（环境工程专业论文）aoasbr工艺反硝化除磷机理及影响因素研究.pdf

摘要 随着水体“富营养化”问题的日渐突出，国家对污水排放的限制逐渐严格，对 于城市污水的处理逐渐开发出许多新既去除有机物又脱氮除磷的处理技术和工 艺。这使得同时脱氮除磷理论和工艺成为当今城市污水处理领域的研究热点之 一。反硝化脱氮除磷是近来颇受关注的污水处理新技术，基于该理论的a o a s b r 工艺有以下优点：本工艺采用单污泥系统，较双污泥系统可以节省能源消耗和 反应器的占地本工艺中间设好氧段，较厌氧缺氧方式运行的反硝化除磷工艺 来说，污泥活性高且不易老化本工艺在好氧段硝化细菌可以产生充足的硝酸氮 供给缺氧段反硝化聚磷，较传统除磷工艺来说，消除了硝酸氮对聚磷反应的影响； 对于其他反硝化除磷工艺来说，避免了混合液的回流，减少能源动力消耗。因此 本工艺对于有机碳源含量较低的城市污水脱氮除磷有重要意义。 本试验以人工配制生活污水为处理对象，研究系统在厌氧好氧缺氧运行方 式下最优运行工况以及进水碳源浓度、c p 比、p h 值、温度和不同电子受体等 因素对该工艺反硝化除磷的影响，结果表明： ( 1 ) 试验通过调整厌氧、缺氧和好氧各阶段的运行顺序和运行时间，从含有 聚磷菌的活性污泥中诱导反硝化聚磷菌并使其富集。在厌氧好氧缺氧条件下各 阶段最佳运行时间为：厌氧2 h 、好氧3 h 、缺氧3 h ，在此工况稳定运行下，c o d 去除率在7 5 - , 9 3 之间，平均去除率为8 7 0 6 ；磷酸盐平均去除率达到8 5 。 ( 2 ) 本系统活性污泥驯化成熟后，生物相丰富、菌胶团较明显、沉降性能好， 可以认为厌氧好氧缺氧交替可以满足原生动物和后生动物的生存，系统具有理 想的微生物生态。系统中反硝化聚磷菌占聚磷菌百分比约为4 0 ，明显多于传统 脱氮除磷工艺。 ( 3 ) 试验研究了不同浓度碳源对该系统反硝化除磷的效果影响，通过逐步提 高进水c o d 浓度，使厌氧段剩余碳源量增加，成功抑制后续好氧段聚磷菌好氧 吸磷，并得出结论：当好氧段c o d 浓度维持在4 4 m g l 以上时，好氧吸磷被抑 制；好氧段c o d 浓度在6 0 m g l 时，碳源对好氧吸磷抑制作用明显。 ( 4 ) 试验研究了p h 值在一周期内的变化情况并分析其变化的规律和原因； 同时研究不同p h 值对厌氧放磷的影响，并得出结论，p h 值在6 5 7 5 之间逐渐 升高，释磷速率逐渐升高，厌氧段放磷结束后磷浓度也随之逐渐提高。通过对系 统适宜温度的试验，得出系统适宜温度为2 0 , - , 2 5 。c 。 ( 5 ) 试验分析进水c p 比对反硝化除磷效果的影响，试验中c p 比过低会 造成聚磷菌的缺氧二次放磷；过高的c p 比会增加缺氧段剩余碳源量，从而抑制 反硝化吸磷反应，两种极端情况都直接影响出水水质。通过对试验数据分析，最 佳c p 比为3 5 4 5 左右。 ( 6 ) 试验通过研究不同电子受体对反硝化除磷效果影响发现：n 0 3 做电子受 体时，n 0 3 - n 量不足会造成n 0 3 - n 过早消耗完全而使反硝化聚磷菌在缺氧段末 期出现放磷现象，n 0 3 - - n 浓度超过一定程度以后则对反硝化聚磷无较大影响， 考虑出水n 0 3 - n 浓度达标，建议n 0 3 - 做电子受体的最佳浓度为2 5 3 0 m g l ：n 0 2 。 可以做反硝化聚磷的电子受体，但聚磷效果不如n 0 3 ，过高的n 0 2 。n 会明显抑 制反硝化聚磷的进行，分析试验数据得出n 0 2 做电子受体的最佳浓度为 3 0 - - , 3 5 m g l 。 关键词：反硝化除磷，反硝化聚磷菌，除磷脱氮，a o a s b kc p 比 a b s t r a c t t h es t a n d a r do fw a s t e w a t e rd i s c h a r g ew a sc o n t r o l l e dm o r es t r i c t l yw i t ht h e s e v e r e e u t r o p h i c a t i o nq u e s t i o no c c u r r e d t h e r e f o r e ，t h ew a s t e w a t e rt e c h n i q u e s d e v e l o p e dg r a d u a l l yf r o mt h ep e r i o do fs i m p l e xc o dr e m o v a lt ot h ep e r i o do f s i m u l t a n e o u sc o d ，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 o d a y , t h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g ya i m e df o re u t r o p h i c a t i o nc o n t r o lh a sb e e no n eo ft h e h o t e s ts t u d yf o c u s e si nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r e a 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 a li st h en e wp r o m i n e n tb 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 e c h n i q u e t h e a o a - s b rs y s t e mi sb a s e do nt h i st e c h n i q u ew i t h o u tt o om u c ha e r a t i o na n dp l u s n i t r a t en i t r o g e n , a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mc a l lr e d u c eo r g a n i cc a r b o na n dc u tt h e v o l u m eo fr e a c t o r s ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c sb e n e f i ts i g n i f i c a n t l yf o r t h em u n i c i p a l t h i sr e s e a r c hu s e sm a n u a lw a s t e w a t e ra sd o m e s t i cs e w a g e ，n o to n l yr e s e a r c h s t h eb e s tr u n n i n gt i m eo fa o a - s b r s y s t e m ，b u ta l s oc o n c e r n sw i t ht h e s ef a c t o r s ：i n l e t c o n c e n t r a t i o no f o r g a n i cc a r b o n 、c p 、p h 、t e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n te l e c t r o na c c e p t o r w h i c hw i l li n f l u e n c ed e n i t r i f y i n gp h o s p h a t er e m o v a lp r o c e s s t h em a i nr e s u l t sa r ea s ( 1 ) d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sb a c t e r i ag r o wa n da c c u m u l a t eb ya d j u s t i n gt h e l o c a t i o no ft h et h r e e p h a s e s a n dr u n t i m e t h eb e s t o p e r a t i n g r u n - t i m ei n a n a e r o b i e a e r o b i c a n o x i ci s ：a n a e r o b i cp h a s e2 h ，a e r o b i cp h a s e3 h ，a n o x i cp h a s e3 h i n t h i ss t a b l es t a t e ，c o dr e m o v a lr a t ei s7 5 0 旷9 3 ，8 7 0 6 o na v e r a g e ；p h o s p h a t e r e m o v a lr a t ei s8 5 o na v e r a g e ( 2 ) a r e rt h ea c t i v a t e ds l u d g ea c c l i m a t e dm a t u r e ，t h ea o a s b rs y s t e mh a sb u i l t a ni d e a lm i c r o b ee c o s y s t e m h e r e ，m i c r o b e sa r e d i v e r s i t y , z o o g l o e ap r e s e n t e d m a r k e d l y , t h es e d i m e n t a t i o np e r f o r m e dw e l la n de v e nt h ep r o t o z o a na n dm e t a z o a n c o u l dg e ts a t i s f i e de n v i r o n m e n tf r o mt h i ss y s t e m i t ss i g n i f i c a n tt h a td e n i t r i f y i n g p h o s p h a t eb a c t e r i aa c c c o u t sp a o sf o r4 0 i nt h i ss y s t e m ，m o r et h a nt r a d i t i o n a l 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 r o c e s s e s ( 3 ) t or e s e a r c ho nd 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 le f f e c ti nd i f f e r e n to r g a m c c a r b o nc o n c e n t r a t i o no fa o a s b rs y s t e m ，t h i st r i a ls u c c e s s f u l l yr e s t r a i n sa e r o b i c p h o s p h o r u sr e m o v a lb yi n c r e a s i n gi n l e tc o d c o n c e n t r a t i o ng r a d u a l l y , a n dc o m e st o t h ec o n c l u s i o n ：a e r o b i cp h o s p h o r u sa b s o r p t i o ni sr e s t r a i n e dw h e nc o d 4 4 m g li n a e r o b i c o r g a n i cc a r b o nr e s t r a i n sa e r o b i cp h o s p h o r u sa b s o r p t i o nm o r eo b v i o u s l y w h e nc o d = 6 6 m g l ( 4 ) t h i st r i a la n a l y z e st h ec h a n g e so fp hi ni t sd i s c i p l i n e sa n dt h er e a s o n sf o r c h a n g e s ，r e s e a r c h st h ec h a n g e so fa n o x i cp h o s p h o r u sr e l e a s ei nd i f f e r e n tp hv a l u e s a n dc o m e st ot h ec o n c l u s i o n ：i tm a k e sp h o s p h o r u sr e l e a s er a t eg r a d u a l l yi m p o v ea n d p h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o na l s og r a d u a l l yi m p o v ei nt h ee n do fa n a e r o b i cp h a s ew h e n p hv a l u er i s e sb e t w e e n6 5 - 7 5 ；i ta l s oc o m e st ot h e c o n c l u s i o nt h a tt h eb e s t t e m p e r t u r eo f t h i ss y s t e mi s2 0 - - 2 5 。ci nt h i st r i a l ( 5 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe f f e c to nd e n i t f i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s u n d e rd i f f e r e n tc pr a t i o s ，c o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a to v e rl o wc pr a t i ow i l lc a u s e p a o sr e l e a s ea tt h ee n do fa n o x i cp h a s e ，a n do v e rh i g hc pr a t i ow i l li n c r e a s eo r g a n i c c a r b o nc o n c e n t r a t i o ni na n o x i ca n dr e s t r a i nd 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 b o t ho f t h e s ew i l la f f e c to u t l e tw a t e rq u a l i t y s ot h eb e s tc pr a t i or a n g ei s3 5 4 5 ( 6 ) t h et r i a lo fd i f f e r e n te l e c t r o na c c e p t o rd e p h o s p h a t a t i o ns t u d i e sh a v ef o u n d t h a to v e rl o wn 0 3 。- nc o n c e n t r a t i o nw i l lc a u s ea n o x i cp h o s p h o r u sr e l e a s eo fd p ba n d p a o s ，o nt h eo t h e rs i d et h e r ei sl e s si m p a c to nd 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 f t e r n 0 3 。- nc o n c e n t r a t i o ne x c e e d e dac e r t a i ne x t e n t ，s ot h eb e s tn 0 3 - nc o n c e n t r a t i o n r a n g ei s2 5 - 3 0 m g l ；n 0 2 。i sa v a i l a b l et ob e 弱e l e c t r o na c c e p t o ri nd 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 lp r o c e s s ，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 lp r o c e s sw i l l b e i n h i b i t e dw h e nn 0 2 。nc o n c e n t r a t i o ni so v e rh i g h s ot h eb e s tn 0 2 。- nc o n c e n t r a t i o n r a n g ei sa b o u t3 0 3 5 m g l k e yw o r d s ：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 ；d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sb a c t e r i a ； p h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l ；a o a s b r ；c p 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王畸氧 如p 7 年 月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 7 年广月哆日 厶却弓年月日 长安大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 1 1 1 水的利用和水资源现状 水是生命活动中最重要的物质之一，是人类文明不断发展的基础条件。随着 社会经济的发展，人类对水资源的需求量不断增大。本世纪以来全世界淡水用量 增长了8 倍，其中农业用水增长了7 倍，城市用水增长了1 2 倍，工业用水增长 了2 0 倍，而且世界淡水用量以每年5 的速度递增。目前世界上大约有9 0 个国 家，4 0 的人口出现缺水危机，3 0 亿人缺乏用水卫生设施，每年有3 0 0 万到4 0 0 万人死于和水有关的疾病【l 】。到2 0 2 5 年，水危机将蔓延到4 8 个国家，3 5 亿人为 水所困。水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏，也将严重威胁人类 生存。水资源危机已成为全世界关注的问题。世界气象组织1 9 9 6 年初指出：缺 水是全世界城市面临的首要问题，估计到2 0 5 0 年，世界2 3 以上的人口将生活 在城市，而全球有4 6 的城市人口缺水，必须平衡社会经济发展和城市淡水供 应管理二者之间的关系，进行水资源的储存、输送和管理的大规模工程建设。 联合国的一项名为“综合评估世界淡水资源”的研究报告指出：如果人们继续像现 在这样不加节制的话，3 0 年后贫水人1 ：3 数将可能达到世界总人1 2 1 的2 3 t 2 1 。毫无 疑问，淡水本应当是一种稀缺资源，然而，在相当数量的国家和人群里，这个观 念尚未真正形成。 1 1 2 氮磷废水对水环境的危害 含氮磷废水的排放对水环境影响很大，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 环境危害 水体富营养化，是指由于大量的氮、磷等植物性营养元素排入到流速缓慢， 更新周期长的地表水体，使藻类等水生生物大量地生长繁殖，使有机物产生的速 度远远超过消耗速度，水体中有机物积蓄，破坏水生生态平衡的过程。水体发生 富营养化，其后果是：促进细菌类微生物繁殖，使水体耗氧量大大增加：生 长在水层深处的藻类因呼吸作用大量耗氧，严重时使水生生物因缺氧而死亡； 沉于水底的死亡藻类的厌氧分解的过程促使厌氧菌繁殖；由于藻类大量生长产 生一些毒素，危害水生生物和作为饮用水人们的健康3 1 。 ( 2 ) 生物危害 第一章引言 对海洋的生物危害，表现在以下几方面：某些赤潮藻类分泌或产生粘液粘附 于鱼类等海洋生物的鳃上，妨碍其呼吸，导致窒息死亡；有些赤潮生物能分泌有 害物质( 如氨、硫化氢等) ，有些赤潮生物能渗透出高浓度的磷，使蓝藻大量繁殖 乃至发生赤潮，蓝藻能分泌毒素直接毒死其他海洋生物并引起摄食者中毒乃至死 亡；赤潮生物由于生有气囊一般密集于水面表层几十厘米以内，使阳光难于透过 表层，水下其他生物因得不到充足的阳光而影响其生存和繁殖，严重时可造成底 层海洋生物死亡【4 】。 地表水：如湖泊。湖泊是人类重要的自然资源，广泛用于防洪、灌溉、航运、 给水和养殖，一旦湖泊富营养化，其主要危害有：导致水体质量下降，功能减 退，水生态系统失衡；影响水体景观，大量肉眼可见的蓝绿色絮状或胶团状物 漂浮水面，经风浪冲击而聚集水域沿岸，堆积腐烂，产生恶臭，并扩散到大气中， 使周围空气遭受污染；导致制水供水成本提高，净化系统堵塞，出水中含有异 味，人们的饮用水质量下降；破坏天然水产资源，使鱼类资源小型化( s i z e m i n a t u r eo f f i s h e sr e s o u r c e s ) ，生物多样性下降，优质水产品的养殖受到严重威胁， 暴发性流行病害肆虐；影响水生植物的恢复，除遮光和营养竞争外，一般赤潮 形成于一个高p h 值、高0 2 和低c 0 2 的环境，使水生植物对c 0 2 的可利用性降 低、光合作用受阻，生长受到影响，其潜在危害不容忽视【5 】。 ( 3 ) 饮用水安全 由于饮用水原水的富营养化，多数水源水中发现了产毒素的藻类。在我国地 面水采集的4 8 0 个藻样本中，发现8 0 可以产生藻毒素。湖水中的微囊藻毒素最 高可达2 0 0 9 9 l ，经水厂处理后，出水中毒素含量仍可达5 0 p g l 【6 】。按照影响器 官及部位的不同，藻毒素分为：肝毒素( 引起肝损害，是一种促癌剂，如微囊藻 毒素、节球藻毒素) 、神经毒素( 神经损害，如鱼腥藻毒素q 、贝类毒素) 、皮肤毒 素( 引起皮炎，如海螺毒素) 【7 1 。微囊藻毒素具特异性，不可逆的抑制蛋白磷酸酶 l 和2 a ，且具有潜在的肝毒性。由于其生化活性，微囊藻毒素是一种肿瘤促发 剂，亚急性毒性水平接触可对人体健康产生有害影响。节球藻产生的节球藻毒素 分子结构与微囊藻毒素相似，虽然在氨基酸组成上有些差异，但已证明都是以肝 毒性为主的多肤毒。经对神经毒素的毒性研究发现，鱼腥藻毒素具有很强的烟 碱样神经肌肉去极化作用，动物中毒后表现出角弓反张、流涎；而用贝类毒素给 2 长安大学硕士学位论文 动物染毒后出现共济失调、呼吸困难、肌肉痉挛、颤动，最终因呼吸肌瘫痪而死 亡。许多研究，包括快速筛选试验、整体动物实验、慢性毒性实验以及流行病学 调查，己经阐明了藻毒素尤其是蓝绿藻产生的微囊藻毒素和节球藻毒素，可导致 肝细胞的癌变。流行病学资料显示【8 1 ，饮用藻毒素污染水的人群肝癌发病率比对 照组高出3 倍以上。饮水中的藻毒素严重威胁人类健康。所以，应采取补救方法 以减少饮水者的发病风斛9 1 。 1 1 3 加强污水的生物处理 由于人口的增加、社会经济的不断发展，不仅对用水的需求量快速增加，而 且污水的排放量亦与日俱增，因此对污水的处理再循环利用是解决这一矛盾的有 效方法。而废水的生物处理作为水污染防治和水资源的循环利用的重要工程手段 之一，对保护水环境和缓解水资源短缺问题具有重要的作用。 活性污泥法是世界各国普遍采用的传统废水生物处理工艺，其在防治水体污 染中发挥出良好的作用。但由于废水排放量的急剧增加以及对废水处理要求的日 益严格，传统工艺在处理的多功能性、高效稳定性和经济合理性方面已难以满足 不断提高的要求。开发、研究和应用新型废水生物处理工艺和技术，已经成为世 界各国水污染控制工程领域研究的重要课题。 8 0 年代以来，废水生物处理新工艺技术的研究、开发和应用，已在全世界 范围内得到了长足的进展，并出现了许多新型的废水生物处理技术。他们的共同 特点是高校、稳定、节能，并具有对污染物去除的多功能性，大多具有脱氮除磷 等深度处理的良好效能，并正朝自动化控制的方向发展【l _ 。鉴于目前针对解决水 资源富营养化问题以及水资源综合利用的迫切需求，寻求污水除磷脱氮新方法， 进一步的开发研究高效、低能耗的污水除磷脱氮技术将具有重大的现实意义。 1 2 污水生物除磷脱氮理论及传统技术工艺 1 2 1 传统的生物除磷机理 目前普遍认可的生物除磷的机理是聚磷菌( p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n g o r g a n i s m s ，p a o ) 独特的代谢活动完成了磷从液态( 污水) 到固态( 污泥) 的转 化，即在厌氧好氧交替运行条件下驯化出聚磷菌( p a o ) 一类微生物，它能够 超过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贮存在体内，以 高磷剩余污泥形式排出系统外，从而达到从污水中将磷去除的目的 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 ：1 。 3 第一章引言 生物除磷过程通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程，其代谢模式如图1 1 所示 【l6 】 0 厌 图1 1 聚磷茵在厌氧好氧条件下生物放、吸磷机理图 f i g u r e1 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a li na o 厌氧释磷：在厌氧条件下，聚磷菌快速地同化由发酵细菌代谢活动生成的短 链挥发性脂肪酸( v f a ) ，以主动运输方式吸收脂肪酸并合成聚一d 羟基丁酸盐 f f h b ) 储存起来，其所需要的三磷酸腺苷( a t p ) 及还原能通过p a o 细胞内贮存的聚 磷酸盐和糖原的分解来提供，于此同时释放出p 0 4 孓，这个过程会导致反应器中 混合液磷酸盐浓度的增加，这就是p a o 厌氧放磷现象。其反应方程式表示为： a t p + h 2 0 一a d p + p 0 4 3 + 能量 ( 1 1 ) 好氧吸磷：积累了大量p h b 的p a o 进入好氧状态后，以氧气作为氧化p h b 的电子受体，利用分解p h b 以产生能量并提供还原力还原尼克酰胺腺嘌呤二核 苷酸( n a d h ) ，并以n a d h 2 + 作为电子运输链的载体以排除质子，从而形成质 子推动力，质子推动力将体外p 0 4 3 - 输送到体内，在a t p 酶作用下合成a t p ，将 过剩的p 0 4 孓聚合成多聚磷酸盐0 0 l y _ p ) 。 p a o 在好氧条件下通过电子传递链产生的a t p 超过在厌氧条件下通过分解 体内聚磷酸盐产生的a t p ，所以好氧摄取的磷多于厌氧释放的磷。因此p a o 具 有过量摄取废水中磷的作用1 7 , 1 8 , 1 9 1 。其反应方程式可以表示为： a d p + p 0 4 能量_ a t p + h 2 0 ( 1 2 ) 大量的试验结果表明，活性污泥聚磷菌细胞中的p h b 和p o l y - p 颗粒在生物 除磷中发挥了重要的作用，尤其是p h b ，它在生物除磷系统中扮演着能量交换 器的角色，能够直观反映微生物吸、放磷状况和最终的生物除磷效果 2 0 , 2 1 , 2 2 1 。 1 2 2 生物脱氮的原理 4 长安大学硕士学位论文 生物脱氮是以硝化和反硝化两个生化过程为主体，由有机氮氨化、硝化、反 硝化及微生物的同化作用来完成。 ( 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。蛋白质可以作为微生物 的基质，在蛋白质水解酶的作用下水解成氨基酸，氨基酸在脱氨基酶的脱氨基作 用下将有机氮转化为氨氮，这一过程称为氨化作用。很多细菌、放线菌和真菌都 具有氨化的能力。以氨基酸为例，其反应式为： r c h n h 2 c o o h + 0 2 _ r c o o h + c 0 2 + n n 3( 1 3 ) ( 2 ) 硝化作用 硝化作用通常被定义为由氨到硝酸盐的生物氧化过程，硝化过程是化能自养 过程，一般分为两步进行，第一步由亚硝酸盐菌( 包括亚硝酸单胞菌属、亚硝酸 螺杆菌属和亚硝酸球菌属) 将氨氮转化为亚硝酸盐。第二步由硝化细菌( 包括硝 酸杆菌属、螺菌属和球菌属) 进一步将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。这两类细菌统称 为硝化细菌。硝化细菌是化能自养菌，革兰氏染色阴性，不生芽孢，广泛存活在 土壤中，在自然界的氮循环中起着重要的作用。它们利用c 0 3 厶、h c 0 3 - 和c 0 2 作为碳源，从n h 3 、n h 4 + 和n 0 2 - 的氧化反应中获得能量。该过程如以下反应式 所示： 2 n h 4 + + 3 0 2 _ 2 n 0 2 。+ 2 h 2 0 + 4 i - i +( 1 4 ) 2 n 0 2 。+ 0 2 2 n 0 3 。( 1 5 ) ( 3 ) 反硝化反应 反硝化是异养兼性厌氧菌，在厌氧条件下，以硝酸盐氮为电子受体，以有机 物为电子供体进行厌氧呼吸，将硝酸盐氮还原为n 2 或n 2 0 ，同时降解有机物。 该反应过程可以表达为： n 0 2 + 3 h ( 电子供体有机物) 一l 2 n 2 + h 2 04 - o h ( 1 6 ) n 0 3 + 5 h ( 电子供体有机物) _ 1 2 n 2 04 - h 2 04 - o h ( 1 7 ) 反硝化过程中硝酸根和亚硝酸根的转化是通过反硝化菌的同化作用和异化作 用共同完成的，同化作用是硝酸根和亚硝酸根被还原为n h 3 一n 用以新细胞的合 成。异化作用是硝酸根、亚硝酸根被还原为n 2 或n 2 0 、n o 等气态物质，主要 是n 2 【2 3 1 。 5 第一章引言 1 3 传统除磷脱氮工艺 1 3 1 单一的除磷工艺 ( 1 ) o 工艺 a o 工艺是由厌氧池和好氧池组成的同时去除污水中有机物和磷的处理系 统，其流程如图1 2 所示。 回流污滗( 台磷污泥) 图1 2a o 工艺流程图 f i g u r e1 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f a op r o c e s s 为了使微生物在好氧池中易于吸收磷，溶解氧应维持在2 m g l 以上，p h 值 应控制在7 8 之间。磷的去除率还取决于进水中的b o d 5 与磷浓度之比。据报道， 如果这一比值大于1 0 ：1 ，出水磷的浓度可在l m g l 左右。由于微生物物吸收磷 是可逆的过程，过长曝气时间及污泥在沉淀池中停留时间过长都有可能造成磷的 释放，如果进水氨氮浓度太高，则回流至厌氧池的硝酸盐将会很大，反硝化菌会 优先利用碳源进行反硝化而影响磷的释放【2 4 】。 ( 2 ) p h o s t r i p 工艺 传统脱氮除磷工艺存在着聚磷菌和硝化菌对泥龄要求不同的矛盾，而常规法 往往优先考虑脱氮的需要，导致除磷效果不佳。因此，实际工程中常将生物法与 物化法结合，以取得较好的除磷效果。p h o s t r i p 工艺( 见图1 3 ) 把生物法和化学除 磷法结合在一起，一部分回流污泥被分流到专设的池内进行磷的释放，投加石灰 生成沉淀。该工艺的优点是出水中总磷质量浓度常可低于l m g l ，且较少受进水 b o d 的影响，加之大部分磷以石灰污泥的形式沉淀去除，因此，污泥处理不象 高磷剩余污泥那样复杂。但是该工艺对操作人员的技术水平要求较高，石灰贮存 和预备系统的问题也较多。 6 长安大学硕士学位论文 图1 3p h o s t r i p 工艺流程图 f i g u r e1 3 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp h o s t r i pp r o c e s s 牛学义结合p h o s t r i pi 艺在德国达姆斯塔特的应用指出【2 5 】：( 1 ) 该工艺和污泥 回流系统的恰当设计，可保证出水中的磷在l m g l 以下；( 2 ) 化学沉淀所需石灰 用量低，每立方米污水的c a ( o h ) 2 用量在2 1 - 3 1 8 m g 之间；( 3 ) 最终排出污泥中 的磷可高达2 1 7 1 ，污泥肥效高。但是，该工艺由于无缺氧段，导致脱氮效 果不好，且由于回流污泥中含有从二沉池带入的大量硝酸盐而影响厌氧释放池里 聚磷菌的释磷性能。为此，韩国学者k s k i l n 通过在常规的p h o s t r i p 工艺曝气池 前加设反硝化段( 工艺流程图见1 4 ) ，强化了脱氮功能，由此也进一步克服了同 一体系脱氮除磷对工艺要求不同的矛盾，避免了原工艺二沉池回流污泥中高硝酸 盐浓度对磷释放的抑, u e 2 6 1 。 内回流枣：唾j 铲5 彻 图1 4 改进的p h o s t r i p 工艺流程图 f i g u r e1 4 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fm o d i f i e dp h o s t r i pp r o c e s s 7 第一章引言 1 3 2 同步生物脱氮除磷工艺 ( 1 ) a 2 o 工艺 在原来a o 工艺除磷的基础上，嵌入一个缺氧池，并将好氧池中的混合液回 流到缺氧池中，达到反硝化脱氮的目的，这样厌氧一缺氧好氧相串联的系统能 同时除磷脱氮，简称a 2 o 工掣2 4 1 ，流程图1 5 。 混合液翻流( 1 0 0 - t - 4 0 4 残) 图1 5a z o 工艺流程图 f i g u r e1 5 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f 碚op r o c e s s 该处理系统出水中磷的浓度基本可在l m g l 以下，氨氮也可在1 5 m g l 以下。 由于污泥交替进入厌氧池和好氧池，丝状菌较少，污泥的沉降性能很好，但对回 流液的操作要严格控制。改良a 2 o 工艺在厌氧池之前设置厌氧，缺氧调节池来避 免a 2 o 法回流污泥携带的硝酸盐对厌氧释磷的影响【2 7 1 。 倒置a 2 o 工艺( 如图1 6 ) 是取消a 2 o 工艺的内循环，形成了缺氧厌氧好氧 工艺。该工艺把缺氧段前置，优先满足反硝化对碳源的需要，使系统脱氮功能得 到加强。由于避免了回流污泥中硝酸盐和溶解氧的不利影响，全部回流污泥都参 与了释磷和摄磷过程，使其除磷功能优于传统的a 2 o 工艺。 图1 6 倒置a 2 ，o 工艺流程图 f i g u r e1 6 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f i n v e r t e da z op r o c e s s ( 2 ) 五阶段b a r d e n p h o 工艺【2 4 】 五阶段b a r d e n p h o 工艺在四阶段b a r d e n p h o 脱氮工艺基础上，为了提高除磷 长安大学硕士学位论文 的稳定性，在其流程之前增设一个厌氧池，以提高污泥的磷释放效率，工艺脱氮 效果很好，一般为9 0 0 0 - - - 9 5 ，通过污泥进入厌氧池的硝酸盐是很少的，不会影 响到污泥的放磷效果，工艺的主要优点是各项反应都反复进行两次以上，各反应 单元都有其首要功能，并兼行其他功能，除磷效果良好，从而使整个系统达到较 好的脱氮除磷效果，工艺流程如图1 7 。但该工艺水力停留时间长，工艺复杂， 反应器单元多，运行繁琐，成本高。 滋合液网流( 4 0 傩) 图1 7 五阶段b a r d e n p h o 工艺流程图 f i g u r e1 7 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fb a r d e n p h o p r o c e s s 1 3 3 一体式反应器同步脱氮除磷工艺 早期的脱氮除磷工艺都是将厌氧、缺氧和好氧区分隔开来。近年来，随着研 究的深入，在同一反应器中完成硝化、反硝化和除磷过程的工艺，越来越引起人 们的兴趣。 ( 1 ) c a s s 工艺 c a s s 是改进的s b r 工艺【2 8 1 ( 图1 8 ) 。c a s s 即循环式活性污泥法，它最 显著的特点是在反应器的前端有一生物选择区，生物选择器是一个容积较小的污 水、污泥接触区，它的设计要严格遵循活性污泥种群组成动力学的有关规律，创 造合适的微生物生长条件，以及在高污泥絮体负荷条件下有利于磷释放的环境。 设计合理的生物选择区可以有效地抑制丝状性细菌的大量繁殖，克服污泥膨胀， 提高系统的稳定性。进水与2 0 1 扫主反应区回流的活性污泥在生物选择区内混合 接触，这样污泥循环经过高有机负荷的选择器，低负荷的反应器，容易形成小颗 粒絮凝性的污泥，这种污泥由于表面积较大，所以可以吸附大量的有机质，同时 也增大了絮体的密实度：另一方面，反应区通过合适的供氧，在微生物絮体的表 面到内部可以形成由好氧到缺氧溶解氧呈梯度降低的环境，这样硝化、反硝化过 程就可以籍助生物絮体，在絮体的表面和内部同时发生。 9 第一章引言 r i一 睿j 1|， = 心 颈反应区 个i | r 1 个 个个i | | | ii f l l 个i f | | 1个i f i | l1 1 | | 1 个小 图1 8c a s s 工艺系统流程 f i g u r e1 8 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc a s ss y s t e m 出水 ( 2 ) 五箱一体化活性污泥工艺 五箱一体化活性污泥工艺是东南大学研究开发的智能化中小型脱氮除磷新 工艺，其主体是一个被分隔成五个单元的矩形反应池( 图1 9 ) 【2 9 】池间水力连通， 每池都设有曝气和搅拌系统，两边池设有出水口和污泥排放口，交替作为曝气 搅拌和沉淀池。污水可进入中间一池以外的任一池，采用连续进水，周期性交替 运行。通过调整运行方式，创造良好的厌氧、好氧条件以达到脱氮除磷的目的。 该工艺的运行周期分前半周期和后半周期，共8 个阶段，以阶段一、五为主体段， 阶段二、六为过渡段1 ，阶段三、七为过渡段2 ，阶段四、八为沉淀段。它具有 脱氮除磷效率高、占地面积小、自动化程度高、操作简便等优点。 阶段：黔段三阶段躁 阶段八阶段七 阶段六盼段五 图1 9 五箱一体化活性污泥工艺运行过程 f i g u r e1 9 s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e g r a t e ds y s t e mw i t hf i v et a n k s ( 3 ) 螺旋升流式反应器 罗固源等利用螺旋升流式反应器( s p i r a lu p f l o wr e a c t o 卜s u f r ) 进行了生 物脱氮除磷研究( 图1 1 0 ) i 3 0 1 先后经厌氧、缺氧、好氧反应器，各反应器中混合 l o 长安大学硕士学位论文 液在特定装置的推动下，螺旋上升。在好氧反应器中下部装有曝气头，以保持中 上部的完全好氧状态和下部的好氧一缺氧过渡状态。s u f r 能使反应器中水流以 螺旋升流的方式流经整个反应器，形成了较好的推流状态，提高了反应器活塞流 态的容积利用率，而且具有明显的基质浓度梯度，因此显著提高反应器的脱氮除 磷效率，对t n 、t p 和c o d 的去除率分别达8 6 、9 6 和9 4 以上。s u f r 系 统的螺旋流动特征使该反应器接近于活塞流反应器，有利于在空间上形成有机物 的浓度梯度分布，表现出较好的有机底物和氧气的传质特性，系统中微生物种群 具有多样化，所形成的微生物生态系统更稳定。在本系统中也发现了反硝化除磷 现象，当进水c o d 的质量浓度小于3 8 3 m g l 时，厌氧末端进入缺氧反应器底部 混合液中c o d 的质量浓度小于5 1m g l ，在缺氧反应器内发生了明显的反硝化吸 磷现象。系统磷去除率为9 3 3 7 9 8 8 5 ，平均在9 6 以上。 搅拌电枫曝气 图1 1 0 螺旋升流式反应器脱氮除磷系统流程 f i g u r e1 1 0 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs u f r s y s t e m 1 4 反硝化除磷技术研究进展 1 4 1 反硝化除磷理论 早在2 0 世纪8 0 年代中期，h a s e o e t ，c o m e a u 和g e r b e r 等都发现聚磷菌能够 第一章引言 在缺氧环境中以硝态氮作为电子受体进行吸磷 3 1 , 3 2 , 3 3 1 。p o l a c h ( 1 9 9 1 ) 和w a n n e r 等( 1 9 9 2 ) 币t j 用小试和中试试验也证实，在e b p r 系统的缺氧条件下活性污泥具有 同步吸磷和反硝化作用【3 4 3 5 1 。1 9 9 3 年，荷兰d e l r 科技大学的