（环境工程专业论文）生活污水的短程硝化反硝化和污泥膨胀的研究.pdf

摘要 随着人们生活水平的提高，生活污水低c , q q 比的现象日趋普遍，造成 污水生物脱氮过程中反硝化困难，脱氮效率降低等问题。短程硝化反硝化生 物脱氮工艺具有节省曝气量和反硝化碳源、反应效率高等特点，对于处理低 c n 污水具有独特的优势。但是，目前国内外短程硝化反硝化生物脱工艺的 研究多局限于诸如垃圾渗滤液等高氨氮浓度废水，采用该工艺处理氨氮浓度 较低的实际生活污水的研究还很少。另外，该工艺还存在短程硝化类型不稳 定，易向全程硝化转化等问题。本文采用s b r 工艺处理实际生活污水，着 重研究了短程硝化反硝化工艺处理低氨氮、低c n 污水的可行佳和稳定 性。并进一步系统研究了在去除营养物质的活性污泥工艺中极易出现的污泥 膨胀现象，提出了相应的控制措施。 通过控制温度和曝气时间、控制低溶解氧和曝气时间两种方式，成功实 现短程硝化。在控制温度( 3 2 l ) 培养短程硝化污泥的过程中，发现当 氨氮耗尽时，距硝酸氦浓度达到最大值。此时相应的p h 由降低转为上升， d o 快速上升。因此，利用p h 和d o 为参数对曝气时间进行实时控制，可 在保证氨氮去除率在9 8 以上的情况下，亚硝化率长期、稳定的维持在9 8 以上，实现稳定的短程硝化。在常温下，维持曝气时间为6 h ，溶解氧浓 度降低到0 5 o 7 m g l 的范围内，可获得8 0 的亚硝化率和9 5 以上的氨 氮去除率。 根据曝气时间在短程硝化污泥培养驯化和稳定运行阶段的不同作用，提 出了曝气控制策略，它对于氨氮氧化的最终产物类型具有决定作用。在培养 驯化阶段，合理的控制曝气时间是实现短程硝化的关键因素。在稳定运行阶 段，偶尔短时间延时曝气不会影响硝化类型。但采用实时控制策略可在缩短 反应时间、节能的同时维持长期、稳定的短程硝化。在3 2 1 培养的短程 硝化污泥，温度降低到2 1 l 时，采用实时控制策略，亚硝化率可以保持 在9 4 以上至少2 0 天。 在获得稳定的短程硝化基础上，系统研究了反硝化阶段o r p 和p h 的 变化规律，并提出采用分段进水好氧缺氧交替运行的短程硝化反硝化工 艺。该工艺可以在充分利用内碳源、节省外加碳源、提高反硝化速率的基础 上达到完全脱氮。在该工艺运行中，好氧反应时间根据p h 值的变化来确 定，缺氧反应时间根据o r p 的变化来确定。当进水水质波动时，该方法可 在保证良好出水水质的同时优化s b r 的运行。 实际工程运行经验表明，采用去除营养物质工艺的污水处理厂容易发生 污泥膨胀。本文采用改良a o 和s b r 两种典型工艺处理实际生活污水，研 究了溶解氧、有机负荷和温度三种主要因素对污泥沉降性能的影响。低溶解 氧浓度对处理生活污水的s b r 工艺中活性污泥沉降性能的影响不仅与低溶 解氧浓度本身有关，还与活性污泥中微生物的种类和有机负荷有关。当活性 污泥中含聚磷菌时，系统长期在有机负荷为0 2 和o 2 6 k g b o d k g m l s s d 条 件下运行，污泥沉降性能良好。有机负荷升高到o 5 7 k g b o d k g m l s s d ，发 生非丝状菌污泥膨胀。当活性污泥中不含聚磷菌，而硝化菌含量较多时，会 发生丝状菌污泥膨胀。突然降温、碳水化合物浓度突然增高等冲击负荷可引 发非丝状菌污泥膨胀。低有机负荷和低溶解氧浓度都可以引起改良a o 工 艺中丝状菌污泥膨胀，但发生丝状菌污泥膨胀之后出水水质良好。 在大量研究工作和调研的基础上，总结出控制污泥膨胀的应急控制系 统。该方法在北京某城市污水处理厂得到实际应用，成功的控制了该厂的污 泥膨胀。 根据实验室试验和实际污水处理厂的运行经验，创新地提出了“低溶解 氧丝状菌污泥膨胀节能方法”。该方法是对传统污泥膨胀理念的革新，从控 制污泥膨胀发展到利用污泥膨胀，在保证处理出水达标的基础上达到节能的 目的。 关键词生活污水；短程硝化反硝化：污泥膨胀；低溶解氧；p h ；o r p a b s t r a c t t h el o wc nr a t i o so fd o m e s t i c w a s t e w a t e rb e c o m ep o p u l a rw i t ht h e d e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，w h i c hc a u s e sc a r b o ns o u r c es h o r t a g ef o rd e n i t r i f i c t i o n a n dd e c r e a s e st h en i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y n i t r i t a t i o n d e n i t r i t a t i o nc a ns o l v e t h i sp r o b l e ma n di th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss a v i n gt h ec o s to fa e r a t i o na n d c a r b o n a c e o u s s o u r c e ，h i g h e r r e a c t i o nr a t e s e t c a l t h o u g hn i t r i t a t i o n h a sb e e n e x t e n s i v e l ys t u d i e d f o r h e a v ya m m o n i u mc o n c e n t r a t i o nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ( e g 1 a n d f i l 】l e a c h a t e ) ，f e ws t u d i e sp r e s e n t s s t a b l en i t r i t a t i o nw i t hd o m e s t i c w a s t e w a t e ra si n f l u e n t i na d d i t i o n ，n i t r i t a t i o ni sn o ts t a b l e ，h o wt o g e ts t a b l e n i t r i t ea c c u m u l a t i o ni ss t i l lap r o b l e m i nt h i sr e s e a r c h t h ef e a s i b i l i t ya n d s t a b i l i t y b yu s i n g n i t r i t a t i o n d e n i t r i t a t i o nt ot r e a td o m e s t i cw a s t e w a t e r w i t hl o w a m m o n i u mc o n c e n t r a t i o na n dl o wc nr a t i o si ns e q u e n c i n gb a t e h r e a c t o r ( s b r ) a r es t u d i e d t h ea c t i v a t e ds l u d g e b u l k i n gi nb n r p r o c e s si sa l s oi n v e s t i g a t e d t h es t a b l en i t r i t ea c c u m u l a t i o ni sa c h i e v e db y c o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r ef t = 3 2 1 ) a n dl o wd oc o n c e n t r a t i o na c c o m p a n i e dw i t ha e r a t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h e a c t i v a t e d s l u d g e i sa c c l i m a t e da t3 2 1 a ss o o na st h ea m m o n i u mi s e x h a u s t e d ( t h en i t r i t ec o n c e n t r a t i o ni sa tt h em a x i m u m ) ，p ht u r n sf r o md e c r e a s e t oi n c r e a s ea n dd 0i n c r e a s e ss h a r p l y s ot h ep ha n dd 0c a nb eu s e da sc o n t r o l p a r a m e t e r sf o rt h er e a l t i m ea e r a t i o nc o n t r o lt oo b t a i nn i t r i t a t i o no nt h eb a s i so f k e e p i n ga m m o n i u m r e m o v a l e m c i e n c ya b o v e9 8 t h en i t r i t er a t i oi sm a i n t a i n e d a b o v e9 8 w h e nt h ea c t i v a t e ds l u d g ei sa c c l i m a t e da tn o r m a lt e m p e r a t u r eu n d e r l o wd o c o n d i t i o n ( d o = 0 5 0 7 m g l 1 ，t h en i t r i t er a t i oa n da m m o n i u mr e m o v a l e m c i e n c y i sa b o v e8 0 a n d 9 5 r e s p e c t i v e l y t h ea e r a t i o nt i m eh a sd i f f e r e n te f f e c t o n t y p e o fn i t r i t a t i o n d u r i n g a c c l i m a t i o np e r i o da n ds t a b l eo p e r a t i o np e r i o d t h ef i n a lp r o d u c to fa m m o n i u m o x i d a t i o ni s r e p r o d u c i b l e e i t h e rn i t r a t eo rn i t r i t e d e p e n d i n g o nt h ea e r a t i o n s t r a t e g y t h ea e r a t i o nc o n t r o li s ak e yp o i n tt oo b t a i nt h en i t r i t a t i o nd u r i n g a c c l i m a t i o n p e r i o d i n t h es t a b l e o p e r a t i o np e r i o d ，t h e n i t r i t a t i o nc a nb e m a i n t a i n e dw h e ne x c e s s i v ea e r a t i o n t e m p o r a r i l y h o w e v e r ，t h e r e a l t i m e a e r a t i o nc o n t r o li ss t i l l i m p o r t a n tt o s a v er e a c t i o nt i m ea n d e n e r g y , m a i n t a i n n i t r i t a t i o nf o rl o n gt i m e w h e nt h et e m p e r a t u r ed e c r e a s e st o21 1 t h en i t r i t e r a t i oi ss t i l lm a i n t a i n e da b o v e9 4 f o r2 0d a y sw i t hr e a l t i m ea e r a t i o nc o n t r 0 1 0 nt h eb a s i so fn i t r i t a t i o n ，t h ev a r i a t i o no f0 i r pa n dp hw e r es y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d d u r i n g t h ed e n i t r i t a t i o n t h e s t e p - f e e d i n ga l t e r n a t i n g o x i c a n o x i c n i t r i t a t i o n d e n i t r i t a t i o np r o c e s si sd e v e l o p e d i tc a nm a k et h em o s to fi n t e r n a l i i i 北京工业大学工学博士学位论文 c a r b o ns o u r c e s ，s a v ee x t e r n a lc a r b o ns o u r c e sa n di n c r e a s ed e n i t r i t a t i o nr a t ew h i l e c o m p l e t e d e n i t r i t a t i o n i nt h i s p r o c e s s ，t h e d u r a t i o no fa e r o b i c p h a s e i s d e t e r m i n a t e db yp h ，t h ed u r a t i o no fa n o x i cp h a s ei sd e t e r m i n a t e db yo r p i tn o t o n l yk e e p st h eg o o de f f l u e n tq u a l i t y , b u ta l s oo p t i m i z e st h eo p e r a t i o no fs b r w h e nt h ei n f l u e n tf l u c t u a t e s t h ee x p e r i e n c e so fw w t p ss h o wt h a tb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a lp r o c e s s c o n d i t i o ni n d e e df a v o u rf i l a m e n t o u sm i c r o o r g a n i s m si nt h e i rc o m p e t i t i o nw i t h f l o c f o r m i n go r g a n i s m s ，e x c e p tf o rp l a n t sw i t hb i o - pr e m o v a lc o n d i t i o n s t h e d o m e s t i cw a s t e w a t e ri st r e a t e di nm o d i f ya op r o c e s so rs b r p r o c e s s t h e i n f l u e n c e so f d o ，s l u d g e l o a da n d t e m p e r a t u r eo n t h es l u d g es e t t l i n gp r o p e r t ya r e i n v e s t i g a t e d t h el o wd o c o n c e n t r a t i o nh a sd i f f e r e n te f f e c to ns l u d g es e t t l i n gi n s b rw i t hd i f f e r e n ts l u d g ea n ds l u d g el o a d w h e nt h ep a o s a p p e a r i ns y s t e m ，t h e s l u d g e s e t t l e p r o p e r l y a t s l u d g e l o a d sa r e 0 2 k g b o d k g m l s s d a n d o 2 6 k g b o d k g m l s s d d e t e r i o r a t i o no f s v i si so b s e r v e da f t e ri n c r e a s i n gs l u d g e l o a dt oo 5 7k g b o d k g m l s s l dw h i c hi sr e l a t e dt ot h ee x c e s s i v eg r o w t ho f z o o g l o e a c o l o n i e s w h e nt h e r e a r en op a o si n s l u d g e i t w i l lr e s u l ti n f i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n gu n d e rl o wd oc o n c e n t r a t i o n d e c r e a s et e m p e r a t u r e a b r u p t l ya n ds h o c kl o a dw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o nc a r b o h y d r a t ec a l l c a u s en o n f i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n gi ns b r l o wd oa n dl o ws l u d g el o a dc a nc a u s e f i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n gi nm o d i f ya op r o c e s s ，b u tt h ee f f l u e n tq u a l i t yi ss t i l l g o o dd u r i n gb u l k i n gp e r i o d o nt h eb a s i so fan u m b e ro fe x p e r i m e n t sa n di n v e s t i g a t i o n ，am e t h o df o r c o n t r o ls l u d g eb u l k i n gi sm a d e i th a sb e e np e r f o r m e di no n eo fb e i j i n gw w t p s a n dt h es l u d g eb u l k i n gi sc o n t r o l l e d an e w t e c h n i q u e “t e c h n i q u eo fe n e r g ys a v i n ga c h i e v e db y a c t i v a t e ds l u d g e b u l k i n gu n d e rl o wd o c o n d i t i o n ”i sp u tf o r w a r d t h i st e c h n i q u em a k e su s eo f f i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n gr a t h e rt h a nc o n t r o lf i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n g ，a g r e a tn u m b e r o fd a t af r o mt h el a ba n dw w t p h a ss h o w nt h a tt h ee f t u e n tq u a l i t y i sv e r yg o o da n dt h ec o s ti ss a v e dw h e nt h ef i l a m e n t o u ss l u d g eb u l k i n go c c u r u n d e rl o wd oc o n d i t i o n k e y w o r d sd o m e s t i cw a s t e w a t e r ；n i t r i t a t i o n d e n i t r i t a t i o n ；s l u d g eb u l k i n g ；l o w d o c o n c e n t r a t i o n ；p h ；o r p i v 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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，也不包含为获得北京工业大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名缝! 逐!日期丝翌兰叁垒虿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第1 章绪论 1 。1 课题背景 第t 章绪论 水是人类生存和发展不可替代的资源，是经济和社会可持续发展的基 础。而我国却面临着水资源短缺、水生态破坏、水环境污染等问题。据 ( ( 2 0 0 3 年中国环境质量状况的数据显示，我国七大水系的4 0 9 个监测断 面中，v 类和劣v 类水质分别占了3 2 o 和3 0 3 。其中，氨氮为主要 污染指标之一。“三湖”水质均为劣v 类，污染较重。主要污染指标为总氮 和总磷。南水北调东线的1 0 个监测断面，v 类和劣v 类水质的断面比 例分别为5 0 0 和2 0 o 。主要污染指标为氨氮和五日生化需氧量。另外， 中国渔业生态环境状况公报显示，2 0 0 3 年我国近海岸局部水域仍然受 到严重的氮、磷污染，影响了渔业经济的发展。由此可见，江河湖海等水体 的氮、磷污染已经是一个非常严重的问题。 氮、磷污染主要是导致水体的富营养化。其危害有：致使藻类过量繁 殖，藻类占据的空间越来越大，鱼类活动的空间越来越小，同时还可能妨碍 船体水上运行；藻类代谢的最终产物可产生色度和味道；一些蓝藻类可产生 毒素，引起鱼类的死亡和其它生物的损伤；藻类的腐烂，使水体中发生氧 亏，影响到周边环境。氮、磷污染物的存在还会影响水源水质，增加给水处 理成本。大量未经处理或未经适当处理的含氮、含磷废水的排放是造成氮、 磷污染的一个重要原因。自上世纪7 0 年代起，氮、磷污染问题就已经引起 世界各国的广泛关注，欧美一些国家均制订了非常严格的氮、磷排放标准， 对污水处理厂提出了脱氮、除磷的要求。 我国污水处理事业起步较晚，2 0 世纪8 0 年代及9 0 年代初建设的城市 污水厂大多采用传统的废水生物处理工艺以含碳有机物和悬浮固体为主要 处理目标，氮、磷等营养物质的去除率比较低。所幸的是目前我国已注意到 氮、磷污染问题的严重性。2 0 0 3 年实施的城镇污水处理厂污染物排放标准 对氮、磷排放提出了严格的要求。同对，我国逐渐开始重视污水处理设施的 建设。“十五”期间安排的7 0 0 亿资金当中有一半是用于污水处理厂的建设。 根据国民经济和社会发展第十个五年计划纲要的要求，到2 0 0 5 年，城 市生活污水集中处理率要达到4 5 ，5 0 万人口以上的城市要达到6 0 。到 2 0 1 0 年，设市城市污水处理率不低于6 0 ，直辖市、省会城市、计划单列 市以及重点风景旅游城市不得低于7 0 。而且对污水厂的建设提出了更高 的要求，新建污水处理厂要有脱氮、除磷工艺，对原污水处理厂没有脱氮、 除磷工艺的，要按照国家标准对原有设施进行改、扩建。 目前我国污水处理厂建设和运行中遇到的一个比较严重的问题就是资金 短缺。污水的生物脱氮技术与其他脱氮技术相比，是较为经济的处理方法。 但是，采用了脱氮、除磷工艺后，污水处理设备的体积增大，设施更加复 杂，基建费用增高；平常的运行、管理费用也比传统的废水生物处理工艺提 高。这就促使科研人员去开发新型的污水脱氮、除磷工艺，既要达到解决我 国日益严重的水污染问题，又要尽量的节省资金、提高污水处理效率。另 外，国外的运行经验表明在去除氮、磷营养物质的污水处理厂普遍存在污泥 膨胀的问题，我国的一些去除营养物质的城市污水处理厂( 如：深圳滨河污 水处理厂二期a o 除磷工艺、北京高碑店污水处理厂a o 工艺) 也遇到了 污泥膨胀问题。借鉴国外的经验，去除营养物质污水处理厂的污泥膨胀是一 个不能回避的问题。如何预防和控制去除营养物质污水处理厂的污泥膨胀， 或者如何看待和利用污泥膨胀是随着我国脱氮、除磷污水厂大量建设而提出 的一个新课题。 1 2 脱氮技术的研究现状 1 2 1 污水中氮的去除方法 污水的脱氮技术主要为物理化学脱氮和生物脱氮两种技术。 1 2 1 1 物理化学脱氮主要包括氨吹脱法、吸附法、折点氯化法、离子交 换法、反渗透法和电渗析法。化学脱氮法一般只能去除污水中某种特定形态 的氮，而且存在处理成本高，对环境有二次污染和再生方法不完善等问题。 吸附法是应用较多的物理化学脱氮方法。吸附过程包括物理吸附、化学 吸附和离子交换吸附，在用吸附法处理含氨废水时，往往是三种过程共同作 用的结果。吸附法的技术关键在于吸附剂的选择和再生。常用的吸附剂有： 活性碳、活性炭纤维、沸石“3 、腐植酸、煤质吸附剂、膨润土、粘土类吸附 剂和累托石。近年来的废水脱氮研究中一般倾向于选择离子交换性强的吸附 剂。吸附法的研究重点主要集中在吸附法的机理、吸附剂的性质对比和再生 方法的研究。吸附法脱氮对去除生活污水和工业废水中的氨氮有较好的效 果，而且占地小，温度和毒物对脱氮率影响小。但当氨氮浓度高时，吸附交 换剂再生频繁，操作困难，而再生液仍为高氨氮废水，所以，该法只适用于 低浓度至中等浓度废水，而且吸附前需去除悬浮物并尽量排除其他影响因 素。目前，吸附法多作为生物法后续处理方法。 1 2 1 2 生物脱氮城市污水及一般的工业废水都不含硝态氮，主要以有机 氮或氨态氮的形式存在。在污水生物处理中，有机氮先要在氨化菌的作用下 转化为氨态氮。氨态氮中的一部分直接被微生物细胞所利用，合成微生物细 胞物质。另一部分被氧化为硝态氮，然后通过硝化反硝化作用从污水中去 除。生物脱氮法可以去除污水中所有形态的氮，具有处理成本低、处理效果 好、稳定和无二次污染等优点，是目前应用最广的方法。生物脱氮工艺种类 繁多，主要有活性污泥法和生物膜法，如a o 工艺、氧化沟、s b r 工艺及 第1 章绪论 其各种变形工艺等。除了上述主流工艺之外还有人工湿地、污水土地处理、 电极一生物膜法等。 ( 1 ) 人工湿地技术废水中一部分氨直接被湿地中的植物吸收，通过对 植物的收割去除：主要还是通过微生物的硝化和反硝化作用去除。系统内植 物根系的输氧及其传递作用，可使床体中呈现连续硝化反硝化所需的好氧、 缺氧状态。该技术上世纪7 0 年代末得到快速发展，具有处理效果好、氮磷 去除能力强、运转维护方便和费用低的特点，适用于技术管理水平不高，规 模小的城镇或乡村”“。 ( 2 ) 蚯蚓与污水土地处理其对氮的去除分为两个阶段进行：第一阶 段是氮被土壤一蚯蚓床中有机和无机胶体的吸附过程( 蚓粪中含有丰富的带 负电荷的有机胶体，对污水中带正电荷的n h 。+ 具有较强的亲和能力) ：第二 阶段是蚯蚓床的再生过程，在再生过程中被吸附的氮进行了有蚯蚓、土壤细 菌、微生物参与的地球化学循环，最终达到污水脱氮的目的。处理高浓度有 机废水时，需要采用慢速渗滤系统或两级蚯蚓床的串联系统才能获得较好的 处理效果。 ( 3 ) 电极一生物膜法r b m e l l o r 最早提出利用电极生物膜法进行反 硝化的研究0 1 。在物理电极上进行微生物挂膜、微电流驯化等手段制得附有 生物膜的电极，然后在电极间通以直流电进行电解，电解时阴极表面产出的 氢被固着在阴极表面的反硝化生物膜所高效利用，达到反硝化目的。该法主 要用于去除地下水、饮用水等微污染源水中的硝酸氮“”。 1 2 2 生物脱氮新技术的研究现状 近2 0 年，废水生物脱氮技术得到了较快的发展，许多研究者提出了一 系列的生物脱氮工艺，并在实际工程中得到应用，有关废水脱氮的理论也日 臻完善。目前，生物脱氮技术的研究热点主要集中在同步硝化反硝化生物脱 氮工艺、短程硝化反硝化生物脱氮工艺、厌氧氨氧化生物脱氮工艺和 s h a r o n a n a m m o x 组合工艺。 1 2 2 1 同步硝化反硝化生物脱氮工艺( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o ra n d d e n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 根据传统的生物脱氮理论，硝化反应需要在有氧条 件下进行；而反硝化反应需要在缺氧条件下完成。硝化菌是只能以c 0 2 为 碳源的自养菌，当有机物大量存在时，好氧异养菌将优先大量生长，硝化菌 生长受到抑制；而反硝化反应需要有有机物存在，做为电子供体完成脱氮过 程。因此，硝化和反硝化过程不可能同时进行。然而，近年来大量试验研究 表明在生物转盘、m b r 、流化床、氧化沟和s b r 等工艺中确实发现硝化反 应和反硝化反应可以在同一操作条件下于同一反应器内同时进行，即发生同 步硝化反硝化反应”“。与传统的生物脱氮技术相比，s n d 工艺可以减少 反应设备的数量或体积，减少工程造价；降低氧气的供给，节省能耗；减少 甚至不需要碳源的投加，节省药剂费用等。 北京工业大学工学博士学位论文 研究人员对同步硝化反硝化的机理研究仍处于探索阶段。目前主要从物 理学( 微环境理论) 和生物学( 存在好氧反硝化菌等) 两方面加以解释。物 理学的解释是：由于氧扩散的限制，在微生物絮体或生物膜内产生溶解氧浓 度由外到内的浓度梯度。微生物絮体或生物膜的外侧溶解氧浓度较高，形成 好氧区，发生硝化反应：由于氧传递受阻及外部氧的大量消耗，在絮体内部 或生物膜内侧，形成缺氧区，发生反硝化反应“1 。微生物絮体内部或生 物膜内侧的缺氧区是形成同步硝化反硝化的主要原因，所以控制系统内溶解 氧的浓度和微生物絮体结构、大小或生物膜厚度是进行同步硝化反硝化的关 键。但是，反硝化除了需要缺氧环境外，还需要有机物作为电子供体，而同 步硝化反硝化的碳源来源至今仍没有一个很好的解释。 生物学解释：近2 0 年，微生物学家发现了与传统认识相悖的好氧反硝 化菌和异养硝化菌。己知的好氧反硝化菌有：p s e u d o m o n a ss p p ，a l c a l i g e n e s f a e c a l i s ，t h i o s p h a e r ap a n t o r t r o p h ，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化 菌。正因为如此，这些细菌能够直接在好氧条件下把氨转化成气态产物而从 污水中去除m ”1 。 s n d 工艺最近几年才受到普遍关注，其作用机理和长期运行的稳定性 和可靠性还需进一步研究。另外，溶解氧浓度是s n d 工艺的一个主要限制 因素，传统观念认为低d o 浓度会引起活性污泥系统内的污泥膨胀。也有研 究表明在低溶解氧浓度条件下，可形成好氧颗粒污泥改善污泥沉降性能“ 。但在实际的曝气池中，应怎样控制曝气强度及污水的搅动，才能培养出 理想的活性污泥还需进一步研究。 1 2 2 2 短程硝化反硝化生物脱氮工艺( n i t r i t a t io n d e n i tr i t a t i o n ) 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氮阶段，阻 止n 0 2 。的进一步氧化，然后直接进行反硝化。影响亚硝酸氮积累的因素 有：游离氨( f a ) 浓度，p h 值，游离羟胺( f h ) 浓度，温度，溶解氧浓度， 曝气时间，泥龄，有毒物质等。短程硝化反硝化生物脱氮的典型工艺主要 有：s h a r o n 工艺和o l a n d 工艺。 ( 1 ) s h a r o n 工艺( s i n g i 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 ia r e m o v a lo v e rn l tr i t e ) 该工艺由荷兰d e l f t 技术大学于1 9 9 7 年开发。其 巧妙的应用了在较高温度下，硝化菌和亚硝化菌的生长速率不同，通过控制 温度( 3 0 3 5 ) 和停留时间( 该工艺中无污泥停留，污泥停留时间由水力 停留时间决定，控制系统的水力停留时间介于硝酸菌和亚硝酸菌最小停留时 间之间) ( 如图1 1 ) ，将生长速率较慢的硝酸菌从反应器内冲洗出去( w a s h o u t ) ，使反应器内亚硝酸菌占绝对优势，实现短程硝化。“。由于在较高温度 下，硝化菌对氨有较高的转化率，缩短了h r t ，反应器的容积也就相应减 小。另外，硝化和反硝化在同一个反应器中完成，减少了投碱量，简化了工 艺流程。这项专利技术已经应用到荷兰r o t t e r d a m 和u t r e c h 两座城市污水二 级处理厂污泥消化上清液及垃圾渗滤液等高氨氮废水的生物处理中。“。 最 小 停 留 时 间 天 0 1 0 2 03 0 温度。c 图1 1 亚硝酸菌和硝酸菌的最小停留时间与温度的关系 f i g 1 1m i n i m u m r e s i d e n c et i m ef o ra m m o n i u ma n dn i t r i t e o x i d i z e r sa sf u c t i o no f t h e t e m p e r a t u r e ( 2 ) o l a n d 工艺( o x y g e n li m l t e da u t o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f io a t io n ，限氧自养硝化反硝化) 比利时g e n t 微生物生态实验室研 究开发的o l a n d 工艺的技术关键就是控制溶解氧浓度，利用低溶解氧条件 下硝酸菌和亚硝酸菌动力学特性上的差异，使硝化过程仅进行到亚硝酸氮阶 段。“。亚硝酸菌的氧饱和常数一般为o 2 0 4 m g l ，硝酸菌的为 1 2 1 5 m g l 。低溶解氧下亚硝酸氮大量积累的主要原因是由于亚硝酸菌对 溶解氧的亲合力要比硝酸菌强。“。另外，也有研究表明，低溶解氧下亚硝 酸菌生长速率加快，补偿了由于低氧所造成的代谢活动下降，整个硝化阶段 中氮氧化未受到明显影响”。 1 2 2 3 厌氧氨氧化生物脱氮工艺( a n a e r o b ；c a m m o n j u m o x j d a t i o n a n a m m o x ) 厌氧氨氧化生物脱氮工艺是指在厌氧条件下，微生物 直接以氨氮为电子供体，以亚硝酸氮或硝酸氮为电子受体，将氨氮、亚硝酸 氮或硝酸氮转变为氮气。旱在1 9 7 7 年，b r o d a 根据计算自由能已经预测到 自然界应该存在反硝化氨氧化菌( d e n i t r i f y i n ga m m o n i ao x i d i z e r s ) “。1 9 9 5 年，m u l d e r 用流化床研究生物反硝化时，发现了氨氮的厌氧生物氧化现 象，证实了b r o d a 的预言。”。1 9 9 0 年，荷兰d e l f t 技术大学开发了 a n a m m o x 工艺，在厌氧条件下直接利用氮氮作为电子供体，无需供氧、 无需外加碳源维持反硝化、无需额外投加酸碱中和试剂，降低能耗，节约了 运行费用，同时还避免了因投加中和试剂可能造成的二次污染”。目前推 测的a n a m m o x 主要有三种途径：一种为羟氨和亚硝酸氮生成n 2 0 的反 应，n 2 0 可进一步转化为氮气，氨被氧化为羟氨；另一种是氨和羟氨反应 生成联氨，联氨被转化成氮气并生成4 个还原 h i ，还原性【h 被传递到亚硝 酸还原系统形成羟氨；第三种为一方面亚硝酸被还原为n o ，n o 被还原为 n 2 0 ，n 2 0 再被还原为n 2 ：另一方面，n h 4 + 被氧化为n h 2 0 h ，n h 2 0 h 经 n 2 h 4 、n 2 h 2 被转化为n 2 m “3 。郑平等对厌氧氨氧化菌的基质特性、厌氧氨 氧化的电子受体及流化床反应器的性能等进行了较深入的研究“”1 。周少 奇从生化反应电子流守衡原理出发，推导了厌氧氨氧化反应的生化反应计量 北京工业大学工学博士学位论文 方程式，从理论上证明出：厌氧氨氧化需一定量的c 0 2 作碳源，说明 a n a m m o x 过程是在自养微生物作用下完成的；a n a m m o x 反应以氨氨 作为细胞合成的氮源时，需要消耗一定量的碱度；所有a n a m m o x 反应都 有h + 产生”1 。 1 2 2 4 s h a r o n a n a m i d 0 x 组合工艺目前s h a r o n 工艺主要用于处理高氨 氮浓度废水，其出水氨氮浓度仍然较高，而且反硝化阶段仍需要消耗有机碳 源。s h a r o n a n a m m o x 组合工艺在s h a r o n 工艺中完成硝化反应，在 a n a m m o x 工艺中完成反硝化反应，可以充分发挥这两种工艺的优点。通 常情况下s h a r o n2 1 2 艺可以控制硝化进行到亚硝酸氮阶段，使出水中的氨 氮与皿硝酸氮比例为l ：1 ，其出水作为a n a m m o x 工艺的进水。该工艺 具有耗氧量少、污泥产量少、不需外加碳源等优点，是迄今为止最简捷的生 物脱氮工艺，具有很好的应用前景o “。但是如何控制组合工艺的运行条件 和运行参数等问题仍需进一步研究。 上述生物脱氮新工艺中，除了s n d 工艺外，其他工艺主要处理高氨氢浓 度废水，而且如何维持亚硝酸氮长期稳定的积累仍是困扰水处理工作者的难 题。另外，低氨氮浓度废水是否可采用上述工艺处理也是目前的研究方向。 1 3 生物除营养物质污水处理厂活性污泥膨胀的研究现状 1 3 1 活性污泥膨胀的概念和主要类型 活性污泥法是目前最为广泛使用的污水生物处理工艺。污泥膨胀问题是 活性污泥工艺运行中经常遇到的一个非常棘手的问题。活性污泥膨胀这个术 语可以从不同的角度去分析，不同的时期对活性污泥膨胀都有不同的解释。 j e n k i n s 解释丝状菌膨胀为“宏观结构的失败，从某种意义上来说，有太大 的宏观结构”。”。这个定义的基础是丝状菌可形成活性污泥絮体的骨架， 保持污泥良好的絮体结构，但是当丝状菌太多时，就会干扰活性污泥的沉降 和压缩。e i k e l b o o m 和v a nb u i j i s e n 定义污泥膨胀“因为丝状菌或者是菌胶 团的过量生长而使污泥沉降速度变慢，压缩性能变差”。这个定义同时考虑 了非丝状菌污泥膨胀。这些定义都描述了发生污泥膨胀时，活性污泥沉降速 率降低，活性污泥絮体压缩性能变差的现象。 常用的评价污泥沉降性能的指标有：污泥体积指数( s l u d g ev o l u m e i n d e x ，s v i ) ，污泥面成层沉降速度( z o n es l u d g ev e l o c i t y ，z s v ) 和丝状菌 长度。这些指标数值为多少才为污泥膨胀，各种资料的介绍不一。一般认为 沉降性能良好的污泥，s v i 小于1 0 0 m l g ，p | a m 建议s v i 太于l5 0 m l g ，且 丝状菌长度大于1 0 u m7 m l 划为污泥膨胀。而p u o l 则将s v i 大于2 0 0 m l g 才 称为污泥膨胀。e c k e n f e l d e r 建议z s v 小于0 6 m h 时定义为膨胀a 目前，包括我国在内许多国家都以s v i 值做为判定活性污泥沉降性能 弟1 章绪论 的主要指标。将s v i 值大于1 5 0 m l g 的活性污泥定义为膨胀污泥。s v i 是 指曝气池出口处混合液经3 0 分钟静沉后，每克干污泥形成的沉淀污泥所占 的容积( 见式1 - 1 ) 。 s v ：望全塑! ! 坌塑整塑亘望塑窒墼! 丝些2 ：旦f 卜1 、 污泥干重( g l )一m l s s 7 式中s v i 一一污泥容积指数，简称污泥指数( m l g ) ： s v 污泥沉降比( ) ； m l s s 混合液悬浮固体浓度，简称污泥浓度( m g l ) 活性污泥膨胀有两种类型，一是由于活性污泥中丝状菌的大量繁殖而日1 起的丝状菌污泥膨胀；二是由于菌胶团细菌大量累积高粘性物质或细菌过量 增殖等原因引起的无丝状菌大量存在的非丝状菌污泥膨胀。”。前