（环境工程专业论文）西安市第四污水厂水质分析及分段进水ao生物脱氮工艺研究.pdf

西安建筑科技大学博士学位论文 西安市第四污水厂水质分析 及分段进水a o 生物脱氮工艺研究 专业：环境工程 博士生：王社平 指导教师：彭党聪教授 摘要 城市污水处理厂的工程设计和运营管理与入流水质、沉淀特性、动力学参数 以及工艺流程密切相关，而我国对有关数据的测定和统计不仅无标准方法，而且 也不完善。本研究以拟建的西安市第四污水处理厂为对象，对设计水质的确定方 法、氮磷等营养物的沉淀行为、生化反应动力学特性以及高效脱氮工艺进行探讨。 提出了入流污水水质保证率的概念，并在调查己运行的西安市邓家村污水处 理厂和北石桥污水净化中心和监测拟建的西安市第四污水处理厂进水水质的基础 上，确定西安市的入流污水保证率为8 5 ，由此得出了西安市第四污水处理厂的 设计水质为：c o d = 3 8 0 m g l ，b o d 5 = 1 9 0 m g l ，s s = 2 6 0 m g l ，n h 3 - n = 3 4 m g l ， t n = 4 5 m g l ，t p = 4 2 m 妒。 通过对入流污染物的沉淀试验，发现初沉池在去除s s 和c o d 的同时，对营养 物( n 、p ) 也具有一定的处理效果。对拟建的西安市第四污水处理厂，在有效水 深为3 0 m 、水力停留时间为2 h 的条件下，初次沉淀池的s s 、b o d 5 、t n 和t p 的平 均去除率分别为5 1 3 、2 0 8 、7 0 和8 1 ：初沉污泥的挥发性固体物平均含量 为5 7 7 。 采用多套有回流的完全混合式反应器对西安市第四污水处理厂的进水进行连 续动态平行试验，确定了该污水的生化反应动力学参数：污泥产率系数a 为0 4 5 7 3 k g v s s k g b o d 5 ，衰减系数b 为0 0 1 2 5d ，去除单位重量b o d 5 所需的氧量a 为 0 6 2 6 6 k 9 0 2 k g b o d 5 ，单位重量m 【j v s s 内源呼吸需氧量b 为0 0 9 2 4k 9 0 2 k g v s s d 。 对以分段进水a o 脱氮工艺运行的中试系统处理城市污水进行了2 年的试验， 研究了不同工况下的处理效率及影响因素，结果表明：对于四级分段进水a o 脱 氮工艺，当进水流量分配比为q l ：q 2 ：q 3 ：q 4 = 4 0 ：3 0 ：2 0 ：l o ，反应 器中缺氧区与好氧区容积比为1 ：3 ，水力停留时间为7 5 9 小时，污泥龄 s r t = 1 0 d 1 5 d ，污泥回流比为5 0 时，虽然进水水质波动很大，但出水水质则 相对稳定，t c o d 、s c o d 、s s 、n h 3 - n 、t n 和t p 的去除率可分别达到9 0 、8 4 5 、 西安建筑科技大学博士学位论文 9 0 、9 0 、7 1 和7 5 以上，说明多级a o 系统具有良好的运行稳定性和较强的 抗冲击负荷能力。 采用问歇试验测定了分段进水a o 脱氮系统混合液的耗氧速率、最大比硝化 速率和最大比反硝化速率，结果表明活性污泥具有较高的活性。 与单级a o 工艺相比，分段进水a o 脱氮工艺取消了混合液内回流，污泥回 流比仅为5 0 ，因而大大节约了运行费用。由于污泥直接回流至第一级缺氧池， 在反应器中形成了较高的污泥浓度梯度( 前段的污泥浓度高，后段的污泥浓度低) ， 在进入二沉池固体负荷不变的情况下，分段进水a o 工艺反应器中的平均混合液 浓度要比单级a o 工艺平均高3 0 左右，因此在同样的污泥负荷下，反应器的容 积可减小3 0 。 关键词：污水水质沉淀试验动力学参数生物脱氮分段迸水a o 工艺 论文类型：应用基础 西安建筑科技大学博士学位论文 s t u d i e so nw a s t e w a t e rq u a l i t yo f x i a nn o 4w a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n ta n ds t e p - f e e d i n ga op r o c e s s s p e c i a l i t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g a u t h o r ： w a n gs h e p i n g a d v i s o r ：p r o f p e n gd a n g c o n g a b s t r a c t e n g i n e e r i n gd e s i g n a n d o p e r a t i o n a lm a n a g e m e n to fm u n i c i p a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t sh a v ec l o s er e l a t i o n s h i p sw i t l lt h e i ri n f l o wq u a l i t i e s s e d i m e n t a t i o n e f f i c i e n c i e s ，k i n e t i cp a r a m e t e r sa n dt r e a t m e n tp r o c e s s y e t ，s t a t i s t i c a ld e t e r m i n a t i o no f r e l a t e dd a t ai ss t i l ln o ts t a n d a r d i z e da n dn e e d st ob ei m p r o v e di nc h i n a t h i sp a p e r , a i m e da tt h ex i a nn o 4w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tt ob ec o n s t r u c t e d ，d i s c u s s e s m e t h o d o l o g i e sf o rd e t e r m i n a t i o no fd e s i g ni n f l o ww a s t e w a t e rq u a l i t i e s ，s e d i m e n t a t i o n e f f i c i e n c i e st or e m o v et h en u t r i e n t sna n dp ，b i o l o g i c a lk i n e t i cp a r a m e t e r s ，a n d p e r f o r m a n c eo fs t e p f e e d i n ga op r o c e s sf o rb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t od e t e r m i n et h ei n f l o ww a s t e w a t e rq u a l i t i e s ，t h ec o n c e p to fa s s u r a n c er a t ei sp u t f o r w a r d b a s e du p o n i n v e s t i g a t i o n so ft h er a ww a s t e w a t e rf l o w i n gi n t o x i a n d e n g j i a c u nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta n db e i s h i q i a ow a s t e w a t e rp u r i f i c a t i o nc e n t e r , t h i sp a p e rp r e s e n t s8 5p e r c e n t a g e so fa s s u r a n c er a t et od e t e r m i n et h ei n f l o wq u a l i t ya s t h ed e s i g nb a s i s t h i sm e t h o d o l o g yi sa p p l i e dt od e t e r m i n et h ei n f l u e n tq u a l i t yo f x i a n n o 4w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta n dt h er e s u l ti ss h o w na s3 8 0 m g l ，19 0 m g l ， 2 6 0 m g l ，3 4 m g l ，4 5 m g la n d4 2 m g lf o rc o d ，b o d 5 ，s s ，n h 3 - n ，t na n dt p r e s p e c t i v e l y s e d i m e n t a t i o ne x p e r i m e n ti sc o n d u c t e do nt h ei n f l u e n tp o l h i t a n t si n t ot h ep r i m a r y t a n k so ft h e p r o j e c t e d x i a nn o 4w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h e p r i m a r y s e d i m e n t a t i o nc a nn o to n l yr e m o v es sa n dc o d ，b u ta l s on u t r i e n t sna n dp a te f f e c t i v e w a t e rd e p t ho f3m e t e r sa n dd e t e n t i o nt i m eo f2h o u r s ，t h ea v e r a g er e m o v a le f f i c i e n c y c a nr e a c h51 3 ，2 0 8 ，7 o a n d8 1 f o rs s ，c o d ，n qa n dt pr e s p e c t i v e l y , a n dt h a t t h ev o l a t i l es o l i dc o n t e n to fs e d i m e n t si sa v e r a g e da t5 7 7 f o u rs e t so fb e n c h - s c a l ef u l l y - m i x e db i o r e a c t o r sw i t hs l u d g er e t u r na r ee q u i p p e di n p a r a l l e lt oi n v e s t i g a t et h eb i o l o g i c a lk i n e t i c so f t h ei n f l u e n tw a s t e w a t e rf r o mx i a l ln o4 w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h er e s u l ts h o w st h a tt h es l u d g ey i e l dc o e f f i c i e n tai s 0 4 5 7 3 k g v s s k g b o d 5 ，t h ed e c a yc o e f f i c i e n tbo 0 1 2 5 d ，t h eo x y g e nc o e f f i c i e n ta 西安建筑科技大学博士学位论文 o 6 2 6 6 k g o j k g b o d s t h ee n d o g e n o u sr e s p i r a t i o nc o e f f i c i e n tb o 0 9 2 4 k 9 0 2 k g v s s d p i l o t - - s c a l ee x p e r i m e n th a sb e e nc o n d u c t e df o r2y e a r so nt h es t e p - f e e d i n ga o n i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s t h er e m o v a le f f i c i e n c i e sa n dt h er e l a t e df a c t o r sa r es t u d i e d u n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s r a ww a s t e w a t e re n t e r st h es t e p - f e e d i n ga o n i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sa tf o u rs t a g e s 1 1 1 ef l o wr a t i of o rt h ef o u rs t a g e sq i ：q 2 ：q 3 ：q 4 i s4 0 ：3 0 ：2 0 ：1 0 t h ev o l u m er a t i oo f t h ea n o x i cs e c t i o nt ot h eo x i es e c t i o ni s1 ：3 h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e i s7 5 9 h o u r s s l u d g er e t e n t i o nt i m ei s1 0 d 一1 5 d s l u d g e r e c y c l i n g i s5 0 1 1 1 er e s u l ts h o w st h a t a l t h o u g hi n f l o ww a s t e w a t e rf l u c t u a t e s s i g n i f i c a n t l y , t h ee f f l u e n tk e e p ss t a b i l i z i n gr e l a t i v e l y r e m o v a le f f i c i e n c i e sf o rt c o d s c o d ，s s , n h 3 - n ，t na n dt pa r eh i g h e rt h a n9 0 ，8 4 5 ，9 0 ，9 0 ，7 1 a n d7 5 r e s p e c t i v e l y 1 1 l ee x p e r i m e n tc o n f i r m e dt h a tt h es t e p f e e d i n ga on i 仃o g e nr e m o v a l p r o c e s si ss t a b l ea n ds 订o n g l yr e s i s t a n tt of l o ws h o c k b a t c he x p e r i m e n t sa r ea l s oc o n d u c t e dt od e t e r m i n es p e c i f i co x y g e nu p t a k er a t e ，t h e m a x i m u ms p e c i f i ca m m o n i u mu p t a k er a t e ，a n dt h em a x i m u ms p e c i f i cd e n i t r i f i c a t i o n r a t e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea c t i v a t e ds l u d g eb e a r sh i g ha c t i v i t yi nt h em i x e d l i q u i d c o m p a r e dt ot h es i n g l e s t a g ea on i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s ，t h es t e p f e e d i n ga o p r o c e s sd o e sn o ta p p l yi n t e r n a lm i x e dl i q u i dr e t u r na n dh a si t ss l u d g er e t u r no n l ya tt h e r a t eo f5 0 ，i t so p e r a t i o ni st h u sc o s te f f e c t i v e a st h es l u d g ei sr e t u r n e dd i r e c t l yt ot h e f i r s ta n o x i ct a n k ，ah i 【g hg r a d i e n to fs l u d g ec o n c e n t r a t i o ni sf o r m e dw i t h i nt h er e a c t o r , w h i c hw i l lb e n e f i td e f i n i t e l yb i o c h e m i c a lr e a c t i o nt a k i n gp l a c e w h e nt h es o l i dl o a d d o e sn o tc h a n g ei nt h em i x e dl i q u i db e f o r ef l o w i n gi n t ot h es e c o n d a r ys e t t l i n gt a n k ，t h e s t e p f e e d i n ga op r o c e s sb e a r sam i x e dl i q u i dc o n c e n t r a t i o n3 0 h i g h e rt h a nt h a to f t h e s i n g l es t a g e do n e t h e r e f o r e ，u n d e rt h es a m es l u d g el o a d ，t h ev o l u m eo ft h er e a c t o rc a n b er e d u c e db y3 0p e r c e n t k e y w o r d s ：w a s t e w a t e rq u a l i t y , p r i m a r ys e d i m e n t a t i o n ，k i n e t i cp a r a m e t e r s ， b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ，s t e p f e e d i n ga op r o c e s s d i s s e r t a t i o nt y p e ：a p p l i e df u n d a m e n t a lr e s e a r c h 西安建筑科技大学博士学位论文i a o a 2 o a b a n a m m o x a s m l b o d b o d 5 c a s s c a s t c o d d 0 g a h r t i w a j h b j l s m l e m l s s m l v s s m u c t 0 d o l a n d o r p r b c s a o a s p s a u r s b r s c o d s h a r o n s n u r s o u r s r t s s 符号表 a n o x i c 0 x i c a n a e r o b i c a n o x i c o x i c a n a e r o b i ck m n l o n i 啪o x i d a t i o n a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1 b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n df 5d a y s ) c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d d i s s o l v e do x y g e n g e n e t i ca l g o r i t h m h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e i n t e r n a t i o n a lw a t e ra s s o c i a t i o n m o d o f i e dl u d z a c k e t t i n g e r m i x e dl i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s m i x e dl i q u o rv o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s m o d i f i e d u n i v e r s i t y o fc a p et o w n p r o c e s s o x i d a t i o nd i t c h o x y g e n l i m i t e d 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 n i t r i f i c a t i o n 0 x i d a t i o n r e d u c t i o np o t e n t i a l r o t m i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r s t e p - f e e da n o x i c o x i ca c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s s p e c i f i ca m m o n i u mu p t a k er a t e s e q u e n t i a lb a t c hr e a c t o r s o l u b l ec h e m i c a lo x y g e nd e m a n d s i n g l e r e a c t o rf o r h i g ha c t i v i t y a m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e s p e c i f i cn i t r a t e - nu t i l i z a t i o nr a t e s p e c i f i co x y g e nu p t a k er a t e s o l i d sr e t e n t i o nt i m e s u s p e n d e ds o l i d s 缺氧一好氧 厌氧一缺氧一好氧 厌氧氨氧化 活性污泥l 号模型 生物化学需氧量 5 日生物化学需氧量 周期循环活性污泥法 循环式活性污泥法 化学需氧量 溶解氧 遗传算法 水力停留时间 国际水质协会 改良l u d z a c k - e t t i n g e r 工艺 污泥浓度 挥发性污泥浓度 改良u c t 工艺 氧化沟 氧限制自养硝化一反硝化 氧化还原电位 生物转盘 分段进水活性污泥工艺 比硝化速率 序批式反应器 溶解态c o d 比反硝化速率 比耗氧速率 固体停留时间 悬浮物 西安建筑科技大学博士学位论文 ；i s v s e t t l i n gv e l o c i t y污泥沉降比 s v i s l u d g ev o l u m ei n d e x污泥容积指数 t c o dt o t a lc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d 总c o d t k n t o t a lk j e l d a h ln i t r o g e n 总凯氏氮 t n t o t a ln i t r o g e n 总氮 t pt o t a lp h o s p h o r u s 总磷 u c t u n i v e r s i t yo f c a p e t o w np r o c e s s开普敦大学工艺 v f a v o l a t i l ef a t t ya c i d s 挥发性有机酸 v s sv o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d s 挥发性污泥浓度 a 污泥产率系数 a t 有机物好氧速率 a 1 第一级缺氧池 a 2 第二级缺氧池 a 3第三级缺氧池 a 4第四级缺氧池 b 内源呼吸好氧速率 b 污泥衰减系数 c o 进水污染物浓度 c t pi n进水总磷浓度 f n h氨氮质量流量 f n o 硝氮质量流量 h o沉淀池有效水深 h “ 沉淀池取样水深 k 温度系数 k n亚硝酸菌氧化氨氮饱和常数 k s有机物饱和常数 k o 氧的半饱和常数 n h 3 - n氨氮 n 污水中n 0 3 一n 的浓度 n s污泥负荷 o l 第一级好氧池 0 2 第二级好氧池 0 2 生化反应的需氧量 0 3 第三级好氧池 0 4 第四级好氧池 q进水流量 q -第一级进水流量 西安建筑科技大学博士学位论文i i i 第二级进水流量 第三级进水流量 第四级进水流量 剩余污泥排放量 污泥回流比 平均停留时间 温度 有机物浓度 反应器容积 剩余污泥浓度 第m 级污泥浓度 最后一级污泥浓度 回流污泥浓度 第一级进水比例 第二级进水比例 第三级进水比例 缺氧池氨氮去除量 好氧池氨氮去除量 缺氧池硝氮去除量 好氧池硝氮去除量 每日增长的v s s 量 总去除效率 剩余污泥排磷去除率 s s 的t 时刻去除率 温度系数 污泥龄 最小污泥龄 颗粒平均沉降速度 反硝化细菌的比增长速率 硝化细菌的最大比增长速率 反硝化细菌的最大比增长速率 t 。c 时硝化细菌的最大比增长速率 1 5 硝化细菌的最大比增长速率 硝化细菌的比增长速率 无因次方差 q q q啦。t。vka o，!砉：鲰蛳q懈。吣u p=呈h 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导蛹指导下进行自奄磅究工 乍 及取得的研究成果。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，也不包含本人或其他 人在其它单位己申请学位或为其它雳途使用过麴成果。与我一嗣工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谓 。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 黻储掀钐彳 关于论文使用授权的说明 日期：口彭乒矽 本人完全了解藤安建筑科技大学有关保留、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，可阱采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文嬲密后应遵守此规定) 论文作者繇纱研撕虢黼期：西幺加 西安建筑科技大学博士学位论文 1 绪论 1 1 城市污水水质 1 1 1 水质特点 污水是以其物理、化学和生物的组分来表征的。污水处理厂设计的前提条件 是必须正确掌握污水的水质，由于污水的组成成分极其复杂，难以用单一指标来 表示其性质。因此，在众多的水质指标中，按污水中杂质形态大小分为悬浮态物 质和溶解态物质两大类，每类按其化学性质又可分为有机性物质和无机性物质； 按是否消耗水体中溶解氧，又可分为生物化学需氧量( b o d ) 和化学需氧量( c 0 d ) 等。在污水处理系统设计时，污水水质是确定处理设备能力和操作特性并确保达 到处理目标的必要条件，也是污水处理厂规划、设计和运行管理的重要基础数据【“。 1 1 2 水质指标 水质指水和水所含杂质( 或污染物) 共同体现的特性，通过所含杂质( 或污 染物) 的组分、种类与数量等指标表示之，因此水质指标是水质性质及其量化的 具体表现。常用污水水质指标及意义简述如下： 生物化学需氧量( b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，简写为b o d 5 ) 。表示在2 0 。c ， 5 d 微生物氧化分解有机物所消耗水中溶解氧量。b o d 表示：( a ) 微生物能氧化分 解的有机物量；( b ) 反映污水和水体的污染程度；( c ) 判定处理厂的处理效果；( d ) 用于处理厂的设计；( e ) 污水处理管理指标；( f ) 排放标准指标；( g ) 水体水质标 准指标。城市污水中b o d 5 浓度一般为1 1 0 3 5 0m g l 。 化学需氧量( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，简写为c o d c ，) 。表示以重铬酸钾为 氧化剂氧化水中有机物所消耗氧化剂的氧当量。c o d 测定简便快速，不受水质限 制，可以测定含有对生物有毒的工业废水，是b o d 的代替指标。c o d c ，可以近似 看作总有机物量，c o d c ，与b o d 的差值可表示污水中难以被微生物分解的有机物 量，两者的比值可表示污水的可生化性。当b o d c o d c 2 0 3 时，认为污水的可生 化性较好：当b o d c o d c ， 硒时，2 。 n a g e l 等发现，当环境中溶解氧浓度升高时，硝化速率亦增大。在活性污泥硝 化系统中，大多数学者认为溶解氧应控制在1 0 2 0 m g l ，低于0 5 m g l 硝化作用 趋于停止【l ”。也有学者研究表明溶解氧在o 5 1 0 m g l ，能同时进行硝化和反硝 化1 1 6 1 。不同的系统对溶解氧的要求不一样，对于碳氧化、硝化同时进行的活性污 泥系统，硝化细菌在活性污泥中约占5 左右，大部分处于生物絮体的内部，溶解 氧的增加将提高其穿透生物絮体的能力，可以提高硝化反应速率。 b 温度 硝化反应速度受温度影响很大，其原因在于温度对硝化细菌的增殖速度和活 性影响很大。两种硝化细菌的最适宜温度范围为2 5 3 0 ，低于2 5 或高于3 0 时硝化细菌生长减慢，当温度低于5 c 时，硝化细菌的生命活动几乎停止。 s t a n k e w i c h 建议用式( 1 - - 9 ) 表示活性污泥硝化系统中，硝化细菌的最大比增长速 率和温度的关系如下1 1 2 1 ： 。，= p - 。1 5e x p 【k ( t 1 5 ) j ( 1 - 9 ) 式中：肚。一温度t = c 时，硝化细菌的最大比增长速率，d ： i t m l 5 1 5 硝化细菌的最大比增长速率，d ； k 一温度系数，对于亚硝化细菌，k = 0 0 9 5 0 1 2 m g n l ，对于硝化细 菌，k = 0 0 5 6 0 0 6 9 。 在冬季，低温是影响生物硝化的重要因素，一旦活性污泥流失，很难在短期 内恢复。硝化作用受温度影响还与微生物的生长形式及有机负荷有关。悬浮生长 型受温度影响较大，附着型受其影响较小：有机负荷高受温度影响大，有机负荷 低受温度影响小1 1 6 】。 西安建筑科技大学博士学位论文11 c p h 值和碱度 如前所述，硝化反应为产酸过程，因此，如果污水中没有足够的碱度，则随 着硝化的进行，p h 值会急剧下降。而硝化细菌对d h 值十分敏感，亚硝化菌和硝 化菌分别在p h 值为7 o 7 8 和7 7 8 1 时活性最强，超出这个范围，其活性便急 剧下降，可见p h 值对生物硝化反应速率有重要的影响【l 。”。也有学者在研究中发现 ”o 】，当p h 值从7 2 突然下降到6 4 时，对硝化作用没有太大的影响，而当p h 值 7 2 突然下降到5 8 时，硝化反应明显受到破坏，但当p h 值恢复到7 2 时，硝化反 应迅速恢复到原来水平。表明低p h 值对硝化反应只是抑制影响，而不是毒性影响。 在一般污水处理工程中，p h 值很少过高或过低，因为污水中通常含有充足的碱度 来中和硝化反应产生的氢离子，并且有机物的降解会产生二氧化碳，这有助于缓 冲p h 值，使其接近中性。所以在硝化动力学研究中往往不考虑p h 值的影响。因 此，认为p h 值低于7 时，硝化速率明显降低，低于6 0 或高于9 6 时，硝化反应 将停止。生物脱氮的硝化阶段，通常控制p h 值为7 2 8 0 。 db o d s i x n 硝化细菌虽然几乎存在于所有的污水生物处理系统中，但是在一般情况下， 其含量很少。除了温度、p h 值等对硝化细菌的生长有影响外，使硝化细菌在好氧 生物处理的微生物中的比例很低的原因有两个：一是硝化细菌的比增长速率远远 小于氧化有机物的异养型细菌的增长速率( 表1 2 ) 。对于活性污泥处理系统来说， 如果泥龄较短，剩余污泥排放量就大，这将使硝化细菌来不及大量繁殖。二是 b o d 5 t k n 的比例。一些研究表明，活性污泥中硝化细菌所占的比例，与b o d 5 t k n 有关。如果b o d 5 t k n 比值高，则硝化细菌所占的比例就越低，对于处理城市污 水的活性污泥系统，硝化细菌所占的比例很低，多数在8 3 以下。由于硝化菌是 一类自养菌，基质浓度并不是它的生长限制因素。相反，硝化段的含碳有机基质 浓度不可过高，b o d 5 一般应低于2 0 m g l ，若有机基质浓度过高，将会使系统中 增长速率较高的异养菌大大增加，成为优势菌种，从而使硝化菌的生长受到抑制， 降低了硝化速率，削弱硝化作用l l “。 表1 2 硝化细菌与异养菌的增殖速率 项目世代时间( h ) 增殖速率常数( h 1 ) 硝化细菌 3 10 0 2 2 异养菌 2 3 l 8 6 90 0 8 0 3 e 有毒有害物质 某些重金属、络合阴离子和有毒有机物对硝化细菌有毒害作用。另外，n h 4 + 一n 或n 0 2 - - n 对硝化细菌也有影响，据研究，当污水中的n h a + - n 浓度小于2 0 0 m g 1 ， n 0 2 z n 浓度小于1 0 0 m g l 时，对硝化作用没有影响。在低p h 值条件下，沉积于 西安建筑科技大学博士学位论文l2 污泥中的某些重金属( 如氢氧化物) 会溶解而毒害微生物。对硝化菌有毒害作用 的有机化合物种类和抑制浓度见表1 3 1 1 8 】。 表1 3 对硝化菌有毒害作用的有机化合物种类和抑制浓度 有机物浓度( m g i )有机物浓度( m g i ) 硫脲 0 0 7 6 烯丙基芥子油 1 9 氨基硫脲 0 1 8 巯基苯并噻唑 3 o 三乙胺 0 5 3 酚 5 6 异硫氢甲烷 o 8 甲硫脲硫酸盐 6 5 威百亩( 农药)0 9甲基吲哚 7 0 二硫代二醯肼 1 1 t 表中浓度为引起7 5 抑制作用的浓度。 f 污泥龄( s r t ) 在污水硝化的运行管理方面，关键是生物固体停留时间( s r t ) ，即污泥龄。 由于硝化菌是自养型菌，生长缓慢，世代时问较长。因此，为了使硝化细菌菌群 能在连续流的系统中生存下来，就必须保证系统的s r t 大于自养型硝化菌最小的 世代时间，否则硝化菌的流失率大于其增长率，硝化菌群将会从系统中流失，即： 0 c 0 c 。i n = 1 脚 ( 1 1 0 ) 式中：0 。为设计污泥龄，0 。i 。为系统中给定条件下所要求的最小污泥龄。为 了确保生物处理系统中稳定的硝化作用，一般0 。2 0 c m i 。，并且不得小于3 5 天， 为保证一年四季都能进行充分的硝化反应，污泥龄应大于1 0 d 【l 。 1 4 1 3 生物反硝化作用 ( 1 ) 反应机理 生物反硝化作用是指污水中的硝态氮n 0 3 。n 和亚硝态氮n 0 2 一n 在无氧或低 氧条件下，被微生物还原为n 2 的过程。参与这一生化反应过程的微生物称为反硝 化细菌，反硝化细菌是大量存在于污水处理系统的异氧型兼性细菌，如变形杆菌 ( p r o t e u s ) 、假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、小球菌( m i c r o c o c c u s ) 、五色杆菌属 ( a c h r o m o b a c t e r ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 、芽胞杆菌属( b a c i l l u s ) 等，土壤 微生物中约有5 0 是这一类具有还原硝酸能力的细菌。这是一类异养型兼性厌氧 细菌，能够在有氧条件下以0 2 作为电子受体进行好氧呼吸，在无氧存在而仅有 n 0 3 _ - n 存在时( 即缺氧，a n o x i c ) ，以n 0 3 _ - n 为电子受体，以有机碳为电子供体 进行还原反应。研究表明，从n 0 3 - n 还原为n 2 的过程分别在硝酸盐还原酶、亚 硝酸盐还原酶、氧化氮还原酶和氧化亚氮还原酶的催化作用下通过下面四步反应 完成【2 0 1 ： 西安建筑科技大学博士学位论文 n 0 3 _ n 0 2 _ n o n 2 0 _ n 2 ( 1 一1 1 ) 总反应式如下： 6n 0 3 + 5 c h 3 0 h _ 3 n 2 + 5 c 0 2 + 7 h 2 0 + 6o h( 1 1 2 ) 反硝化过程中n 0 2 - 和n 0 3 - 的转化，是通过反硝化细菌的同化作用( 合成代 谢) 和异化作用( 分解代谢) 来完成的。同化作用是n 0 2 - 和n 0 3 被还原转化为 n q - 1 3 - n ，用以微生物细胞合成，氮成为细菌细胞的组成部分( 当水中存在n f l 3 - n 时，这一过程将终止，反硝化菌将直接利用n h 3 - n 进行合成) 。异化作用是n 0 2 一和 n 0 3 一被还原转化为n 2 ，这是反硝化反应的主要过程。异化作用是以n 0 2 - 和n 0 3 一 在能量代谢中提供氮，作为电子接受体，以有机物作为电子供给体，使n 0 2 - 和 n 0 3 被还原转化为n 2 ，见式( 1 1 1 ) 、( 1 1 2 ) 。异化作用去除的氮约占总去除 量的7 0 7 5 。 大多数反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌，它能以用各种各样的有机基质作 为反硝化过程中的电子供体( 或氢供体、碳源) ，包括：碳水化合物、有机酸类、 醇类以及甚至像烷烃、苯酸盐类和其他的苯衍生物。这些有机化合物在废水处理 中显得特别重要，他们往往是废水的主要成分。由反应方程式( 1 1 1 ) 、( 1 1 2 ) 可以算出，转化i g n 0 2 - n 和n 0 3 一n 为n 2 ，分别需要有机物( t o d 或c o d ) 1 7 1 9 ( 3 x 8 1 4 ) 和2 8 6 9 ( 5 x 8 1 4 ) ，也就是说转化l g n 0 2 - n 和n 0 3 - n 为n 2 相当于 分别提供1 7 1 9 和2 8 6 9 的0 2 ；与此同时，还产生3 5 7 9 ( 5 0 1 4 ) 的碱度( 以c a c 0 3 计) 。前面叙及，在硝化反应中将l 克氨氮完全氧化为硝酸盐氮需要消耗7 0 7 9 的 碱度，如果能够完全脱氮，则可以回收约5 0 的碱度【2 ”。 ( 2 ) 反硝化反应动力学方程式 影响反硝化细菌进行同化作用和异化作用的底物有两种：n 0 3 和有机物。 s i n c l a i r 、s h o d a 等人的研究表明，反硝化细菌的增殖与有机物的关系可以用式( 1 1 2 ) 表示： ：f 些芷芝 ( 1 1 3 ) ( k s + s x k n + n ) 式中：u 一反硝化细菌的比增长速率，h 一； u 。一反硝化细菌的最大比增长速率，h ； ， s 一污水中有机物的浓度，m g l ： n 一污水中n 0 3 - n 的浓度，m g l ； k s ，k n 一分别为相应于有机物和n 0 3 一n 的饱和常数，m g l 。 式中参数。和k s 与有机物的性质有关，当以甲醇作为外加碳源时， m a ) ( 2 0 3 3h ，k s = 4 1 3 m g l ，而k n = o 1 0 2 m g l 。 硝化后水中的n 0 3 - n 常大于l 2 m g l ，所以k n 与n 相比可忽略；为了能 西安建筑科技大学博士学位论文1 4 使反硝化以最大速度进行，必需有过量的有机物存在，这时的k s 与s 相比很小可 忽略，于是式( 1 1 3 ) 成为： p = p 。 ( 1 1 4 ) 即在有过量的有机物存在时，反硝化速度遵循零级反应( z e r oo r d e rr e a c t i o n ) 关系。b a r n a r d 也曾指出，反硝化反应速率与n 0 3 - n 之间的关系是零级反应，而 与反硝化细菌的浓度是一级反应，如式( 1 1 4 ) 所示： f d n o ；堕11 ：k x ( 1 1 5 ) l d t j 。 式中