（环境工程专业论文）济宁市污水厂强化氮磷脱除升级改造技术优化研究.pdf

摘要 上世纪7 0 年代以来，水体富营养化已成为世人瞩目的水环境问题，有效控制 氮磷污染物排放是解决水体富营养化的根本途径。目前我国绝大多数城镇污水处 理厂不具备脱氮除磷功能或氮磷去除能力低下，因此，现阶段大部分城镇污水处 理厂面临着脱氮除磷升级改造任务。本研究以济宁污水处理厂为研究对象，结合 该污水处理厂实际情况与升级改造技术需求，以强化污水处理二级生化单元脱氮 除磷功能为主要研究目标，以济宁污水处理厂现有二级生化单元为参比对象，分 别进行了以好氧区投加s p r 1 型悬浮填料的m b b r 强化生物脱氮除磷现场中试与 以新型复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮除磷现场小试研究。 1 、m b b r 强化脱氮除磷现场中试研究结果表明： ( 1 ) 在污水处理厂正常进水水质条件下，m b b r 强化脱氮除磷中试系统有 机物容积负荷0 8 6 5k g c o d ( m 3 - d ) 、氨氮容积负荷0 0 8 4 k gn h 4 + n ( m 3 - d ) 、h r t 为1 0 4 h 、好氧区悬浮填料填充率为6 7 、污泥回流比为1 0 0 、好氧混合液回流 比为2 0 0 ，m b b r 强化脱氮除磷中试系统c o d 、n h 4 + - n 、s s 、t n 、t p 去除 率分别达到8 2 0 、9 2 6 、9 1 1 、4 6 3 、6 6 o ，导致m b b r 强化中试系统 t n 、t p 去除效率较低的原因在于污水处理厂进水c o d 及其可快速降解有机物含 量过低，其他参数不变，系统填料填充率减小至5 0 对处理效果无明显影响。 ( 2 ) 在高负荷条件下，m b b r 强化脱氮除磷中试系统有机物容积负荷 o 9 1 4 k g c o d ( m 3 d ) 、氨氮容积负荷0 1 0 3 k gn h 4 + - n ( m 3 d ) 、h r t 为8 h 、好氧区 悬浮填料填充率为5 0 、污泥回流比为1 0 0 、好氧混合液回流比为2 0 0 ，m b b r 强化脱氮除磷中试系统c o d 、n h 4 4 - _ n 、s s 、t n 、t p 去除率分别达到8 1 6 、9 5 6 、 9 0 9 、2 7 1 、4 7 3 ，试验结果证明m b b r 工艺强化系统具有较好的抗有机物、 氨氮负荷冲击能力，系统对t n 、t p 的去除依然受到进水碳源不足的影响。 ( 3 ) 以甲醇为外源性碳源( 投加量为3 3 m g c o d l ) 的条件下，m b b r 强化 脱氮除磷中试系统容积负荷0 9 0 0k g c o d ( r n 3 d ) 、氨氮容积负荷0 0 7 2 k gn h 4 + - n ( m a d ) 、h r t 为8 h 、好氧区悬浮填料填充率为5 0 、污泥回流比为1 0 0 、好氧 混合液回流比为2 0 0 ，系统c o d 、n h 4 + - n 、t n 、t p 去除率分别达到8 1 7 、 9 3 7 、7 0 3 、6 1 5 ，其t n 、t p 正常进水水质条件下的各实验工况分别提高 3 6 4 和7 5 ，同时外源性碳源的投加促进了系统对难降解有机物的协同去除能 力。 ( 4 ) 低温( 1 6 c ) 静态试验结果表明，在低温条件下悬浮填料生物膜对系统 硝化贡献率为6 2 5 ，证明了m b b r 工艺系统在低温条件下亦具有较好的硝化能 力。 2 、复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮除磷现场小试研究研究结果表明： ( 1 ) 在污水处理厂正常进水水质条件下，复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮 除磷小试系统有机物平均污泥负荷0 0 1 5 9 c o d ( g m l s s d ) 、氨氮平均污泥负荷 0 0 1 5 9 n i - h + - n ( g m l s s d ) 、好氧h r t 为5 2 h 、缺氧h r t 为5 2 h ，s r t 为1 5 d ， 系统c o d 、n h 4 + - n 、t n 、t p 去除率分别达到7 8 8 、8 8 9 、5 5 0 、7 4 5 ， 导致系统t n 去除效率较低的原因在于污水处理厂进水c o d 及其可快速降解有机 物含量过低，其他参数不变，系统s r t 延长至3 0 d ，系统c o d 、n h 4 + - n 、t p 去除 率分别达到8 3 5 、9 4 9 、7 4 5 。 ( 2 ) 在高负荷条件下，复合铁酶促活性污泥强化生物脱氮除磷小试系统有机 物平均污泥负荷o 1 8 7 9 c o d ( g m l s s d ) 、氨氮平均污泥负荷0 0 1 6 9 n h 4 + - n ( g m l s s d ) 、好氧h r t 4 h 、缺氧h r t 4 h ，系统c o d 、n h 4 + - n 、t n 、t p 去除率 分别达到8 0 1 、9 0 4 、4 0 、6 4 2 ，导致系统t n 、t p 去除效率较低的原因 在于污水处理厂进水c o d 及其可快速降解有机物含量过低。 ( 3 ) 以甲醇为外源性碳源( 投加量为3 3 m g c o d l ) 的条件下，复合铁酶促 活性污泥强化生物脱氮除磷小试系统有机物平均污泥负荷0 2 0 5 9 c o d ( g m l s s d ) 、氨氮平均污泥负荷0 1 0 1 9 n h 4 + - n ( g m l s s d ) 、好氧h r t 为4 h 、 缺氧h r t 为4 h ，系统c o d 、n i h - n 、t n 、t p 去除率分别达到8 5 8 、9 0 6 、 6 9 6 、7 2 3 ，其t n 、t p 正常进水水质条件下的各实验工况分别提高2 9 6 和 8 1 ，同时外源性碳源的投加促进了系统对难降解有机物的协同去除能力。 ( 4 ) 低温( 1 6 c ) 静态试验结果表明，与污水处理厂传统活性污泥对比，复 合铁酶促活性污泥平均硝化速率高15 ，说明复合铁酶促活性污泥特殊的污泥结 构可以在一定程度上增强活性污泥的低温能力。 关键词：城市污水；升级改造；移动床生物膜反应器；复合铁酶促活性污泥；脱 氮；除磷 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h e7 0 t ho fl a s tc e n t u r y , e u t r o p h i c a t i o nh a sb e c o m eaw o r l d - r e n o w n e de n v i i o n n 心1 i t a l i s s u e e f f e c t i v ec o n t r o lo fu r b a ns e w a g en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa n do t h e rn u t r i e n ts u b s t a n c e s d i s c h a r g ei st h em o s ti m p o r t a n tw a y t os o l v et h ee u t r o p h i c a t i o np r o b l e m s e w a g et r e a t m e n tp l a n t s m o s t l yu s et h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，a n dt h er e m o v a le f f e c to fi t sn i t r o g e n ，p h o s p h o r u si sn o t h i g he f f e c t i v e t h e r e f o r e ，m o s tm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tf a c i n gt h et a s ko fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a lu p g r a d e t h ep a p e ，c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ej i n i n gs e w a g e t r e a t m e n ta n du p g r a d i n gn e e d s w a se m p h a s i z e do nf u r t h e rn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e s o ft h ee x i s t i n gs e c o n d a r ys e w a g et r e a t m e n tp l a n t e x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u to n p r o c e s s i n go ft o w ns e w a g eb yt h em b b ra c t i v i t ys l u d g ea n dc o m p o s i t ef e r r i ce n z y m a t i ca c t i v i t y s l u d g e 1 t h ep i l o ts t u d ye n h a n c i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw i t hm b b rs h o w e dt h a t ： ( 1 ) i nn o r m a li n f l u e n t q u a l i t y c o n d i t i o n s ，w h e no r g a n i c l o a d i n g r a t e w a s 0 8 6 5 k g c o d ( m 3 d ) ，a m m o n i al o a d i n g r a t ew a s 0 0 8 4 k g n h 4 + - n ( m 3 d ) ，h r t w a s1 0 4 h ， s u s p e n d c n dc a r r i e sf i l l i n gr a t ew a s6 7 ，s l u d g er e t u r nr a t ew a s10 0 ，a e r o b i cm i x t u r er e t u r nr a t e w a s2 0 0 t h ec o d 、n i - h + - n 、s s 、t na n dt pr e m o v a lr a t e so f m b b rs y e t e ma c h i e v e d8 2 0 、 9 2 6 、9 1 1 、4 6 3 、6 6 o t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e sw e r el o wf o rl o wc a r b o n i n f f l u e n t d u r i n gt h et e s t ，t h ef i l l i n gr a t eo fs u s p e n d e n dc a r r i e sd e c r e a s e d17 h a dn og r e a t e n e g a t i v ei m p a c t o nt h em b b r s y s t e m ( 2 ) a th i g hl o a dc o n d i t i o n s ，w h e no r g a n i cl o a d i n gr a t ew a so 9 1 4 k g c o d ( m 3 d ) ，a m m o n i a l o a d i n gr a t ew a s0 10 3 k gn h 4 + - n ( m 3 d ) ，h r tw a s8 h ，s u s p e n d e n dc a r r i e sf i l l i n g r a t ew a s 5 0 ，s l u d g er e t u r nr a t ew a s10 0 ，a e r o b i cm i x t u r e r e t u r nr a t ew a s2 0 0 ，t h ec o d 、n h 4 + - n 、s s 、 t na n dt pr e m o v a lr a t e so f m b b rs y e t e mw e r e8 1 6 、9 5 6 、9 0 9 、2 7 1 、4 7 3 。t h et e s t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em b b rs y s t e mh a v es t a b l ee n d u r a n c eo fc a r b o na n da m m o n i as h o c k l o a d ，a n dl o wc o n c e n t r a t i o no r g a n i cm a t t e ri ni n f l u e n ts t i l lh a di m p a c to nt h er e m o v a lr a t eo ft n a n d 记 ( 3 ) u n d e ra d d i n gc a y b o n3 3 m g 1c o n d i t i o n s ，w h e no r g a n i c l o a d i n gr a t ew a so 9 0 0 k g c o d ( m 3 d ) ， a m m o n i al o a d i n gr a t ew a s0 0 7 2 k gn h 4 + - n ( m 3 d ) ，h r tw a s8 h ，s u s p e n d e n dc a r r i e sf i l l i n gr a t e 青岛理工大学工学硕士学位论文 w a s5 0 ，s l u d g er e t u r nr a t ew a s1 0 0 ，a e r o b i cm i x t u r er e t u r nr a t ew a s2 0 0 ，t h ec o d 、n h 4 + - n 、 t na n dt pr e m o v a lr a t e so f m b b r s y e t e r na c h i e v e d8 1 7 、9 3 7 、7 0 3 、6 1 5 ，t h er e m o v a l r a t eo ft na n dt p , c o m p a r e dw i t ht h ec o n d i t o nw i t h o u ta d d i n gc a r b o nw e r ei n c r e a s e db y3 6 4 a n d 7 5 r e s p e c t i v e l y a tt h es a m et i m e a d d i n ge x o g e n u sc a r b o ns o u r c ep r o m o t e dt h er i n o v a la b i l i t y o fr e f r a c t o r yo r g a n i c ( 4 ) w i t hl o wt e m p e r r a t u r e ( 1 6 c ) t e s t ，t h ec o n t r i b u t i o no fs u s p e n d e dc a r r i e st os y e t e m n i t r i f i c a t i o nr a t ew a s6 2 5 ，m b b rp r o c e s ss h o w e db e t t e rr e s i s t a n c et ol o w t e m p e r r a t u r e 2 t h es t u d ye n h a n c i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l 、) l ，i t hc o m p o s i t ei r o ne n z y m a t i c s y s t e ms h o w e dt h a t ： ( i ) i nn o r m a li n f l u e n t q u a l i t yc o n d i t i o n s ， w h e n o r g a n i cl o a d i n g r a t ew a s 0 0 1 5 9 c o d ( g m l s s d ) ，a m m o n i al o a d i n gr a t ew a s0 0 1 5g n h 4 + - n ( g m l s s d ) ，a e r o b i cr e a c t i o n t i m ew a s5 2 h ，a n a e r o b i cr e a c t i o nt i m ew a s5 2 h ，s r tw a s1 5 d ，t h ec o d 、n h 4 + - n 、t na n dt p r e m o v a lr a t e so ft h ec o m p o s i t ei r o ne n z y m a t i cs y s t e mw e r e7 8 8 、8 8 9 、5 5 o 、7 4 5 ，t h e r e m o v a lr a t eo ft nw a sp o o rf o rt h el o wc a r b o nc o n c e n t r a t i o ni ni n f l u e n t w i t hs r te x t e n t e d t 0 3 0 d t h er e m o v a lr a t eo f c o d 、n h 4 + - n 、s s 、t na n dt pw e r e8 3 5 、9 4 9 、7 4 5 ( 2 ) a th i g hl o a dc o n d i t i o n s ，w h e no r g a n i cl o a d i n gr a t ew a s0 18 7 9 c o d ( g m l s s d ) ，a m m o n i a l o a d i n gr a t ew a s0 0 1 6g n i - h + - n ( g m l s s d ) ，a e r o b i cr e a c t i o nt i m ew a s4 h ，a n a e r o b i cr e a c t i o nt i m e w a s4 h ，s r tw a s3 0 d ，t h ec o d 、n h 4 + - n 、t na n dt pr e m o v a lr a t e so f t h ec o m p o s i t ei r o ne n z y m a t i c s y s t e mw e r e8 0 1 、9 0 4 、4 0 、6 4 2 ， a n dl o wc o n c e n t r a t i o no r g a n i cm a t t e ri ni n f l u e n ts t i l l h a di m p a c to nt h er e m o v a lr a t eo f t na n dt p ( 3 ) u n d e ra d d i n gc a y b o n3 3 m g lc o n d i t i o n s ，w h e no r g a n i cl o a d i n g r a t ew a s 0 2 0 5 g c o d ( g m l s s 。d ) ，a m m o n i al o a d i n gr a t ew a so 1 0 1 9 n h 4 + - n ( g m l s s 。d ) ，a e r o b i cr e a c t i o n t i m ew a s4 h ，a n a e r o b i cr e a c t i o nt i m ew a s4 h ，s r tw a s3 0 d ，t h ec o d 、n h 4 + - n 、t na n dt p r e m o v a lr a t e so f t h ec o m p o s i t ei r o ne n z y m a t i cs y s t e mw e r e8 5 8 、9 0 6 、6 9 6 、7 2 3 ，t h e r e m o v a lr a t eo ft na n dt p , c o m p a r e dw i t ht h ec o n d i t o nw i t h o u ta d d i n gc a r b o nw e r ei n c r e a s e db y 2 9 6 a n d8 1 r e s p e c t i v e l y a tt h es a m et i m e 。a d d i n ge x o g e n u sc a r b o ns o u r c ep r o m o t e dt h e r e m o v a la b i l i t yo fr e f r a c t o r yo r g a n i c ( 4 ) w i ml o wt e m p e r r a t u r e ( 1 6 c ) t e s t ，t h ea v e r a g en i t r i f i c a t i o nr a t eo ft h ec o m p o s i t ei r o n e n z y m a t i cs l u d g ew a sh i g h = 1 5 t h a nt r a d i t i o n a la c t i v e t e ds l u d g e h ec o n t r i b u t i o no fs u s p e n d e d c a r r i e st os y e t e mn i t r i f i c a t i o nr a t ew a s3 8 ，t h ec o m p o s i t ei r o ne n z y m a t i cs y s t e ms h o w e db e t t e r 青岛理工大学工学硕士学位论文 r i i ! 昌詈詈昌詈詈昔鲁喜曩鼍皇置昌暑鲁詈詈暑薯鼍鲁墨暑= 皇皇詈詈詈暑詈置置鼍皇鲁皇昔暑= 詈詈詈皇暑詈= 詈皇葛皇鼍昌皇皇詈詈墨 r e s i s t a n c et ol o wt e m p e r r a t u r e t os o m ee x t e n t , t h ec o m p o s i t ei r o ne n z y m a t i cs y s t e mc a ne n h a n c e m i c r o b i a l sb i o l o g i c a la c t i v i t yt or e s i s tt h ec h a n g e so fc n v i r o n m c n t a ! f a c t o r so u t s i d e k e yw o r d s ：m u n i c i p a lw a s t e w a t e r , u p g r a d i n gc o n s t r u c t i o n , m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t e r ；c o m p o s i t e i r o ne n z y m a t i ca c t i v a t e ds l u d g e ；n i t r o g e nr e m o v a l ；p h o s p h o r u sr e m o v a l 第1 章绪论 1 1 水环境污染状况及相关水污染物排放标准 1 1 1 我国水环境污染现状 水污染是指排入水体的污染物在数量上超过该物质在水体中的本底含量和水体的 环境容量，从而导致水体物理性质、化学性质和生物学性质发生变化，使水体固有的水 体功能和生态系统受到破坏。我国是世界上1 3 个最缺水的国家之一，全国6 0 0 多个城 市中大约一半的城市缺水，同时人口增加和工业发展造成的水污染使我国缺水的形式进 一步加剧。2 0 0 9 年中国环境状态公报显示，全国地表水污染依然较重。七大水系总体为 轻度污染，浙闽区河流为轻度污染，西北诸河为轻度污染，西南诸河水质良好，湖泊( 水 库) 富营养化问题突出。在河流水质方面，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和 辽河七大水系总体为轻度污染。2 0 3 条河流4 0 8 个地表水国控监测断面中，i , i i i 类、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 7 3 、2 4 3 和1 8 4 。主要污染指标为高锰 酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮。其中，珠江、长江水质良好，松花江、淮河为轻度 污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度污染【l 】。在湖泊( 水库) 水质，2 6 个国控重 点湖泊( 水库) 中，满足i i 类水质的1 个，占3 9 ：1 1 i 类的5 个，占1 9 2 ；i v 类的6 个， 占2 3 1 ；v 类的5 个，占1 9 2 ；劣v 类的9 个，占3 4 6 。主要污染指标为总氮和 总磷。营养状态为重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的2 个，占7 7 ：轻度富 营养的8 个，占3 0 8 ；其他均为中营养，占5 7 7 ；关于海水水质方面，全国近岸海 域水质总体为轻度污染。近岸海域监测按照监测点位计算，一类和二类海水比例为 7 2 9 ；三类海水占6 o ；四类和劣四类海水占2 1 1 。四大海区近岸海域中，黄海和 南海近岸海域水质良，渤海近岸海域水质一般，东海近岸海域水质差。北部湾和黄河口 海域水质优，一、二类海水比例在9 0 以上；渤海湾、辽东湾、胶州湾和闽江口海域水 质差，一、二类海水比例低于6 0 且劣四类海水比例低于3 0 ；长江口、杭州湾和珠江 口水质极差，劣四类海水比例均占4 0 以上，其中杭州湾最差，劣四类海水比例高达 1 0 0 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 2 相关水污染物排放标准 为了抑制日益恶化的水环境污染态势，世界各国纷纷制定了更加严格的污水排放标 准。欧共体和德国于1 9 9 8 年起开始实施新的污水排放标准以控制氮磷的排放 2 3 】，对 于1 0 4 1 0 5 人口规模城市，规定污水处理厂处理出水t n 1 5 m g 1 ，t p 2 m g 1 ；对于大于 1 0 5 人1 2 规模城市，规定污水处理厂处理出水t n 1 0 m g 1 ，t p l m g 1 ；荷兰自1 9 9 8 年起， 规定污水厂t n 去除率应大于7 5 ，出水t n 应小于1 0 m g l ，t p 应小于1 o m g l 。 为了防治氮磷大量排放造成的水体富营养化，我国对原有污水综合排放标准 ( g b 8 9 7 8 9 6 ) 进行了修订，颁布实施了城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) ，其不仅对城镇污水处理厂处理出水提出了分级要求，而且在一级标准 中增设了达到回用基本要求的一级标准a 标准，其中对氮、磷的排放标准较原有标准更 为严格【4 1 ，其基本控制项目最高允许排放浓度见表1 1 。另外，为保障南水北调东线工 程山东段的长期安全运行，2 0 0 6 年山东省制订实施了山东省地方性流域水污染控制标准 山东省南水北调沿线水污染物排放标准( d b 3 7 5 9 9 - - 2 0 0 6 ) ，该标准规定排向 南水北调南四湖流域重点保护区的城镇污水处理厂，见表1 1 。 表1 - 1 基本控制项目最高允许排放浓度( 日均值) 单位：m g l t a b l e l - 1t h eh i g h e s td i s c h a r g ec o n c e n t r a t i o no ft h eb a s i cc o n t r o li t e mu n i t ：m g l 青岛理工大学工学硕士学位论文 注：- f 歹u 情况下按去除率指标执行：当进水c o d 大于3 5 0 m g l 时，去除率应大于6 0 ；b o d 大 于1 6 0 m g l 时，去除率应大于5 0 。 表l - 2 山东省南水北调沿线水污染物排放标准( d b 3 7 ，5 9 9 - - 2 0 0 6 ) t a b l e l - 2d i s c h a r g es t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rs o u t h t o - n o r t hw a t e rt r a n s f ep r o j e c t ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 注：1 ) 单纯制浆或浆纸产量平衡的生产。 2 ) 加氯消毒后须进行脱氯处理，达到本标准。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 国家环境保护总局公告2 0 0 6 年第2 1 号发布城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 修改单中，要求“城镇污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及 湖泊、水库等封闭半封闭水域时，执行一级标准的a 标准，排入g b 3 8 3 8 地表水类功 能水域、g b 3 0 9 7 海水二类功能水域时，执行一级标准的b 标准。2 0 0 6 年山东省出台实 施了山东省地方性流域水污染控制标准山东省南水北调沿线水污染物排放标准 ( d b 3 7 5 9 9 - - 2 0 0 6 ) ，该标准规定排向南水北调南四湖流域重点保护区的城镇污水处理 厂，其处理水c o d c ，要求达到6 0 m g l ，n h 4 + - n 达到1 0m g l ，其他相关指标也制订了 严格的排放标准。 1 2 生物脱氮除磷基本原理 1 2 1 生物脱氮基本原理 污水生物处理中氮的转化包括同化、氨化、硝化和反硝化作用。但是从化合态氮到 气态氮进而从根本上去除氮污染物质的转化过程主要通过硝化和反硝化过程起作用【5 1 。 l 、氨化作用 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放线菌都 能分解蛋白质及其含氮的衍生物，其中分解能力强并释放n h 3 的微生物称为氨化微生 物，废水中有机氮化合物脱氨的方式主要有水解脱氨、氧化脱氨、还原脱氨及减饱和脱 氨【6 】。氨化作用在好氧和厌氧环境下都可进行，反应速度较快，在污水脱氮过程中，不 是处理工艺的关键控制因素，一般不作为重点考虑，研究的重点主要是硝化和反硝化作 用。 2 、硝化作用 硝化作用是指在有氧存在的条件下，氨氮被微生物氧化成亚硝酸盐，然后再进一 步氧化成硝酸盐的过程。硝化作用是通过自养型的亚硝酸细菌和硝酸细菌共同参与完成 的【7 堋，该过程分两步：氨氮首先由亚硝化单胞茵( n i t r o s o m o n a s ) 氧化为亚硝酸盐氮， 然后亚硝酸氮再有硝化杆菌( n i t r o b a c t e r ) 氧化为硝酸盐氮。然而从生物化学角度来看， 硝化过程并非仅仅上述两个过程，它涉及多重酶和中间产物，并伴随复杂电子的( 能量) 转移【9 1 2 1 。 亚硝酸茵将氨氮氧化为亚硝酸盐的反应和硝酸菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的反应 式可以用式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 来表示： 2 n i - 1 4 + + 3 0 2 _ 2 n 0 2 + 2 h 2 0 + 4 旷 a g o ( w ) = 2 7 0 k j ( m o l n h 4 + n ) n 0 2 - + o 5 0 2 _ n 0 3 。 ( 1 2 ) g ”( w ) = 一8 0 k j ( m o ln 0 2 。- n ) 总反应式为： n h 4 十+ 20 2 _ n 0 3 。+ h 2 0 牛2 旷( 1 3 ) 由式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 可知，n 出+ - n 氧化为n 0 2 。- n 时所产生的能量，大约为n 0 2 。- n 氧化为n 0 3 n 所产生能量的4 - 5 倍。所以在稳定条件下，生物处理系统中不会产生亚 硝酸盐的积累，对于亚硝化反应和硝化反应m o n o d 方程中的饱和系数k s 均小于1 m g 1 。 所以硝化反应中速率限制步骤是硝化菌属将n h 4 + - n 转化成n 0 2 。n 的过程【1 3 】。 3 、反硝化作用 反硝化作用是指将硝酸盐生物异化还原为气态氮( n 2 ) ，或生物同化还原转化为氨 氮合成细胞的过程。在缺氧( 不存在分子态溶解氧) 条件下，将亚硝酸氮和硝酸氮还原 成n 2 或n 2 0 、n o 。参与这一生化反应的主要微生物是变形杆菌、假单胞杆菌、小球菌 等等。这类细菌在有氧状态下，利用氧气进行呼吸作用，氧化分解有机物。在不存在分 子氧，但存在硝酸氮和亚硝酸氮时，以硝酸氮和亚硝酸氮作为电子受体进行生物反硝化 反应 1 4 1 。如果假定硝态氮完全还原为n 2 ，则反硝化过程可用下式表示【1 4 】： _ _ - _ _ _ _ i _ n 0 2 。+ 0 6 7 c h 3 ( 坍- + 0 5 3 h 2 c 0 3 0 0 4 c m r 1 7 0 2 n + o 4 8 n 2 + 1 2 3 h e o + h c o f( 1 - 6 ) n o s 。+ 1 0 8 c h 3 甜0 2 4 - 2 c o s 一 0 0 5 6 c f l - i z 0 2 n + o 4 7 m + 1 6 8 1 1 2 d 十圩c 甜 ( 1 - 7 ) 上述方程式表明， ( 1 ) 反硝化反应中每还原l g n 0 3 。可提供2 6 9 的氧，同时产生3 4 7 9 的碱度和0 4 5 9 反 硝化菌，消耗3 7 9 的c o d 。 ( 2 ) 硝化过程消耗的碱度可以在反硝化过程中得到部分补偿。 ( 3 ) 反硝化过程中，每还原l g n 0 3 。需消耗约3 0 9 的b o d 。 反硝化过程中的n o x n 是通过反硝化菌同化作用和异化作用来完成的。同化作用 是n o 。n 被还原成n h 3 - n ，用与微生物的细胞合成，氮成为细胞质成分。异化作用是 n o x n 被还原为n 2 或n 2 0 、n o 等气体，主要是氮气。异化作用去除的氮约占总去除总 量的7 0 至7 5 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 、硝化作用和反硝化作用中的影响因素 ( 1 ) 温度 温度对生物硝化反应影响很大，硝化反应可以在训5 的范围内进行，当低于 5 c 时，硝化菌的生命活动几乎停止。硝化反应的适宜温度范围是3 0 - - 3 5 c t 他】，温度不 但影响硝化菌的比增长速率，而且影响硝化菌的活性。在5 一3 5 c 的范围内，硝化反应 速率随温度的升高而加快，但超过3 0 时的增加幅度减小。温度低于1 5 c 时发现硝化 速率迅速降低。低温对硝酸菌的影响更为明显，在1 2 c 1 4 c 时常出现亚硝酸盐的积累， 而在高温下，硝酸均增长更快，因此控制温度就能控制整个硝化过程。 反硝化反应最适宜的运行温度是2 0 - - 4 0 c 。低于1 5 c 反硝化速率将明显下降，而在 5 以下时，反硝化过程虽能进行，但反硝化速率极低。温度对硝化、反硝化作用的影 响主要是低温导致硝化菌与反硝化菌增长速率与代谢活性下降，从而影响系统的生物硝 化与反硝化功能【1 5 1 。 ( 2 ) 溶解氧 硝化细菌具有强烈的好氧性，硝化反应必须在好氧条件下才可以进行。d o 浓度还 会影响硝化反应速率和硝化细菌的生长速度，为了满足正常的硝化反应，在活性污泥系 统中，d o 浓度要大于2 m g 1 ，一般应为2 - - 3 m g 1 ，对于生物膜系统溶解氧浓度一般要 大于3 m 朗。硝化反应可以在高溶解氧状态下进行，如纯氧曝气法系统 1 6 1 。 溶解氧对反硝化反应也有很大影响，主要是由于反硝化菌通常是一类异养型兼性微 生物，如果溶解氧过高，会同硝酸盐竞争电子供体，同时分子态氧也会抑制硝酸盐还原 酶的合成及其活性。但由于反硝化菌体内的某些酶系统组分只有在有氧时才能合成，因 此我们必须使反硝化菌在好氧、缺氧环境下交替。研究表明，反硝化反应在溶解氧控制 在0 5m g l 以下时才能正常进行。 ( 3 ) 有毒物质 很多物质对硝化反应有抑制作用，如十二烷胺、苯胺等有机物因与硝化酶竞争c u 而抑制硝化反应。一些重金属也对硝化反应产生抑制，如z n 、c u 、n i 、a g 、h g 、c r 、 c o 、c d 和p b 等。部分无机物对硝化菌有抑制作用，如c n 、c 1 0 4 、硫氰酸盐、h c n 、 叠氮化钠、三价砷和氟化物等。除此之外，高浓度n h 3 - n 和n 0 2 - n 也会对硝化反应 产生抑制作用，有研究表明，污水处理厂污泥硝化产生的回流污泥液对硝化反应有抑制 作用，可使硝化反应速率下降2 0 左右。 青岛理- 丁大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 碳源 硝化菌是自养型微生物，以无机碳为碳源，从氨氮氧化获得能源，不需要有机碳源。 但硝化菌在活性微生物中所占的比例很小，在与异养菌竞争底物和溶解氧时不占优势， 当有机碳源高时，异养菌非常活跃，消耗掉大部分溶解氧，硝化菌受到抑制，因此在硝 化中要控制碳源含量不能太高。 反硝化菌为异养型微生物，反硝化过程需要大量有机碳源。当污水中含有足够有机 碳源可满足生物反硝化需求时，就不必另外投加碳源，通常当b o d 5 t k n 值大于3 5 时，即可以认为达到上述要求；当污水中所含碳、氮比过低，即b o d 5 t n 小于3 5 时， 在污水生物脱氮过程中需外投加有机碳源；当碳源不足无外加碳源时，反硝化菌会利用 微生物本身自溶释放的碳源进行内源性反硝化。 1 2 2 生物除磷基本原理 1 、生物除磷的基本原理 磷是微生物生长繁殖所必需的营养物质。污水中的磷主要以无机态磷酸盐( p 0 4 孓p ) 和有机磷( 聚磷酸脂、核酸、胞壁酸等) 的形式存在。和生物脱氮不同，由于磷及其化合 物在常温常压下不存在稳定的气体形态，因此随污水进入生化反应系统的总磷只有两条 出路：或者被微生物吸附结合入细胞随剩余污泥排除，或者随出水排出。这便是生物法 除磷的基本原理。生物除磷的目的在于提高剩余污泥的含磷量，而努力减少出流中1 1 p 的浓度。 在常规活性污泥系统中，p 是构成微生物细胞的主要成分之一，排出剩余污泥相当于 部分p 的去处，但活性污泥含磷量通常仅为污泥干重的1 o 2 o ，通过剩余污泥排放 只能去处总磷的1 0 3 0 。但有研究结果表明，在厌氧一好氧交替运行的条件下，某些 微生物种群能够以比普通活性污泥高3 7 倍的水平摄取积累或释放出磷，这些微生物被 称为聚磷菌( p a o - p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n go r g a n i s m ) 【17 1 。而对在特定条件下活性污泥 微生物能过量积累磷的现象的研究过程中曾产生两个比较有代表性的假说【1 8 】，第一个是 生物诱导的化学沉淀作用；第二个是生物吸磷作用机理。其中生物吸磷作用机理认为， 活性污泥某些微生物能够在特定条件下完成磷酸盐的过量吸收，然后通过剩余污泥排放 将磷从系统中去除。生物吸磷作用机理因较好地解释了活性污泥过量吸磷现象，并在实 际除磷系统中也确实观察到了某些微生物过量吸收磷酸盐并以异染粒的形式储存在体 青岛理t 大学工学硕士学位论文 内，所以被越来越多的人所认可。近三十年来，围绕生物过量吸磷展开过大量的分析研 究，人们在以下几个方面达成了共识【1 9 1 ： ( 1 ) 生物除磷主要是由被称为聚磷菌( p a o s ) 的一类微生物完成的，现己知的包括： 不动杆菌属，假单胞杆菌属，气单胞菌属和棒杆菌属等 3 0 】，该类微生物属于异养型细 菌。其主要特征是能够在细胞内合成储能物质聚b 羟基丁酸( p h b ) 和糖元，并以有机 颗粒的形式储存于细胞内。 ( 2 ) 在厌氧条件下，聚磷菌将细胞中的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外，利用此 过程获得的能量将污水中的溶解性可快速降解有机物合成聚p 羟基丁酸( p h b ) 等贮能物 质贮于胞内。 ( 3 ) 在好氧条件下，聚磷菌氧化体内聚b 羟基丁酸( p h b ) 产生能量，然后利用产生 的能量吸收磷酸盐，大量磷酸盐被吸收并转为该能主要用于提供其从废水中摄取磷所需 的能量，过量吸收的磷酸盐被转化为多聚磷酸盐，并作为能量贮于胞内。好氧摄磷量大 于厌氧释磷量，故可以通过排放剩余污泥实现高效除磷的目的。 ( 4 ) 研究表明，好氧条件下，细胞内p h b 含量随时间呈指数关系减少；厌氧条件 下