（环境工程专业论文）Orbal氧化沟同步硝化反硝化控制因素研究.pdf

摘要 摘要 o r b a l 氧化沟工艺是当前污水处理技术的热点之一，它是一种有效去除有机 物和脱氮的生物处理工艺，尤其是该工艺具有同步硝化反硝化脱氮的优势。在 国内外，相当多的污水处理厂采用此工艺，应用非常广泛。 本试验研究以河南省济源市污水厂污水处理工艺为研究对象，以该污水处 理厂迸厂水质水量为基础，选用与该厂o r b a l 工艺相似的试验模型进行的。试 验采用的模型由有机玻璃制成，有效容积为3 3 2 升，水力停留时间1 2 小时。在 模拟的o r b a l 氧化沟反应器内找到影响系统外沟同步硝化反硝化作用的因素， 并通过理论研究，揭示o r b a l 氧化沟工艺外沟同步硝化反硝化发生的内在规 律，得到实现出水质达标和最佳的同步硝化反硝化脱氮效果的运行和控制参 数，更好地指导o r b a l 氧化沟污水处理的工程设计和运行管理。另外从o r b a l 氧 化沟的曝气设备和工艺方面存在的问题着手分析，提出了进行针对性改造的设 想。 本试验对影响o r b a 氧化沟外沟c o d 去除、同步硝化反硝化等反应的进水 c o d t n 、c o d 浓度、t n 浓度，污泥回流比和非曝气区与曝气区长度比 ( l l 0 ) 等几方面的因素进行了研究，从试验中得出以下结论： 1 不同进水c o d t n 、c o d 浓度、t n 浓度，不同的污泥回流比和不同的 l d l o eo r b a l 氧化沟外沟的c o d 去除效果的影响都不是很大，c o d 的去除率 均在8 0 左右，说明在该系统的适应能力很强。 2 不同的进水c o d t n 、c o d 浓度、t n 浓度，不同的污泥回流比和不同 的l a l o 比对o r b a l 氧化沟外沟同步硝化反硝化去除t n 的效果影响都比较大。 在不同的t n 浓度下，同步硝化反硝化去除t n 的效率均随着进水有机物浓 度、c o d 浓度和c o d t n 比的升高而升高，但在t n 浓度不同时， i n 的去除 率也不同。在污泥回流比小于1 0 0 时，随着污泥回流比的增大，外沟t n 的去 一i 一 北京工业大学工学硕士学位论文 除率逐渐升高，当回流比继续增大时，总氮的去除率则稍有降低，在污泥回流 比为1 0 0 时，t n 的去除率达到最大。在l l o 比小于1 5 时，外沟t n 的去除 率随着l ，l 0 比增大而逐渐升高，而当i l o 比大于1 5 时，t n 的去除率随着 l l 0 比的升高有降低但不明显。 3 在进水水质和水量相同的情况下，不同的污泥回流比和不同的l l 0 比 对n h 4 + - n 去除也有一定的影响。但污泥回流比对外沟n h 4 + n 的硝化影响要小 于l l o 比的影响。试验表明，在各种回流比下，外沟n i - 1 4 + - n 的去除率均在 8 0 以上，系统的硝化作用较好。而在l l 0 比小于1 5 时，n i - h + 一n 的去除率 随着l l 0 比的增加而增加，当l l o 比在1 5 3 时，n h 4 + - n 的去除率有一定 程度的下降。 关键词o r b a l 氧化沟同步硝化反硝化( s n d )影响因素 a b s t r a c t o r b a lo x i d a t i o nd i t c hi sa na d v a n c e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s m o s to f c o da n ds i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nn i t r o g e nr e m o v a lo c c u r r e di n t h eo u t e rd i t c h i nn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lm a n yw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t su s e d t h i sp r o c e s sf o ri t sh a st h ea d v a n t a g eo fs i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r f i c a t i o n t h i ss t u d yc a r r i e da tj f y u a l lo fh e n a np r o v i n c cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t , u s i n g t h eo r b a lo x i d a t i o nd i t c hm o d e la n db a s i n go nt h ew a t e rc h a r a c t e ra n dq u a n t i t y a n da l lt h ee x p e r i m e n t sb a s e do nt h ew a s t e w a t e rc h a r a c t e r sa n dq u a n t i t yo fj i 、沁a n w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h es t u d yi n t e n d e dt od e t e r m i n e dt h ec o n d i t i o n sa n d f a c t o r s a f f e c t i n g s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) c o d r e m o v a l ，a n dt op u r s u e t h ep o s s i b l et e c h n i c a l a p p r o a c h e s t oe n h a n c i n gn i t r o g e n r e m o v a l e v e n t u a l l yt h ec o n c l u s i o n si n t e n d e dt o c o n t r i b u t ei x ) t ht h ee x i s t i n go r b a l 0 x i d a t i o nd i t c ha n d i m p r o v i n g t h ep r o c e s si nt e c h n i c a l t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w nf r o mt h ee x p e r i m e n tc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1n ec o dr e m o v a lo fo r b a lp r o c e s sh a d1 i t t l ee f f e c t sb yc o d t n ，c o d c o n c e n t r a t i o n ，t nc o n c e n t r a t i o n ，l e n g t ho f n o n a e r o b i ca n da e r o b i c ( l a l o ) a n d t h es l u d g er e t u mr a t i o n a l t h ee f f e c t so fc o d r e m o v a lw e r ea l la r o u n da t8 0 t h i si n d i c a t eo r b a lp r o c e s sh a sm o r ec a p a c i t y 2t h et nr e m o v a lo fo r b a lp r o c e s sh a dal i t t l ee f f e c t sb yc o d 厂i n ，d c o n c e n t r a t i o n ，t nc o n c e n t r a t i o n ，l e t l g t ho fn o n a e r o b i ca n da e r o b i c ( l m i o ) a n d t h es l u d g er e t u r nr a t i o n a l t h et nr e m o v a le f f e c ti n c r e a s e dw i t ht h es l u d g e r e t u r nr a t i o n a lw h e nt h er a t i o n a lw a sl o w e rt h a n1 0 0 ，b u tw h e n t h er a t i o n a lw a s h i 吐e rt h a n1 0 0 ，t h er e m o v a ld i d n ti n c r e a s ea n ym o r e m t nr e m o v a le f f e c t w a sa l s oi n c r e a s e dw i t hi iow h e ni t l o w e rt h a n1 5 ，b u td e c r e a s e dn o t s i g n i f i c a n tw h e n i th i 曲e rt h a n1 5 3w h e nt h ei n f l u e n ti ss i m i l a r , s l u d g er e t u r nr a t i o n a la n db l o h a v eac e r t a i n e f f e c to fn h 4 + nr e m o v a le f f e c tw a sm o r et h a n8 0 i na n ys l u d g er e t i o n a l b u t w h e ni tl o w e rt h a n1 5 t h en h 4 + 一nr e m o v a le f f e c ti n c r e a s e dw i t hi l o ，t h e n h 4 + nr e m o v a le f f e c ta n dd e c r e a s e dw i t hl | l ow h e n i tw a sa t1 5 - 3d e g r e e k e y w o r d s o r b a lo x i d a t i o nd i t c hs i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) e f f e c tf a c t o r ，l l i 独创性声明 本人声明所呈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它教育机构 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：鉴塾嗍塑堡型自 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) 0 碱6 同旧 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，随着工业化和城市化程度的不断提高，人类所处的环境受到了各 种污染因素的冲击，氮元素就是其中之一。水体中的氮主要来自于生活污水和 工业生产过程中含氮废水的排入以及农业中农药化肥中大量氮元素随地表径流 的进入。氮污染对生态环境、水体和人类生存环境有很大的影响和危害，主要 表现为：引起水体湖泊富营养化，使水体发黑发臭；使地表水质恶化，影响给 水水源，增加给水处理费用：水体中的游离氨对鱼类有毒，危害水产资源；水 体中的硝态氮会在人体中转变成亚硝胺，这是一种致癌、致畸、致突变的物 质。 水环境污染和富营养化问题目益突出，使得人类环境意识逐渐增强，氮污 染已引起世界各国的广泛关注，越来越多的国家和地区制定了严格的污水有机 物和氮磷营养物的排放标准，对氮元素涉及的控制指标也由单一的氨氮发展到 硝态氮、总氮。由此污水的脱氮技术特别是污水生物脱氮技术已成为污水处理 领域的难点和热点，尤其是经济高效的脱氮技术成为水污染控制研究开展的重 要课题。 目前，由于我国城镇的迅速发展，必将建立很多适合城镇污水处理的中小 型污水处理系统，因此很有必要对投资少、运行费用低、适应性强，并且考虑 脱氮除磷的小型污水处理系统的进行深入研究。 适合小城镇污水生物脱氮的处理工艺形式较多，如：o 工艺、氧化沟工 艺、s b r 工艺等，不同工艺对运行控制的要求又不尽相同，各地的水质水量情 况也相差较大，因而难免在运行过程中出现这样或那样的问题影响处理效果， 这些问题的产生往往是因设计经验不足或运行管理控制水平不足造成的，因此 1 必须根据实际情况采用合理的处理工艺，制定合适的控制运行条件，以达到经 济高效的目标。 1 2 课题来源、研究内容和目的意义 1 2 1 课题来源 本课题为济源市城市污水处理厂自动及智能控制系统的研究项目的一 部分，该项目为： 1 、国家“8 6 3 ”项目：污水高效脱氮除磷深度处理技术优化集成与研究 2 、国家自然科学基金资助重点项目：城市污水处理系统的智能控制理论、 方法和技术 1 2 2 研究内容 以济源城市污水处理厂进厂水质水量为基础，在试验用的o r b a l 氧化沟反 应器模型内找到影响o r b a l 氧化沟外沟同步硝化反硝化作用的因素，确定工艺 的最佳运行和控制参数，为生产性试验和实际运行实现自动控制和经济运行提 供参数依据和可靠性保证。 本课题的研究内容主要是确定最适合济源市城市厂水质水量的工艺运行参 数，以达到最佳脱氮、出水水质达标和能耗最小的目标，最终实现在该污水处 理厂内实现自动及智能控制。 具体研究内容包括： 1 、以人工配制生活污水为试验模型进水，研究不同的c o d 浓度、 c o d t n 比和污泥有机负荷对o r b a l 氧化沟外沟c o d 去除以及同步硝 化反硝化去除总氮效果的影响； 2 、以济源市城市污水厂曝气沉砂池出水为试验模型进水，研究不同回 流比对o r b a l 氧化沟外沟c o d 去除、氨氮硝化以及同步硝化反硝化 去除总氮效果的影响，并根据该厂实际运行条件与试验模型的差别 确定该厂最佳回流比范围； 2 第1 章绪论 3 、 以济源市城市污水厂曝气沉砂池出水为试验模型进水，研究不同非 曝气区与曝气区长度比对o r b a l 氧化沟外沟c o d 去除、氨氮氧化以 及同步硝化反硝化去除总氮效果的影响。 1 - 2 3 研究目的和意义 研究目的主要是，通过系统的模拟试验研究，对o r b a l 氧化沟的运行条 件、运行参数和运行模式进行完善，为工程应用提供最佳的设计参数，并积累 运行管理经验，尤其是通过理论研究，揭示o r b a l 氧化沟工艺外沟同步硝化反 硝化发生的内在规律，得到出水水质达标和和实现最佳的同步硝化反硝化脱氮 效果的运行参数，更好地指导o r b a l 氧化沟污水处理的工程设计和该类污水厂 的运行管理工作。 o r b a l 氧化沟工艺在我国正在得到广泛的应用，已成为当前污水处理技术 的热点之一，但对o r b a l 氧化沟技术的掌握尚不够全面，在工程上还缺乏系统 和科学的运行管理方法。本研究的意义在于通过对其运行参数的调整，实现 o r b a l 氧化沟外沟同步硝化反硝化脱氮的自动控制，并找到降低工程投资和运 行费用的最佳控制运行参数，使o r b a l 氧化沟工艺的技术优势和经济优势能够 在济源污水处理厂的实际运行中得到充分的发挥。 1 3 该课题国内外研究现状 1 3 1 同步硝化反硝化机理研究现状 根据传统脱氮理论，含氮有机物首先被异养微生物分解转化为氨氮，然后 通过自养型硝化细菌在好氧的条件下将氨氮氧化为硝酸盐，最后再由反硝化细 菌在缺氧条件下将硝酸盐还原为氮气，最终完成脱氮过程。由于硝化菌和反 硝化菌各自适宜的生长环境不同，硝化菌是在好氧条件发生反应而反硝化菌是 在缺氧或厌氧条件下发生反应，故传统理论对硝化过程与反硝化过程有严格区 分。传统的生物脱氮工艺是把硝化和反硝化作为两个独立的阶段分别在不同反 应器中( 空间上) 或者用间歇的好氧和厌氧条件( 时间上) 来运行，以实现废水生 3 ：，：，垄薹鳌垄彗茎墼垦垒鲨釜：， 物脱氮的目的，而同步硝化反硝化的理论是指硝化反应和反硝化反应在同一反 应器中、相同操作条件下同时发生，它突破了这种传统的理论。近年来的一些 新发现使得同步硝化反硝化成为可能，而且在生物学上，好氧反硝化菌和异养 硝化菌的发现以及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研究的迸展，奠定了 同步硝化反硝化生物脱氮的理论基础嘲。 目前，对同步硝化反硝化生物脱氦的机理尚未完全掌握，还需进一步地加 深认识与了解，但已初步形成了三种解释，即：宏观环境解释、微环境理论解 释和生物学解释叫。 宏观环境解释认为：由于生物反应器的混合形态不均，如充氧装置的不 同，可在生物反应器内形成缺氧及( 或) 厌氧段，此为生物反应器的宏观环境同 时提供了硝化所需的好氧环境和反硝化所需的缺氧环境，使得硝化和反硝化反 应可以同时发生。例如，在氧化沟反应系统中，曝气装置均为表面曝气设备， 这就造成在曝气设备的下游，溶解氧浓度较高，处于好氧状态，而随着混合液 的流动，溶解氧逐渐被消耗，而形成缺氧区甚至厌氧区，这就为硝化和反硝化 的同时发生创造了条件“1 。而事实上，在生产规模的生物反应器中，即使是完 全混合的反应器整体均处于完全好氧状态的情况并不存在，总是存在有缺氧或 厌氧区，故同时硝化反硝化反应也就有可能发生，类似的如r b c 嘲嘲、s b r “1 反 应器等。 微环境理论解释认为：由于氧扩散的限制，在微生物絮体内外产生溶解氧 浓度梯度从而导致微环境内同步硝化反硝化的发生。微生物絮体的外表面溶解 氧浓度较高，以好氧硝化菌为主；深入絮体内部，外部氧的大量消耗，氧传递 受阻，产生缺氧区，此处反硝化菌占优势。因此硝化可发生在絮体的表面，而 反硝化会发生在活性污泥絮体的内层。从而会在好氧的宏观环境下出现某种程 度的反硝化，即同步硝化反硝化的现象。该理论从物理学角度加以解释，考虑 活性污泥和生物膜的微环境中各种物质( 如d o 、有机物等) 的传递与变化，各类 4 微生物的代谢活动及其相互作用，以及微环境的物理、化学和生物条件或状态 的改变等，目前已被普遍接受。如在生物膜反应器中，生物膜表面为好氧区， 而在生物膜内可以存在缺氧区，硝化在有氧的膜上发生，反硝化在缺氧的膜上 发生，形成了宏观上硝化和反硝化同时发生的现象。1 。 另外一种对同步硝化反硝化现象的解释是从生物学角度来阐述的。近年 来，好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现，使得好氧反硝化和异养硝化的解释有 了生物学的依据。打破了传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成和反硝化只 能在厌氧条件下进行的观点，它认为好氧反硝化反应和异养硝化反应的存在在 同步硝化反硝化脱氮中占有重要地位。对于好氧反硝化、异养硝化( 厌氧氨氧 化) 、自养反硝化的现象，近年来生物学的发展已经可以给出令人比较满意的答 案。由于许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，能够直接把n k + 转化为最终 气态产物而逸出，使得同步硝化反硝化生物脱氮也就成为可能。已知的好氧反 硝化菌有p s e u d o m o n a ss p p 、a i c a i i g e n e s f a e c a y s 、f h y o s p h a e r a p a n t o t r o p h o ，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，正因为如此，能够直接 把氨转化成最终气态产物。r o b e r t s o n 嘲等人还提出了好氧反硝化和异养硝化的 工作模型，即t h f o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 和其它好氧反硝化菌使用硝酸盐亚硝 酸盐呼吸( 好氧反硝化) ，氨氧化( 这里指的是异养硝化，而不是传统意义上的 自养硝化) ，以及在最后一步作为过量还原能量的累积过程形成p o l y b h y d r o x y b u t y r a t e ( p h b ) 。关于好氧反硝化和异养硝化菌，其反应速率随着d 0 增加而减少，与厌氧反硝化细菌相比，好氧反硝化菌的一般特征是反硝化速率 慢一些，但能较好适应厌氧( 或缺氧) 好氧周期变化嘲“”。 1 3 2 同步硝化反硝化的影响因素研究现状 目前，国外学者对同步硝化反硝化工艺的研究尚处于试验室阶段，对其作 用机理及动力学模型正在做迸一步的研究。国内学者对生物脱氮研究的重点放 在两阶段硝化一反硝化工艺上，尚未对硝化反硝化一体化工艺进行足够的研 5 北京工业大学工学硕士学位论文 究。但同步硝化反硝化在节省资金、能源等方面的优势将会成为脱氮工艺中的 热点，同步硝化反硝化的影响和控制因素多且复杂，相对较难控制“”。但从近 年来对同步硝化反硝化的研究成果来说，在其发生机理方面主要受4 个因素的 影响：碳源、溶解氧、微生物絮体尺寸和氧化还原电位( o r p ) 。 ( 1 ) 碳源的影响：废水中碳源对同步硝化反硝化的影响主要表现在两个方 面：一方面是进水c n 比高低的影响；另一方面是进水中快速易降解有机物 ( r b c o d ) 含量高低的影响。进水c n 比越高，缺氧反硝化与好氧反硝化的碳源越 充足，同步硝化反硝化的作用越明显，总氮的去除率也就越高，而快速易降解 有机物( r b c o d ) 含量高低对同步硝化反硝化的作用，则根据处理工艺、进水位 置、进水量的不同而有不同的影响“”“”。 k l a n g d r e np o c h a n a “7 1 等( 1 9 9 9 ) 研究了碳源对同步硝化反硝化的作用的影 响，结果认为r b c o d 为同步硝化反硝化作用的重要影响因素之一，试验中添加 r b c o d 可使同步硝化反硝化的作用的活性显著加强。采用内循环气升式反应器 ( i a l r ) 处理垃圾填埋场渗滤液的过程中也证实了碳源对实现同步硝化反硝化的 作用的重要性，当进水c 0 9 n 、r b c o d c o d 比较高时，可以获得较好的同步硝化 反硝化的效果，反之则较差。h o n gw 等人通过总氮平衡的计算发现。总氮去除 中归功于同步硝化反硝化的占1 0 - 5 0 ，较短的曝气循环周期有利于同步硝化反 硝化的发生，厌氧段加入碳源可以同时增强硝化和反硝化作用。另外影响同步 硝化反硝化的碳源因素还包括充气量和污泥有机负荷两方面，在控制曝气量的 前提下，污泥的有机负荷直接影响同步硝化反硝化的效果。污泥负荷过高，异 养菌活动旺盛，大量消耗有机物和溶解氧，造成对硝化菌的竞争性抑制，导致 硝化菌在微生物中的比例减小，造成硝化不彻底，进而会影响氮的去除率：污 泥负荷过低，有机物被异养好氧菌大量消耗，也将会影响反硝化的碳源需要， 使得反硝化过程受阻。某些报道中指出，一些生产性试验中，污泥负荷控制在 6 0 1 0 o 1 5 k g b o d ( k g m l s s d ) 的范围内，可保证在去除b o d 的同时，预留反 硝化的碳源，保证同步硝化反硝化反应的进行。 虽然增加进水有机物浓度，提高c n 比，可以提高同步硝化反硝化效果， 但是对于氧化沟同时具有推流和完全混合的特点来说，污水进入反应器后立即 被稀释，生化反应的推动力仍然很小，因此碳源对反应器的脱氮效果影响还需 进一步研究。 ( 2 ) 溶解氧( d 0 ) 浓度的影响：溶解氧浓度以各种方式影响着硝化和反硝 化，是影响系统同步硝化反硝化反应的重要参数之一“”。一般硝化菌的需氧量 是控制性的，原因是它的氧半饱和系数非常大，虽然经常规定硝化系统的溶解 氧浓度为2 m g l ，以获得高效的硝化反应，但是如果好氧区的停留时间足够 长，就可能在更低溶解氧浓度下达到完全的硝化，对溶解氧浓度的评价只能是 相对的，应当根据系统性能要求进行调整。 系统中的溶解氧首先应足以满足有机物的氧化及硝化反应的需要，使硝化 反应充分；其次溶解氧的浓度又不能太高，应能在微生物絮体内产生溶解氧浓 度梯度，促进缺氧微环境的形成，同时使系统中有机底物不至于过度消耗而影 响了反硝化对碳源的需求。另外对不同的水质和不同粒径、密实度的污泥絮 体，溶解氧浓度的控制范围也有所不同。 m u n c h “等人观察了s b r 反应器中溶解氧浓度对硝化率和反硝化率的影响。 发现曝气阶段溶解氧对硝化率的影响可用m o n o d 方程表示，反硝化菌与溶解氧 浓度的关系可用数学转换方程表示，且转换常数比预期值要高，这意味着好氧 反硝化的程度也高于预期值，运行过程中硝化菌的活动受到抑制，同时好氧反 硝化速率随曝气时间的延长而降低，完全硝化反硝化时溶解浓度大约为 0 5 m g l 。有些资料指出“”，各种不同构筑物发生同步硝化反硝化作用的溶解 氧浓度范围也各异：四槽式氧化沟为0 3 o 8 m g l ，间歇曝气氧化沟工艺中可 低于1 o m g l ，半间歇式活性污泥法工艺为o 3 l i5 m g l ，附着生长反应器系 7 北京工业大学工学硕士学位论文 统中为1 o 2 o m g l 等，某些生产性试验的结果为0 5 1 o m g l 。b r u c e 等人 研究的两个单沟氧化沟操作较为简单，平均溶解氧浓度为0 i - 0 5 m g l 之间， c o d 去除率和脱氮率分别达到了9 7 6 和7 6 。 对于不同的水质和不同的工艺，实现同步硝化反硝化作用的具体溶解氧浓 度水平需要在实践中确定。但可以肯定，同步硝化反硝化系统中的溶解氧浓度 要比传统生物脱氮工艺中的溶解氧浓度低得多，属于低溶解氧下的硝化反硝化 脱氮工艺“，这显然具有重要的实践意义。 ( 3 ) 微生物絮体结构特征的影响：微生物絮体的结构特征即活性污泥絮体 粒径的大小及密实度等直接影响了同步硝化反硝化作用。微生物絮体粒径及密 实度的大小一方面直接影响了絮体内部好氧区与缺氧区比例的大小，另一方面 还影响了絮体内部物质的传质效果，从而影响了絮体内部微生物对有机底物及 营养物质获取的难易程度。污泥絮体同步硝化反硝化的模型见图卜1 。 n 一n 有机 a 异养好氧菌 b ，亚硝强菌 c 硝酸菌 d ，反硝化茼 1 好氧区 2 缺氧仄 图1 - 1 污泥絮体同步硝化反硝化模型 对特定的反应器系统而言，絮体粒径的大小应当有一个最佳粒径范围，在 最佳的粒径范围内，能够创造微生物絮体内好氧区与缺氧区的最佳比例。若粒 径过小、絮体过疏，也会导致整个絮体内全部为好氧区，发生反硝化反应效果 8 第1 章绪论 很弱，不利于氮的去除，而粒径过大、絮体过密，也会导致絮体内物质的传质 受阻，进而会影响絮体内微生物的代谢活动。 k l a n g d u e np o c h a n a “”等( 1 9 9 9 ) 研究了s b r 系统中影响同步硝化反硝化作用 的因素，认为微生物絮体粒径大小为一重要控制因素，并认为较大粒径的微生 物絮体有利于同步硝化反硝化作用的进行。因为在较大粒径微生物絮体的内部 可以形成相对较大且较持久的缺氧区，这显著地强化了絮体内部的反硝化，而 小粒径的絮体内的溶解氧浓度下降幅度有限，且内部的溶解氧浓度接近于外表 的浓度，其内部短暂的低溶解氧浓度水平是不可能获得显著反硝化的。这一研 究也进一步证实了物理学方面的微环境理论对同步硝化反硝化作用解释的正确 性，表明同步硝化反硝化作用一方面确实是由于污泥絮体内溶解氧扩散的限制 造成溶解氧浓度梯度而发生的一种物理现象。同时，作者根据这一理论还建立 了同步硝化反硝化作用的数学模型。k p o c h a n a “7 1 等人认为生物易降解碳源的 投加和活性污泥絮体体积的增加均可引起同步硝化反硝化效率的显著加强。其 试验结果表明：活性污泥絮体平均粒径由4 0um 变为8 0i j m 时，同步硝化反硝 化贡献率由2 1 增为5 2 。此外，反应器液相主体的溶解氧浓度在一定范围内增 加会呈线性关系抑制同步硝化反硝化，但溶解氧浓度增至0 8 l 【l g l 时，其线性 关系不明显。 对于氧化沟工艺。一般都省去了初沉池，沉砂池的出水直接进入氧化沟， 这样进入反应池的混合液中含有大量的悬浮颗粒，起到了悬浮载体的作用，这 些悬浮颗粒与生物絮体相互吸附后，具有极大的表面积，它们进一步吸附有机 质，从而增大了生物絮体的密实度，在低氧条件这种大体积的絮凝体结构增加 了缺氧微环境的比例，提高了系统的脱氮能力。但是悬浮物也不宜太多，否则 悬浮的絮体将会累积造成m l s s 上升，而m l v s s , , m l s s 降低，水中污染物难以渗 透至污泥内部，絮体内部的微生物难以接触到碳源，影响反硝化“叭“3 。有报道 中指出，在生产性试验中，m l s s 宜控制在5 0 0 0 m g l 左右。 9 ( 4 ) 氧化还原电位( o r p ) 的影响：氧化还原电位是影响同步硝化反硝化作 用的另一重要因素汹1 。由于多数同步硝化反硝化作用都发生在好氧或低氧环境 下，在好氧条件下，可以用d o 作为控制参数，而在低氧条件下，d 0 仪控制的 同步硝化反硝化除氮率和硝化速度都明显低于o r p 仪控制的情况，溶解氧信号 的测定存在着很大偏差，而氧化还原电位对低溶解氧浓度的响应灵敏，因此 o r p 信号对低溶解氧条件的控制比溶解氧信号更为精确有效，缺氧条件时o r p 信号控制是唯一的选择。同时氧化还原电位控制易于较好维护同步硝化反硝化 微生物所需的低氧环境，通过控制系统中的o r p 在适当的范围内可以获得较好 的同步硝化反硝化效果蚓。 一般情况下，较高o r p 有利于同步硝化反硝化作用的发生，一些研究表 明，o r p 与d 0 、p h 等有着密切的关系，通过控制o r p 可以间接控制d o 浓度， 进而实现对同步硝化反硝化作用的控制。c c o l l i v i g n a v e l l i 啪1 等( 1 9 9 9 ) 研究了 o r p 对同步硝化反硝化作用的影响，认为最佳o r p 范围应当根据进水的特征来 确定。系统中高o r p 值促进了完全反硝化反应的进行，出水中n 0 3 - - n 浓度较 高，而低o r p 值会使得出水中n h 3 一n 浓度较高。g b e r t a n z a 啪1 ( 1 9 9 7 ) 在延时曝 气污水厂的改造过程中研究了o r p 与d 0 的双重控制对同步硝化反硝化作用的影 响，认为稍高的o r p 有利于氮的去除，最佳o r p 为1 s o 2 0 0 m v 。h o n g w z h a o 呻1 等( 1 9 9 9 ) 研究了两段间歇曝气工艺中同步硝化反硝化反应的控制因素，认为绝 对o r p 可用作同步硝化反硝化作用的实时控制参数。 另外，许多的研究都认为通过测量o r p 和d o 的双重控制比单纯控制d 0 对 同步硝化反硝化作用效果要好得多，这是因为o r p 不仅涉及到d o 浓度水平，还 涉及到影响同步硝化反硝化作用实现的其他因素：o r p 值不仅是由0 ：o h 的平衡 决定，雨且还由n o ；n k ( 通常起主导作用) 及n 暂n k 等决定。有报道在i a l r 反应器对垃圾填埋渗滤水进行同步硝化反硝化试验的过程中发现，至少要将反 应器内的o r p 控制在正值时的脱氮效果才比较好，最佳o r p 范围为1 2 0 1 0 2 0 0 m v 。“。东南大学环境工程系分别采用o r p 仪和d 0 仪控制s b r 反应器的同步 硝化反硝化现象乜1 1 ，o r p 仪设置7 0 m v 、5 0 m y 、2 0 m v 三个最大值，d o 仪设置 0 5 m g l 、i m g l 、2 m g l 三个最大值。试验获得了同步硝化反硝化工艺2 0 6 0 的除氮率，且曝气初期i 5 h 内除氮率急剧增加。结果表明：用不同的最大o r p 值控制的同步硝化反硝化，其除氦率由小到大的顺序为7 0 m v ，5 0 m v ，2 0 m v ，且 5 0 m v 和2 0 m y 时，反应后期亦出现显著的同步硝化反硝化现象。 在氧化沟工艺中，由于同时存在着好氧区和缺氧区，并且好氧区曝气量直 接影响着缺氧区o r p 的值，必须对两者联合进行测量与控制。d 0 与o r p 同时控 制有效的实现了高低溶解氧条件的交替，保证充分硝化反应的同时创造了同步 硝化反硝化的最佳环境。 同步硝化反硝化作用的影响和控制因素有很多，除上述几个重要的参数之 外，还存在其它的因素，如：温度、p h 、有机负荷( f m ) 、水力停留时间、污 泥停留时间等，这些因素的影响对实际的运行和操作也都非常重要，需要在实 践中去探索与确定，以便更好地指导生产实践。 第2 章生物脱氮及氧化沟工艺简介 2 1 传统的生物脱氮机理及脱氮工艺 2 1 1 生物脱氮机理 在未经处理的新鲜废水中，含氮化合物存在的主要形式有：( 1 ) 有机氮， 如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物，硝基化合物等；( 2 ) 氨态氮( n i q + ， n h 。) ，而且一般以前者为主，含氮化合物在微生物的作用下，相继发生多项反 应，最终变成氨氮、亚硝态氮、硝态氮或氮气的形式，有少部分被生物合成利 用进入生物体，所发生的这些生化反应包括： ( 一)氨化反应 有机氮化合物在氨化菌的作用下，分解转化为氨态氮的过程称为氨化反 应，氨化反应主要是有机氮化合物通过加水或加氧脱氨基产生n l - h ，以供微生物 同化合成或转化成硝酸盐。 ( 二)硝化反应 氨态氮在硝化菌的作用下，迸一步分解氧化形成硝态氮的过程称为硝化反 应。硝化反应一般分为先后两个阶段，分别由两组不同的自养型好氧微生物来 完成。首先，氨氮被亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 氧化为亚硝酸氮，继之，亚硝 酸氮在硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 的作用下氧化为硝酸氮，其反应式可表示为： 亚硝化反应：n h + + 1 5 0 2 亚硝酸菌- n 0 2 。+ h 2 0 + 2 r 硝化反应：n o + 0 5 吼硝酸菌 n o 总反应：n h + + 2 q 硝业菌 - n o a 一+ h 2 0 + 2 r 亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，它们都是化能自养菌，利用无机化合物 如c o ，”，h c 0 3 - 和c 0 ：作为碳源，从无机物的氧化中获得能量。因此在污水处理 中，发生在好氧且有机底物不高的情况下，而且硝化反应的发生会引起p h 和碱 度的降低。 ( 三)反硝化反应 1 2 硝化过程中产生的硝酸氮或亚硝酸氮在反硝化菌的作用下，被还原为气态 氮的过程称为反硝化反应。在反硝化反应过程中，硝酸氮通过反硝化菌的代谢 活动，可能有两种转化途径，即：同化反硝化( 合成) ，最终形成有机氮化合 物，成为微生物菌体的组成部分；另一为异化反硝化( 分解) ，最终产物是气态 氮。异化反硝化的反应式为： 6 n o ；+ 2c i - h o h 趟壁垫垂遁董- 6 n 0 2 + 3 h z 0 + 2 c 0 ：i 1 6 n 0 2 - + 3c h , o h 趟壁垫至厘萱，3 n 2i + 4 h 2 0 + 6 0 h - + 总反应式为： 6 n o a + 5c h , o h 趟3 n 。i + 7 h z 0 + 6 0 1 4 - + 3 c 跳i 反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌，在缺氧条件下，营厌氧呼吸，以硝态氮 中的氧为电子受体，以有机底物( 碳源) 为电子供体。因此，在污水处理中， 反硝化反应发生的条件是：有充足的有机底物( 碳源) ，无分子氧而同时存在硝 酸或亚硝酸离子。另外，反硝化菌在分解有机物过程中会产生一定量的碱度并 使p h 增加。 2 1 2 污水生物脱氮基本工艺流程 传统的生物脱氦理论认为生物脱氮必须经历上述三个过程。其中氮化反应 为水解反应，一般不作过多考虑，硝化反应必须在好氧条件下进行，反硝化反 应必须在缺氧条件下进行，两种反应不能同时发生。污水脱氮技术的研究通常 着重于硝化反应和反硝化反应。 下面列举四种目前已用的主要的生物脱氮工艺流程。 第一种是三级生物脱氮的传统处理工艺。有机污水进入系统后，首先在第 一级生物处理构筑物中进行好氧分解，去除污水中的有机污染，降低b o d ，使 有机氮转化为n i 或n h 3 ( 氨化反应) ，经过沉淀后，在第二级生物处理构筑物 内，在好氧条件下，使n h 4 乙n 或n ”n 氧化为n 晚一一n ( 硝化) ，在此硝化曝气池 内投碱以防止p h 值降低。最后，在第三级生物处理构筑物内，形成缺氧环境， 1 3 叶 ； 使n 0 3 。n 还原为n 2 ( 反硝化) ，在此反应器内需外加有机物( 如c h ，o h ) ，以提供 反硝化所需碳源。这种流程的优点是氨化、硝化、反硝化反应分别在各自的反 应器内进行，各自回流污泥，好氧菌、硝化菌和反硝化菌分别生长在不同的构 筑物中，均可在各自最适宜的环境中生长繁殖，故反应速度快，且不同性质的 污泥分别在不同的沉淀池中沉淀分离和回流，所以运行管理较为方便，易于掌 握，灵活性和适应性都较大，运行效果较好。其缺点是由于在硝化池中须投 碱，在反硝化池中必须投加外碳源，这就增加了运行费用；而且处理构筑物较 多，增加造价，管理工作量也增大。在实践中还有将两个好氧池合为一个的两 级生物脱氮系统，即将b o d 去除和硝化两步反应同时放在统一的反应器内进 行，通常称为后置反硝化生物脱氮。 第二种称为前置反硝化生物脱氮处理工艺，又称缺氧好氧( a o ) 法， 该法的主要特点是将反硝化反应器放置在系统的首端，在硝化反应器之前。硝 化反应器中的硝化液以一定的比例回流到反硝化反应器中，反硝化反应器中的 反硝化菌在无氧或低氧条件下，利用进水中的有机物作为碳源，以回流硝化液 中硝酸盐中的氧作为电子受体，进行呼吸和生命活动，将硝态氮还原为n z ，这 样反硝化过程中所需要的有机碳源，可直接来源于入流污水，不必外加碳源， 这样既可减轻硝化段的有机物负荷，减少停留时间，又可节省曝气量a 另外在 反硝化过程中，碱度可补偿硝化反应过程消耗的一半左右的碱度，可减少硝化 池内碱的投加量。该法开创于2 0 世纪8 0 年代，目前采用的脱氮工艺多为此种 或其变形工艺。但是该工艺的主要不足之处是流程处理水来自硝化反应器，因 此，处理水中含有一定浓度的硝酸盐，如果沉淀池运行不当，很容易发生污泥 上浮，影响处理水质，另外要提高脱氮率，必须加大内回流比，这又势必增加 了运行费用，面且内循环液带入大量的溶解氧，使反硝化反应器难于保持理想 的缺氧状态，影响反硝化的效果。 第三种工艺为序批式前置反硝化生物脱氦工艺。前两种处理工艺是将好氧 1 4 第2 苹生物脱氮及氧化沟工艺 区和缺氧区分开，即将硝化反应和反硝化反应分别控制在不同的反应器中，以 实现脱氮目的。而序批式前置反硝化生物脱氮工艺是在时间上创造适合硝化和 反硝化反应的条件，达到较好的脱氮效果。该种工艺通常在s b r 反应器中实 现，即在实际操作过程中可采用限制曝气或半限制曝气运行方式在时间序列上 实现缺氧好氧组合并控制每一部分合适的时间比例，达到较好的脱氮效果。该 工艺流程简单，基建费用和运行费用低。不需要污泥回流和混合液回流，且在 控制上比较灵活。另外该工艺也可通过在连续流反应器间歇曝气以创造短时间 的好氧和缺氧段来实现。但该工艺的缺点是自动化程度要求非常高，运行管理 比较繁琐，不过随着微机处理工艺的出现，该工艺的潜力将会进一步发挥。 第四种处理工艺为同步硝化反硝化工艺，这是一种新型的生物脱氮工艺。 同步硝化反硝化是指在同一反应器中，在相同的操作条件下，同时进行硝化和 反硝化反应。一般该系统只有一个连续流反应器和一个沉淀池，在该反应器中 同时进行碳化、硝化和反硝化三种反应。同步硝化反硝化工艺与传统的脱氮工 艺相比具有能耗低、投资省、池容小以及容易保持稳定的p h 值等诸多优势。例 如，硝化过程中碱度被消耗，而反硝化过程会产生碱度，因而能有效保持反应 器中性；在连续运行的污水处理厂，同步硝化反硝化则具有节省缺氧池的费 用，或减少其体积的潜力；同时同步硝化反硝化不需要加导流板去形成缺氧或 厌氧段，不需要单独设置缺氧及缺氧段装置，不需要内循环。 近年来，国内外有不少试验和报道了在各种不同的生物处理系统中，如： 氧化沟、s b r ，c a s t ，生物转盘等工艺中均存在着同步硝化反硝化现象，而最为 广泛的污水处理工艺则是在氧化沟工艺中。同步硝化反硝化在节省资金、能源 等方面的优势将会成为脱氮工艺中的热点，提供了今后降低投资并简化生物除 氮技术的可能性，为废水生物脱氮技术开拓了一个新思路。 2 2 氧化沟工艺与0 r b al 氧化沟工艺简介 2 2 1 氧化沟工艺简介 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ，o d ) 又称循环反应器，是2 0 世纪5 0 年代由 荷兰卫生工艺所开发出来的。其基本原理是将曝气、沉淀、污泥稳定等处理过 程集中在一个环形的封闭式沟渠内。氧化沟工艺一般使用表面曝气设备，这种 设备是一种方向控制的曝气和搅动装置，一方面向反应池混合液中充氧，另一 方面向反应池中的混合液传递水平速度，使混合液在沟内不停的作循环流动。 氧化沟污水处理技术，不仅适用于城市污水处理，也可