（环境工程专业论文）好氧亚硝化颗粒污泥工艺及其n2o释放的研究.pdf

原创性声明 溉 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。 论文作者签名：纽鲞 日 论文作者签名：企j 里磁 日期：沙l 上，厶 关于学位论文使用授权的声明 本人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；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：抽奎导师签名：姓 日期：翌垒：兰：! 量 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章文献综述l 1 1 好氧颗粒污泥概述1 1 1 1 好氧颗粒污泥的特点l 1 1 2 好氧颗粒污泥形成的影响因素l 1 1 3 好氧颗粒污泥的脱氮特性3 1 2n 2 0 概述7 1 2 1n 2 0 的环境效应7 1 2 2 废水生物脱氮过程n 2 0 的产生8 1 2 3 影响n 2 0 产生的因素1 1 1 3 分步进水s b r 工艺1 3 1 3 1 s f s b r 工艺特征1 4 1 3 2 s f s b r 工艺参数1 5 1 3 3 s f s b r 工艺的应用前景1 7 1 4 研究目的和研究内容18 1 4 1 研究目的18 1 4 2 研究内容1 8 第二章试验装置与方法2 0 2 1 反应器设计与运行2 0 2 1 1 试验装置2 0 2 1 2 反应器启动条件2 1 2 2 试验用水及颗粒污泥的培养驯化2 2 2 2 1 模拟废水组成2 2 2 2 2 颗粒污泥培养驯化方法2 3 2 3 分析项目及方法2 5 2 3 1 水质常规监测指标2 5 2 3 2 颗粒污泥理化特性研究2 5 2 3 3 n 2 0 的采集与测定2 7 2 3 4 分子生物学试验方法2 9 第三章好氧亚硝化颗粒污泥的培养及其性能3 2 3 1 好氧亚硝化颗粒污泥的形成3 2 3 2 分步进水s b r 系统3 5 3 。2 1 s f s b r 长期运行过程的脱氮性能一3 5 3 2 。2s f s b r 中氮的迁移转化规律。3 7 3 2 3 s f s b r 中颗粒污泥理化特性3 9 3 。3 传统s b r 系统4 3 3 3 1 传统s b r 长期运行过程的脱氮性能4 3 3 3 2 传统s b r 中氮的迁移转化规律：4 6 山东大学硕士学位论文 3 3 3 传统s b r 中颗粒污泥理化特性4 8 3 4 两种系统的性能对比5 2 3 4 1 污染物降解速率5 2 3 4 2 反硝化性能5 4 第四章好氧硝化颗粒污泥系统中n 2 0 的产生5 9 4 1 分步进水s b r 系统5 9 4 1 1全程硝化状态下n 2 0 的产生情况6 0 4 1 2 短程硝化状态下n 2 0 的产生情况6 l 4 2 传统s b r 系统6 3 4 2 1全程硝化状态下n 2 0 的产生情况6 3 4 2 2 短程硝化状态下n 2 0 的产生情况6 4 4 3n 2 0 的产生来源6 5 4 3 1 化学抑制试验原理及方案6 5 4 3 2 抑制试验结果分析6 7 第五章结论与展望6 9 5 1 结论6 9 5 2 展望7 0 参考文献7 1 致谢7 7 山东大学硕士学位论文 摘要 n 2 0 是一种重要的温室气体，它的温室效应是c 0 2 的3 0 0 倍左右。已证实 污水生物脱氮是n 2 0 产生的重要途径之一。而一些具有经济性优势的新型生物 脱氮工艺却可能产生高于传统脱氮工艺的n 如量。本课题针对高氨氮废水亚硝 酸型脱氮工艺大量产生和排放n 2 0 的问题，提出了一种新型的好氧亚硝化颗粒 污泥一分步进水s b r 工艺( s f s b r ) 。 实验以亚硝化活性污泥作为接种污泥、以低碳高氨氮废水为基质，同时运行 传统s b r ( r 1 ) 和s f s b r ( i 也) 。探究s f s b r 中实现好氧颗粒污泥亚硝化的可 行性；考察不同模式下颗粒污泥理化特性、污染物去除效能、降解规律和降解动 力学、n 2 0 产生情况，并结合化学抑制批式试验研究n 2 0 的主要来源。明确s f s b r ! 中颗粒污泥稳定运行、亚硝化稳定维持和n 扣减量化的关键工艺条件，对于新 工艺更好的实际应用并实现节能减排具有重要的意义。研究结果表明： ( 1 ) s f s b r 在颗粒培养驯化方面具有优势。最初的微小颗粒出现于反应器 运行3 3 天( r 1 ) 和5 0 天( r 2 ) 左右时。前期r 1 中的颗粒要优于r 2 ，但随着 沉降时间的缩短、曝气量提高等条件的改变，r 2 的颗粒化程度越来越高，逐渐 超过r 1 并十分稳定。r 1 中形成的颗粒粒径要小于r 2 ，平均粒径约l m m ，而 r 2 可达2 , - 一3 m m ，且边界清晰，形状规则，结构致密。 ( 2 ) s f s b r 中能够实现好氧颗粒污泥亚硝化脱氮，且脱氮性能好。r l 和 r 2 的t n 去除最高分别可达到7 5 和9 5 。在进水n h 4 + n 浓度相同的条件下， r l 和r 2 在全程硝化状态下氨氮降解速率均略高于相应的短程硝化状态，亚硝氮 的转化速率则明显高于短程硝化时期的速率。说明在短程状态下，n o b 活性不 如全程状态时。在调整运行条件时系统的脱氮性能通常会受到一定影响，但恢复 较快。只有储存后的污泥性能恢复较慢，r l 比r 2 的性能恢复容易些，可能与 r 2 中缺氧好氧交替频繁造成的环境扰动有关。 ( 3 ) 在颗粒污泥储存之前r 2 的反硝化性能要优于r 1 ，缺氧阶段t n 去除 速率基本在7 m g g s s h 以上，而r 1 最高时才能达到7 m g g s s h 。经过储存之后， r 2 中污泥活性恢复的能力不如r 1 ，但是恢复之后仍有很好的硝化及反硝化性能， 山东大学硕士学位论文 并且能够维持较长时间的短程硝化。短程硝化的稳定维持需要逐渐提高进水氨氮 浓度。 ( 4 ) n 2 0 的释放主要发生在好氧阶段，缺氧阶段的释放量极少。溶解态的 n 2 0 比例很低，且只是暂时性出现在反应器混合液中，其最终形态或是气态释放， 或是发生硝化反硝化降解，对于n 2 0 的净产量基本没有影响，可以忽略。对于 r 1 和r 2 ，短程硝化过程释放的n 2 0 都高于全程硝化时期，r l 中各为2 0 9 和o 8 9 m g ( g m l s s c y c l e ) ，r 2 中为o 1 2 和o 1 0m g ( g m l s s c y c l e ) 。同时可看出，i 也中 的n 扣释放水平明显低于r l ，n 2 0 n 占t n 去除量的比例也相差3 1 0 倍。 表明s f s b r 确实具有减量n 2 0 的潜势。 ( 5 ) 关于n 2 0 的产生来源，根据化学抑制试验的结果分析，主要是同步硝 化反硝化，这与好氧颗粒污泥中微生物群落特殊的分层结构密切相关；另外a o b 的反硝化作用是n 2 0 产生的另一重要来源，从f i s h 结果就能看出，在本实验培 养驯化的颗粒污泥中，a o b 占总菌群相当大的比例，亚硝化颗粒中的a o b 更是 具有优势。 故分步进水好氧颗粒污泥工艺能够很好的减少n 2 0 的产生，并且在s f s b r 中也可以实现好氧颗粒污泥亚硝化，并具有较好的脱氮效率。这对于强化亚硝化 工艺节省碳源和曝气量、处理高氨氮废水的优势，弥补n 2 0 产量高的缺点有着 重要的意义。 关键词：污水生物脱氮，好氧颗粒污泥，分步进水，氧化亚氮，短程硝化 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n 2 0 i sa ni m p o r t a n tg r e e n h o u s eg a s ，w i t h3 0 0t i m e sg r e e n h o u s ee f f e c tt h a nt h a t c fc 0 2 i th a sb e e nc o n f i r m e dt h a tb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ( b n r ) i so n eo ft h e i m p o r t a n tw a y so fn 2 0g e n e r a t i o n w h i l es o l h e n o v e lb n r p r o c e s s e sw l 陆c hh a v e e c o n o m i ca d v a n t a g e sm a yp r o d m en l o r en 2 0t h a nc o n v e n t i o n a lb n rp r o c e s s e s i n t h i sp a p e an e wk i n do fa e r o bi cs h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o ng r a n u la rs l u dg e - s t e p f e ds b r p r o c e s s ( s f s b r ) w a sp u tf o r w a r d ，a i m i n ga tm a s sg e n e r a t i o na n de m i s s i o no f n 2 0 i n n i t r o s o f i c a t i o nb n r p r o c e s sd u r i n gh i g ha m m o n i an i t r o g e nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h ee x p e r i m e n t sw e 他c o n d u c t e dw i t hn i t r o s a t e da c t i v a t e ds l u d g ea ss e e ds l u d g e a n dl o wc a r b o n , h i g ha m m o n i an i t r o g e nw a s t e w a t e ra sm a t r i x ，r u n n i n gc o n v e n t i o n a l s b r ( r 1 ) a n ds f s b r ( r 2 ) a tt h es a l l t i m e t h ef o l l o w i n gq u e s t i o n sw e r ee x p l o r e d ： ( a ) t h ef e a s i b i l i t yo f a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g en i t r i f i c a t i o ni ns f s b r ；( b ) p h y s i c a la n d c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fg r a n u l e si nd i f f e r e n tm o d e s ；( c ) p o l l u t a n t sr e m o v a l e f f i c i e n c y , d e g r a d a t i o np a t t e r na n dk i n e t i c s ；( d ) n 2 0p r o d u c t i o ns i t u a t i o na n di t sm a i n s o u r c e sc o m b i n e dw i t hc h e m i c a li n h i b i t i o nb a t c ht e s t s , t oc l a r i f yt h ec r i t i c a l c o n d i t i o n sf o rt h es t a b l eo p er a t i o no fs f s b r , n i t r o s a t i o na n dn 2 0r e d u c t i o n _ i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c ef o rb e t t e rp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h en e wt e c h n o l o g ya n dt oa c h i e v e e n e r g yc o n s e r v a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) s f s b rh a sa d v a n t a g e so ng r a n u l a r sc u l t i v a t i o r ts m a l lp a n i c l e sa p p e a r e d a f t e rt h er e a c t o rs t a r t e du pa b o u t3 3d a y si nr 1a n d5 0d a y si nr 2 o r i g i n a lg r a n u l e s i nr 1w e r eb e t t e rt h a nt h a ti nr 2 ，b u tw i t ht h ec h a n g e dc o n d i t i o n ss u c ha st h e s h o r t e n e ds e a l i n gt i m ea n dt h ei m p r o v e m e n to fa e r a t i o nr a t e ，g r a n u l a t i o ni nr 2w a s i m p r o v e dg r a d u a l l ya n dv e r ys t a b l e ，b e t t e rt h a nw h i c hi nr 1 t h ep a r t i c l es i z ei nt h e r 1w a ss m a l l e rt h a ni np - , 2 ，w i t ha v e r a g ep a r t i c l es i z eo fa b o u t1m m ，w h i l e2 3m m i nr 2 g r a n u l e sc u l t i v a t e di nr 2h a v ec l e a rb o u n d a r y , r e g u l a rs h a p ea n dd e n s e s t r u c t u r e ( 2 ) t h ea e r o b i c g r a n u l e si ns f s b rc a na c h i e v en i t r o s a t i o n , a n dg o o dn i t r og e n r e m o v a lp e r f o r m a n c e t h em a x i m u mr e m o v a le f f i e n c yo ft ni nr l a n dr 2c o u l d l i i 山东大学硕士学位论文 r e a c h7 5 a n d9 5 r e s p e c t i v e l y u n d e rt h es a m ei n f l u e n tn h 4 + - nc d a c e n t r a t i o n , a m m o n i an i t r o g e nd e g r a d a t i o nr a t ed u r i n gc o m p l e t en i t r i f i c a t i o ns t a t u sw a ss l i g h t l y h i g h e r t h a nd u r i n g s h c r t - c u tn i t r i f i c a t i o nb o t hi nr 1a n dr 2 ，w h i l et h en i t r i t e c o n v e r s i o nr a t eh a do b v i o u sd i f f e r e n c e s i tn o t e dt h a ti ns h o r t - c u tc o n d i t i o n , t h e a c t i v i t yo fn o bw a sn o t a sg o o da si nn i t r i f i c a t i o ns t a t e n i t r o g e nr e m o v a lw a s u s u a l l ya f f e c t e dw h e na d ju s t i n gt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，b u tq u i c k l yr e c o v e r e d o n l y a f t e rs l u d g es t o r a g e ，r e c o v e r yw a ss l o w e r , e s p e c i a l l yi nr 2 ，w h i c hm a yb ea s s o c i a t e d w i t ht h e f r e q u e n t a n o x ic - a e r o bi c a l t e r n a t i n g , t h a ta c t i n g a se n v i r o n m e n t a l d is t u r b a n c e s 。 ( 3 ) r 2h a sb e t t e rd e n i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c et h a nr 1b e f o r et h es t o r a g eo f g r a n u l e s d u r i n gt h ea n o x i cp h a s e , t nr e m o v a lr a t ew a s7 m g ( g s s h ) o rm o r ei nr 2 ， b u tm a x i m u m7 m e g ( g s s h ) i nr 1 。a f t e rs t o r a g e ，a l t h o u g ht h ew o r s er e c o v e r ya b l eo f r 2t h a nr 1 ，i th a dg d 0 dn 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 np e r f o r m a n c ea f t e rr e c o v e r y , a n dw a sa b l et om a i n t a i np a r t i a ln i t r i f i c a t i o no fal o n gp e r i o do ft i m e t h eg r a d u a l i n c r e a s eo ft h ei n f l u e n ta m m o n i u mc o n c e n t r a t i o ni sa ne f f e c t i v ew a yt om a i n t a i n s t a bi l ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o n ( 4 ) n 2 0e m i s s i o no c c u r r e dm a i n l yd u r i n gt h ea e r o bi cp h a s e , a n dd u r i n gt h e a n o 嫡cp h a s et h er e l e a s eq u a n t i t yw a sf e w d i s s o l v e dn 2 0w a si nl o wp r o p o r t i o n , a n d j u s tt e m p o r a r i l ya p p e a r e di nt h er e a c t o rf n j x t u r e i t sf i n a lf o r mw 弱r e l e a s i n gg a so r w a sd e g r a d a t e dt h o u g hn 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 n , w h i c hc o u l db ei g n o r e df o r h a v i n gn oe f f e c to nn e tp r o du c t i o no f n 2 0 n 2 0r e l e a s ed u r i n gp a r t i a ln i t r i f i c a t i o ni s h i g h e rt h a nt h ec o m p l e t en i t r i f i c a t i o np e r i o d , 2 0 9 a n do 8 9m g ( g l v i l s s c y c l e ) i nr 1 ， 0 1 2a n do 1 0m e g ( g m k s s c y c l e ) i nr 2 ，r e s p e c t i v e l y i ti so b v i o u st h a tt h en 2 0 e m i s s i o nl e v e lw a ss i g n i f i c a n t l yl o w e ri nr 2t h a ni nr 1 ，n 2 0 一n t nr e m o v a lr a t i o s w e r e3 - 10t i m e sd i f f e r e n c e t h e s ea l ls h o wt h a ts f s b rd o e sh a v et h ep o t e n t i o no n n 2 0r e d u e t i o r t ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sa n a l y s i so f c h e m i c a li n h i b i t i o nt e s t s , t h em a i ns o u r c e o f n 2 0p r o d u c t i o ni ss 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 n i ti sc l o s e l yr e l a t e d w i t ht h es p e c i a lh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fm i c r o b i a lc o m m u n i t yi na e r o b i cg r a n u l a r s l u d g e a o bd e n i t r i f i c a t i o ni sa n o t h e ri m p o r t a n ts o l l c e f r o mt h ef i s hr e s u l t s ，i tc a n l v 山东大学硕士学位论文 b es e e nt h a ta o ba c c o u n t e df o rac o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o no ft o t a lb a c t e r i a ，a n di th a d m o r ea d v a n t a g e si nn i t r i t eg r a n u le s a l lh a v ec o n f i r m e dt h a tt h es t e p - f e e d a e r o b i cg r a n u l e st e c h n o l o g yi sg o o dt o r e d u c en 2 0p r o d u c t i o n , a n dn i t r o s a t e da e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew i t hg o o dn i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yc a l la l s ob ec u l t i v a t e di nt h es f s b r t h i si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t o s t r e n g t h e na d v a n t a g e so ft h et h en i t r o s a t e dp r o c e s sw h i c hc a ns a v e t h ec a r b o n s o u r c ea n da e r a t i o nr a t ew h e nd e a l i n gw i t ht h eh i s hs t r e n g t ha m m o n i aw a s t e w a t e r , a n dm a k eu pf o rt h es h o r t c o m i n go f t h eh i 曲y i e l do f n 2 0 k e yw o r d s ：s e w a g eb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ，a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e , s t e p f e e d ，n i t r o u so x i d e ，s h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o n v 山东大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 好氧颗粒污泥概述 1 9 9 1 年，m i s h i m a 和n a k a m u r a 1 发现好氧微生物在一定的工艺条件下也能 像厌氧微生物那样相互结合形成密实的颗粒。这种特殊的微生物自固定形式所形 成的好氧颗粒污泥引起了学者们的兴趣，在此后的时间里被广泛研究。 1 1 1 好氧颗粒污泥的特点 研究发现，好氧颗粒污泥与传统的活性污泥及厌氧颗粒污泥相比，具备以下 几种特点： ( 1 ) 结构与外形方面：传统的活性污泥结构松散，外形不规则；而好氧颗粒 污泥结构紧密，边界清晰，呈现规则的球形或椭球形。其粒径通常在0 5 - - - 5 0 m m 之间 2 】，这一粒径范围内的颗粒具有强韧的结构，不易解体破碎。 ( 2 ) 沉降性能方面：作为一种高密度的生物聚集体，好氧颗粒污泥具有较快 的沉降速度，缩短了沉降时间，减少污泥流失，从而使反应器内可维持较高的生 物质浓度，而利于污水处理量及处理效果的提高。 ( 3 ) 污染物降解方面：由于好氧颗粒污泥是由许多种微生物聚集形成，生物 相丰富；且在基质与氧气传递等方面的作用下，微生物空间分布具有明显的区域 性，形成了外层主要由专性好氧菌占据的好氧区和内层为兼性或厌氧微生物的缺 氧区，这种独特的结构，能够实现同时脱氮除磷，并能降解一些难降解物质，因 而具有很大的优势。 1 1 2 好氧颗粒污泥形成的影响因素 好氧污泥颗粒化是在物理、化学和生物等多个方面共同作用下的结果，颗粒 的形成会受到许多因素的影响，如水力剪切力、沉降时间、污水水质、有机负荷 率( f m ) 、接种污泥、缺氧好氧时间比、体积交换率等。只有在适合的条件下， 微生物才能调整代谢，自固定形成结构坚韧的颗粒。， ( 1 ) 曝气流量 l 山东大学硕士学位论文 曝气流量从两个方面影响着好氧颗粒污泥的形成：一是反应体系中的溶解氧 ( d o ) 浓度，二是通过水力剪切力的作用。 在m o s q u e r a c o r r a l 等人的研究中，当氧气饱和度降低到4 0 时，颗粒开始 解体，生物质流失，不能维持稳定的颗粒污泥状态；而较高的氧饱和( 1 0 0 ) 下是可以实现稳定颗粒化的【3 】。 颗粒污泥的形成、结构以及固定化的微生物群落的代谢都与反应器内的水力 剪切力密切相关。根据t a y 等【4 】的研究，只有当表面气速高于1 2 c m s 时，柱状 序批式生物反应器( s b r ) 中才能形成好氧污泥颗粒。在相对高的水力剪切力下， 颗粒污泥结构会更紧凑密实，稳定性好。有研究清楚的表明水力剪切力对传质、 胞外多糖的产生及生物的基因表达有显著的影响【2 】。从工程的角度上来讲，水 力剪切力是一个可控参数，能够强化微生物颗粒化过程。关于水力剪切力对颗粒 的具体作用机制还不是很明确，需要更多的机理研究。 ( 2 ) 污水水质 各类污水中所含成分千差万别，不论从碳源种类，有机负荷率，还是碳氮比 等方面，都会对微生物种群产生选择性诱导作用，进而影响到颗粒污泥的外观形 态、内部结构、粒径、沉降性能等物化性质。 有学者以不同碳源基质培养颗粒污泥，发现在所选用的基质( 乙酸钠、葡萄 糖、蛋白胨、淀粉) 中，蛋白胨作基质时形成的颗粒粒径小，具有最好的沉降性 能，并且在污泥龄仅为l o d 的情况下也十分稳定【5 】。 l i u 等【6 】和f a n g 等 7 】研究了c n 比值与颗粒形成的关系，得到了这样的结 论：随c 肘比增加，污泥颗粒的生长速度加快，平均粒径也增大，但颗粒的结 构稳定性逐渐降低；高的氨氮浓度能抑制丝状菌生长，有利于维持颗粒稳定性。 通常，有机负荷率过高或过低也都不利于颗粒的形成和稳定，高有机负荷 s k s c o d ( 一d ) 下形成的颗粒结构松散，不稳定；低于2k g c o d ( m 3 d ) 的情况下， 则很难实现好氧污泥颗粒化【8 】。 ( 3 ) 接种污泥 好氧颗粒污泥技术在处理实际废水时面临的一个重要问题就是接种活性污 泥导致启动时间较长。针对这一情况，p i j u a n 等【9 】提出了种新的策略，即接种 粉碎后的颗粒污泥与活性污泥的混合物，并通过实验验证了该方法在减少颗粒化 2 山东大学硕士学位论文 时间上的有效性。 接种污泥的同时，加入颗粒活性碳能够为微生物提供一个坚固的核心，有利 于生物细胞附着生长，维持成熟颗粒的长期稳定d o 。 ( 4 ) 沉降时间 通过控制沉降时间的长短( 一般调整在5 m i n 之内) ，可以选择性的排出沉降 性能差的絮状污泥，同时也对微生物种群进行了定的选择【1 1 】，沉降性能较好 的生物菌群作为好氧污泥颗粒化的重要功能菌群留在了反应器内，逐渐形成群落 结构相对简单的颗粒污泥。 ( 5 ) 反应器高径比 反应器的内溶液的流动形式和微生物的聚集形态会受到反应器结构和尺寸 的影响。目前，好氧颗粒污泥的培养大部分是在柱状的上流式序批式生物反应器 ( s b r ) 中完成的。与完全混合式反应器相比，柱状s b r 中的水力动力学形态 不同。微生物聚集体不是随液体随意流动，而是有规律的沿反应器轴线环流及局 部涡流，使其形成有规则的形状 1 2 】。有研究针对反应器的构型特点，设计不同 高径比( h d ) 的s b r 进行颗粒污泥培养 1 3 】。根据实验结果，分析出h d 值相 对较高的反应器能够产生较大的水力剪切力【2 】，微生物在s b r 内呈现环形流动， 流动轨迹长，能促进好氧颗粒污泥的形成。 但也有学者的研究 1 4 】表明，h d 分别设计为4 、8 、1 6 和2 4 时，所培养出 的颗粒并不存在大的理化差异，所以认为高径比对颗粒污泥的形成及性质并没有 影响。 1 1 3 好氧颗粒污泥的脱氮特性 水体富营养化问题是近些年来我国在水污染治理方面面临的一个突出问题， 氮、磷的大量排放是引发这一问题的主要因素。随着我国出台的法规对氮、磷排 放浓度越来越严格的控制，研发出针对污水脱氮行之有效的工艺技术也是势在必 行。 l 、污水生物脱氮基本原理 通常污水中的氮素是以有机氮和无机氮的形式存在的。在氨化菌的作用下， 有机氮发生氨化作用转化成氨氮，继而进行生物脱氮。传统的污水生物脱氮机理 3 山东大学硕士学位论文 主要包括两个部分：硝化反应和反硝化反应。 氨化菌a o b n o b 反硝化菌 有机氮叫n i l + - n 叫n 0 2 。n n 0 3 。- n n 2 、， 氨化反应硝化反应反硝化反应 图1 1 全程硝化生物脱氮原理示意图 f i e 1 - 1d i a g r a mo fn i t r a t i o nb i o l o gi c a ld e n i t r i f i e a t i o ng r m e 杜 ( 1 ) 硝化反应 氨氮要在好氧条件下发生两步反应，转化为硝态氮：首先是氨氧化菌( a o b ) 作用，将氨氮( n i - h + ) 氧化成亚硝氮( n o r ) ，故氨氧化菌也称为亚硝酸菌；其 次由亚硝酸盐氧化菌( n o b ) 将n 0 2 继续氧化为氧化终产物硝态氮( n 0 3 。) ， 故亚硝酸盐氧化菌也称为硝酸菌。a o b 和n o b 共同作用完成硝化反应，二者统 称为硝化细菌，通常是利用c 0 3 2 - 等无机碳源的好氧自养菌。 ( 2 ) 反硝化反应 在缺氧环境下，通过第一步生成的硝酸盐和亚硝酸盐经反硝化细菌被同化还 原为细菌自身生长所需物质，或异化还原为以n 2 为终产物，n o 、n 2 0 等为中间 产物的气体物质。反硝化菌通常为兼性厌氧异养微生物，以有机含碳化合物作碳 源与电子供体。 2 、亚硝化脱氮工艺 传统的废水生物脱氮工艺包括b a r d e n p h o 工艺、a o 工艺、a a d o 工艺、u c t 工艺等。由于传统工艺占地面积大、基建投资高，且难以维持较高的生物浓度、 有机碳源投加多、污泥产量高等问题的存在，人们积极开发高效低耗的新型生物 脱氮工艺技术。 研究过程中发现，脱氮并非必须经过完整的硝化过程和反硝化过程。反硝化 细菌既可以利用n 0 2 也可以利用n 0 3 作为最终电子受体，同样都能生成最终气 态产物。而n 0 3 的还原过程所需要的电子数量要多于n 0 2 的还原，这就需要消 耗更多的电子供体，即有机碳源。同时，在氨氮发生硝化的过程中，若要氧化生 成n 0 3 也比n 0 2 需要更多的反应步骤。综合而言，不论是n 0 3 的氧化还是还原， 4 山东大学硕士学位论文 其转化都不是必需的，完全可以省略此步转化，以获得更有利的反应过程。 相对于之前的完全硝化反硝化，通过控制硝化反应进程，使氨氮转化为n 0 2 。 后便停止继续氧化，直接还原n 0 2 来实现生物脱氮工艺，称为亚硝化脱氮工艺， 包括短程硝化反硝化、亚硝酸型同步硝化反硝化、亚硝化一厌氧氨氧化等。相比 传统生物脱氮工艺，亚硝化工艺能够节省曝气量、节约碳源 1 5 ，1 6 ，是一种更 为经济的选择，具有广阔的发展应用前景。 那么如何能控制硝化反应进程，使其停止在亚硝酸盐阶段而不继续氧化，就 是实现短程硝化的关键因素。完整的硝化反应是由氨氧化菌( a o b ) 与亚硝酸 盐氧化菌( n o b ) 共同完成的，如果要实现亚硝酸盐的积累，就需要使反应器 中的a o b 比n o b 具有更高的活性，即控制环境条件，促进a o b 生长，抑制 n o b 活性。影响因素可以有以下几种： ( 1 ) 游离氨 a o b 与n o b 都受到一定浓度的游离氨( f a ) 的抑制，但是抑制浓度有所 不同：a o b 受抑制的浓度为1 0 - 1 5 0 m g l ，n o b 对f a 更为敏感，0 1 1 0 m g l 的f a 即可对其产生抑制作用 1 7 】。通过设定反应器内的条件，可以使f a 浓度介 于抑制n o b 活性而对a o b 不产生影响的范围内，从而实现n 0 2 的积累。 而f a 的浓度又是与很多因素有关的： f 舻昌甓筹 黼- 式中，f a 表示游离氨浓度，m g l ； 【n 日一n 】代表氨氮浓度，m g l ； k a 和k w 分别表示氨和水的电离常数； k 8 瓜矿e 6 3 4 4 ( 2 7 3 + t ) ，t 表示温度，。 从公式1 1 中可以看出，f a 的浓度是由p h 、氨氮浓度、温度三个因素共同 决定的。所以这三方面的条件是实现短程硝化的直接可控条件。 p h 微生物生长都有最适宜生长的p h 范围，比如a o b 最适在7 8 5 ，n o b 则 为6 7 5 1 8 。在硝化反应的进行过程中，反应会消耗碱，使p h 降低。若p h 过低，整个硝化反应都会被抑制；若p h 在a o b 的适宜范围内而高于n o b 的最 山东大学硕士学位论文 适范围，则有利于n 0 2 的积累。同时，p h 升高会导致f a 浓度升高。 温度 生物硝化反应的适宜温度是2 0 - - - 3 5 * ( 2 ，a o b 比n o b 耐受低温、高温的能 力都要强一些，所以在最适温度上下的范围内，a o b 活性高于n o b ，亚硝化的 速率会超过硝化速率，出现亚硝酸盐积累【1 8 】。 氨氮浓度 公式1 1 表明，f a 与氨氮浓度成正比，当氨氮负荷过高时，f a 浓度也相应 增加，在反应器运行初期，会抑制硝化细菌活性( 4 0 m g l 以上会严重抑制a o b 与n o b 活性) 。随着反应的进行，氨氮逐渐被消耗，f a 浓度也降低。当f a 浓 度仅对n o b 活性产生影响时，便有利于短程硝化。 ( 2 ) 溶解氧 a o b 与n o b 都是好氧菌，需要在满足其氧气需求的情况下才能正常生长代 谢。但是a o b 的氧气亲和常数要高于n o b 1 9 ，所以当d o 相对较低时( o 7 1 4 m g , l ) ，a o b 优先利用氧气进行亚硝化反应，氨氮的去除率维持在9 8 以上， 而亚硝酸盐大量积累。当d o 更低时，氨氮的去除效果会变差，即a o b 的氧气 需求也无法满足。 ( 3 ) 污泥龄 污泥龄是通过调整排泥来控制反应体系中微生物的平均停留时间。细菌的生 长速度与其菌种有关，a o b 的生长速度快于n o b ，也就是说a o b 在反应器中 的最小停留时间要比n o b 短【2 0 】。当污泥龄介于a o b 与n o b 的最小停留时间 之间时，n o b 便会随排泥大