（环境工程专业论文）铁内电解法与生物法耦合脱氮工艺的研究.pdf

摘要 本课题提出在s b r 反应器内部设置以铁刨花为原料的内电解反应装置，通 过化学与生物降解的耦合反应，实现短程硝化反硝化生物脱氮。根据研究结果， 通过控制d o ，h r t ，p h ，e a 等反应条件，耦合生物短程脱氮工艺在常温2 5 条件下，能实现稳定的短程硝化反硝化生物脱氮。 通过对比实验，证实了铁对亚硝化有显著的促进作用，铁的存在是影响短 程硝化反硝化的主要因素。实验证实了铁离子浓度与亚硝化过程有密切的关系， 一定浓度的铁离子对亚硝化过程有促进作用，废水中铁离子浓度3 0 - , o m g l ，氨 氮的去除率维持在9 0 左右；当铁离子浓度大于7 0 m g l 时，对亚硝化过程的促 进作用不明显。通过对耦合脱氮系统的影响因素的研究，发现了耦合硝化系统 中p h 值和d o 浓度的变化规律，并就p h 和d 0 对耦合短程脱氮的影响得出了新 的结论。研究证实，内设铁床的耦合生物反应器内与常规反应装置相比，亚硝 酸菌对p h 的适应范围更大，为7 5 胡5 ，而在常规反应器内亚硝酸菌生长的最 佳p h 范围为8 由。从而使该工艺在工程实践中有更为广泛的适用性。该研究通 过对硝化过程p h 的在线监测，发现了一周期内随p h 的变化出现特征点的现象 并据此提出了以p h 为参数，在实际水处理中进行实时控制的设想。研究表明， 在d o 浓度较高的情况下仍然可以实现短程脱氮，这是添加铁床的耦合短程脱氮 与普通短程脱氮的不同之处。研究发现，d o 大于4 0m g l ，氨氮去除率达到 8 0 以上亚硝酸盐累积量加大。高d o 浓度加速铁刨花的腐蚀，导致混合液中 铁离子浓度明显提高，铁离子对亚硝化的促进作用明显，从而实现亚硝酸菌的 增值。根据温度影响因素试验的结果，证实了在常温条件( 2 0 2 5 1 2 ) 下，生物 铁活性污泥通过控制进水氨氮浓度，调节反应的p h ，完全可以实现废水生物处 理的短程硝化反硝化生物脱氮，此时亚硝化率达到8 0 以上。实验研究了不同 盐度下，氨氮浓度、p h 值、温度等因素对含盐废水短程硝化反硝化的影响。结 果表明，含盐量增加有助于亚硝酸盐的积累。在含盐量1 7 5 9 m g l - - 2 4 6 3 0 m g l 范 围内通过提高迸水p h 值和进水氨氮浓度可以使亚硝酸盐积累率 n 0 2 - ( n 0 2 - + n 0 3 1 达到9 0 以上。这表明亚硝酸菌有较高的耐盐性，能在高盐环境中保持 良好的活性。本课题通过对耦合反应器内微生物的生物学特性的研究证实，耦 合生物脱氮工艺能显著的改善污泥沉降性能，预防污泥膨胀的产生。通过对耦 合短程脱氮机理的分析探究，对脱氮路径做出了解释：耦合短程脱氮仅是在生 物铁活性污泥生化反应作用下的结果，铁的作用通过对硝化过程中硝化菌活性 的影响而实现，耦合脱氮过程中同时存在同时硝化反硝化( s n d ) 。 为了验证该工艺在工程上的应用性，采用该工艺进行了处理复杂难降解工 业废水的生产性试验研究。研究表明，催化铁内电解法可以明显提高难降解工 业废水的可生化性。该工艺中化学除磷和生物除磷的结合，为除磷工艺的发展 开辟了新的思路。本研究还对耦合短程脱氮工艺进行了经济技术核算，证实该 工艺与传统，可以节省动力消耗、降低污泥产率、减少反应器容积、提高反应 速率。 关键词：短程硝化反硝化，耦合，亚硝酸菌，铁刨花 a b s t r a c t a b s t r a c t i n n e re l e c t r o l y s i sd e v i c ec o n s i s to fi r o n - s c r a pw a ss e ti n s i d eo fs b rr e a c t o ri n t h i sr e s e a r c h s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o nc a nb ec a r r i e do u tb yt h ec o u p l i n g b e t w e e nc h e m i c a lr e a c t i o na n db i o d e g r a d a t i o n t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h e r e i sas t a b l ea n de f f i c i e n tn i t r i t ea c c u m u l a t i o nt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h em a j o rf a c t o r sa s t h ef r e ea m m o n i a ( f a ) c o n c e n t r a t i o n , t h e p h ，t h et e m p e r a t u r e ，t h ed i s s o l v e d o x y g e n ( d 0 1c o n c e n t r a t i o na n ds oo na tn o r m a lt e m p e r a t u r e2 5 c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n ta n a l y s i sc o n f i r m e dt h a ti r o ni nt h er e a c t o r h a sa s i g n i f i c a n ta u x o - a c t i o nt on i t r o s a t i o n 。a n di sam a j o rf a c t o ri s s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n t h es t u d ys h o w st h a tt h ei r o ni o nc o n c e n t r a t i o nh a sa nd i r e c t i n f l u e n c eo nc o u p l i n gn i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t i o np r o g r e s s w h e nt h ei r o n i o nc o n c e n t r a t i o nw a sf r o m1 1 8 5 m g lt o1 9 5 m g l , t h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y w a sa b o v e 9 0 p h i s a n i m p o r t a n t f a c t o r a f f e c t i n g s h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c u t i o n i nt h e c o u p l i n gr e a c t o r t h ee x p e r i m e n t s t u d i e dt h e i n c r e a s eo fa m m o n i an i t r o g e na n da c c u m u l a t i o no fn i t r i t eu n d e rt h ec o n d i t i o no f p h = 7 5 - 9 5i nt h ec o u p l i n gp r o c e s s ，a n dt h er a n g eo fp hw a sg r a t e rt h et r a d i t i o n a l p r o c e s sa sf r o m8 0 t o9 0 r e s e a r c hs h o w st h a tp ha l t e r a t i o nh a so b v i o u sl a wi ns h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s s o m ec h a r a c t e r i s t i cp o i n tw a si nt h ep r o f i l eo f p h a c c o r d i n gt o t h er u l eo fp ha l t e r a t i o n , t h e a u t o m a t i o ni ns h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t i o nc o u l db er e a l i z e d t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tt h e h i g hd oc o n c e n t r a t i o n 鹬m o r et h a n4 0 m g lh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nc o u p l i n g n i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o nr e a c t i o np r o g r e s s f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l 协s h o w s , h i g h e rd oc o n c e n t r a t i o na c c e l e r a t ec o r r o d eo fi r o ns c r a p t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a t t h en i t r o g e nd e g r a d a t i o n e f f i c i e n c y i s s a t i s f a c t o r y a tn o r m a lt e m p e r a t u r ei nt h e c o u p l i n gr e a c t o r u n d e rt h ec o n d i t i o no f2 5 ，t h ea v e r a g er a t eo fn i t r o s a t i o n 【n 0 2 - ( n 0 2 - + n 0 3 - ) 拇a b o v e8 0 b yi n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n ta m m o n i a f i n a l l yw ec o n c l u d e dt h a tt h es t u d yo ns h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o na tn o r m a l t e m p e r a t u r eh a ds i g n i f i c a n tp r a c t i c a lv a l u eo nt h et r e a t m e n to fw a s t e w a t e rh a v i n g 1 1 1 h i g ha m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n s e v e r a lp a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d e ds a l i u l t y , p 也 n h 4 + - n a n dt e m p e r a t u r ew e r es t u d i e d t oe v a l u a t et h e i re f f e c t st ot h e s h o i t c u t n i t r i f i c a t i o n - d e n i c i f i c a t i o ni nt h et r e a t m e n to fs a l i n f t yw a a t e w a t e gw i t hc o u p 妇gp r o c e s s t h e r e s u l to fe x p e r i e n c e si n d i c a t e dt h a tt h ei n c r e a s i n go fs a t i n i 哆c o n d u c et ot h ea c c u m u i n t o no f n i t r i t e t h ea v e r a g er a t eo fn i t r o s a t i o n n 0 2 - 1 ( n 0 2 - + n 0 3 - ) 1i sa b o v e9 0 d e p e n d i n gi n c r e a s i n g t h ec o n c e n t r a t i o no fi n f l n tn h 4 + - na n dp av a l u ew h e nt h es a l i n i t yi s i nt h er a g eo f 1 7 5 9 l i l g i 力牺咖鲫。t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tu l t r o s o m o nh a v es t r o n ge n d u r a n c et os u l i n i l y a n d nk e e pn i c e ra c t i v i t yi nt h ee n v i r o n m e n tc o n t a i n i n gh i g h l y - c o n c e n t r a t e ds a l t 髓eb i o l o g i c c h a r a c t e ro fa c t i v a t e ds l u d g ei nt h ec o u p l i n gr e a c t o rw a ss t u d i e d t h er e s e a r c h s h o w e d t h a tt h ec o u p l i n gp r o c e s sc a ne v i d e n t l yi m p r o v et h es l u d g es e d i m e n t a t i o na n d p r o v i d ea g a i n s ts l u d g ec a u s e db yh y p h o m y c e t e s n 忙r e a c t i o nm e c h a n i s ma n a l y s i s o ft h e c o u p l i n g p r o c e s s i n d i c a t e st h er e a c t i o n p a t h w a y o f s h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o n t h er e s u l ts h o w si r o ni o np l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nt h e r e a c t i o n t h e r ei sa ne f f e c to fs i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) i nt h e n i t r i f i c a t i o n i n - p r o c e s s i n gt e s tt r e a t i n gc o m p l e xi n d u s t r i a lw a s t e w a t e rw a sd o n ef o rd e e p l y d i s c u s s i n gt h ee f f e c to ft h ei r o ni n n e re l e c t r o l y s i sp r o c e s si nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sp r o c e s si r o ni n n e re l e c t r o l y s i sp r o c e s sc a no b v i o u s l y i n c r e a s et h e b i o d e g r a d a b i l i t yo fw a s t e w a t e r t h ei n t e g r a t e db i o l o g i c a l - c h e m i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s so b v i o u s l yi n a e a s e dt h er e a c t i o nr a t ei nt h ei r o ni n n e r e l e c t r o l y s i sp r o c e s s s o ，t h eu s i n go ft h i sp r o c e s ss h o w st h a ti th a sd i s t i n c ta d v a n t a g e i nt h ef i l e do ft h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n do p e nu pt h en e wp a t h w a yo f p h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s i nt h e f i n a l i t y , t h e f a x ) n o t e c h n i c a l a n a l y s i s o ft h e c o u p l i n g s h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s st h ec o u p l i n gw a sa c h i e v e d t h er e s u l ti n d i c a t e d t h a tt h i sp r o c e s sc a ni n c f e a s er e a c tr a t e ，d e c r e a s er e a c t o rv o l u m e ，s h o r t e nr e a c tt i m e ， r e d u c es l u d g eo u t p u t s h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o n ，c o u p l i n g , n i t r o s o b a c t e r i a , i r o n - s c r a p i v 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：窭落缛签名：乒降绀 6 年g 具迟e t 第1 章引言 第1 章引言 1 1 废水生物脱氮的研究进展 1 1 1 水环境与污水中氮的来源与危害 在地面水环境中，各种形式的氮( 氨氮、硝态氮和有机氮) 可以通过大气 降尘 降水、地表径流、浅层地下水、城市污水和工业废水的排放而进入地面 水体，另外大气中的氮也可以通过蓝绿藻和某些细菌的生物固氮作用进入地面 水体。对于地下水环境和土壤来说，氮的来源包括化肥的使用、城市和工业废 水的排放。 含氮物质进入水环境的途径包括自然过程和人类活动两个方面。其中人类 活动造成的水体中氮的来源主要有以下几个方面： 1 工业废水未经处理直接进入河道和水体：这类污水的氮磷含量高，如进入 自然水体，造成藻类过渡生长的危害性最大。例如1 9 7 7 年8 月在我国天津进海 区发生的因富营养化引起的赤潮，微型腰鞭毛目生物过度生长，其原因就是水 体中受纳了大量的污水，导致水中氮、磷和c o d 增高。大量的氮磷的进入严重 破坏了水体中原有的生物群落结构。 2 污水处理厂出水：采用常规工艺的污水处理厂的排放水都含有相当数量的 氨氮和硝酸盐氮，这是城市污水经过常规二级处理但城市河道依然出现水质富 营养化和黑臭的重要原因之一 3 面源性的农业污染物，包括肥料、农药和动物粪便等。我国太湖水质富营 养化的重要成因就是面源性的农业污染。肥料和农药从农田中流失，包括通过 雨水冲淋、农业排水和地表径流带入河道和水体，成为直接的营养源。人工合 成的化学肥料和农药是水体中氮的主要来源。施入农田的氮肥只有一部分被农 作物吸收，未被农作物吸收的氮肥超过5 0 ，有的甚至超过8 0 。为了取得高 额农作物产量，农田用肥量越来越高，加上科学旌肥推广问题的存在，进入水 体中的流失肥料数量也必然越来越高。有机肥料也可能经过微生物的分解，成 为可溶性无机盐，然后进入地下水和江河湖泊。此外养殖业废料与动物排泄物， 第1 章引言 氮的含量也很高，也会大量进入水体。 氮对水环境质量最主要的危害就是会造成水体的富营养化，这不仅在经济 上造成损失，而且危害人类健康。富营养化的水体在很多方面都被认为是劣质 水体。其主要影响和危害有以下几个方面： 1 使水味变得腥臭难闻 处于富营养化状态的水体会出现很多藻类的过度繁殖。使饮用水产生很多 霉味和臭味。藻类发出的这种腥臭，向湖泊周围的空气扩散，直接影响人们的 正常生活，给人以不舒适的感觉，同时也大大降低了水的质量。 2 降低水体的透明度 在富营养的水体中生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻，浮在水面 上形成“绿色浮渣”在我国一些地区富营养严重的水质透明度仅为0 2 m 。众所 周知，城郊湖泊水体在现代城市生态系统中占有重要地位，水体透明度的下降 将会使得大量的城市和郊区湖泊水体在功能、用途和经济效益方面大大降低。 3 消耗水体中的溶解氧 在富营养湖泊的深层，由于密集藻类的存在，阳光很难射入到深层，使得 深层水体的光合作用受抑制，从而导致溶解氧的减少严重时可以使水中的溶 解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，从而触发或者加速底泥积累的营养物质的释放， 造成水体营养物质的高负荷，形成恶性循环。 4 向水体释放有毒物质 许多藻类能分泌、释放有毒物质，不仅危害动物，而且对人类健康有严重 影响例如沟藻属( g o n y a u l a x ) 的一些种产生名为s a x o t o x i n 的毒素，分子量约 为3 7 0 ，致死剂量为9 9 9 k g 体重，这类毒素存在于贝壳类中，人因食用会导致 中毒【。 5 影响供水水质并增加制水成本 一方面，藻类增值旺盛会给净水厂的过滤过程带来障碍，水藻经常会阻塞 滤池。另外，富营养水体在一定条件下因为厌氧产生硫化氢、甲烷及氨气等有 毒有害气体，从而增加水处理的难度。水体富营养化带来的危害除上述之外， 还对水生生态和渔业存在严重影响 除了造成水体的富营养化以外，氮污染物对水环境质量还存在其他危害， 其中最主要的影响是城市污水厂出水所含氨氮，由于硝化作用而消耗地面水体 中的溶解氧。在典型的二级处理出水中，含氨氮2 0 - - 4 0m g l , 需氧量为9 0 - 1 8 0 2 第1 章引言 m g l 。另外，鱼类对水中游离氨( e a ) 的浓度十分敏感，即使f a 含量极低， 也会影响鱼鳃中氧的传递，水中e a 对鱼的致死量为1m g l ，美国环保局对保护 淡水生物的水质标准为f a 的含量不应超过0 2m g l 除上述之外，硝酸盐的公 共卫生问题也越来越得到广泛的重视。硝酸盐和亚硝酸盐被人体吸收，可以导 致人体血红蛋白的变性，还可在人体内转化成致癌物质亚硝胺，对人体健康带 来严重危害。近二十年来，多数国家的地表水和地面水中硝酸盐的含量呈上升 趋势，一个很重要的原因的就是水体中各种氮素来源的氧化。 1 1 2 常规污水处理工艺中氮的转化与去除 城市污水中氮的存在形式以有机氮和氨氮为主，一般情况下，硝态氮仅1 巧 m g 几，污水生物处理过程中氮的转化包括氢化、同化、硝化和反硝化作用。 1 氨化作用 污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在，蛋白质水解为氨基酸， 氨基酸在脱氨基酶的作用下脱氨基生活污水中的氨氮主要来源于尿素的水解 2 同化作用 在生物处理过程中，污水的一部分氮( 氨氮和有机氮) 被同化成微生物细 胞的组成部分。 3 硝化作用 氨氮氧化成硝酸盐的硝化反应由两组在传统上被认为是自养型好氧微生物 通过两个过程来完成，第一步由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，第二步由硝 酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。在伯杰氏细菌鉴定手册第8 版中将它们统归于 硝化杆菌科7 个属：硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 、硝化刺菌属( n i t r o s p i n a ) 、硝化球 菌属( n i t r o c o c ，c ) 、亚硝化单胞菌属( n i t r o s o m o n a s ) 、亚硝化螺菌属( m t r o s o s p i r a ) 、亚硝化球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 和亚硝化叶菌属( m t r o s o l o b u s ) ，共1 4 种在伯杰氏细菌鉴定手册第9 版中收录了除上述7 属外还有另外2 属( 硝化螺 菌属n i t r o s p i r a 和亚硝化弧菌属n i t r o s o v i b r i o ) 共2 0 种除了上述专性化能自养 微生物外，有些异养微生物能进行硝化作用如恶臭假单胞菌( p s e u d o m o n a s p u t i d a ) 、脱氮副球菌( 砌m c d c c 淞d e n i t r i f i c a n s ) 、粪产碱杆菌( a l c a l i g e n e f a e c a l i s ) 等1 2 1 这些微生物可以在低碳条件下进行硝化作用，也可以在有机土环境中进行 硝化作用。目前，被公认的氮在硝化过程中的转化途径如下【2 】： 3 第1 章引言 表1 1 硝化过程中氮的转化 氮的价态变化氦的转化 - 3 n h 3 ，n h ， - 2 1 羟胺n h 2 0 h o n 2 + 1硝酰基n o h + 2 n 0 2 n h o h + 3 驱硝酸盐n 0 2 - “ + 5 硝酸盐n o f 生物硝化过程受多种影响因素影响，包括温度、溶解氧、p h 、c n 、有毒物 质等等。 4 反硝化作用 反硝化过程是由一群异样型微生物完成的生物化学过程。在缺氧( 不存在 分子态溶解氧) 条件下，将n 0 2 - 和n 0 3 - 还原成气态n 2 或者n 2 0 、n o 。参与这 一生化反应的是反硝化菌。反硝化菌属于兼性菌，在污水处理系统中很常见： 例如变形杆菌( p r o t e u s ) 、微球菌属( m i c r o c o c c u s ) 、假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、 芽胞杆菌属( b a c i l l u s ) 、产碱杆菌属黄杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 等【3 l ，有分子氧存 在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体；无分子氧时， 利用硝酸盐和亚硝酸盐中的n + 5 和n + 3 作为能量代谢中的电子受体，0 2 作为氢 受体生成h 2 0 和o h 碱度，有机物作为电子供体提供能量并得到氧化稳定传 统上反硝化还原过程如下式所示： n 0 3 一n 0 2 - - n o n 2 0 一n 2 ( 1 1 ) 在污水处理过程中传统上认为n 2 是唯一的产物。与硝化过程相似，反硝化 过程同样也受到包括温度、溶解氧、p h 、c n 、有毒物质以及碳源有机物在内的 多种因素的影响。 1 1 3 脱氮工艺的最新研究进展 国内外一些新的研究表明，自然界存在着许多新的氮的转化途径，如短程 硝化反硝化( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n - d c n i t r i f i c a t i o n ) 、好氧反硝化( a e r o b i c d c n i t r i f i c a t i o n ) 、异养硝化( h e t e o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ) 、厌氧氨氧化( a n a e r o b i c 4 第1 章引言 a m m o n i u mo x i d a t i o n ) ，或者由自养硝化细菌引起的反硝化( d e n i t r i f i c a t i o nb y a u t o t x o p h i cn i t r i f y i n gb a c t e r i a ) 等。对这些新的氮转化途径的研究又导致了多种 新型生物脱氮工艺的出现，如s h a r o n 工艺、a n a m m o x 工艺、o l a n d 工艺、s h a r o n - a n a m m o x 工艺【4 】川等。与传统的生物脱氮工艺不同的是， 这些工艺都力求缩短氮的转化过程。 1 1 3 1 短程硝化反硝化 从氮的微生物转化过程来看，氨被转化成硝酸是由两类独立的细菌催化完 成的两个不同反应。对于反硝化菌，无论是n 0 2 还是n 0 3 均可作为最终受氢 体。当反硝化以n 0 3 - 作为电子受体时，称为全程硝化反硝化过程，而当反硝化 以n 0 2 作为电子受体时，称为短程硝化反硝化过程。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盐阶段，阻止n 0 2 _ 的进一步硝化，然 后直接进行反硝化 n h 4 + - n 0 2 _ + n 0 3 - - n 0 2 - n 2 ( 1 2 ) ( 全程硝化反硝化) n h 4 + n 0 2 - + n 2 ( 1 3 ) ( 短程硝化反硝化) 从微生物角度分析，硝酸菌和亚硝酸菌是有明显的差异的对于反硝化菌， 无论是n 0 2 _ _ n 还是n 0 3 - _ n 均可作为最终受氢体，因而整个生物脱氮过程 可通过卜m 4 + 一n 0 2 _ 一n 2过程而实现。因为亚硝酸菌世代周期比硝酸菌的世 代周期短，污泥龄也短，控制在亚硝酸型阶段可提高微生物浓度和硝化反应速 度，缩短硝化反应时间，从而可以减小反应器溶剂，节省基建投资另一方面， 从亚硝酸菌的生物氧化反应可以看到，控制在亚硝酸型阶段可节省亚硝酸盐氮 到硝酸盐氮的耗氧量。此外，从反硝化角度来看，从亚硝酸盐还原到氮气需要 的供氢体更少 与传统的生物脱氮技术相比，短程硝化工艺有以下优点： 1 缩短了反应历程，增大了硝化和反硝化速率。 硝态氮的反硝化速率比亚硝态氮的反硝化速率要慢的多并且缩短水力停 留时间，反应容器相应减小。c h a f l d 州等人在对反硝化过程的研究中发现，硝酸 盐还原酶对亚硝酸盐还原酶存在竞争性抑制作用，在竞争电子的过程中硝酸盐 还原酶占优势，即反硝化碳源优先被硝酸盐还原酶利用，从而抑制了亚硝酸盐 5 第1 章引言 还原酶接受电子的能力在亚硝化型脱氮过程中反硝化碳源不再为硝酸盐还原 酶优先利用，加速了反硝化速率。 2 短程硝化的需氧量减少了2 5 ，降低了耗能。 3 短程硝化反硝化比全程硝化反硝化节省了4 0 作为氢供体的碳源。 从理论计算上看，硝化型反硝化的c n 比为2 8 6 ：1 ，亚硝滑行反硝化为 1 7 1 ：1 ，即在较低的c n 下就能实现反硝化脱氮【9 】。 4 减少了剩余污泥排放量。 亚硝酸菌和硝酸菌的表观产率系数分别为0 0 4 加1 3 9 v s s g n 和0 0 2 - 0 0 7 g v s s g n 。亚硝酸反硝化菌和硝酸反硝化菌的表观产率系数分别为0 3 4 5 g v s s g n 和0 7 6 5g v s s g n ，因此，短程硝化反硝化在硝化过程中可少产泥 2 4 一3 ，在反硝化过程中可少产泥5 0 。 早在1 9 7 5 年，v o g t 1 0 l 等就进行了经s t h - 途径处理高浓度氮废水的研究， 发现了硝化过程中n 0 2 - 积累的现象，并首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮 ( s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n - - d e n i t f i f i c a t i o n , 也可称为不完全或简捷硝化反硝化生物 脱氮) ，1 9 8 6 年，s u t h e r s o n 1 1 l 等经小试研究证实了经n o f 途径进行生物脱氮的 可能性。同时，t u r k 和m a y i n i c 【1 2 1 等对推流式前置反硝化活性污泥脱氮系统也进 行了经n 0 2 - 途径生物脱氮的研究并取得了成功。 短程脱氮工艺以s h a r o nt 艺为代表s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rh i g h a c t i v i t ya m m o n i u mr e m o v a lo v e rn i tr i t e ) 工艺由荷兰d c l f t 工业大学h e l l i n g a 等 人于1 9 9 7 年开发成功【1 3 1 ，直译作单反应器以亚硝态氮高效脱氮工艺，简称厌氧 半硝化。它的原理可用方程式( 1 4 ) 表示，即在碱度充足条件下，污水中5 0 氨 氮被亚硝化菌( ni t r o s o mo n a s ) 氧化为n o2 n 因仅一半氨氮被氧化且硝化作 用仅进行到亚硝化阶段，故s h a r o n 常被译为半硝化。 n h 4 t + 1 5 0 2 - n 0 2 + h 2 0 + 2 h + ( 1 4 ) ( 亚硝化过程，好氧) 6 n o r + 3 c h 3 0 h + 3 c 0 2 3 n 2 + 6 h c 0 3 + 3 h 2 0 ( 1 5 ) ( 反硝化，厌氧) s h a r o n 工艺最早是用来处理污水处理厂污泥消化池上清液的，污泥消化 池废水若采用传统的脱氮工艺来处理，去除效率低，且反应器体积大，处理费用 高。而这类废水高温的特点使氨氮的亚硝化成为可能在常温下，亚硝酸菌的世 代较硝酸菌长，但在高温条件下情况正好相反，这时硝酸菌的生长由于受到抑制 6 第1 章引言 导致其增殖速率小于亚硝酸菌，所以在高温下通过选择适当的泥龄，使反应器 中污泥停留时间介于亚硝酸菌和硝酸菌的最小停留时间之间，就可将硝酸菌从 反应器中“淘洗”掉，而使亚硝酸菌成为反应器中的优势菌属。另外，在高温条 件下细菌的增殖速度快，可以保证足够的污泥量。根据此类废水特点，s h a r o n 工艺选用了c s t r 反应器，这时反应器的水力停留时间就等于污泥的停留时间， 通过选择合适的水力停留时间并且严格控制反应器的p h ，保证氨氮的亚硝酸 化。同时通过间歇曝气，在一个反应器内进行硝化和反硝化反应。 h e l l i n g a 1 4 l 等人认为s h a r o n 工艺更适宜处理较高氨氮浓度的废水， l o g e m a n n 1 5 】等人认为该工艺只适用于0 5 m g l 的含氨废水。但s h r a o n 工艺的 运行也面临一些问题：长期稳定地积累亚硝酸盐氮仍然比较困难，需要对影响亚 硝酸积累的过程进行更深入的研究；当碳源不足时，需要外加有机碳，增加了处理 费用；工艺对条件的要求较高，增加了运行和控制的难度；反应器需要进行好氧和 厌氧状态的转换，不易进行连续处理；在很多情况下，维持s h a r o n 工艺所需要 的3 0 3 5 的温度有困难l 。 1 1 3 2 同时硝化反硝化( s n d ) 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 dd e n i t r i f i c a t i o n ) 简称s n d i l ”， 是指硝化和反硝化过程在同一反应器中同时进行，它是由于好氧系统中污泥絮体 内部缺氧产生的。 最早提出好氧反硝化( a e r o b i cd e n i tr i f i c a t i o n ) 的是r o b c r t s o n 和k | u e n 锄l l s 】， 他们在实验室中观察到在氧气存在的条件下发生了反硝化现象。近些年来人们 不断的在实际工程中发现好氧条件下的脱氮现象，如p o c h a n a l l 9 1 在s b r 反应器 中观察到了9 5 的总氮去除率。另外在许多实际运行中的好氧硝化池中常常发 现有3 0 的总氮损失。这些现象充分证实了好氧反硝化确实存在 目前关于s n d 已有很多成功应用的报道。如剐t t m 籼l 捌等很早就在工业 规模的氧化沟中成功地实现了s n d ，并通过实验证实了反硝化反应可在絮体内 部缺氧区内连续进行。通过控制d o 浓度可以实现在同一反应器中的s n d 。 w a t a n a b e y 等在单- - r b c i 艺研究中，通过降低气相中氧分压控制氧的传递速 率方式实现了同步硝化和反硝化。s n d 同样也被应用于淹没式曝气生物滤池工 艺当中，另y o o h 等【2 1 l 在间歇式曝气反应器中也实现了同时除碳和脱氮，并得 到了关键的控制参数。 目前，对s n d 生物脱氮的机理已初步形成了3 种解释，即宏观环境解释、 7 第1 章引言 微环境理论和生物学解释，它们已被普遍接受 1 宏观解释：由于充氧装置的充氧不均和反映器的构造原因，造成生物反应 器形态不均，在反应器内形成好氧缺氧段从而形成s n d 。 2 生物学解释 由于好氧反硝化菌以及好氧反硝化酶系的存在，使得好氧同步硝化反硝化 有了生物学的解释。目前已知的部分好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，因此 能直接把氨转化为最终气态产物逸出，使得在同一反应器内同时完成硝化反硝 化成为可能。r o b e n s o n 【2 2 l 等人认为，在同时反硝化中协同呼吸是一个很重要的机 理，协同呼吸意味着分子氧和硝酸盐被同时作为电子受体。在细胞色素c 和细胞 色素a a 3 之间的电子传输链中的“瓶颈”现象就可以被克服，因而也就允许电子 流能同时传输到反硝化酶以及分子氧中，反硝化反应就可能在好氧环境中发生 3 微环境理论： 由于氧扩散作用的限制，在微生物絮体内产生d o 梯度，从而导致微环境 的同步硝化反硝化。微生物絮体外表面d o 较高，以好氧异养菌、好氧硝化菌为 主；深入絮体内部，氧传递受阻，且有机物氧化、硝化作用消耗大量氧，絮体内 部产生缺氧区，反硝化菌占优势。正是由于微生物絮体内缺氧微环境存在，从而 导致微环境的s n d 发生。 同时硝化反硝化之所以在以往的研究中未被证实，主要原因有以下几点： 1 空气中含有高浓度的氮气，需要通过产气监测才能证实好氧反硝化的存在， 这需要氮同位素、无氮载气、密闭反应器和质谱仪。 2 好氧反硝化菌的浓度足够高时才能检测到氮气的产生。而在一般的活性污 泥中，t r o $ o m o 獬。印只有1 0 m g l ，产气量太低而检测不到田】。 s n d 的最大特征就是好氧阶段总氮的缺失。有人发现，s n d 会比厌氧反硝 化产生更多的n 2 0 的中间产物，作为气体逸出。这也就解释了该现象。2 0 世纪 8 0 年代中期以来，人们在各种不同的环境下诸如土壤，沟渠，池塘，活性污泥， 沉积物等分离出了一些好氧反硝化菌。p a t u r e a u 2 4 1 等从升流式缺氧滤床中分离 出了好氧反硝化菌s g ly 2 ( 不具有硝化作用) 结果显示，氨氮被自养硝化菌氧 化。同时伴随硝酸盐氮被异养好氧反硝化菌还原成分子氮。h i ch u a n g 2 5 l 从硝 化反硝化污泥中分离出好氧。反硝化菌c i t r o b a c t e rd i v e r s u s s h w u l i n gp a i 闭 等从稻谷沉淀物中分离而得到三株好氧反硝化菌。n a o l dt a k a y a 等分离了两株 好氧反硝化菌t r 2 和k s 0 t l u k o w l 2 7 1 从垃圾渗滤液处理厂的硝化段分离得 8 第1 章引言 到一株好氧反硝化菌t l l 。并研究了不同溶氧条件下的反硝化速率和不同碳源 对其生长的影响。s c u n g h u nb a e k 2 s 1 分离的菌株p 5 也能在有氧条件下以苯酚为 有机碳源进行反硝化作用，同时去除苯酚和硝酸盐氮。e b mc e l e ni 嚣l 等从花房 的土壤中筛选出5 株菌，其都能在好氧条件下进行硝酸盐呼吸。总的说来，国外 对好氧反硝化菌分离的报道并不多，国内至今未见报道。 1 1 3 3 厌氧氨氧化 1 9 9 0 年，荷兰d e l f t