（环境工程专业论文）低溶解氧下好氧颗粒污泥的培养及其同步脱氮除磷特性的研究.pdf

摘要 氮、磷是引起水体富营养化的主要污染因子，而传统脱氮除磷工艺普遍存在工艺流 程较长，占地面积大，基建投资高等缺点。因此探索经济、高效、节能的生物脱氮除磷 新技术是当今污水处理领域的一个研究热点。与普通活性污泥法相比，好氧颗粒污泥不 仅具有生物活性高、沉降性能好、微生物浓度高、耐冲击负荷强等独特优点，而且还能 实现同步脱氮除磷。 本试验采用s b r 反应器来培养富含聚磷菌的好氧颗粒污泥，并通过诱导，使好氧 颗粒污泥具有同步脱氮除磷的能力。论文主要研究了在低溶解氧条件下有机负荷、剪切 力对好氧颗粒污泥培养的影响，成熟好氧颗粒污泥的除磷特性，好氧颗粒污泥的诱导脱 氮过程及脱氮除磷的机理。主要结果如下： ( 1 ) 在s b r 反应器内，以乙酸钠为碳源，普通絮状活性污泥为接种污泥，以有机 负荷为主要控制参数，经过厌氧好氧交替运行，在低溶解氧、较长沉淀时间( 3 0 m i n ) 的条件下成功地培养出了成熟的好氧颗粒污泥。当有机负荷在0 4 8 2 0 9 8 6 k g c o d ( m 3 d ) 时，污泥不能完全颗粒化；当有机负荷提高到2 2 1 8 2 2 6 3 k g c o d ( m 3 d ) 时，刚开始，污泥迅速颗粒化，而后形成的粒径较大的颗粒污泥出 现解体现象；当有机负荷降低到1 1 5 k g c o d ( m 3 d ) 左右，污泥完全颗粒化。 ( 2 ) 控制s b r 周期内好氧阶段前l h 内d o 浓度在0 5 1 5 m g m 之间，有机负荷为 1 1 5k g c o d ( m 3 - d ) 左右，沉降时间为5 m i n ，4 组不同的剪切力( 4 2 n m 2 、5 3 n m 2 、 6 5 n m 2 、7 7 n m 2 ) 的试验均培养出了成熟的好氧颗粒污泥。研究结果表明，在一定范 围内( 4 2 7 7 n m 2 ) ，剪切力越大，培养出的好氧颗粒污泥的结构越密实，形状越规则， 生物活性越强；当剪切力在4 2 - 6 5 n m 2 之间时，剪切力越大，污泥的颗粒化进程越快， 培养出的颗粒污泥的粒径越大；但过高的剪切力( 7 7 n 岔) ，污泥的颗粒化进程反而变 慢，培养出的颗粒污泥的粒径反而变小。 ( 3 ) c o d p 0 4 3 - p 与泥龄是生物除磷的重要影响因素。c o d , r p 0 4 3 - p 在一定范围内 ，( 1 5 3 5 ) ，c o d p 0 4 3 - p 的值越大，厌氧阶段磷的平均释放速率、磷的平均吸收速率、 磷的去除率也就越大；在进水c o d 浓度为3 5 0 m g l ，p 0 4 3 - p 浓度为1 0m g l 时，最佳 泥龄为1 5 d 。 ( 4 ) 以s b r 中成熟的富含聚磷菌的好氧颗粒污泥为研究对象，逐步增加进水中氨 氮的负荷，成功诱导出具有同步脱氮除磷能力的好氧颗粒污泥，该好氧颗粒污泥对氨氮、 总氮、p 0 4 3 - p 的去除率分别为9 9 7 、8 9 8 、9 4 5 。 ( 5 ) 好氧颗粒污泥的独特分层结构为硝化菌、反硝化菌、聚磷菌、反硝化聚磷菌 提供了不同的生存环境，为好氧颗粒污泥实现同步脱氮除磷提供了可能。 关键词：好氧颗粒污泥、低溶解氧、有机负荷、剪切力、脱氮除磷 a b s t r a c t n i t r o g e na n dp h o s p h o r o u sa r et h em a i np o l l u t a n t st h a tc a u s ee u t r o p h i c a t i o no fw a t e r b o d y h o w e v e r ，t r a d i t i o n a ln 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 se x i s ts o m ep r o b l e m s s u c ha sc o m p l e xs y s t e m , l a r g ef o o t p r i n t ，h i 曲i n v e s t m e n t ，a n de t c t h e r e f o r e ，t oe x p l o r et h e e c o n o m i c ，e f f i c i e n ta n de n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g yo fb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a li sam a i nf o c u si nt h ef i e l do fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt o d a y c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g en o to n l yh a ss o m eu n i q u e a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 曲b i o l o g i c a la c t i v i t y , g o o ds e t t l i n gp e r f o r m a n c ea n ds t r o n gr e s i s t a n c e c a p a c i t y , b u ta l s oc a n a c h i e v es i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ， i nt h ee x p e r i m e n t , as e q u e n c i n gb a t c hr e a t o r ( s b r ) w a sa d o p t e dt oc u l t i v a t ea e r o b i c g r a n u l a rs l u d g er i c hi np h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( p a o s ) a n dt h r o u g hi n d u c i n g ， s i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lc o u l db ea c h i e v e di na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e e f f e c t so fo r g a n i cl o a da n ds h e a rs t r e s so na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ec u l t i v a t i o nu n d e rt h e c o n d i t i o no fl o wd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ，p h o s p h o r u sr e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c so fm a t u r e a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，i n d u c i n gn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sa n d n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lm e c h a n i s mo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew e r em a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a j o r r e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s o d i u ma c e t a t ew a su s e da st h ec a r b o ns o u r c e ，o r d i n a r yf l o c c u sa c t i v a t e ds l u d g ew a s u s e da st h ei n o c u l a t i o ns l u d g ea n do r g a n i cl o a dw a su s e da sc o n t r o lp a r a m e t e r a no p e r a t i n g m o d et h a ti n c o r p o r a t e da n a e r o b i c a e r o b i cp o r t i o n sw a su t i l i z e d i ns b i lm a t u r ea e r o b i c g r a n u l a rs l u d g ew a ss u c c e s s f u l l yc u l t i v a t e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fl o wd oa n dt h es e t t l i n g t i m eo f3 0m i n u t e s w h e no r g a n i cl o a dw a s0 4 8 2 - - - 0 9 8 6 k g c o d ( m 3 d ) ，s l u d g eg r a n u l a t i o n c o u l dn o tb ea c h i e v e dc o m p l e t e l y w h e n o r g a n i c l o a dw a si n c r e a s e dt o2 2 18 2 2 6 3 k g c o d ( m 3 d ) ，t l l es l u d g eg r a n u l a t i o nw a so b t a i n e dr a p i d l ya tt h eb e g i n n i n g ，t h e nt h e l a r g e - s i z eg r a n u l a rs l u d g eb r o k eu p ；w h e no r g a n i cl o a dw a sd e c r e a s e dt o1 15 k g c o d ( m 3 d ) a r o u n d ，s l u d g eg r a n u l a t i o nw a sa c h i e v e dc o m p l e t e l y ( 2 ) d od u r i n gt h ea e r o b i cp e r i o d ，o r g a n i cl o a da n dt h es e t t l i n gt i m ew e r ek e p ta s0 5 1 5 m g l ，1 15k g c o d ( m 3 d ) a n d5m i n u t e sr e s p e c t i v e l y m a t u r ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a s c u l t i v a t e ds u c c e s s f u l l yi nd i f f e r e n ts h e a rs t r e s s ( 4 2n m 2 、5 3n m 2 、6 5n m 2 、7 7n m 2 ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t h i nt h er a n g eo f4 2 7 7 n 砰，t h el a r g e rt h es h e a rs t r e s sw a s ，t h e d e n s e rt h es t r u c t u r eo fc u l t i v a t e da e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew a s ，m o r er e g u l a rt h es h a p ew a s a n dt h es t r o n g e rt h eb i o l o g i c a la c t i v i t yw a s w h e ns h e a rs t r e s si sb e t w e e n4 2a n d6 5 n m 2 ， t h el a r g e rt h es h e a rs t r e s sw a s ，t h ef a s t e rt h es l u d g eg r a n u l a t i o np r o c e s sw a sa n dt h el a r g e rt h e c u l t i v a t e dg r a n u l a rs l u d g es i z ew a s h o w e v e r , e x c e s s i v es h e a rf o r c e ( 7 7 n m 2 ) w o u l ds l o w d o w nt h ep r o c e s so fs l u d g eg r a n u l a t i o na n dt h es i z eo fc u l t i v a t e ds l u d g ep a r t i c l e sw o u l d b e c o m es m a l l e ri n s t e a d ( 3 ) c o d p 0 4 3 - - pa n ds l u d g ea g ea r ei m p o r t a n tf a c t o r so fb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l w i t h i nt h er a n g eo f15 3 5 ，t h el a r g e rc o d p 0 4 3 - pw a s ，t h eh i g h e rt h ea v e r a g er a t eo f r e l e a s e i n gp h o s p h o r u si na n a e r o b i cp e r i o d ，t h ea v e r a g er a t eo fa b s o r b i n gp h o s p h o r u sa n dt h e p h o s p h o r u sr e m o v a lr a t ew o u l db e w h e nt h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o da n dp 0 4 3 p w e r e3 5 0m g la n d10 m g lr e s p e c t i v e l y , t h eb e s ts l u d g ea g ew a s15 d ( 4 ) r e g a r d i n gm a t u r ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g er i c hi np a o si ns b r a st h es t u d ys u b j e c t ， a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew h i c hh a ds i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lc a p a c i t y w a si n d u c e ds u c c e s s f u l l yb yi n c r e a s i n ga m m o n i an i t r o g e nl o a do ft h ei n f l u e n tg r a d u a l l y t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ea e r o b i cg r a n u l a rs l u d g eo nn h 4 + - n ，t na n dp 0 4 3 - - pw e r e9 9 7 ， 8 9 8 a n d9 4 5 r e s p e c t i v e l y ( 5 ) u n i q u eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ep r o v i d e dd i f f e r e n tl i v i n g e n v i r o n m e n tf o rn i t r i f y i n gb a c t e r i a ，d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，p a o sa n dd e n i t f i f y i n gp a o sa n d m a d ei tp o s s i b l ef o ra e r o b i cg r a n u l a rs l u d g et or e a l i z es i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a l k e yw o r d s ：a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；l o wd i s s o l v e do x y g e n ；o r g a n i cl o a d ；s h e a rs t r e s s ； 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 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 我国水环境的现状及其污染情况 目前，我国年均水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，居世界第6 位，但由于人1 2 1 众多，地 域辽阔，人均水量仅为2 4 0 0m 3 ，仅相当于世界人均的2 5 ，低于人均3 0 0 0 m 3 的轻度 缺水标准，是世界上缺水的国家之一，且我国水资源在时空上分布不均。目前，我国有 4 0 0 多个城市缺水，其中有1 0 0 多个城市严重缺水。正常年份城市缺水6 0 亿1 3 ，日缺 水量达1 6 0 0 万l n 3 ，地下水多年超采，储量不足。预计2 0 1 0 年后，我国将进入严重缺 水期。 作为世界上第一人口大国和最大的发展中国家，我们在水资源使用和管理上，面临 着水资源短缺与水浪费并存、洪涝灾害与生态失衡并存、水环境污染与水管理不善并存 的突出矛盾。我国七大江河水系普遍受到不同程度的污染，其中尤其以海河和辽河流域 污染为重。据有关资料显示：2 0 0 2 年，七大水系7 4 1 个重点监测断面中，2 9 1 的断面 满足i 一类水质要求，3 0 的断面属、v 类水质，4 0 9 的断面属劣v 类水质。2 0 0 2 年，全国工业和城镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿m 3 ，比上年增加1 5 ，其中工业废 水排放量2 0 7 2 亿m 3 ，比上年增加2 ，3 ，城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿m 3 ，比上年增 加0 9 。由于8 0 以上的污水未经处理就直接排入水域，已造成9 0 以上的城市水域 严重污染，近5 0 的重点城镇水源不符合饮用水标准，就连城市地下水都有5 0 受到 严重污染。水中有毒有害的有机物问题已经越来越突出，如致癌物的水污染问题，一些 城市饮用水中已有2 0 多种致癌物。水资源不合理的开发利用，尤其是水污染的不断加 重，引起了普遍缺水和严重的生态后果。 1 2 水体中氮、磷的来源及危害 近年来，随着社会经济的发展，污水的排放总量不断增加，废水中氮、磷营养物质 对环境所造成的危害日益严重。氮、磷对水体环境最为突出的影响是其排放造成水体的 富营养化。 1 2 1 水体中氮、磷的来源 造成水体氮、磷污染的来源是多方面的，其中人类活动造成的氮、磷来源主要有以 下几个方面【1 】： 1 第一章绪论 ( 1 ) 未经处理的工业和生活污水直接排入水体。这类污水中氮、磷的含量比较高， 如进入江、湖和海洋，造成藻类过度生长的危害极大。 ( 2 ) 污水处理厂出水排入水体。采用常规处理工艺的污水处理厂( 包括生活污水 和工业废水) ，其排放水都含有相当数量的氮、磷和硫。 ( 3 ) 面源性的农业污染物。农田肥料和农药，通过雨水冲淋、农业排水和地表径 流带入河道和水体。人工合成的化肥和农药是水体中氮、磷营养的主要来源。此外畜禽 养殖业废料和水中野生动物的排泄物，氮、磷含量相当高，也会大量进入水体。 1 2 2 氮、磷污染的危害 过量的植物性营养元素氮、磷排入水体会加速水体的富营养化过程。在光照和其它 环境条件适宜的情况下，水中所含的这些营养物质足以使水体中的藻类过量生长，在随 后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造 成水体质量恶化和水生态环境结构破坏，这就造成了所谓的水体富营养化现象。 富营养化的危害很大，影响深远。下面简述由氮、磷引起的富营养化对水体功能和 水质的影响及危害【2 l 。 ( 1 ) 使水的透明度降低 处于富营养化的水体，由于其中含有大量的氮、磷等物质，引起了以蓝藻、绿藻为 主的水藻的生长。这些水藻浮在水体的表面，形成了一层绿色浮渣，使水的透明度大大 下降。 ( 2 ) 使水味变得腥臭难闻。 在富营养化的水体中，由于以蓝藻为主的藻类的过度繁殖，使饮用水产生霉味和臭 味。尤其在春末、夏季和秋天气温较高的时期，水藻大量繁殖，死亡后的藻类被分解产 生难闻的腥臭味，大大降低了水的质量。 ( 3 ) 消耗水体中的溶解氧 在富营养化水体的表层，藻类可以获得充足的阳光进行光合作用，释放出氧气，因 此，表层水体有充足的溶解氧。在富营养化水体的深层，由于水的透明度比较低，深层 的藻类很难得到阳光而进行光合作用，因此溶解氧的来源随之比较少。另外，由于藻类 的大量死亡，也会消耗掉深层水体中大量的溶解氧。 ( 4 ) 影响供水水质并增加制水成本 采用富营养化的水体作为水源时，会给自来水厂带来了很大的麻烦。藻类的过度繁 2 长安大学硕士学位论文 殖，会给自来水的过滤过程带来障碍。其次，富营养化水体在一定条件下由于厌氧作用 而产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体，这给自来水厂增加了水处理的难度，从而 增加了制水的成本。 ( 5 ) 对水生生态的影响， 水体一旦受到污染而呈现富营养化，水体的生态平衡就会受到影响，生物的种类减 少，某种生物的数量会急剧上升，从而导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏了生 态平衡。 ( 6 ) 对渔业的影响 很多种类的藻类含有胶质膜或有毒，不适合做鱼类的饵料。水体一旦富营养化，水 中的溶解氧急剧变化，影响鱼卵的孵化和鱼类的生存，从而严重影响渔业生产。 1 3 传统的生物除磷脱氮理论 1 3 1 传统生物除磷理论 1 3 1 1 生物除磷原理【3 】 厌氧段 好氧段 有钞z 无机哎曼兰夕机磷 聚磷茵-聚磷茵 l 溶解飞 h bp 嵇机物 lj 白i 图1 1 聚磷菌的作用机理 废水生物除磷机理包括生物同化作用除磷和强化生物除磷，而后者在除磷的过程中 起着关键的作用。聚磷菌的作用机理见图1 1 。在厌氧段，兼性细菌通过发酵作用，将 污水中溶解b o d 转化成低分子发酵产物挥发性脂肪酸( v f a ) 。在没有溶解氧或氧化态 ( n o x - ) 的厌氧条件下，聚磷菌分解细胞内的聚磷酸盐同时产生a t p ，并利用a t p 将 污水中的低分子发酵产物等有机物摄入细胞，以聚p 羟基丁酸盐( p h b ) 、聚p 羟基戊 酸盐( p h v ) 及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内，所需要的能量来源于聚磷酸盐的 3 第一章绪论 水解及细胞内糖的酵解，同时还将聚磷酸盐所产生的磷酸排出胞外；这时细胞内还会诱 导产生相当量的聚磷酸盐激酶。聚磷酸盐分解后的无机磷酸盐释放至聚磷菌体外，此即 观察到的聚磷细菌厌氧放磷现象。在好氧段，聚磷菌又可利用聚b 羟基丁酸盐( p h b ) 氧化分解所释放的能量来摄取污水中的磷，并把所摄取的磷合成聚磷酸盐贮存细胞内。 一般说来，微生物的增殖过程中，在好氧环境下所摄取的磷多于厌氧环境中所释放的磷。 污水生物除磷的本质是通过聚磷菌过量摄取污水中的磷酸盐，以不溶性的聚磷酸盐的形 式积累于细胞内，通过排放富含磷的废弃活性污泥来去除污水中的磷。 1 3 1 2 生物除磷的影响因素【禾5 】 ( 1 ) 温度 温度是生物除磷过程中的一个复杂影响因素。温度的升高或降低对除磷过程的影响 还未被人们非常清楚地认识。这是因为温度影响活性污泥工艺的各个层面。温度的变化 对下列情况有明显作用。 微生物的状态，如聚磷菌的活性； 污泥的种群，如在硝化和酸化过程中污泥中聚磷菌的含量； 可能存在的物理和化学过程，如化学沉淀。 温度的变化有时会促进生物除磷过程和提高生物处理效率，有时则相反。这些积极 和消极的因素所带来的影响是由生物除磷工艺的其他过程所决定的。例如，在一个负荷 非常低、任何情况下均能完全硝化的活性污泥工艺中温度降低对除磷效率的影响，要比 高负荷运行、不进行硝化反应的活性污泥工艺小得多。一般情况下，聚磷菌吸磷与释磷 速率均能随温度的升高而增大。随着温度的提高，硝化、反硝化以及酸化反应速率也增 大。通常情况下，生物除磷的温度的范围在5 3 0 。 ( 2 ) p h 值 生物除磷过程受p h 的影响比较明显，特别是在厌氧释磷阶段。p h 值将影响醋酸 盐进入细胞的过程。低p h 值还会导致释磷速率和醋酸盐的吸收速率的降低。这意味着， 在低p h 值的条件下每释放单位质量的磷酸盐就需要更多的醋酸盐。同时，由聚磷酸盐 分解多释放的能量不是用于将醋酸盐转化为多聚物如p h b 进行储存，而是将醋酸盐通 过细胞膜送入细菌体内。p h 值不仅对生物释磷和吸磷由明显的影响，而且还对活性污 泥的物理化学固磷作用有显著的影响。在高p h 值条件下( 7 5 ) ，一个或多个金属磷 酸盐化合物的溶解性产物将会增多，导致金属磷酸盐沉淀的生成。在无辅助化学除磷的 生物除磷工艺中，采用协同沉淀有助于总磷的去除，而去除量的多少取决于废水中的金 4 长安大学硕士学位论文 属离子浓度和p h 值。通常情况下，生物除磷的p h 值在6 5 8 0 范围内。 ( 3 ) 聚磷菌细胞能量态以及污水磷酸盐浓度 聚磷菌对聚磷酸盐的合成和降解受到其细胞能量态和胞外磷酸盐浓度的影响，且污 水中的磷酸盐浓度较低时会抑制聚磷菌的生长。在磷酸盐和胞内能量都丰富的状态下， 聚磷菌能把超量的磷酸盐转化为聚磷酸盐，这有助于聚磷菌在磷酸盐和能量匮乏或耗尽 的状态下存活。当磷酸盐匮乏时，储存的聚磷酸盐水解，正磷酸盐在跨膜质子梯度的作 用下被释放，补充污水中的磷酸盐；当细胞的能量态下降胞内能量不足时，可以从a t p 获得或经由聚磷酸盐水解进行补充。 ( 4 ) 亚硝酸盐和硝酸盐浓度 亚硝酸盐浓度高低对活性污泥法除磷过程中缺氧吸磷有一定的影响。m e i n h o l d 等 人的试验表明：在亚硝酸盐浓度较低的情况下( n 0 2 含量大约4 - 5 m g l ) ，对缺氧吸磷 过程无危害；但当亚硝酸盐的浓度高于8 m g l 时，缺氧释磷完全被抑制，好氧吸磷也 产生严重抑制。 由于聚磷茵中的气单胞菌属具有将复杂高分子有机底物转化为挥发性脂肪酸的能 力，所以在除磷的过程中存在着气单胞菌发酵产酸聚磷之间的连锁关系。而其中气单胞 茵是否充分发挥其以发酵中间产物为电子受体而进行的发酵产酸能力，是决定其他聚磷 菌能否正常其功能的重要元素。但是气单胞菌能否充分发挥这种发酵产酸的能力，取决 于废水的水质情况。实际表明，气单胞菌也是一种能利用硝酸盐作为最终电子受体的兼 性反硝化菌，而且只要存在n 0 3 。，其对有机基质的发酵产酸的作用就会受到抑制，从 而也就抑制了聚磷菌的释放和摄磷能力及p h b 合成能力，结果导致系统的除磷效果下 降甚至被破坏。为了保证厌氧段的高效释磷能力，一般应将n 0 3 浓度控制在0 2 m g l 以下。 ( 5 ) 污泥龄对生物除磷的影响 影响生物除磷效果的因素之一是活性污泥中聚磷菌的含量及其对磷的吸收能力，污 泥龄的长短对污泥摄磷作用及剩余污泥的排放有直接的影响。泥龄越长，污泥的含磷量 越低，去除单位质量的磷需消耗的b o d 较多。例如，当污泥龄为8 1 0 d 时活性污泥中 最大磷的含量为其干污泥量的4 ，为异养菌体质量的1 1 ，但当污泥龄超过1 5 d 时污 泥中最大含磷量明显下降，反而达不到最大的除磷效果。因此，一味延长污泥龄( 例如 2 0 d 、2 5 d 、3 0 d ) 是没有必要的，宜在8 1 5 d 范围内选用。此外，由于有机质的不足会 导致污泥中磷“自溶”，降低除磷的效果。泥龄越短，污泥含磷量越高，污泥的产磷量 5 第一章绪论 也越高。还有，泥龄短有利于控制硝化作用的发生和厌氧段充分释磷。因此，一般采用 较短的泥龄，为3 5 - 7 d 。但泥龄的具体确定应考虑整个处理系统出水中b o d 或c o d 要求。与活性污泥除磷法相比较，基质传递效果对生物膜除磷法的影响更加显著。因此， 要促进生物膜法除磷效果，需要对生物膜载体进行必要的反冲洗，使生物膜比较薄。 ( 6 ) 厌氧停留时间对生物除磷的影响 污水在厌氧段的水力停留时间一般在1 5 - 2 o h 的范围内。停留时间太短，一是不 能保证磷的释放，二是污泥中的兼性酸化茵不能充分地将污水中的大分子有机物分解成 低级脂肪酸，以供聚磷菌摄取，从而也影响磷的释放。停留时间太长，不但没有必要， 还可能产生一些负作用。污水在好氧段的停留时间一般在4 6 h ，这样即可保证磷的充 分吸收。 1 3 2 传统生物脱氮理论 污水生物处理中氮的转化包括氨化、硝化、反硝化、同化。分别简述如下【3 】： ( 1 ) 氨化作用：溶解性的有机氮化合物经微生物降解释放出氨的过程称为氨化。 污水中的有机氮化合物主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。氨基酸是羧酸分子中羟基上 的氢原子被氨基取代后的生成物，蛋白质是氨基酸通过肽键结合的高分子化合物。蛋白 质的氨化过程首先是在微生物产生的蛋白酶作用下进行水解，生成多肽和二肽，然后由 肽酶进一步水解为氨基酸。蛋白质的水解可以在细胞内进行，也可以在细胞外进行。蛋 白质的水解过程可用下式说明： 蛋白质兰堕垦多肽( 二肽旦氨基酸 脱氨基作用，即从氨基酸分子上去除圳2 原子团。氨基酸的脱氨基的方式很多， 在脱氨基的酶作用下可以通过氧化脱氨基、水解脱氨基、还原脱氨基作用，生成相应 的有机酸，并释放出氨： r - - - t h c 。h 1 2 0 2 r o c o o h + n h 3 i 卜c h o h c o o h + n h 3 l - r - h 2 c o o h + n h 3 还原脱氨基 氨基酸脱氨基后可以进入三羧酸循环，参与各种合成代谢和分解代谢。由此说明， 6 长安大学硕士学位论文 污水中的蛋白质和氨基酸在生物稳定化处理过程中通过氨化作用转化为氨氮。氨化过程 在一般的厌氧或好氧环境中能实现。 ( 2 ) 硝化作用：氨氮在有氧的条件下被微生物氧化为亚硝酸盐并进一步被氧化为 硝酸盐，这一过程称为生物硝化过程。硝化过程分两个阶段进行：首先在亚硝化菌的作 用下，氨氮转化为亚硝态氮，反应式如下： 2 n t - 1 4 + + 3 0 2 垩壁竺堕- 2 n 0 2 - + 2 h 2 0 + 4 h + 继之，亚硝酸盐在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝态氮，其反应式为： 2 n 0 2 加2壁墼堕2 n o ， ( 3 ) 反硝化作用 、 反硝化反应是将硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的生化反应。反硝化茵是属于异养型 兼性厌氧菌。从微生物学的角度看，反硝化作用是反硝化菌的厌氧呼吸过程，硝酸盐 是电子受体，氮气是代谢产物，要完成这一过程，还必须提供电子供体( 通常为有机 物) 。反硝化过程如下式所示： 2 n o ，壁璧兰堑垦鳖2 n 0 2 垩堕墼苎垄堕2 n o 型旦堑垦堕- n ：o 竖! 旦堑垦鸳n ：! 在整个过程中，不能释放出更多的a t p ，相应合成的细胞物质也较少。在反硝化反 应过程中，硝态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， 最终形成有机氮化合物，成为菌体的组成部分；另一为异化反硝化，最终产物是n 2 。 ( 4 ) 同化作用 同化作用是在生物处理过程中，污水中的一部分氮( 氨氮和有机氮) 被同化成微 生物细胞的组成部分。按细胞的干重计算，微生物细胞中氮的含量约为1 2 5 。虽然 微生物的内源呼吸和溶菌作用会使一部分细胞中的氮又以有机氮和氨氮的形式回到污 水中，但仍存在于微生物细胞及内源呼吸残留物中的氮可以在二次沉淀池中以废弃活 性污泥的形式得以从污水中去除。 1 3 3 生物除磷脱氮系统存在的矛盾和竞争 在生物脱氮除磷过程中，脱氮和除磷的效果始终不能同时达到最佳，即脱氮效果好 除磷效果差，而除磷效果好时脱氮效果不佳【锚】，这种现象不仅表明生物除磷脱氮工艺 尚有不足的地方，而且也说明生物除磷脱氮过程存在难以协调的矛盾和竞争，这些矛盾 7 第一章绪论 和竞争主要表现在： ( 1 ) 微生物相互独立 在废水生物处理过程中，对氮、磷的去除起作用的细菌主要有硝化菌、反硝化菌、 聚磷菌、反硝化聚磷菌等。由于这些细菌的种类不同，它们对污水各基质的浓度、环境 条件等要求也不相同。所以在生物脱氮除磷过程中，存在着不可调和的矛盾和竞争。 ( 2 ) 污泥龄的彼此矛盾 污泥龄的矛盾主要体现在两个方面： r e n s i n k 等人例认为聚磷菌世代周期较短，而硝化菌世代周期较长。要提高生物 的聚磷能力，必须缩短污泥龄，过短的污泥龄会影响硝化作用。因此，在生物脱氮除磷 过程中，要使脱氮除磷同时达到最好存在不可协调的矛盾。 s r i n z t h t l 0 1 和f i n s t e i n t l l l 认为除磷速率和污泥浓度有关，当污泥浓度较高时，生物 系统的除磷效率会更高。而在生物的除磷过程中，要维持较高的除磷率，必须要有较大 的排泥量。当系统有较大的排泥量时，污泥浓度会较低，反过来会影响磷的去除效率。 因此在生物除磷的过程中，存在着维持较高排泥量和维持较高的污泥浓度的不可调和的 矛盾。 ( 3 ) 对碳源有机物的竞争 在生物除磷脱氮过程中，碳源有机物主要用于厌氧释磷、缺氧反硝化和异养微生物 的正常生产代谢，碳源有机物的性质直接影响厌氧释磷和缺氧反硝化效果。碳源不足引 发的竞争往往使聚磷菌处于劣势【1 2 】。 1 3 4s b r 工艺 此工艺是由美国i r v i n e 在2 0 世纪7 0 年代开发的，它是一个间歇式的活性污泥系统。 s b r 工艺的曝气池，在流态上属于完全混合，在有机物降解上，却是时间上的推流， 有机物是随着时间的推移而被降解的。s b r 工艺的基本操作流程是由进水，反应，沉 淀，出水和闲置的五个基本过程组成，从污水流入到闲置结束构成一个周期，在每个周 期上述过程都是在一个设有曝气或搅拌装置的反应器内依次进行的。另外，它提供了一 种时间程序的污水处理方法，而不是连续流的空间程序的污水处理。为了达到脱氮除磷 的效果，可以控制反应阶段的运行条件，将反应阶段分为厌氧搅拌、好氧搅拌、缺氧阶 段。 与连续流活性污泥法相比，s b r 法有以下优势： 8 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 工艺简单，设备少，占地省，投资小，构筑物少，一般只设反应池，无需二 沉池和污泥回流设备。 ( 2 ) s b r 在静止阶段属于静止沉淀，出水带走的活性污泥少，出水质量高。 ( 3 ) s b r 运行方式灵活控制，具有较强的脱氮除磷能力。 ( 4 ) s b r 好氧过程相当于反应器内有机物浓度的降低，是按时间变化的理想推流 过程，即生化反应推动力大，因而它能提高生化反应速率。此外，它利用时间上的推流 代替空间上的推流，易于实现自动控制。 ( 5 ) s b r 法可以有效防止污泥膨胀。由于s b r 具有理想推流式特点，反应期间反 应底物浓度大、缺氧与好氧状态交替变化以及泥龄较短，都是抑制丝状菌的因素。 ( 6 ) s b r 虽然在运行稳定上不如连续流容易控制，但是s b r 利用高的循环率有效 稀释进液中高浓度的难降解的或对微生物有抑制作用的有机化合物，因而具有较高的耐 冲击负荷的能力。 ( 7 ) 由于s b r 法本身具有的间歇运行特点，很适合处理流量变化大甚至问歇排放 ! 的工业废水。大量资料显示，小型企业废水量少，不宜采用连续流生物处理工艺，多采 用s b r 工艺，既可以节省基建费用，又可以灵活运行。 u 圊寓国图 进水厌氧搅拌好氧搅拌缺氧搅拌沉淀 图1 8s b r 脱氮除磷工艺图 1 4 好氧颗粒污泥技术 1 4 1 概述 颗粒污泥是指生物处理系统中微生物在适当的条件下，相互聚集形成一种密度较 大、体积较大、体质条件较好的微生物聚集体。微生物自身具有凝聚或附着于固体表面 的特性，只要条件适当，这种现象便会发生。按照电子受体的不同，颗粒污泥可分为好 氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥两类。污泥颗粒化现象最早在上向流厌氧污泥床反应器中发 现，即厌氧菌在相互凝聚形成沉降性能和活性都十分好的颗粒污泥。m i s h i m a t l 3 1 首先在 9 第一章绪论 上向流好氧反应器中发现具有良好沉降性能、粒径在2 - 8 m m 之间的好氧颗粒污泥。随 后许多研究者借鉴传统的厌氧颗粒污泥培养的经验，利用s b r 反应器中独特的厌氧一 好氧交替出现和气液两相均成升流运动的特征，培养出了好氧颗粒污泥，并将好氧颗粒 污泥化技术用于处理高浓度有机废水、有毒废水和城市污水脱氮除磷处理。 好氧颗粒污泥属于微生物的自固定化技术的范畴，过程牵涉细胞与细胞的相互作 用。每个颗粒污泥是由数以百万计的不同种细菌形成的微生物的聚合群落。同传统的絮 状活性污泥污泥相比，好氧颗粒污泥具有规则的外形，密实结构和优良的沉淀性。利用 它们能实现反应器中较高的污泥浓度，从而减小反应器的容积，提高耐冲击负荷能力。 好氧颗粒污泥是高活性微生态系统，它的存在使反应器有较高的生物浓度，对于提高活 性污泥反应器的处理能力，改善出水水质，实现同时脱氮除磷，确保生化过程高效稳定 进行均有重大意义。 1 4 2 好氧颗粒污泥的基本特征 好氧颗粒污泥的颜色一般呈橙黄色，形状比较规则，一般呈球状或椭球状。成熟的 好氧颗粒污泥有光滑的表面，边界清晰，粒径一般在0 2 - 5 m m ；好氧颗粒污泥的沉降 性能良好，其s v i 值在1 2 7 - - 一6 4 6 m l g 之间，而普通的絮状活性污泥的s v i 值1 0 0 1 5 0 m l g ；好氧颗粒污泥的比重一般在1 0 0 4 - 1 0 0 8 左右，含水率9 7 - 9 8 ，低于普 通活性污泥( 含水率9 9 以上) 。 1 4 3 好氧颗粒污泥的研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 第一阶段( 1 9 9 1 1 9 9 8 ) ：1 9 9 1 年，m i s h i m a 等在连续流好氧上流式污泥床反应器 ( a e r o b i cu p f l o ws l u d g eb l a n k e t ，a u s b ) 培养出好氧颗粒污泥。从这一成果开始，人们 开始探索好氧颗粒污泥的培养方法。在这一阶段，人们主要研究好氧颗粒污泥的形成条 件。 第二阶段( 1 9 9 9 2 0 0 0 ) ：1 9 9 9 年，b e t m 掣1 4 1 研究在s b r 反应器中不同操作条件对 好氧颗粒污泥形成的影响，提出了好氧颗粒污泥形成的两个重要条件，它们分别为较短 的水力停留时间和较大的水力剪切力。在这一阶段，人们倾向于好氧颗粒污泥的形成条 件和影响因素的研究。 第三阶段( 2 0 0 1 2 0 0 4 ) ：2 0 0 1 年，t a y 等【1 5 1 提出了好氧颗粒污泥中细胞多糖的产生、 比耗氧速率、细胞表面疏水性、比重等与水流剪切力呈正相关，并且只有在反应器中的 1 0 长安大学硕士学位论文 表观气速大于1 2 c m s 的条件下，才能形成a g s 。在这一阶段，人们对好氧颗粒污泥的 形成机理、形成条件和影响条件进行了深研究，并对好氧颗粒污泥的内部结构和表面特 征进行了分析。 第四阶段( 2 0 0 5 ) ：2 0 0 5 年，s c h w a r z e n b e c k 等将培养出来的好氧颗粒污泥应 用乳制品的废水处理。在这一阶段，人们主要是将好氧颗粒污泥应用于实际废水处理。 ( 2 ) 国内研究现状 第一阶段( 1 9 9 5 2 0 0 0 ) ：1 9 9 9 年，竺建荣等【1 7 】在厌氧一好氧交替工艺中培养出了 好氧颗粒污泥，好氧颗粒污泥的粒径在0 5 - - - - 1 5 m m 之间，含水率在9 7 - - 9 8 之间， 比重为1 0 0 7t m 3 ，对c o d 、t p 的去除率均达到9 0 以上。在这一阶段，国内学者主 要对颗粒污泥的培养和特性的研究。 第二阶段( 2 0 0 1 2 0 0 4 年) ：2 0 0 3 年，杨麒等以s