n 0 3 。还原产物( n h 3 或n 2 ) 则不然。人们通常把产物为n 2 的异化n 0 3 还原作用称为“反硝化作用”。 图1 1 氮素循环及生物脱氮原理酣5 - 7 】 f i g 1 1d i a g r a mo fn i t r o g e nc y c l i n ga n db i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l 在短程反硝化、同时硝化反硝化和厌氧氨氧化等新型脱氮理论发展的同时， 随之而来的是各国开发的新型脱氮技术，表1 1 简要介绍了近几年来发展起来的 新型脱氮工艺。 3 第1 章绪论 表1 1 生物脱氮理论与技术发展 t a b 1 1 d e v e l o p m e n to f t h e o r ya n dt e c h n o l o g yi nb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l 工艺理论简要原理 特点 久| o 全程硝化 硝化作用至n 0 3 ，n 0 3 型硝化和反硝化在不同 ( a n o x i c o x i c ) 反硝化 后被反硝化作用至n 2 反应器中发生，需回流f 8 1 0 s h o r o n ( s i n g l er e a c t o rf o r 短程硝化 硝化作用至n 0 2 止， n 0 2 - 型硝化和反硝化在不同 h i 曲a c t i v i t ya m m o - 反应器中发生，需回流； n i ar e m o v a lo v e r 反硝化后反硝化作用至n 2 需氧量少，碳源需求低们。 n i t r i t e ) s n d 硝化作用产物n 0 2 或 硝化和反硝化在单个反应器 ( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i - 同时硝化 或生物膜中发生，p h 稳定， c a t i o na n dd e n i t r i f i 反硝化 n 0 3 直接成为反硝化 曝气量少，碳源需求低，基 c a t i o n ) 作用底物生成n 2 建费低【1 1 1 。 a n a m m o x 硝化作用产物n 0 2 或 硝化和厌氧氨氧化在不同反 ( a n a e r o b i c 厌氧氨氧化 n 0 3 与n h 4 + 发生厌氧 应器中发生，需回流； a m m o n i u m o x i d a t i o n ) 氨氧化作用生成n 2 需氧量少，碳源需求低【1 2 13 1 。 c a n o n 亚硝酸细菌与厌氧氨 n 0 2 型硝化和厌氧氨氧化在 ( c o m p l e t e l ya u t o - 短程硝化 单个反应器或生物膜中发 t r o p h i cn i t r o g e n厌氧氨氧化 氧化细菌协同以n h 4 + 生，需氧量少，无需外加碳 r e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 还原n 0 2 。至n 2 源，基建费低【14 1 。 o l a n d 亚硝酸细菌以n l 4 + 为 n 0 2 型硝化和厌氧氨氧化以 ( o x y g e nl i m i t e d 短程硝化基质发生歧化反应，同一种细菌为主体，需氧量 a u t o t r o p h i c n i t r i f i c a t i o nd e 厌氧氨氧化以n h 4 + 还原生成的少，无需外加碳源，基建费 n i t r i f i c a t i o n ) n 0 2 。至n 2 用矧15 1 。 由表1 1 可以看出，生物脱氮工艺都是朝着需氧量少、需碳源量低和基建费 低等经济、高效、低耗的可持续方向发展的，国内外研究者们对这些新技术和 新工艺已进行了较为深入的研究，有些已经应用于实践中，但这些新技术的原 理、工艺还不够成熟，其原理、工艺及其影响因素还有待于进一步的研究，应 用范围有待于进一步推广。 1 2 2 生物除磷理论及工艺 自从1 9 5 9 年s r i n a t h 发现污水处理站的“过量”吸磷现象以来，许多研究者们 尝试着去解释这种的生物吸磷现象。传统的生物除磷理论是在厌氧好氧交替环 境中通过“聚磷菌”( p o l y - p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n gm i c r o o r g a n i s m s ，p a o ) 的“过量” 吸磷，以聚磷的形式贮存在微生物体内形成富磷污泥排除系统外，从而达到除 磷的效果。 生物除磷过程通常包括厌氧释磷和好氧缺氧吸磷两个过程，在厌氧条件下， 4 第1 章绪论 p a o 吸收有机物( h a c ) ，进行转化并以p h b ( 聚1 3 羟基丁酸盐，属于p h a 范 畴) 的形式储存于细胞内。由于p h b 相对于h a c 具有更低的还原状态物，所 以在此转化过程中必须有以n a d h 2 形式存在的还原能力。n a d h 2 是在p a o 体 内通过转换贮存的糖原质为p h b 时形成。所需的能量( a t p ) 来源于聚磷酸盐 的水解，从而也使活性污泥中正磷酸盐浓度降低，即释磷作用。在好氧或缺氧 条件下，p h b 被氧化成c 0 2 ，而n a d h 2 被释放并转化成a t p ( 三磷酸腺苷) 。 a t p 产生能量用于聚磷菌的生长、在细胞体内以聚磷酸盐的形式贮存磷和合成 糖原质，即吸磷过程。其代谢模式如图1 2 所示。 图1 2 聚磷菌新陈代谢的生化过程 f i g 1 2 b i o c h e m i c a lp r o c e s s e so fm e t a b o l i s mi np h o s p h a t ea c c u m u l a t i n gb a c t e r i a 随着人们对生物除磷的持续关注和研究，十九世纪七八十年代，研究者在 试验中发现缺氧反硝化过程中磷的快速和过量吸收的现象，并证实了n 0 3 作为 电子受体吸磷的可行性【1 啦! 1 。接着，p o l a c 和w a n n e r 2 2 2 3 1 都证实了缺氧条件下一 些p a o 具有反硝化能力。1 9 9 3 年k u b a t 2 4 】发现厌氧缺氧交替的环境可以富集一 类能利用n 0 3 。作为电子受体吸磷的p a o 。1 9 9 6 年b a k e r 和k u b a 【2 5 ，2 6 】在改良的 u t c 工艺发现活性污泥也存在反硝化除磷现象并证明了有一种p a o 既能利用 0 2 也能用n 0 3 作为电子受体。进入二十一世纪，n 0 2 作为电子受体吸磷的可行 性及其效果成为了研究热点，大量研究表明0 2 、n o a 和n 0 2 均可作为电子受体 5 第1 章绪论 吸磷【2 7 之9 】。人们将这种能够利用0 2 和n 0 3 。( 或n 0 2 ) 为电子受体，代谢模式与 传统聚磷菌p a o 类似的微生物称之为反硝化除磷菌( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v i n gb a c t e r i a ，d p b ) ，而反硝化除磷就是在厌氧缺氧交替的环境中通过d p b 的代谢完成过量吸磷的过程。 当前，大多数学者，包括g e r b e r ( 1 9 8 7 ) 、c o m e a u ( 1 9 8 7 ) 、v l e k k e ( 1 9 8 8 ) 、j o h w a n a h n ( 2 0 0 2 ) 等人更倾向于采用分类菌属说来对反硝化除磷的解释，即认为p a o 可 以分为两大类，一类只能利用0 2 作为电子受体，另一类则既能利用0 2 和n 0 3 。 作为电子受体。甚至有学者提出p a o 可以分为三类【3 0 】，第一类只能利用0 2 作为 电子受体；第二类可以利用0 2 和n 0 3 。( 或0 2 和n 0 2 ) 作为电子受体，第三类 则可以利用0 2 、n 0 2 和n 0 3 作为电子受体。而k u b a 等学者【3 1 , 3 2 】仍坚持一类菌 属说，认为生物除磷系统中只存在一类p a o ，它们的反硝化能力取决于厌氧缺 氧交替环境是否能诱导和强化其反硝化酶系，可以将其称为“环境诱导学说”：即 环境诱导并强化p a o 的反硝化酶系，系统中的p a o 就具有反硝化除磷的能力， 反之p a o 就没有这种能力。 综上，d p b 与p a o 最大区别就是吸磷时电子受体的多样化，以n 0 3 型反硝 化除磷为例，生化反应过程为田】 c 2 h 4 0 2 ( p h b ) + o 1 6 n h ：+ 0 2 p o + 0 9 6 n o ；里颦o 1 6 c 5 h 7 n 0 2 + 1 2 c 0 2 + 0 2 h p 0 3 ( 聚磷) + 1 4 h 。+ 0 4 8 n 2 + o 9 6 h 2 0 可知0 9 6 m o l n 0 3 作为电子受体脱氮可以吸收0 2 m o l p 0 4 3 。正是这种多元的代谢 模式让基于d p b 的反硝化除磷工艺把反硝化脱氮和生物除磷这两个原本具有基 质竞争的作用合二为一，大大减少了碳源的需求。有研究认为反硝化除磷工艺 节省c o d 约5 0 ，节省氧约3 0 ，剩余污泥量减少5 0 左右l 驯。反硝化除磷工 艺的发展现状见表1 2 中的b c f s 工艺、d e p h a n o x 工艺、a 2 n 和a 2 n s b r 工艺 1 2 3 典型生物脱氮除磷组合工艺 表1 2 和图1 3 1 1 0 罗列了几种发展起来的典型生物脱氮除磷工艺，并对他 们的特点进行了简要分析。从表1 2 中可看出生物脱氮除磷组合工艺的改良和发 展都是通过各种手段，包括前置反硝化、污泥回流、混合液内循环、超越进水 等等，来减少甚至是消除n o x 对p a o d p b 厌氧释磷作用的影响从而保证系统的 除磷效率。为了解决硝化菌、反硝化菌与聚磷菌在泥龄、碳源、硝酸盐上的矛 盾和竞争，双污泥系统运用而生。它将硝化菌独立于反硝化菌而单独存在，解 6 第1 章绪论 决了硝化菌和反硝化菌泥龄的矛盾问题，引入反硝化除磷理论，将脱氮除磷有 机的融合在一起。我国的p a s f 工艺、b i c t 工艺就是双污泥工艺的成功运用【3 5 3 们。 纵观脱氮除磷组合工艺近半个世纪的研究历程，它正朝着组合化、高效集约、 低能耗方向发展，目的都是在高效脱氮除磷的基础上降低曝气和回流所需能耗， 减少脱氮除磷对碳源的需求，减少污泥的产量，更好地迎合c n 或c p 相对较 低的废水处理要求。 针对低c n 废水的脱氮除磷更需要保证聚磷菌优先获得这有限的碳源，这 对厌氧环境中硝酸盐浓度有较为苛刻的要求。单污泥系统选择的是对进水进行 调配，前置反硝化消除硝酸盐的影响，增加混合液循环或进水超越保证厌氧释 磷作用，也可直接调节废水至反硝化和释磷作用所需碳源浓度，但是都难以根 除硝酸盐对除磷的影响。双污泥系统则选择的是后置反硝化，污泥超越的方式 让反硝化和除磷作用结合发生反硝化除磷，硝化细菌和反硝化除磷菌各自独立 生长，进水碳源完全供给释磷作用，脱氮除磷效率高。所以说双污泥反硝化除 磷工艺非常适合低c n 废水的脱氮除磷要求。 目前双污泥反硝化除磷工艺大多还处在实验室研究阶段，反硝化除磷理论 的应用范围有待于扩展。人们对反硝化生物除磷的确切机理和影响因素还不是 很明了，双污泥反硝化除磷工艺在运行中暴露出的诸多问题无法从根本上得到 解决。有必要继续深入d p b 脱氮除磷机理的研究，完善对脱氮和除磷的效率、 容量与相关工艺参数的研究，确定微生物最优的生存条件和最佳的脱氮除磷工 况，为优化系统和反应器的设计提供依据，以达到脱氮除磷系统的高效低消耗 的处理水平。 7 第1 章绪论 表1 2 生物脱氮除磷t 艺发展现状 t a b 1 2d e v e l o p m e n to fb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a lt e c h n o l o g y 工艺名称 类型特点 醅b 连续流前置 工艺简单停留时间短，不宜膨胀，无须投药；存在泥龄、碳源、硝酸盐等矛盾，c n 至少 a n a e r o b i c a n o x i e o x i c 反硝化单污泥为4 5 f 3 7 1 。 p h o s t r i p 及改良p h o s l r i p 连续流前置与侧流化学除磷结合的生物除磷丁艺，释磷池中p a o 释磷程度易受限制，硝酸盐直接影 反硝化单污泥 响p a o 释磷，投药将影响系统的p h ，存在化学污泥【豫i 。 u c t ，m u c t ，v i p 连续流前置避免硝酸盐进入厌氧区，保证了聚磷菌释磷所需的碳源，适合低碳废水处理；当缺氧区脱 ( u n i v e r s i t yo fc a p et o w np r o c e s s 反硝化单污泥氮小完全时硝酸盐仍町进入厌氧区十扰释磷作用t 3 9 4 0 1 m o d i f i e du c t a t i r g i n ai n i t i a t i v ep r o c e s s ) 连续流前置反硝化可以优先获得碳源，可降低1 日l 流污泥中硝态氮对后续厌氧池中聚磷菌释磷作用的不 改良a 2 o 、倒置a 2 1 0 反硝化单污泥利影响，为后续好氧吸磷提供充足能羹t 1 4 1 4 2 l 。 b a r d e n p h o j h b p h o r e d o x 连续流前置 可进行深度脱氰，难以实现完全除磷，需投药：若l n i 流硝酸盐浓度低，前置厌氰区聚磷菌 ( b a r n a d - d e n i t r i f i c a t i o n p n o s p h o r u sr e m o v e d 反硝化单污泥 可获得足够碳源，则系统在低负衙运行时町提高脱氮效率；s r t 对脱氮除磷的效果影响很 j o h a n n e s b u r g p h o s p o r o u sr e d u c t i o no x i d a t i o n )大，脱氮除磷且相十扰1 4 3 4 4 1 。 c a s s间歇式前置分为选择器、预反应区和主反应器，曝气、沉淀、闲置时进水，滗水时停止进水，连续出 ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) 反硝化单污泥 水；脱氮除磷效果较好，但小适合低碳废水的处理【4 5 拍1 。 m s b r 及改进m s b r间歇式前置s b r 和a 2 ，o 的有机结合，连续进水、连续 j 水、常水位运行、池容和设备利用率高于s b r ， ( m o d i f i e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r )反硝化单污泥能耗较低，低碳源废水的脱氮除磷效果较好，操作复杂1 4 7 。钔。 b c f s连续流前置! j 测流化