（环境工程专业论文）双泥折流板反应器反硝化除磷的试验研究.pdf

摘要从生物除磷的角度分析，以分子氧作为电子受体，或者以n 0 3 埘为电子受体均可以诱导磷的过量吸收，但由于缺氧吸磷过程将反硝化和除磷融为一体，从能耗角度认为缺氧吸磷是一种节约能源的新陈代谢模式。目前国内外大量的文献资料表明对双泥反硝化除磷工艺的研究均停留在分建式的间歇反应中，一体化的处理工艺鲜见。折流板反应器的水力流态具有单个隔室接近完全混合，整体接近推流的特性，此外折流板反应器还具有结构简单、投资少、运行稳定、抗冲击负荷能力强、处理效率高等优点。因此本研究采用两套不同的双泥折流板反应器，并在各装置的好氧区选用不同填料弹性立体填料和悬浮填料( 不设后置曝气且选用弹性立体填料的反应器为1 # 反应器，设后置曝气且选用悬浮填料的反应器为2 # 反应器) ，进行反硝化除磷的运行效能的研究，主要研究结果如下：( 1 ) 双泥折流板反应器经过一定时间的培养驯化，控制运行条件，能获得较好的反硝化除磷效能，且系统运行稳定。( 2 ) 反应器启动挂膜期间，采用快速排泥法对两种填料的挂膜效果和影响因素进行了考察。进水有机物浓度、h r t 、填料特性等因素均对挂膜效果有重要影响。在充足溶解氧，室温1 8 。2 2 ，进水c o d c r 浓度1 2 0 m g l ，c n 为5 ，水力停留时间6 h 快速排泥法最优挂膜的条件下，悬浮填料效果优于弹性立体填料，氨氮去除率达到8 6 ，c o d c r 出水浓度低于7 0m g l 。( 3 ) 影响该工艺反硝化除磷首要因素是水质条件。试验得出c o d c r 厂r p 为5 0 、t n 1 p为9 、c o d c r 浓度为2 5 0m g l 左右为最佳水质条件，此条件下，系统可以得到较高的反硝化除磷效果。( 4 ) 影响该工艺反硝化除磷重要因素之二是系统的工艺运行参数。厌氧段h r t 过高或过低均影响系统的反硝化除磷效能，而短暂且低溶解氧的后曝气功能区也是提高提高系统反硝化除磷的关键。因此控制厌氧段m 汀为2 5 h 、后曝气功能区的d o 浓度为3m 以，系统可以提高反硝化除磷效能。( 5 ) 系统运行中的控制亦是双泥折流板反应器的重要影响因素。s r t 的长短对微生物种群具有选择性，m l s s 是系统保证长期稳定运行的关键，因此控制好s r t 和m l s s对该系统反硝化除磷的效果的提高至关重要。本试验条件下获得最佳s i 玎为1 6 d ，厌氧和缺氧区的m l s s 为4 5 0 0 m g l 左右。( 6 ) 本试验通过优化试验得出，进水c o d c ，浓度约为2 5 0m g l ，c o d c r t p 约为5 0 ，t n t p 约为9 ，厌氧段h r t 为2 5 h ，m l s s 均为4 5 0 0m g 九左右，s r t 为1 6 d 左右，错反应器的后曝气d o 浓度为3m g l 为工艺的最优试验工况。( 7 ) 同样工艺运行条件下，设后置曝气的反应器反硝化除磷效能优于不设后置曝气反应器。1 样反应器对t n 、t p 的去除率达到8 2 和7 6 ，出水的t n 浓度在1 0m g l 以下，t p 浓度在2 m g l 以下；钟反应器对t n 、t p 的去除率达到8 4 3 8 和8 4 1 3 ，出水t n 浓度在8 m g l ，出水t p 浓度在1 m g l 以下。为了提高工艺的运行效能，可在反应器的后续处理中适当设置短时的后曝气装置。( 8 ) 通过对系统反硝化除磷系统动力学的初探，结合最优工况下具有较好效能的试验数据得出适合于该工艺的动力学方程，并求解出在本研究条件下适合与该工艺的动力学参数。t p 去除动力学方面，厌氧释磷动力学公式为p 2 = p j + 肥田d d d o j 2 9 叙g f ；缺氧吸磷动力学公式为己2 i 东车蒜，可见磷的吸收与污泥浓度、水力停留时间、污泥回流比等因素直接相关。反硝化动力学方面，缺氧脱氮动力学公式为】：型墨墨：尘芸些，可见氮的去除与水力停留时间、污泥浓度、污泥回流比等因素均有关。关键词：反硝化除磷，折流板反应器，c o d c r t p ，t n 厂r p ，h r t s r ta b s t r a c tf r o mt h ea n g l eo fb i o l o g i c a lp h o s p o m sr e m o v a l ，p h o s p h o n l sb a c t e r i ac a nt a k e st h eo x y g e n o u sm o l e c u l ef - 0 rt h ee l e c o i l j ca c c e p c e ra f l dn 0 3 ni st o o kf o rt h ee l e c 仃0 1 1 i ca c c 印t e r h o w e v e r ，n i t r o g e nr e m o v a la i l dp h o s p o m sr e i i l 0 v a la r es ) ，l l c r e t i z e di nt h ea n o x i cp r o c e s so fp h o s p o r u sr e m o v a l ，a i l df r o mt 1 1 ea n g l eo fm a te n e r g yw h i c hi sc o n s u m e d ，p h o s p o m sr e m o v a li l la n o x i cc o n d i t i o ni sam e t a b o l i cm o d em a tc a nr e 仃i m c he n e r g ys o u r c e s s of 缸l a r g en u m b e r so fd a t eh o m ea i l da b r o a di n d i c a t e dt l l a tt h er e s e a r c ho nt h et w o - s l u d g ed e i l i t r i f y i n gp h o s p h o l l l sr e m o v a lp r o c e s sh a sb e e ni ns b ro fs u b 七u i l d i n g 吨y p e ，t h ei n t e g r a t ep r o c e s si su n c o m m o n h y d r a u l i cn o wp a t t e mi nb a m e dr e a c t o rh a sac h a r a c t e r i s t i c st h a ts i n g l ec o m p a n m e n ti sn e a l l yc o m p l e t e l y础x e d ，t h eo v e r a uc o m p a n m e m sa r en e 砌yp l u g m o w i na d d i t i o nt h a tb a f ! f l e dr e a c t o ra l s oh a sa d v a m a g e s t h a ts i m p l es t r u c t u r e ，l o wi n v e s t m e n t ，m i m i n gs t a b i l i t y s h o c kl o a dc a p a b i l i t y ，l l i g he f ! f i c i e n c y 骶a t m e n ta n ds oo n 髓e r e f o r et h i ss t u d yu s e dt w od i 腩r e n ts e t so ft w o - s l u d g eb a m e dr e a c t o r 锄dt h ea e r o b i cz o n eo ft h ed e v i c e sc h o o s ed i f f e r e n tf i l l e r an e x i b l ea i l ds t e r e o s c o p i cb i o _ c 枷e ra n ds u s p e n d e db i o c a r r i e r ( t l l er e a c t o ro fn ol a t t e ra e r d b i ct i m ea n dw i t l lf l e x i b l es t e r e o s c o p i cb i o - c 州e ri s1 # ，t l l er e a c t o r0 fi i l c r e a s i n gl a t t e ra e r o b i ct i m e 姐dw i t hs u s p e n d e db i o _ c 枷e ri s2 撑) t oo p e r a t ep e r f o 姗a n c es t u d i e s ，t h em a j o rs t u d yr e s u l t s 御ea sf o u o w s ：( 1 )a r e rac e r t a i np e r i o do fc u l t i v a t i o na n dd o m e s t i c a t e d ，c o n n o l i n go p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h et w o - s l u d g eb a m e da r ea b l et or e c e i v eb e t t e rp e r f o m a n c eo fd e n j t r i f y i n gp h o s p h o m sr e m o v a la n ds y s t e mm n ss 戗l b i l i t y ( 2 ) h lt h ep 鲥o do fs t a 】n i n gr e a c t o r t l l es t l l d yw i me x p r e s ss l u d g eo nm ee f i e c t i v e e n e s sa n di m p a c to fb i o f i l mf a c t o r sw a st e s t e d m n u e n to 曙a i l i cc o n c e n t r a t i o n h i u ：f i l l e rc h 撇c t e d s t i c s觚do t h e rf a c t o r sh a v et h ei m p o r t a n ti m p a c to nt t l ef i l l e rs t a r 吨p 1 1 1 eb e s tc o n d i t i o n sa r et h a td oi se n o u g h ，r o o mt e m p e r a t u r ei s18 。2 2 ，i n f l u e n tc o d c rc o n c e m r a t i o ni sl2 0 m g l ，c ni s5 ，h r ti s6 h ，s u s p e n d e db i o - c a r r i e ri sb e t t e rt h a nan e x i b l es t e r e o s c o p i cb i o - c a r r i e r n h 4 + nr e m o v a lr a t er e a c h e d8 6 ，c o d c re m u e n tc o n c e m a t i o ni sb e l o w7 0m g l ( 3 ) t h ef i r s tf a c t o rt 0m a k et h es y s t e mo fd e i l i t r i f y i n gp h o s p h o m sr e m o v a lo p r e r a t es t e a d i l yi sw a t e rq u a l i t yc o n d i t i o n s i ti sf o u n dm a tc o d c r 厂i pi s5 0 ，田、i 厂1 1 pi s9 ，i i l f l u e n tc o d c rc o n c e n t r a t i o ni s2 5 0m g li st h eb e s t u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，m es y s t e mc a i lb el l i g h e rd e i l i t r i f y i n gp h o s p h o m sr e m o v a l m( 4 ) t h es e c o n df a c t o rt om a k et h es y s t e mo fd e i l i t r i f y i n gp h o s p h o m sr e m o v a lo p r e r a t es t e a d i l yi ss y s t e mo p e r a t i i l gp a r a m e t e r s a n a e r o b i ch i to ft o om g ho rt o ol o wa f f 色c t sd e l l i t r i f 姐n gp h o s p h o n l sr e m o v a l ，a n ds h o r t _ t e 衄a n dl o wd 0i nm el a t t e rf u n c t i o ni sa l s ok e yt oi m p r o v et h ed 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 l t l l l e r e f o r ec o n t r o l i n ga i l a e r o b i ch r ti s2 5 h ，d oi n l a t t e rf u n c t i o ni s3 m g l ，t h es y s t e mc a ni m p r o v et h ep e r f b 肌a n c eo fd e i l i t r i f 舛n gd 印h o s p h a t a t i o n ( 5 ) c o n t r o l i n gi nt l l es y s t e mi sa l s ot h ei m p o r t a mi n n u e n c i n gf a c t o r s ，t i l el e n g t ho fs r ti ss e l e c t i v ef o ri i l i c r o b i a ls p e c i e s e ，m l s si sk e yt oe n s u r el o n g - t e 加s t a b l eo p e r a t i o n 。t h e r e f o r ec o n t r o l l i n ga p p r 0 皿a t es r ta n dm l s si se s s e n t i a lf o r i m p r o v i n gt h ee f ! i e c t i v e n e s so fd e i l i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l u n d e rt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，t oo b t a i nm eb e s ts i 玎i sl6 d ，t h em l s so fa n a e r o b i ca i l da n o x i cz o n e si s4 5 0 0 m g l ( 6 ) a c c o r d i n gt om eo p t i m i z i n ge x p e r i m e n t ，i n n u e n to d d c rc o n c e n t r a t i o nw a sa b o m2 5 0m g l ，c o d c r t pw a sa b o u t5 0 ，t n t pw a l sa b o u t9 ，a i l a e r o b i ch l 玎w a s2 5 h ，m l s sw a sa b o u t4 5 0 0m g l ，s r tw a sa b o u t1 6 d ，d oi n 甜w a s3m g lw e r et l l eb e s tc o n d i t i o n s ( 7 ) u n d e rt h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，d e n i t r i f 舛n gp h o s p h o m sr e m o v a lo fi n c r e a s i n gt 1 1 el a t t e ra e r o b i ct i m ei sb e t t e rt h a nm eo t i l e ro n e t n ，t pr e m o v a lr a t ei 1 11 舟r e a c h e d8 2 a i l d7 6 ，t l l ee m u e n tc o n c e 曲_ a t i o no ft na n dt pw e r eb e l o w1 0m gla n d2 m g l ；t n ，t pr e m o v a lr a t ei n2 舟r e a c h e d8 4 3 8 a n d8 4 1 3 ，t h ee m u e n tc o n c e n t r a t i o no ft na l l dt pw e r eb e l o w8m g la i l d1 m g l ；1 1 1o r d e rt oi n l p r o v et l l eo p e r a t i o np e r f o 肌a n c e ，t 1 1 er e a c t o rc a nb ei n c r e a s i i 培t h el a t t e ra e r o b i ct i m e ( 8 ) t h r o u 曲s e a r c h i n gm e 虹n e t i cm o d eo ft h es y s t e mo fd e i l i t r i f n gp h o s p h o m sr e m o v a l ，c o m b i l l i n gw i t ht e s td a t ao fo p t i m a lc o n d i t i o n si nt h ep r o c e s so fd y n a 商ce q u a t i o n s ，i tc a nb es o l v e dt h e1 ( i n e t i cm o d ea n dl ( i n e t i cp a r a m e t e r s i nt h i ss m d y i i lt pr e m o v a lb n e t i c s ，t h el 【i n e t i c so fa n a e r o b i cp h o s p h o m sr e l e a s ef o m u l aw a sp 2 = n + 尺乃以d d d d 2 9 舐o f ；硒n e t i c so fp h o s p h o r u sa b s o 印t i o nf o m u l aw a s：_ 1 要矣吴姜挈毛= i tc a nb es e e na b 。v et l l a ta 1 1 a e r o b i cp h 。s p h 。m sa b s 。叩t i 。n4l + r + o 0 0 1 0 8 酊1w a sr e l e v a n tw i t ht h es l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，h l u ：s l u d g er e n u xr a t i o ；i i lb n e t i ca s p e c t so fd e i l i 仃i f i c a t i o n 锄o x i cd e i l i t r i f i c a t i o nl ( i n e t i cf o n n u l aw a sn l =2 ( 1 + 尺一r ) 一o 0 0 1 5 8 丽l + 尺i ts h o w sm a tn i 衍o g e nr e m o v a lw a l sr e l e v a n tw i t hh l 之t ，s l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，s l u d g er e f l u xr a t i o k e yw o r d s ：d e i l i t r i f i c a t i o na n dp h o s p h 帆sr e 】叫d v a l ，b a m e dr c a c t o r c o d c r t p ，t n 厂r p ，h i 砚s r t独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，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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。本声明的法律结果由本人承担。蝴糍：哔吼宁月上日学位论文使用授权书苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定)论文作者签名指导教师签名日期：2 叩翌年6 月日日期：盟年三月上日苏州科技学院硕十学位论文第章绪论第一章绪论1 1 课题研究的背景1 1 1 水体中氮磷的来源氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中。有机氮有蛋白质、多肤、氨基酸和尿素等，它们来源于生活污水、农业废弃物( 植物秸杆、牲畜粪便等) 和某些工业废水( 如羊毛加工、制革、印染、食品加工等) 。水中的无机氮指氨氮、亚硝态氮和硝态氮( 这三种无机氮统称为氮化合物) 。有机氮和氨氮是水体中氮的主要存在形式，一般情况下硝态氮仅l 5 m g l 。城市污水中所存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐( 简称磷或总磷，用p 或t p 表示) 。根据物理特性，污水中的磷酸盐有溶解性和颗粒性两类；按化学特性则可分成正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐，分别简称为正磷、聚磷和有机磷。含氮磷物质进入水环境的来源和途径分两类：自然过程和人类活动。虽然自然过程，尤其是水体内部自身底泥等沉积物释放的氮磷对水体的二次污染作用巨大，但真正引起水体中氮磷含量过多的原因是人类的活动，即人类活动是水体中氮磷的主要外部来源。大多数情况下，氮主要通过面源进入水体，磷主要通过点源进入水体。常见的面污染源有：农业面源污染、城市雨水径流污染、气载污染物污染、水土流失、水产养殖等。常见的点污染源：城市污水与工业废水的直接排放、污水处理厂的尾水排放、生活垃圾场和工业废料场。对各主要污染源的分析如下：( 1 ) 农业面源污染农业面源污染主要是农业施肥经流失造成的，大量未被农作物利用的肥料绝大部分被农业排水和地表径流等途径带入地下水和地表水中，其中主要是化学肥料。人工合成的化肥和农药是水体中氮、磷元素的主要来源。( 2 ) 城市雨水径流污染城市雨水径流污染包括合流制排水系统中因暴雨期间污水溢流造成的污染，以及分流制排水系统中初期雨水径流冲刷地表污物造成的污染。雨水径流中污染物含量、形态与大气环境状况、当地人口密度、地区社会生产活动等因素有关。( 3 ) 气载污染物污染气载污染物主要来源于工业废气、烟尘以及机动车辆尾气等排放后通过降雨或降尘途径进入水体。因农业施肥造成的氨氮逸出也是气载污染物的一个重要来源。苏州科技学院硕十学位论文第一章绪论( 4 ) 水土流失水土流失使大量的氮、磷等营养物质进入水体。在污染水体的同时也会造成水体淤积，加快水体恶化。我国水土流失严重，仅黄土高原每年因水土流失损失的氮磷等养分达3 8 0 0 万吨。水土流失不可避免地迫使农业加大肥料用量，从而加大了农业面源污染。( 5 ) 水产养殖浅海和湖泊水库养鱼过程中残饵、鱼药、鱼类排泄物和化肥是水体中氮、磷污染的另一主要来源。水产养殖业的氮磷污染主要受养殖方法、养殖鱼种、养殖密度、饵料种类及投量不同而有所区别。目前对水体危害最严重的是网箱养鱼。( 6 ) 点源污染各种污水的未经处理直接排放或污水处理厂的尾水排放是主要的氮、磷点污染源。常规的污水二级处理对氮、磷等溶解性盐的去除率仅分别为2 0 - 5 0 。据报道，有的水体由于污水排入水体新成的氮磷浓度比n ，p 造成水体富营养化的临界浓度一般高出一个数量级以上【2 】【3 】【4 1 。( 7 ) 固体废物堆积场随着城市的发展和人民生活水平的提高，产生了大量的生活垃圾和工业废料。目前我国的城市垃圾仅基本做到清运出城进行简易处理，其中少量垃圾被填埋或焚烧，其余大量垃圾长期直接裸露堆放于城郊或水体附近，随着地表径流和雨水冲刷而污染水体或地下水，严重危及垃圾场四周人民群众的身体健康【5 】。1 1 2 氮磷污染与水体富营养化大量的氮化合物进入水体中将恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康，其主要危害为：( 1 ) 氨氮要消耗水体的溶解氧氨氮随污水排入水体后，可在硝化细菌作用下被氧化为硝酸盐，氧化每毫克的n h 4 + 水为n 0 3 _ n ，要消耗水体中的溶解氧4 6 m g 。这对水体质量的改善和保证，以及鱼类的生存是十分不利的。( 2 ) 氨氮会与氯作用生成氯胺，并被氧化为氮氨氮会与氯作用生成氛胺，而氯胺的消毒作用比自由氯小，这样就影响了氧的消毒效果。氛胺不仅气味难闻，而且是致癌物质。同时氛胺还会继续被氧化生成氮气，降低消毒效果。( 3 ) 氮化合物对人和生物有毒害作用鱼类对游离氨非常敏感，即使水中游离氨的浓度很低，也会影响鱼鳃中氧的传递，对大部分鱼类而言，水体中游离氨的致死浓度为l m g l 。硝酸盐和亚硝酸盐在人体中会转化为亚硝胺，这是一种致癌、致变和致畸物质，严重威胁人体健2苏州科技学院硕十学位论文第一章绪论康。在正常的健康人体中硝酸盐和亚硝酸盐能很快地被肠胃吸收，被吸收的亚硝酸盐能与人体中的血红蛋白起反应形成高铁变性血红蛋白。对于成年人，可以通过还原系统( 如辅酶i ( n a d h ) 一变性血红蛋白酶) 的作用消除毒害作用。但不满三个月的婴儿以及年幼动物的这种酶系统发育尚不完全。在这种情况下变性血红蛋白增加可导致一种特殊的临床症状一变性血红蛋白症。食物和婴儿肠胃中的微生物可使硝酸盐转化为亚硝酸盐，从而导致这个年龄组的问题更为突出。( 4 ) 加速水体的“富营养化”过程“富营养化”本是湖泊分类与演化方面的概念。湖泊学家认为天然富营养化是水体衰老的一种表现，其过程极为缓慢，常以地质年代计算。当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。富营养化现象是指富含磷酸盐和氮素的水，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被破坏。大多数水质富营养化实质上是水体生态系统受污染造成的。藻类所需要的无机营养与植物相同，需求量大的元素包括碳、氢、氧、氮、磷。c 0 2 是最主要的碳源( 来源广泛) ，氢和氧由水提供，氮源是氨氮和硝酸盐，磷源是溶解性磷酸盐类。藻类需要的微量元素有锰、硫、氯、铁、铜和其它许多金属元素，这类元素一般在水中都是大量存在的。以藻类分子n 、p 结构分析，一般为c l o o h 2 2 0 0 l l o n l 4 p ，其中n ：p = 1 4 ：1 ，因此藻类生长的限制因素是氮和磷，尤其是磷，其含量通常决定着藻类的生长量。由于水中氮的缺乏，可以由许多能固氮的微生物来补充，所以从藻类对氮、磷需要的关系看，磷的需要往往更为重要，藻类生产力受磷的限制更为明显。研究表明，每向水体中排放l g 磷会导致9 5 0 9 藻类( 干重) 的生长。目前国际上公认的水体发生富营养化的限制浓度是：t n o 2 m g l ，t p o 0 2 m g l 。目前许多城市和市郊的小湖己发展到富营养化及“超”富营养化状态。富营养化现象不仅出现在象湖泊这样水流缓慢的水体中，甚至在某些水浅的急流河段，河床砾石上也大量生长着藻类，出现了十分明显的富营养化现象。富营养化的危害极大，不仅在经济上造成损失，而且危害人类健康。富营养化的水体在很多用途方面都被认为是劣质水体。从以下几个方面简述富营养化对水体功能和水质的影响和危害。( 1 ) 使水体衰老，严重的使湖泊变成沼泽甚至湿地。( 2 ) 使水味变得腥臭难闻处于富营养化状态的水体会出现许多藻类的过度繁殖，导致水产生霉味和臭苏州科技学院硕十学何论文第一章绪论味。在春末和夏季、秋天温度较高的时期，水藻大量增殖，成团的藻类死亡分解腐烂，经过放线菌等微生物的分解作用，散发出更加浓烈的使人恶心的腥臭。( 3 ) 降低水体的透明度，蚊虫大量滋生在富营养化水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在水面，形成一层“绿色浮渣”，使水质变得浑浊、有毒，透明度明显降低。在春末和夏季、秋天温度较高的时期，水中的藻类为蚊虫的大量滋生提供了充足的养料。( 4 ) 消耗水体的溶解氧富营养化湖泊的表层，藻类可获得充足的阳光，并从空气中获得足够的二氧化碳进行光和作用而放出氧气，因此表层水体有充足的溶解氧。但深层水体溶解氧情况就不同。首先，由于表层藻类的阻挡和穿射过程中的衰减，使得阳光难以透射进入湖泊深层，故深层水体的光和作用明显被抑制，溶解氧的来源随之减少。其次，藻类死亡后不断地向湖底沉积，不断地腐烂分解，消耗深层水体中的大量溶解氧，严重是可能将深层水体的溶解氧耗尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态可以出发或加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷，形成富营养水体的恶性循环。( 5 ) 向水体释放有毒物质富营养化水体中的许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不仅危害动物，而且对人类健康产生严重影响。如蓝藻中的丝状藻类过度繁殖后，产生内毒素进入饮用水中，会使人体出现肠胃炎和严重的变态反应。产生海水“赤潮”的海生腰鞭毛目生物的过度繁殖，能使鱼类和其它生物死亡：而且，它们被贝壳类动物食用后，常无明显影响，但当人们食用这种贝壳类动物后，会引起严重的胃病，甚至死亡。( 6 ) 影响供水水质并增加制水成本湖泊和水库约占我国城市供水水源的1 4 ，富营养化的水会给净水厂带来一系列问题。在高温季节，过童繁殖的藻类经常堵塞滤池。其次，富营养化的水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，而且在制水过程中水藻本身及其产生的某些有毒物质增加了水处理的技术难度。既影响了供水水质和产水率，又加大了制水成本，严重的导致水厂关闭。( 7 ) 对水生生态的影响在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态。一旦水体受到污染而呈现富营养状态时，水体的这种正常的生态平衡就会被扰乱，生物种群量就会出现剧烈地波动；某些生物种类明显减少，而另外一些生物种类则显著增加。这种生物种类的演替就会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏了湖泊生态4苏州科技学院硕十学何论文第一章绪论平衡。( 8 ) 对渔业的影响在富营养化水体中，水质较肥，浮游生物丰富，以浮游生物和碎屑为主食的草鱼、鲢鱼、鲤鱼、鲫鱼等肥水鱼可以获得充足的食料，有助于提高产鱼量。因此一定程度的富营养化对肥水鱼的养殖并不意味着弊。但藻类的大量过度繁殖使水体溶解氧急剧减少，尤其在夏季高温时期，因大量藻类死亡，沉入水底被异养微生物分解，消耗溶解氧，产生恶臭、毒素。轻者影响鱼的质量，导致鱼肉腥臭，口感不佳，严重时鱼类大量死亡，从而严重影响渔业生产1 5 】【6 】【7 】【引。由上述内容可以看出，我国水环境中氮、磷污染及其严重，因此有必要寻找一种更适合我国国情的污水处理革新技术。1 2 传统污水生物脱氮除磷系统1 2 1 生物脱氮理论污水生物脱氮是在硝化菌和反硝化菌参与的反应中，将污水中的氨氮最终转化为氮气从而得以去除。硝化和反硝化过程所参与的微生物种类不同、转化的基质不同、所需要的反应条件也各不相同。硝化反应是将n h 4 + 斟转化为n 0 3 埘的过程。它包括两个基本的反应步骤亚硝酸菌参与的是将n h 4 + 斟转化为n 0 2 w 的反应；硝酸菌参与的是将n 0 2 埘转化为n 0 3 的反应。亚硝酸菌和硝酸菌都属于化能自养型菌，它们能够利用c 0 2 、c 0 3 2 - 和h c 0 3 一等作为碳源，通过与n h 3 、臣+ 斟或n 0 2 的氧化还原反应获得能且【9 】【。硝化反应过程需要在好氧条件下进行，并以氧气作为电子受体。其反应方程式可以表示为：h ：+ 寻d ，型壁堕d j + 日，d + 2 日+di + d ，一塑一di反硝化是将硝化过程中产生的硝酸盐或者亚硝酸盐还原为氮气，从水中逸出，或通过生物同化还原转化为氨氮进入生物合成过程。反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物，其反应需在缺氧的条件下进行。反硝化过程中，反硝化菌需要有机碳源作为电子供体，利用n 0 3 - 一n 的氧进行缺氧呼吸【9 1 。其反应过程可表示为：5 c ( 有机碳) + 2 日：d + 4 r o i 垦塑玛2 ：+ 4 d 日一+ 5 c d ，综上所述，从n 0 3 。斟还原为氮气的过程经历了下列4 步连续反应过程：n o i 哼n o ijn o 专n2 0jn 2生物脱氮过程本身就是一个矛盾的统一体l 。一方面，硝化反应需要污泥龄较长的硝化菌和好氧条件；另一方面，反硝化需要污泥龄较短的反硝化菌和缺氧5苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论条件。同时，二者对有机物的存在也是有矛盾的：自养硝化菌在大量有机物存在时，对氧气和营养物质的竞争不如好氧异养菌，从而导致反应器内异养菌成为优势菌种，而反硝化反应需要有机碳源作为电子供体。1 2 2 生物脱氮过程的影晌因素( 1 ) 影响硝化过程的因素【1 0 】( a ) 溶解氧氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内溶解氧高低，必将影响硝化反应的进程，在进行硝化反应的曝气池内，据实验结果证实，溶解氧含量不能低于1 m g l 。( b ) 温度硝化反应的适宜温度是2 0 3 0 ，1 5 以下时，硝化速度下降，5 时完全停止。( c ) p h 值硝化菌对p h 值的变化非常敏感，最佳p h 值是8 0 8 4 。在这一最佳p h 值条件下，硝化速度，硝化菌最大的比增殖速度可达最大值。( d ) 生物固体平均停留时间( 污泥龄)为了使硝化菌能够在连续流反应器系统中存活，微生物在反应器内的停留时间( o c ) n 必须大于自养型硝化菌最小的世代时间( e c ) n i n i n ，否则硝化菌的流失率将大于净增殖率，将使硝化菌从系统中流失殆尽。一般对( e c ) n 的取值，至少应为硝化菌最小世代时间的2 倍以上，即安全系数应大于2 。( 0 c ) n值与温度密切相关，温度低，( 0 c ) n 取值应明显提高。( e ) 重金属及有害物质除重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：高浓度的n h 4 + 水、高浓度的n o x 。埘、有机物以及络和阳离子等。( 2 ) 影响反硝化过程的因素( a ) 碳源能为反硝化菌所利用的碳源是多种多样的，但从污水生物脱氮工艺来考虑，可分为下列几类：一是污水中所含碳源，这是比较理想和经济的，优于外碳源。一般认为，当污水中b o d 5 厂r n 值 3 5 时，即可认为碳源充足，勿需外加碳源。另一是外加碳源，当原污水中碳、氮比值过低，如b o d 5 厂r n 值 6 4 时，才能取得较好的除磷效果。另有资料表明2 1 j ：当进水b o d 5 履眨2 0 时，出水t p 可达到l m g 九，进水b o d 钔r p值 5 0 d ) 仍然能获得很好的除磷效果。1 2 6 生物除磷脱氮系统存在的矛盾和竞争目前，在城市污水处理过程中不但要求去除c o d 卧s s ，而且对除磷和脱氮都提出了较高的要求。但是，生物除磷脱氮工艺在实际应用过程中经常出现脱氮和除磷效果不能同时达到最佳的现象，即脱氮效果好时除磷效果较差，而除磷效果好时脱氮效果不佳【儿2 9 】【蚓，这种现象不仅表明生物除磷脱氮工艺尚有不完善的地方，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，这些矛盾和竞争主要表现在：( 1 ) 微生物相互独立传统的生物除磷脱氮包括好氧硝化、缺氧反硝化、厌氧释磷和好氧吸磷等过程，不同的反应过程需要的微生物不同，有自养菌、异养菌，有兼性菌、专性好氧菌等。由于微生物种类不同，它们对基质类型、环境条件的要求也各不相同，由此产生了不可避免的矛盾和竞争关系。( 2 ) 污泥龄彼此矛盾污泥龄的矛盾主要体现在两个方面：一是根据r e n s i n k 等人的观蒯3 1 1 ，聚磷菌多为短世代微生物，降低污泥龄可以提高聚磷菌的吸磷能力；而硝化菌属于世代时间较长的微生物。因此，硝化过程需要的长污泥龄和生物除磷需要的短污泥龄之间存在不可协调的矛盾；二是排除剩余污泥是目前生物除磷的唯一渠道，因此在生物除磷系统中不得不维持较高的污泥排放量以获得良好的除磷效果，致使生物除磷系统污泥浓度通常处于较低状态。而早在1 9 5 9 年s r i n z t h 【3 2 】的研究就证明了除磷速率和污泥浓度有关，f i n s t e i n 【3 3 l 也认为当污泥浓度较高时生物系统除磷效率更高。因此在生物除磷系统中，自身就存在维持较高污泥排放量和维持较高污泥浓度的矛盾，这种矛盾在低浓度城市污水的生物除磷系统中表现得尤为突1 0苏州科技学院硕十学位论文第一章绪论出。( 3 ) 对碳源的竞争在生物除磷脱氮系统中，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代谢，碳源尤其是污水中低分子脂肪酸( v f a ) 的含量直接影响厌氧释磷和缺氧反硝化效果，在城市污水中v f a 的含量通常较低( 几十毫克升) ，碳源不足引发的竞争往往使聚磷菌不具有优势m 】。( 4 ) 硝酸盐对厌氧释磷的影响硝酸盐对厌氧释磷过程的影响主要表现在两个方面：一是和聚磷菌竞争v f a用于生物反硝化m 】；另一是当聚磷菌的聚磷量不高、进水v 】1 a 较低时，n 0 3 可以诱导聚磷菌缺氧吸磷p 刀，抑制厌氧释磷过程的顺利进行进而影响生物除磷效果。迄今为止，人们对生物除磷脱氮工艺中存在的矛盾关系认识还不够深入，每种新工艺都有各自的特点和适用条件，当从系统角度全面考虑时，新工艺往往又具有新的缺陷。因此，认为生物除磷脱氮系统不仅仅存在工艺技术问题，还可能存在装置、方法、路线等问题。1 3 反硝化除磷机理及研究现状在对除磷脱氮系统的研究过程中发现，活性污泥中一部分聚磷菌能以硝酸盐作为最终电子受体在进行反硝化的同时完成过量吸磷。研究表明，在厌氧缺氧交替变化运行的条件下，具有一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，即反硝化除磷菌( d p b ) ，能在缺氧环境下吸磷，可使吸磷和反硝化脱氮这两个不同的生物过程借助同一种细菌在同一个环境中完成【3 8 】1 3 9 1 。反硝化除磷理论的提出无疑可以解决上述矛盾，另外反硝化除磷工艺可将硝化和除磷置于两个互相独立的系统中进行，硝化菌和d p b 可在自身最佳的生长环境进行生物代谢作用，完成硝化和释磷过程，特别是在缺氧段，d p b 利用硝酸盐来代替氧气作为电子受体，同时完成反硝化和除磷的目的。1 3 1 反硝化除磷机理反硝化除磷基本原理可概括为利用反硝化聚磷菌在厌氧状态下放磷的同时，吸附污水中大量有机物，并储存在体内，进入缺氧环境后，反硝化聚磷菌以n 0 3 - n为电子受体，厌氧段吸附的大量有机物作为碳源( 电子供体) ，同时完成反硝化脱氮和超量磷的吸收，硝酸盐转为氮气逸出水体，而磷酸盐则被过量吸收并通过剩余污泥形式排出达到同时除磷脱氮的目的。苏州科技学院硕七学位论文第一章绪论1 3 2 反硝化除磷工艺特点反硝化除磷工艺与传统生物脱氮除磷系统的主要区别是该系统能利用反硝化除磷菌( d p b ) 在缺氧段以n 0 3 。斟为电子受体进行反硝化吸磷。相对于传统脱氮除磷联合工艺，d p b 反硝化除磷技术的革新之处在于：( 1 ) 节省5 0 c o d 的消耗量，避免了反硝化菌和聚磷菌之间对有机物的竞争；( 2 ) 减少3 0 的曝气量，节省了电能。d p b 的吸磷由于用硝酸盐代替了氧气，故曝气量得到了节省；( 3 ) 减少了除磷脱氮运行中产生的污泥量( 大约5 0 ) ，从而减少了污泥处理费用。1 3 3 国外反硝化除磷工艺研究动态目前，国外主要从三个方面进行反硝化除磷脱氮研究：反硝化除磷脱氮微生物研究；反硝化除磷脱氮现象研究；反硝化除磷脱氮工艺试验。( 1 ) 反硝化除磷脱氮微生物研究o s b o m 【1 1 和n i c h o l l s ( 1 9 7 5 ) 在硝酸盐异化还原过程中观测到磷的快速吸收现象，表明某些反硝化菌能超量吸磷。l o t t e r ( 1 9 8 5 ) 删f 4 1 1 研究了三座b a r d e n p h o 法污水处理厂曝气段的活性污泥，发现其中5 6 _ 6 6 的细菌属于不动杆菌属，其余能超量吸磷的细菌大半属于假单胞菌属、气单胞菌属和革兰氏阳性菌。对分纯出的1 0 0 株不动杆菌进行硝酸盐还原性试验，发现5 2 株菌能将硝酸盐还原为氮气。试验结果表明在缺氧状态下有反硝化吸磷的可能性存在。在1 9 8 5 年，m u 巾h y 【u 观测了生物除磷系统中假单胞菌属和气单胞菌属的增长情况，发现这类细菌和不动细菌属的某些细菌能在生物脱氮系统的缺氧区完成反硝化脱氮反应。( 2 ) 反硝化除磷脱氮现象试验自七十年代末，