（市政工程专业论文）AAO工艺处理城市污水除磷脱氮性能试验研究.pdf

# 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 占岛盆 日期：儿o 年了月ie l 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 pn 学位论文作者： b 国日期：岫佑事神( 仓 中文摘要 中文摘要 近年来，随着经济的发展，无论是发达地区还是欠发达地区，水污染及富营 养化的问题都已经成为环境治理的难题，城市污水处理厂能否实现对污水中n 、 p 的良好去除成为出水达标排放的关键。目前，我国大中型城市污水处理厂大多 采用a a o 及其变形工艺为主要的生物处理手段。然而，a a o 工艺的固有缺陷 影响了其处理效果和进一步的推广。a a o 工艺中反硝化除磷的实现可以弥补该 工艺自身的不足，达到同时除磷脱氮，能够节省碳源和能源，为该工艺在实际工 程中的升级改造提供依据。因此研究a a o 工艺处理城市污水除磷脱氮性能具有 重要意义。 本试验以郑州市某污水处理厂的实际进水为处理对象，运用a a o 连续流装 置考察了影响其除磷脱氮性能的主要因素，并对两点进水a a o 工艺的进水比加 以探讨，得出如下结论： ( 1 ) 在a a o 系统中能够实现相对稳定的生物除磷脱氮，在处理城市污水的 过程中，可以通过控制适当的参数富集聚磷微生物，实现良好的氮磷去除效果。 在启动期，缺氧区吸磷量从最初的0 m g l 逐渐上升到1 6 m g l ，系统中可能存在 反硝化聚磷菌。 ( 2 ) 系统内o r p 经历先负后正的过程，厌氧区的o r p 值为负，通常在1 0 0 2 5 0 之间变化，且o r p 在厌氧区的值越小，越有利于厌氧放磷。缺氧区的o r p 大于厌氧区的，但是仍然为负值。好氧区的o r p 为正值。对a a o 系统内o r p 和p h 沿程变化规律的探讨可以为污水处理厂实现自动控制提供参考。 ( 3 ) 混合液回流比为2 0 0 ，污泥回流比为1 0 0 ，污泥龄为1 5 d ，厌氧区与缺 氧区的容积比为1 ：1 时，a a o 工艺能够取得最佳的除磷脱氮效果，出水t p 、t n 浓度分别为0 2 8 m g l 和1 2 9 m g l 。此外，无论何种工况对c o d 的去除影响不大， 其去除率始终保持在9 0 左右，出水浓度在2 0 m g l 左右。 ( 4 ) 通过对最佳运行工况条件下的试验结果进行物料衡算得到c o d 在厌氧 区、缺氧区、好氧区的变化量所占比例分别为8 3 2 、1 5 0 、1 8 ；t n 在三个 反应区中的变化量所占比例依次分别为8 9 0 、8 2 、2 8 ；t p 在缺氧区、好 氧区的变化量所占比例分别为6 2 6 、3 7 4 。后续静态试验中得到缺氧吸磷微 生物占好氧吸磷微生物的比例约为o 5 2 ，表明系统中缺氧吸磷微生物得到了优势 i 中文摘要 增殖。 ( 5 ) 两点进水比的变化对c o d 去除的影响较小，c o d 的去除率随着进水比的 增加而略微波动。而t n 、n h 4 + - n 、t p 的去除率随着进水比的增加而呈现明显升 高的趋势。在进水比为3 ：7 时，t n 、n 1 4 4 + - n 、t p 的去除率波动较大，系统对它 们的去除不稳定，抗冲击能力弱。当进水比为7 ：3 时，三者的平均去除率分别为 7 0 3 、9 8 、9 2 5 ，出水中污染物浓度均能满足污水排放一级a 的标准。 ( 6 ) 与单点进水相比，两点进水比为7 ：3 时，t n 和n h 4 + - n 的平均去除率较高， 且去除相对稳定。而t p 和c o d 的去除率为单点进水时略高。无论是单点进水还 是进水比为7 ：3 时的两点进水，出水污染物浓度均能满足排放标准。建议在实际 污水处理过程中，当t n 的去除率较低，其出水中的浓度较高，而t p 的去除不 构成限制因素时( 即处理效果达标) ，可以采用两点进水的方式运行以提高其去除 率。 ( 7 ) 在实际城市污水处理厂运行过程中，应重点考察各因素对反硝化聚磷菌的 影响，创造有利于提高反硝化聚磷菌富集和生长活性的条件，使反硝化除磷菌充 分发挥优势，起到节省碳源及能源的作用。 关键词：a a o 工艺；城市污水；缺氧吸磷；影响因素；进水方式 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i s s u e so fw a t e rp o l l u t i o na n de u t r o p h i c a t i o nh a v eb e c o m es e r i o u s e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sw a i t i n gt os o l v ei nb o t hd e v e l o p e dr e 百o n sa n dl e s s d e v e l o p e da r e a sa l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fe c o n o m i c f o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t ，t h ek e yt om a k et h ee f f l u e n ts a t i s f yt h ed i s c h a r g es t a n d a r d si st o r e a l i z et h eh i g he f f i c i e n c yr e m o v a lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i nc h i n a , m o s t m e d i u ma n dl a r g em u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tp l a n t su s u a l l yt a k eu s eo fa a o p r o c e s sa n di t sd e f o r m a t i o na st h ep r i m a r ym e a n so f w a s t e w a t e rb i o l o g i c a lt r e a t m e n t h o w e v e r , t h ei n h e r e n td e f e c t so fa a op r o c e s sh a v eh a m p e r e di t st r e a t m e n tr e s u l t s a n df u r t h e rp r o m o t i o n t h ea p p l i c a t i o no fd 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 lc a nm a k e u pf o rd e f i c i e n c i e so fa a op r o c e s s ，a c h i e v 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 lb y d e n i t r i f i c a t i o na tt h es a m et i m ea n ds a v i n gc a r b o na n de n e r g ys o u r c e ，w h i c hp r o v i d e s t h eb a s i sf o rt h eu p g r a d eo fa a op r o c e s s s o ，i tt a k e sg r e a ts i g n i f i c a n c et or e s e a r c h a a o p r o c e s s f o r m u n i c i p a ls e w a g en i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s r e m o v a l b y d e n i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，w et o o kt h ea c t u a li n t a k eo fas e w a g et r e a t m e n tp l a n ti nz h e n g z h o u c i t ya so u rs t u d yo b j e c t ，u s e da a od e v i c e st oa c h i e v e ac o n t i n i u o u sf l o wo 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 lb yd e n i t r i f i c a t i o n ，i n v e s t i g a t e dt h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n g t h ea a op r o c e s sd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a lp e r f o r m a c ea n d e x p l o r e dt h ei n f l u e n tr a t i oo ft w o - p o i n t w a t e rh o wt oa f f e c tt h er e m o v a le f f e c to f a a op r o c e s s f i n a l l yw ec a nd r e wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ： ( 1 ) t h es y s t e mc a no b t a i na r e l a t i v es t a b ed e n i t r i f i c a i t o nb i o l o g i c a ln i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a li nt r e a t i n gm u n i c i p a lw a s t e w a t e r , r e a l i z et h ee n r i c h m e n to f t h e d e n i t r i f y i n gp h o s p h a t eb yc o n t r o l i n gt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sa n da c h i e v eag o 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 le f f e c t i n t h es t a r t u pp e r i o d ，t h ea m o u n to f p h o s p h o r u su p t a k ei na n o x i cz o n ei n c r e a s e df r o m0m g l t o16m e g la c c o u n t i n gf o ra l a r g e rp r o p o r t i o no ft h et o t a lpu p t a k e ，w h i c hm e a n e dt h er e a l i z a t i o no f d e n i t r i f i c a i t o n o fp h o s p h o r u si ns y s t e m ( 2 ) t h eo x i d a t i o nr e d u c t i o np o t e n t i a l ( o r p ) w e n tt h o u g ht h ea r e rt h ef i r s t n e g a t i v e p o s i t i v ep r o c e s sw i t h i nt h es y s t e ma n do r p v a l u ea l w a y sv a r i e df r o m 一10 0 t o 30 0 t h eo r pv a l u ei su s u a l l yn e g a t i v ei na n a e r o b i cz o n ea n dt h es m a l l e rt h i s v a l u e ，t h em o r ec o n d u c t i v et oa n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s e ，w h i l et h eo r pv a l u ei s l l i 英文摘要 p o s i t i v ei na e r o b i cz o n e 1 1 1 ee x p o r a t i o no fo r p a n dp hc h a n g e s l a w sa l o n gw i t ht h e w h o l es y s t e mc a np r o v i d eb o t har e f e r e n c ef o ra c h i e v i n ga u t o m a t i cc o n t r o lo fs e w a g e t r e a t m e n tp l a n t sa n dab a s i sf o rr e a l i z a t i o no fd e n i t r i f i c a t i o np h o s p h o r u sa n dn i t r o g e n r e m o v a l ( 3 ) t h ea a op r o c e s sc a no b t a i nt h eb e s tp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l e f f e c tw i t hm i x t u r er e f l u xr a t i oo f2 0 0 ，s l u d g er e f u xr a t i oo f10 0 ，s l u d g ea g eo f 15 da n dt h ev o l u m er a t i ob e t w e e na n a e r o b i cz o n ea n da n o x i cz o n eo f1 ：1 ，w h e nt h e e f f l u e n tt p ，t nc o n c e n t r a t i o n sw e r er e s p e c t i v e l yo 2 8 m g la n d1 2 9 m g l i na d d i t i o n ， t h er e m o v a lr a t eo fc o dr e m a i n e da ta b o u t9 0 a n dt h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o nk e p ta t 2 0 m g lo rs or e g a r d l e s so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( 3 ) c o dr e m o v a lp e r c e n t a g e w a sr e s p e c t i v e l y8 3 2 ，15 o a n d1 8 i n a n a e r o b i cz o n e ，a n o x i cz o n ea n da e r o b i cz o n eu n d e rt h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h r o u g ha c c o u n t i n gm a t e r i a l s t nr e m o v a lp e r c e n t a g ew a s8 9 0 ，8 2 a n d2 8 i n t h r e er e a c t i o nz o n e s t h er e m o v a lp e r c e n t a g eo ft pw a s6 2 6 a n d3 7 4 r e s p e c t i v e l yi na n o x i cz o n ea n da e r o b i cz o n e i nt h es t a t i ce x p e r i m e n tf o l l o w i n g ， a n o x i cp h o s p h o r u su p t a k ea c c o u n t e df o ra e r o b i cm i c r o b e sm i c r o b i a lp h o s p h o r u sr a t i o o fa b o u to 5 2 ，i n d i c a t i n gt h a ta n o x i cp h o s p h o r u su p t a k es y s t e mh a sb e e nd o m i n a n t m i c r o b i a lp r o l i f e r a t i o n ( 4 ) t w o - p o i n ti n f l u e n tr a t i oh a dl e s si m p a c to nc o dr e m o v a la n dt h ec o d r e m o v a le f f i c i e n c yh a ds l i g h tf u c t u a t i o n sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n f l u e n tr a t i o 删l e r e m o v a le f f i c i e n c i e so ft n ，n h 4 + - na n dt ps h o w e ds i g n i f i c a n t l yh i g h e rt r e n da st h e w a t e rr a t i oi n c r e a s e d w h e nt h ei n f l u e n tr a t i ow a s3 ：7 ，r e m o v a le m c i e n c i e so ft n ， n h 4 + - na n dt pw e r ev o l a t i l ei n d i c a t i n gt h es y s t e m si n s t a b i l i t ya n dw e a ks h o c k 。t h e a v e r a g er e m o v a lr a t e so ft h et h r e ew e r er e s p e c t i v e l y7 0 3 9 8 a n d9 2 5 w h e nt h e i n f l u e n tr a t i ow a s7 ：3a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sc a ns a t i s f yas t a n d a r do ft h e n a t i o n a ls e w a g ed i s p o s a lc r i t e r i o n ( 5 ) c o m p a r e dw i t ht h es i n g l e - p o i n ti n f l u e n tp a t t e r n ，t h et w o - p o i n tw a t e rr a t i oo f 7 ：3h a dam o r es t a b l ea n dh i g h e ra v e r a g er e m o v a lr a t eo ft na n dn h 4 + n h o w e v e r , t h er e m o v a lr a t e so ft pa n dc o dw e r es l i g h t l yh i g h e rw h e nt h ei n f l u e n tp a t t e rt o o k u s eo ft h es i n g l e - p o i n tm e a s u r e i ft h er e m o v a lr a t eo ft nw a sal i t t l el o w e rw i t ha h i g h e rc o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n ta n dt h er e m o v a lo ft pd i dn o tc o n s t i t u t eal i m i t i n g f a c t o rw es u g g e s t e dt h a tt h et w o - p o i n ti n f l u e n tp a t t e r nw a sb e s tc h o i c e ( 6 ) i np r a c t i c e ，m 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 ti nr u n n i n gp r o c e s ss h o u l d f o c u so ni n v e s t i g a t i n go fv a r i o u sf a c t o r sh o wt oa f f e c to nd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s b a c t e r i a ，a n dc r e a t i n gf a v o r a b l ec o n d i t i o n st ob o o s tt h ea c c u m u l a t i o no fd e n i t r i 聊n g i v 英文摘要 p h o s p h a t eb a c t e r i as ot h a td e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i ag a v ef u l lp l a yt o i t sa d v a n t a g e sa n d p l a y e dt h er o l eo fs a v i n g sb o t hc a r b o na n de n e r g y k e yw o r d s ：a a op r o c e s s ，u r b a ns e w a g e ，p h o s p h o r u su p t a k ei na n o x i cz o n e ， i n f l u e n c ef a c t o r s ，i n f l u e n tp a t t e r n v 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 课题来源一1 1 1 2 国内外水污染现状及水体富营养化1 1 1 3 研究目的和意义2 1 2 污水生物除磷脱氮技术的研究进展3 1 2 1 传统生物除磷脱氮机理及工艺3 1 2 2 反硝化除磷理论与工艺8 1 3 课题的主要研究内容1 3 2 试验装置与方法1 4 2 1 试验用水来源与水质1 4 2 2 试验装置与仪器1 4 2 2 1 试验装置1 4 2 2 2 运行原理及影响因素1 6 2 2 3 试验设备与仪器1 9 2 3 分析检测项目与方法19 3a a o 工艺在启动期的除磷脱氮2 1 3 1a a o 工艺中的除磷脱氮2 l 3 1 1 系统启动阶段泥的培养驯化及各参数的确定2 1 3 1 2 磷的去除2 3 3 1 3 氮的去除2 4 3 1 4c o d 的去除2 5 v i 目录 3 2a a o 工艺内o r p 及p h 的沿程变化规律2 6 3 2 1o r p 的变化2 6 3 2 2p h 的变化2 7 3 3 本章小结2 8 4a a o 工艺除磷脱氮性能的影响因素分析2 9 4 1 混合液回流比的影响一2 9 4 1 1 试验材料与方法2 9 4 1 2 试验结果与分析3 0 4 2 污泥回流比的影响3 3 4 2 1 试验材料与方法3 3 4 2 2 试验结果与分析3 3 4 3 污泥龄( s r t ) 的影响3 5 4 3 1 试验材料与方法3 6 4 3 2 结果与分析3 6 4 4 容积比的影响3 9 4 4 1 试验材料与方法3 9 4 4 2 结果与分析3 9 4 5 系统最佳运行工况分析4 1 4 5 1 系统中碳、氮、磷的物料衡算4 1 4 5 2 体现缺氧吸磷比例的静态试验4 3 4 6 本章小结4 4 5 两点进水的a a o 工艺除磷脱氮试验研究4 6 5 1 试验目的与方法4 6 5 2 污染物的去除4 6 5 2 1 当进水比为3 ：7 时4 6 5 2 2 当进水比为5 ：5 时5 1 5 2 3 当进水比为7 ：3 时5 4 v i i 5 6 5 6 5 7 5 9 6 0 6 0 6 1 6 3 6 5 6 6 l 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 本课题为河南省重点攻关项目( 0 8 2 1 0 2 3 5 0 0 0 4 ) “低碳源污水脱氮除磷新工 艺与应用研究 中的部分研究内容。 1 1 2 国内外水污染现状及水体富营养化 水体因某种物质的介入，而导致其物理、化学、生物或放射性等方面特性的 改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或破坏生态环境，造成水质恶化的 现象称为水污染【l 】。水污染大体上可以分为两大类：一类是自然污染；另一类是 人为污染。对水体危害较大的是人为污染。随着工业的进步和社会的发展，人为 的水污染日趋严重，大量的工业、农业和生活污水及废弃物排入水体，使其受到 污染。目前，全世界每年约有4 2 0 0 多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5 5 万亿立方米的淡水( 约相当于全球径流总量的1 4 ) 。 在我国，9 0 以上的城市水污染严重，水污染正从东部向西部发展，从支流 向干流延伸，从城市向农村蔓延，从地表向地下渗透，从区域向流域扩散【2 1 。据 报道【3 】，我国七大水系中，只有珠江、长江水质相对较好，辽河、淮河、黄河、 松花江水质较差，海河污染严重。4 1 1 个河流地表水检测断面中，i i 类水质的 断面仅占4 1 ，i v v 类水质的断面占3 2 ，劣v 类水质的断面达2 7 ，说明已 有5 9 的河段不适宜作为饮用水水源。湖泊、水库的污染更加严重，4 3 的湖泊 和水库失去了使用功能。全国有2 5 的地下水体受到不同程度的污染，3 5 的地 下水源不合格。 发达国家在工业迅速发展的过程中走了先污染后治理的路子，目前工业和生 活污染源已经得到了控制，其亟需解决的主要问题是河流、湖泊的富营养化。因 此，发达国家的水处理技术由最初的以去除水体中有机物、悬浮物为目的逐渐转 变为以去除氮、磷等营养物质为主要目标。美国和加拿大交界处的五大湖是世界 上最大的淡水水体，在十九世纪中叶的十几年间曾被严重污染，经过几十年的努 力，五大湖的水质在营养物较少、水生生物恢复、饮用水和公共健康的改善等方 j 1 绪论 面得到了显著提高，但是，仍然面临着改变湖体富营养化的严峻问题。目前，伊 利湖和安大略湖处于富营养状态，修伦湖和密歇根湖属于中营养型，只有苏比利 尔湖属于贫营养型，水质相对较好。整个欧洲范围内湖泊的富营养化问题也异常 严重，8 0 的湖泊存在富营养化的问题【2 】。亚洲、非洲、澳洲的水体富营养化问 题也随着人口的增长和工农业的发展日趋严峻。 可见，无论是发达地区还是欠发达地区，水污染及富营养化的问题已经成为 环境治理的难题，亟待解决。 1 1 3 研究目的和意义 由氮、磷等营养元素的过量排放引发的水体富营养化问题日趋严重，各国政 府及研究人员都在积极寻找解决的方法。控制水体富营养化的根本措施就是对污 染源进行治理，严格控制污染物的排放量，使经过处理排放自然水体或回用的水 中氮、磷的含量达标。目前，世界各国对于污水排放标准的要求普遍呈现日益严 格的发展趋势，我国已经颁布的污水排放标准( g b l 8 9 1 9 2 0 0 2 ) 要求所有的排污单 位最终出水的氮磷含量为t n 小于1 5 m g l ，t p 小于o 5 m g l ，氨氮小于5 m g l ( 一 级a 标准) 。可见，新旧污水处理厂都不可避免地面临着污水深度除磷脱氮的处 理要求。 目前，国内污水处理厂的除磷脱氮多以厌氧( a n a e r o b i c ) 、缺氧( a n o x i c ) 、好 氧( o x i 0 交替连续运行的传统生物除磷脱氮工艺为主要的处理手段。有研究统计， 我国约有5 0 以上的污水处理厂采用的是a a o 及其变形工艺【4 1 。传统的a a o 工艺对污水中的有机物及营养元素氮、磷具有良好的去除效果，并且具有构造简 单、总水力停留时间短、不易产生污泥膨胀、运行管理方便等优点，因此在国内 外城市污水处理厂中得到了广泛的应用。在a a o 等传统生物除磷脱氮工艺中， 磷主要通过厌氧放磷、好氧过量吸磷排放富磷污泥而去除，氮主要通过氨化、硝 化、反硝化等过程逐步将有机氮转化为氨态氮、硝态氮及气态氮去除。然而，由 于不同的过程对微生物的组成、基质类型和环境条件的要求不同，在同一处理工 艺中，不可避免地存在着各种矛盾关系。比如：硝化菌( n i t r i 伽n gb a c t e r i a ) 的良好 生长需要较长的污泥龄和好氧条件，反硝化菌( d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ) 生长所需的适 宜条件为缺氧环境和较短的污泥龄；聚磷菌( p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i o no r g a n i s m s ， p a o s ) 放磷需要绝对的厌氧环境和较短的污泥龄，而其吸磷却需要提供好氧条件。 a a o 等传统生物除磷脱氮工艺无法同时满足不同过程的要求，从而影响到整个 2 1 绪论 系统的处理效果。 1 2 污水生物除磷脱氮技术的研究进展 1 2 1 传统生物除磷脱氮机理及工艺 1 2 1 1 生物除磷机理 微生物过量吸磷现象的发现为污水生物除磷技术的发展奠定了基础。目前， 传统生物除磷理论被国内外学者普遍认可和接受，多数生物除磷工艺都以该理论 为基础。所有的生物除磷工艺都包含厌氧区和好氧区，在这种厌氧、好氧交替运 行的条件下可以培养出一类聚磷微生物，它们能够从外部环境中摄取远远超过其 生理需求量的过量的磷，并将磷以聚磷的形式储存在细胞内，形成富磷微生物， 最终通过排放剩余污泥达到从污水中除磷的目的。一般认为生物除磷过程通常包 括厌氧放磷和好氧吸磷两个过程，其代谢模式如图1 1 所示 2 】： f l ； 厌氧过程 生长 缺氧好氧过程 图1 1 生物除磷机理 f i g 1 1p r i n c i p l eo f b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l n 口3 一 ( 1 ) 厌氧放磷：在厌氧条件下，聚磷菌从环境中摄取挥发性脂肪酸( v f a s ) ，利 用细胞内聚磷酸盐( p o l y p ) 水解及糖酵解产生的能量将v f a s 同化成细胞内碳源 储存物质( p h a s ，包括p h b 和p h v ) ，同时造成磷酸盐的释放。其中，聚磷酸盐 是一种高能分子，能够在厌氧条件下水解并放出大量能量，为微生物吸收有机底 3 1 绪论 物并将底物转化为p h a s 所用，同时，聚磷酸盐水解生成的正磷酸盐被释放到污 水中。另外，微生物体内的糖原酵解也提供一定的能量，其主要作用是提供转化 过程必需的还原力n a d h 2 ，调节细胞内氧化还原平衡。 聚磷菌的最大放磷量不仅与可利用的v f a s 有关，还与细胞内的聚磷酸盐的 量和糖原物质有关。如果细胞内糖原物质较少，成为反应的限制因素，那么此时 只能认为是最大的挥发性脂肪酸的吸收量而不是最大的放磷量。一般情况下，糖 原物质的含量不会成为限制因素，只有当进水中醋酸盐等挥发性脂肪酸的含量很 高时，才会发生。通常聚磷酸盐的含量也不会成为限制因素，只有在极端条件下， 比如p h 值较高、醋酸盐通过细胞膜进入细胞内需要较高的能量，才可能发生。 一般认为b o d 5 t p 大于1 5 才能保证聚磷菌有充足的碳源而实现磷的良好去除效 果。 ( 2 ) 好氧吸磷：在好氧条件下，聚磷菌氧化分解细胞内储存的碳源物质p h a s ， 产生的能量用于溶解性磷酸盐的过量吸收和聚磷酸盐的合成，同时能量以聚磷酸 高能键的形式储存。通过这种方式，磷酸盐从液相中去除，通过排放富磷污泥f 新 的聚磷微生物) 将磷从系统中去除。 在此过程中，细胞内储存的碳源物质p h b 被氧化成c 0 2 ，而n a d h 2 被释放 并转化为三磷酸腺苷( a t p ) ，被聚磷茵生长所用。并且，聚磷菌在生长的同时除 了不断在细胞内以聚磷酸盐的形式储存磷之外，还合成了糖原物质，使在厌氧时 消耗掉的糖原得到恢复，而糖原在好氧时的形成和恢复对厌氧放磷是非常重要 的，可以为厌氧条件下v f a s 转化为p h a s 提供还原力。另外，厌氧时合成的p h b 的量对好氧时磷的吸收具有决定意义，通常，厌氧时合成的p h b 越多则释放的 磷越多，好氧时就能吸收更多的磷。 温度、溶解氧( d i s s o v e do x y g e n ，d o ) 及水力停留时间( h y d r o l i cr e t e n t i o n t i m e ，h r t ) 等都会影响到生物除磷【2 8 】【2 9 】。温度对生物除磷过程的影响并不明显， 在不同的温度条件下，不同的微生物菌群都具有一定的除磷能力，但是在低温条 件下水力停留时间要长一些。溶解氧对生物除磷有较大的影响，在厌氧区应该保 证严格的厌氧环境，控制d o 小于0 2 m g l ，好氧区应控制d o 大于2 m g l 。厌 氧区停留时间增长，使聚磷菌充分放磷，除磷效果好，但是停留时间过长会造成 “无效放磷 【3 0 】【3 1 1 ，即当污水中可供聚磷菌吸收和储存的有机物被耗尽了之后， 聚磷菌为维持其生命活动仍不断分解聚磷酸盐并释放磷，这种放磷并不伴随着 p h a s 的合成。 4 1 绪论 1 2 。1 2 生物脱氮机理 传统的生物脱氮理论认为一个完整的脱氮过程包括氨化作用、硝化作用、反 硝化作用及微生物的同化作用【3 2 】【3 3 】，其基本原理为氨化菌通过氨化作用将污水中 的有机氮转化为氨氮，在好氧条件下硝化菌通过亚硝化、硝化作用将氨氮氧化为 硝态氮，最终反硝化菌通过反硝化作用将硝态氮还原为n 2 等气体从污水中去除 【5 】。此外，部分氨氮同化为微生物的组成部分，合成新细胞，使微生物得到增殖， 并最终做为剩余污泥排放。生物脱氮过程中氮的转化如图1 2 所示【6 】。 | 有机氮l i ( 蛋白质) l 氨化作用 ! 一 r i 氨氮卜堕叫。妻智纛， | 警【：二二厂丁葛源代谢和自主瓦厂 碧j 厂赢 篱 【氧气晖 作 i 虬1 2 1o 用氧气一一厂一 有机氮f ( 蛋白质) i 丝一一气态氮l o _ o 彳k 日e i 有机物( 碳源) 图1 2 生物脱氮过程中氮的转化 f i g 1 - 2c h a n g e so fn i t r o g e nf o r m s i nt h eb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s ( 1 ) 氨化作用：含氮有机物经微生物降解释放出氨( n h 3 ) 的过程，称为氨化作 用【3 4 1 。污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在，蛋白质做为微生物的 底物，在蛋白质水解酶的作用下水解为氨基酸，氨基酸在脱氨基酶的作用下经过 脱氨基作用，将氨基酸分子上的n h 2 基团脱除，有机氮转化为氨氮。以氨基酸 为例，可以用下面的式子表示其氨化反应： r c h n h 2 c o o h + 0 2j 吗懈，+ c d 个+ r c o o h ( 2 ) 硝化作用：在有氧条件下，由氨化作用产生的氨氮经过亚硝化和硝化作用 s l 绪论 转化为硝态氮( n 0 3 - - n ) 的过程，称为硝化作用 35 1 。首先，氨氮在亚硝酸菌作用下 转化为亚硝酸盐氮，然后亚硝酸盐氮在硝酸菌的作用下又进一步被氧化为硝酸盐 氮。由于硝化菌( 包括亚硝酸菌和硝酸菌) 为化能自养型好氧微生物，反应过程需 要大量的氧，利用c 0 2 、c 0 3 冬、h c 0 3 等无机碳化合物做为碳源，通过n h 3 、n h 4 + 、 n 0 2 。等的氧化获取能量。硝化作用的反应式如下两式所示： 朋蝣+ 1 3 8 2 0 2 + 1 9 8 2 h c 0 ；专 0 9 8 2 n o f + 1 0 3 6 - 2 0 + 1 8 9 1 h 2 c 0 3 + 0 0 18 c 5 h 7 0 2 n n o ；+ 0 4 8 8 0 2 + 0 0 0 1 h 2 c 0 3 + o 0 0 3 h c o - f + 0 0 0 3 强对寸 n o ；+ o 0 0 8 4 2 0 + 0 0 0 3 c 5 h 7 0 2 n 合成代谢与氧化代谢是同步进行的，包括氨氮氧化和新细胞增殖的过程的总 反应式可表示为： 朋露+ 1 8 6 0 2 + 1 9 8