（市政工程专业论文）高浓度氨氮废水短程硝化控制因素试验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 目前水体中氨氮污染状况日益严峻，主要体现在氨氮污染的量大面广，且我国对于 氨氮废水的排放标准的同益规范、严格化，需要研究和发展更经济更有效的氨氮处理工 艺。在国内外研究的各种新型脱氮工艺中，短程硝化反硝化因其具有节能、节约碳源、 缩短水力停留时间和减少剩余污泥排放量等优点而备受关注。 本试验装置采用s b r 反应器，以人工配制低c n 的高浓度氨氮废水作为处理对象， 系统地研究了短程硝化过程的启动和运行控制；考察了不同温度和氨氮浓度条件下s b r 短程硝化的运行效果，最后建立了短程硝化氨氮降解的动力学方程。试验结果如下： ( 1 ) 在s b r 反应器中水温为3 0 - , 2 5 ，控制曝气量在1 8 0 l h ，1 2 d 的污泥龄以及较 低的进水碳氮比，实现了氨氮去除率9 0 、亚硝态氮的积累率8 0 以上的亚硝化反应， 成功完成s b r 短程硝化启动过程。且系统的稳定性较高，抗冲击力强，有较好的启动效 果。 ( 2 ) 在s b r 运行至短程硝化过程结束时，会出现p h 值“氨谷”、d o “突跃点 ， 因此可通过在线检测p h 值和d o 的变化情况，将s b r 短程硝化控制在亚硝化阶段结束， 从而实现短程硝化。 ( 3 ) 温度对短程硝化过程的影响较大，与2 0 2 5 相比，3 0 。c 3 5 氨氮去除率和 亚硝态氮积累率较高，反应时间显著缩短。但是温度达到3 5 会造成出水水质较差，运 行效果不稳定。3 0 时氨氮去除速率和亚硝态氮生成速率处于较高水平，与3 5 相差不 大，污泥的沉降性良好且出水水质稳定；3 0 为s b r 反应器短程硝化的适宜温度。 ( 4 ) 随着氨氮浓度增加，反应时间延长，氨氮去除率可维持在较高水平，但氨氮去 除速率有所下降。适当的提高配水氨氮浓度可增强系统内a o b 的生物量，提高亚硝态 氮生成量并促进亚硝态氮的积累。但进水氨氮浓度过高会导致f a 对硝化菌的抑制，降 低反应效率。 ( 5 ) 通过对短程硝化阶段氨氮降解进行动力学分析，推导出相应的动力学方程，并 通过实验数据分析和验证，得出其动力学公式和参数，及温度对反应速率的影响的简化 阿伦尼乌斯定律方程为：1 ，m 删r ) = 0 0 1 7 4 x 1 0 6 2 ( 卜2 0 。 山东建筑大学硕士学位论文 关键词：短程硝化，短程硝化反硝化，s b r ，氨氮废水，生物脱氮 i i 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ec o n t r o lf a c t o r so fs h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o nu n d e rt h eh i g h a m m o n i ac o n c e n t r a t i o nw a s t e w a t e r z h a n gy u n ( m u n i c i p a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yc h e nw e n b i n g a b s t r a c t r e c e n t l yt h en i t r o g e np o l l u t i o ni nw a t e rb o d i e sw a sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，a n d t h ea m m o n i an i t r o g e ne f f l u e n ts t a n d a r dw a sm o r ea n dm o r es t r i c t ，w h i c hw o u l db er e g u l a t e d s oi tw a se s s e n t i a lt or e s e a r c ha n dd e v e l o pm o r ee c o n o m i ca n de f f e c t i v ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g i e s a m o n gav a r i e t yo fn e wn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s e ss t u d i e da th o m ea n da b r o a d ， s h o r t - c u tn 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 nw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw a sf o c u s e do ni t sa d v a n t a g e s ， s u c ha ss a v i n ge n e r g y , c a r b o nr e s o u r c e sa n ds h o r t e n i n gh y d r a u l i cr e s i d e n c et i m e ，a n dr e d u c i n g t h ea m o u n to fs l u d g e d i s c h a r g i n g i nt h i ss t u d y , t h el o wc ns y n t h e t i ch i g ha m m o n i an i t r o g e nw a s t e w a t e rw a st r e a t e di n s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) t h es t a r t u pa n dr u n n i n gc o n t r o lo fs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n w a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ；a n dt h er u n n i n ge f f e c to fs b rs h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o nw a so b s e r v e d a n ds t u d i e du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n da m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n s ，a n dt h ek i n e t i c e q u a t i o no f t h es h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o nw a se s t a b l i s h e df i n a l l y t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h et e m p e r a t u r ei nt h es b r w a s3 0 2 5 c ，t h ea e r a t i o ni sc o n t r o l l e di n1 8 0 l l l s r t i s12 da n dal o wi n f l u e n tc n t h en i t r o s a t i o nr e a c t i o nw i t ha m m o n i ar e m o v a le f f i c i e n c yw a s 9 0 a n dt h ea c c u m u l a t i o no fn i t r i t en i t r o g e nw a sm o r et h a n8 0 ，a n dc o m p l e t e dt h es t a r t u po f s b rs h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o ns u c c e s s f u l l y t h eh i g h e rs t a b i l i t y , s h o c kr e s i s t a n c ew a sa c h i e v e di n t h i ss y s t e r r n ，w h i c ha p p e a r e dag o o ds t a r t u pe f f e c t ( 2 ) a tt h ee n do fs h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o n ，t h e ”a m m o n i av a l l e y ”o fp hv a l u ea n d j u m p p o i n t ”o fd o w a so b s e r v e d t h es b rs h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o nc a nb ec o n t r o l l e da tt h ee n do f n i t r o s a t i o nr e a c t i o nb yt h ec h a n g e so ft h ep h ，d oo n l i n e ，t oa c h i e v es h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o n ( 3 ) t h et e m p e r a t u r eh a sag r e a t e ri m p a c to nt h es h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n c o m p a r e dt o2 0 。c i i i 山东建筑大学硕士学位论文 2 5 0 ，t h ea m m o n i ar e m o v a la n dn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t e sa t3 0 3 5 。c w e r er e l a t i v e l yh i g h ， a n dt h er e a c t i o nt i m ew a s s i g n i f i c a n t l ys h o r t e n e d b u tw h e nt h et e m p e r a t u r er e a c h e s3 5 c ，t h e e f f l u e n tw a s p o o ra n dt h es y s t e r ms t a b i l i t yw a sd i s i n c r e a s e d 、v h e ni ti s3 0 。c ，t h ea m m o n i a r e m o v a lr a t ea n dn i t r i t ep r o d u c t i o nr a t eg o tah i g hl e v e l ，s oa st h e3 5 。c t h es l u d g eh a d w e l l - s e t t l i n ga n de f f l u e n tq u a l i t yw a sw e l la n ds t a b i l i t y ；3 0 。cw a st h es u i t a b l et e m p e r a t u r eo f s b rr e a c t o rs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n ( 4 ) w i t ht h ei n c r e a s i n go fa m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n ，t h er e a c t i o nt i m ew o u l d l e n g t h e n ，a n da m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t ec a nb em a i n t a i n e da tah i g h e rl e v e l ，b u tt h e r e w a sad e s c e n to ft h ea m m o n i an i t r o g e nr e m o v a lr a t e i n c r e a s i n gs y n t h e t i ca m m o n i a n i t r o g e n w a s t e w a t e ro p p r o p r i a t e l yc o u l de n h a n c et h eb i o m a s so f a o bi ns y s t e m ，a n de n c h a n c e dt h e p r o d u c t i o no fn i t r i t en i t r o g e na n dt h er a t eo fn i t r i t ea c c u m u l a t i o n h o w e v e r , h i g hi n f l u e n t a m m o n i ac o n c e n t r a t i o nw i l l l e a dt of ao nt h ei n h i b i t i o no fn i t r i f i c a t i o nb a c t e r i aa n dr e d u c et h e r e a c t i o ne f f i c i e n c y ( 5 ) b ya n a l y z i n gt h ek i n e t i co fs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o ni na m m o n i ad e g r a d a t i o no f s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o ns t a g e ，t h ek i n e t i ce q u a t i o ni sd e r i v e dc o r r e s p o n d i n g l y , a n dt h ed y n a m i c e q u a t i o na n dp a r a m e t e r sc a nb ed e r i v e dt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o no fe x p e r i m e n t a l d a t a , a n dt h es i m p l i f e de q u a t i o no fa r r h e n i u sl a wb yt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nr e a c t i o n r a t e ：a x ( r ) = o 0 17 4x1 0 6 2 ( r - 2 0 ) k e yw o r d s ：s h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o n , s h o r t c u tn 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 b r , a m m o n i a n i t r o g e nw a s t e w a t e r , b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。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。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 这兰! 一 日期望! ：笸：! 暨 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 切口孑廷 巧牝日期丑础 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 水体中氮污染的来源和危害性 第1 章绪论 1 1 1 水体中氮污染的来源 在地球的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈中，氮既是其中最为广泛的基本元素之一， 也是生命有机体中最重要组成元素之一。大气中的氮通过大气、雷电、降水降尘及藻类 和绿色植物的固氮作用进入水体和陆地；水体中的氮通过矿化作用、同化作用和反硝化 作用进入陆地和大气；陆地中的氮通过硝化作用、同化作用、矿化作用实现氮素在陆地 上的循环。氮素的这种迁移和转化通常构成循环，称为氮素循环( n i t r o g e nc y c l e ) 【l l 。 而水体中的氮的形式主要以氨氮、亚硝态氮( n 0 2 - - n ) 、硝态氮( n 0 3 。n ) 、溶解性有机 氮为主。通常，水体中前三种无机氮统称为氮化合物【2 】。氨氮在水体中的主要的两种形 态：n h 3 和n h 4 + ；亚硝态氮不稳定，容易还原回氨氮或是氧化为硝态氮；有机氮主要有 尿素、氨基酸、蛋白质和核酸等，其中可溶性有机氮主要是以尿素和蛋白质形式存在， 但是在好氧或是厌氧条件下在氨化作用下转化为氨氮。 随着经济发展，人们的一些活动增加了生物圈氮循环通量，使得大量的氮素进入水 体，从而破坏了原有的氮平衡体系，导致水体的氮污染加剧。目前，据中国环境统计 年报显示，全国1 0 大流域中，除了松花江流域和西南诸河流域，氨氮都是引起水质超 标的主要污染物，尤其在长江、黄河、海河和辽河、西北诸河更为突出【3 】。而水体中的 氮污染的来源是多方面的，主要由城市生活污水、工业废水和农业污染三方面带入： ( 1 ) 生活污水中含有一定浓度的氮素，总氮在2 0 8 5 m g l ，直接排放到受纳水体中 会造成氮素污染。而大量处理后的生活污水中，氮素的形态发生了变化，总氮含量仍较 高。人类活动所产生的垃圾在填埋后亦会产生高浓度的含氨渗滤液，随地下径流、地表 径流进入水体，产生严重污染。 ( 2 ) 工业废水中的氮的形式和工业类型、生产工艺相关。如羊毛加工、制革、印染、 食品加工等行业排出的废水主要为有机氮；煤加压气化工业、焦化工业、氮肥工业、味 精工业、畜禽养殖业等行业排出的废水主要是氨氮。在排放的各种工业废水中除含有大 量的无机形态的氮素，也会含有多肽、氨基酸和尿素等形念的有机氮。 ( 3 ) 农业污染主要是包括肥料和农药从农田中流失，通过雨水冲淋、农业排水、地 山东建筑大学硕士学位论文 表径流和土壤渗透进入河道和水体，成为直接的污染源。人工合成的化肥和农药是水体 中氮污染的主要来源。施入农田的氮肥大约有2 0 - - , 6 0 被农作物吸收，未被吸收的氮肥 可能超过5 0 ，有的甚至超过8 0 。为了取得高额农作物产量，农田肥量越来越高，加 上科学施肥及其推广问题尚未得到有效解决，进入水体流失肥料量也必然越来越大。有 机肥料也可能通过微生物降解，成为可溶性无机盐，然后进入地下水或江河湖泊。此外， 畜禽养殖业废料和水中野生动物的排泄物，氮含量相当高，也会大量进入水体。 自2 0 0 1 年起，我国环境统计中增加了城镇生活氨氮排放量指标，从而使氨氮污染的 统计数据得以完善。2 0 0 7 年，环境统计全国废水中氨氮排放量1 3 2 4 0 力吨( 不含农业源) 。 其中，工业氨氮排放量3 4 1 0 万吨，约占氨氮排放总量的2 6 0 0 ；城镇生活氨氮排放量 9 8 3 0 万吨，占氨氮排放总量的7 4 0 0 以上，生活污染物在其中所占比例逐年上升，由 2 0 0 5 年的6 4 9 5 上升到2 0 0 7 年的7 4 3 0 ；根据2 0 0 7 年全国污染源普查，农业源氨氮 排放量约3 1 4 0 万吨( 其中种植业和规模化畜禽养殖业占9 3 o o ) 。从统计结果显示，我 国氨氮排放总量主要以工业和生活氨氮废水为主，其次是规模化畜禽养殖等重点农业的 氨氮废水 4 1 。 1 1 2 水体中氮污染的危害性 初步测算，2 0 0 7 年氨氮排放总量约相当于环境容量的4 倍左右。从水环境质量角度 来看，氨氮污染已经成为全国性的污染问题。2 0 0 7 年，氨氮是长江、黄河、海河和辽河 的首要污染物，同时也是珠江和淮河的主要污染物；2 0 0 8 年全国地表水河流国控断面中 氨氮劣v 类断面占1 9 2 0 ，全部断面氨氮平均浓度为1 9 0 毫克升，仅达v 类标准水平。 氨氮己超过c o d 成为影响地表水水环境质量的首要指标 4 1 。 水体中含有大量氮类化合物的危害性极大，主要体现在以下几个方面吲： ( 1 ) 氨氮会降低水体的溶解氧。氨氮随污水排入水体，可在硝化细菌作用下被氧化 为亚硝态氮或硝态氮，完全氧化1 0 0 r a g 氨氮需要消耗4 5 7 m g 溶解氧。而且为了使反应 顺利进行，水中应有足够的碱度来中和所产生的h + ，否则水中的p h 值将下降，而且氧 化1 0 0 m g 氨氮约需碱度7 4 0 r a g ( 以c a c 0 3 计) 。 ( 2 ) 游离氨对人和生物有毒害作用。尤其对鱼类来讲，游离氨是有毒物质。因为鱼 类对游离氨非常敏感，即使水体中游离氨的含量很低( 1 0 0 m g l 左右) ，也会影响鱼鳃 中氧的传递，浓度较高时，甚至使鱼类死亡。因为游离氨和水体的p h 有关，p h 值的变 化会引起游离氨百分数的变化：p h 值越高，水体中游离氨的值就越高。一般天然水体呈 山东建筑大学硕士学位论文 中性( p h 约为7 o 8 0 ) ，当碱性废水排入水体，或由于光合作用消耗了水体中的重碳 酸盐，都会使水体中的p h 值上升。同时，氨氮可转化为硝态氮或亚硝态氮，对于成年 可以消除其毒害，但是对于婴儿和年幼的动物则会诱发高铁血红蛋白症，若是进一步； 且硝态氮和亚硝态氮又有可能进一步转化为亚硝胺，而亚硝胺是致癌、致畸物质，对人 体有潜在的威胁。因此需要对城市污水的氨氮排放加以控制，以避免游离氨对人类和生 物的毒性作用。一般地面水中硝酸盐含量不大于1 0 m g l ，亚硝酸盐含量极少超过i m g l 。 美国生活饮用水水质标准中规定饮用水中硝酸盐含量不大于1 0 m g l 。我国生活饮用水水 质标准中规定饮用水中硝酸盐含量不大于2 0 m g l 。 ( 3 ) 过度消耗氯气。当含有较高氨氮浓度的水体作水源，或对含氨氮较高的污水厂 出水进行消毒时，要消耗过多的氯。如水中多存在i m g l 的氨氮，为了出现了“拐点” 后达到氯化而形成较有效的自由氯，就需多增加7 1 0 m g l 的氯，这在污水处理技术上 也是一个新的课题。 ( 4 ) 造成水体的“富营养化程度加剧，水质退化【6 】。氮是水生植物生长必需的营养 元素，而过量的氮类化合物会使藻类大量繁殖，引起水体发臭、水质恶化，出现富营养 化现象。水体富营养化使藻类的迅速繁殖，会降低水质，加大水处理难度，对周边环境 造成危害，主要表现在以下几个方面： 进入水厂后，由于藻类密度小，容易堵塞滤池，会加大冲洗时间和冲洗水量，严 重时会导致水厂停运，藻类及分泌物也不利于混凝，增加投药量； 由于藻类的大量繁殖，会产生许多嗅昧物质，使水产生异臭和异味，影响感观， 同时藻类及有机物的分解也会消耗水中的溶解氧的； 藻类在一定环境下会产生藻毒素，对人体健康有害，如微囊藻毒素等； 制约经济发展，影响水上活动，间接或直接导致经济损失，如交通、灌溉、渔业、 观光旅游等方面。 1 2 废水的脱氮技术 1 2 1 氨氮废水处理简介 目前，氨氮废水尤其是高浓度氨氮废水的脱氮处理技术已成为国内外研究的热点。 在许多工业生产中都会产生含高氨低碳的废水，对这类废水的脱氮处理难度较大，单一 处理方法往往难以完成，因此需要根据废水的水质特性采取合理的工艺路线，运行物理 化学、生物及其相结合等方法，是处理这类废水的关键之一。 山东建筑大学硕士学位论文 这类废水的相对于一般的废水而言，主要的水质特性是含有较高浓度的氨氮、较低 的有机物浓度，即属于低c n 比废水( 以下简称高浓度氨氮废水) 。 高浓度氨氮废水根据所含氨氮浓度的高低，可以大体分为三类： ( 1 ) 煤气废水、污泥机械脱水滤液以及某些经稀释后的工业废水等高浓度氨氮废水， 其中所含氨氮浓度最高为3 0 0 m g l ，最低浓度也有l o o m g l 左右。 ( 2 ) 焦化废水、石化废水、畜禽养殖废水、年轻垃圾场渗滤液、污泥消化上清液、污 泥离心脱水滤液等高浓度氨氮废水，其中所含氨氮浓度为3 0 0 1 0 0 0 m g l 。 ( 3 ) 化肥工业废水、味精工业废水、电镀工业废水、老龄垃圾场渗滤液、制药工业废 水等，其中含有的氨氮浓度大于1 0 0 0 m e d l ，最高可以达到几万m g l 。 一般来讲，不同浓度的氨氮废水中的脱氮处理方法不同，主要有物理法、化学法和 生物法三种。而对于高浓度氨氮废水的处理，从理论上来看，选择物化法还是生物法是 要根据废水中氮氮浓度的大小【刀，选择处理方法时可以大致按如下范围来划分： ( 1 ) 废水氨氮浓度范围在l o o m g l 以下，可以采用传统的生物脱氮技术。 ( 2 ) 废水氨氮浓度范围在1 0 0 - - - 5 0 0 0 m g l 内，比如说污泥脱水时产生的废水，在处理 此氨氮浓度的废水时通常采用生物法f s i ；当然也可以采用吹脱法或絮凝沉淀法等物化或 生物法相结合的方法，但运行费相对较高 9 1 。 ( 3 ) 废水氨氮浓度在大于5 0 0 0 m g l 的这个范围内，较适合采用物化法，比如一些垃 圾渗滤液的的处理都采用此法，但是处理费用较高。 1 2 2 废水的物理化学法化脱氮 物化法脱氮只能去除氨氮或通过其他方法转化为氨氮的物质，物化脱氮法主要有化 学中和法、化学沉淀法、折点加氯法、选择性离子交换法、吹脱法等。其中： ( 1 ) 化学沉淀法是通过向废水中投加某种化学药剂，使之与废水中的某些溶解性污 染物质发生反应，形成难溶盐沉淀下来，从而降低水中溶解性污染物浓度的方法【l o 】，整 个反应p h 值的适宜范围为：9 1 1 。此法对氨氮的去除率较高，可达9 0 以上，但费用 比吹脱法高，产生的污泥会造成二次污染。但当其用于脱氮预处理时，化学药剂也可采 用p 0 4 3 。类物质，污泥可作肥料使用，故有很大的灵活性。化学沉淀法都需投加大量化学 药剂，仅北京市每年为治理污水要投加的化学药剂就有上亿元。 ( 2 ) 折点氯处理法是将氯气通入废水中达到水中游离氯含量较低的那一点，此点处 氨的浓度降为零，通入量超过该点的话，水中的游离氯就会增多，此法的机理为氯气与 山东建筑大学硕士学位论文 氨反应生成无害的氮气，但是副产物氯胺和氯代有机物会造成二次污染。 ( 3 ) 选择性离子交换法是借助于离子交换剂中的交换离子同废水中的氨离子进行交 换而实现脱氮的目的，常用的离子交换系统有三种类型：固定床、混合床、移动床。离 子交换法具有投资省、工艺简单、占地小、操作较为方便、温度和毒物对脱氮率影响小 等优点，适用于中低浓度的氨氮废水( 5 0 0 r a g l ) ，对于高浓度的氨氮废水，会因树脂再 生频繁而造成操作困难。离子交换法去除率高，但再生液为高浓度氨氮废水，仍需进一 步处理。 ( 4 ) 吹脱法就是采用曝气吹脱的物理作用使水的p h 值升高】，促进氨离子( n h 4 + ) 和 游离氨m h 3 ) 的平衡可逆反应向n h 3 的方向进行，使氨从水中逸出，以此达到氨的去除。 吹脱工艺的效率较低，需要大量加碱和加热。 物化法的优点：占地面积少、出水水质好，而且效果比较稳定，对废水水量、水温 和浓度变化的适应性较强；但是这些方法处理投资成本高，运行费用高，易造成二次污 染，对于氨氮的去除有效，而对亚硝态氮和硝态氮就不起作用，并且处理费用高。最近 二十多年，物化法基本上不作为高浓度氨氮废水脱氮处理的主要工艺。 1 2 3 废水生物脱氮概述 生物法具有处理成本低、二次污染少等优点，目前，国内外针对氨氮废水处理的新 技术研发主要集中在生物处理领域。传统生物脱氮的基本原理是通过微生物作用，将废 水中有机氮转化为氨氮，然后通过硝化反应将氨氮转变为亚硝态氮和硝态氮，再通过反 硝化反应将硝态氮还原成氮气从水中去除，从而实现脱氮的作用。 1 2 2 1 生物脱氮原理 废水生物脱氮即将废水生物处理过程中氮的转化，主要包括氨化、硝化和反硝化作 用外，还包括生物的同化作用，同化作用是指在生物处理过程中，污水的一部分氮( 氨 氮或有机氮) 被同化合成为微生物细胞的组成部分。与硝化反硝化作用相比，同化作用 对氮的去除率很低。因此下面重点讨论氨化、硝化和反硝化的作用原理。 ( 1 ) 氨化反应 废水中的有机氮类化合物在微生物( 氨化菌) 的作用下，转化为氨氮的过程，称为 氨化反应。脱氨的方式有：氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨和减饱和脱氨四种【1 2 】。污水 中的有机氮主要存在形式：蛋白质和氨基酸。从蛋白质的氨化过程来看：首先在微生物 产生的蛋白酶作用下，蛋白质进行水解生成多肽与二肽；然后通过肽酶的作用，进一步 山东建筑大学硕士学位论文 水解成氨基酸。氨基酸脱氨基的方式有很多，可通过氧化、水解或还原脱氨基作用，生 成相应的有机酸，并释放出氨，随后生成的有机酸进入三羧酸循环过程，参与各种合成 代谢和分解代谢。可见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 用可以转化为氨氮【”】。 氨化作用既可以在好氧条件实现，也可以厌氧条件下完成，中性、碱性或是酸性环 境中都能进行，区别在于作用的微生物种类和作用强弱不同。而当环境中存在一定浓度 的酚或木质素一蛋白质复合物等物质时时，会抑制或阻碍氨化作用的进行。 ( 2 ) 硝化反应 表1 1 亚硝酸菌和硝酸菌的特征 硝化反应是首先将氨氮( n h 4 + 和n h 3 ) 氧化成亚硝念氮( n 0 2 。) ，然后再将亚硝态 氮( n 0 2 ) 氧化成硝态氮( n 0 3 ) 的过程。硝化反应是由一群自养好氧微生物分两个阶 段完成的，其主要作用的两类细菌：一类是亚硝酸菌，主要将氨氮氧化为亚硝态氮的反 应；另一类是硝酸菌，将亚硝态氮氧化成硝态氮。亚硝酸菌( 代表菌属有亚硝酸单胞菌 属( n i t r o s o m o n a s ) 、亚硝酸球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 、亚硝酸螺菌属( n i t r o s o s p i m ) 等) 和硝酸菌( 代表菌属有硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 、硝化球菌属( n i t r o c o c c u s ) ) 合称硝化 菌，他们都是专性好氧、化能性自养菌，能够利用氧化过程释放的能量，以无机物c 0 3 、 h c 0 3 和c 0 2 为碳源，以s i - u + 和n 0 2 为电子供体，0 2 为电子受体，使氨氮氧化并合成 细胞物质。这两类菌的生物特征如表1 1 【1 4 1 。 ( 3 ) 反硝化反应 山东建筑大学硕士学位论文 反硝化反应是由一群异养微生物完成的生物化学过程，即在缺氧( 无分子态溶解氧， 存在硝态氧) 条件下，将n 0 2 - n 和n 0 3 - - n 还原成气态氮n 2 或n x o ，反硝化反应的产 物因参与反硝化反应的微生物种类和环境因素的不同而有所不同。在污水处理中可以认 为n 2 是反硝化过程唯一的产物。 污水生物处理系统中的微生物在缺氧条件下大多具有反硝化能力，常见的有变形杆 菌属、微球菌属、假单胞菌属和芽饱杆菌等。p a y n e ( 1 9 7 3 年) 系统地回顾了具有反硝 化能力的废水处理微生物，指出有些类群只具有硝酸盐还原酶，只能将n 0 3 还原至n 0 2 ， 如无色杆菌属、放线杆菌属、气单胞菌属、芽抱杆菌属等；而其它类群具有反硝化的全 部酶系，因而能将n 0 3 还原成n 2 ，如微球杆菌属、丙酸杆菌属、螺菌属掣”】。反硝化菌 利用有机物( 如甲醇) 作为反应的碳源、电子供体，利用硝酸盐中的氧原子作为电子受 体。 1 2 2 2 传统生物脱氮概述 最早的生物反硝化的记录是在1 9 0 8 年，a d e n e y 和l e r s 在以硝酸盐和原生污水接触 反应中，发现其转化为n 2 从污水中去除的现象；1 9 3 0 年，w u h r m a n n 首先提出了“以微 生物细胞内物质作为脱氮菌还原硝酸的供氢体的生物脱氮法 ，并在1 9 3 2 年建了后置反 硝化工艺( p o s t d e n i t r i f i c a t i o n ) ；1 9 4 4 年，人们开始研究高浓度硝酸盐的生物反硝化问题； 1 9 6 0 年前后，由b r i n g m a n n 提出“利用城市污水的有机物作为反硝化菌代谢反应的有机 碳源”的理论，随之开创了b r i n g m a n n 脱氮法【1 6 】。 可见，早期的传统生物脱氮理论并不完善，以下为后期一些典型的传统生物脱氮进 行了描述。 ( 1 ) 传统意义上的生物脱氮工艺是由b a r t h 开创的三级活性污泥脱氮法，该工艺它传 统生物脱氮的氨化、硝化、反硝化三个不同过程为基础建立的。各级作用与各个过程的 关系如下：一级曝气池主要进行氨化反应，将有机氮转化为氨氮，去除b o d ，c o d ；第 二级是硝化曝气池，氨氮在这里氧化为硝酸盐氮或亚硝酸盐氮，需投碱以防止p h 下降； 第三级为反硝化反应器，采取厌氧缺氧交替的运行方式，并可投加甲醇作为反硝化过程 所需的碳源，或直接引入污水【1 7 l 。该系统的优点使生物脱氮的各个反应分别在各自的反 应器内进行，各自回流污泥，反应进行速度快且较彻底，其缺点是处理设备多，造价高， 管理较麻烦。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代，美国的s p e c t o r 在研究污泥膨胀时发现a o 系统具有良好的脱 氮效果，提出了a o 脱氮方法。它的缺氧区、好氧区分别设在同一反应器中被分隔的两 山东建筑大学硕士学位论文 个部分或两个独立的反应器中。反硝化反应器在前，反硝化在缺氧条件下完成；含碳有 机物的去除，含氮有机物的氨化和氨氮的硝化反应在综合反应器后，此三项反应都在好 氧条件下运行。该工艺占地面积少，流程简单，不需外加碳源，又能充分反硝化，易控 制污泥膨胀。但是此工艺的缺点在于：处理水来自硝化反应器，处理水中含有一定浓 度的硝酸氮，若沉淀池运行不当，不及时排泥，池内能发生反硝化反应，污泥上浮，影 响出水水质；欲提高脱氮率，必须加大内循环回流比，这样一来增大运行费用，而且 内循环液带入大量的溶解氧，使反硝化反应器内难以保持理想的缺氧状态，影响反硝化 进程；脱氮率低，易受冲击。 ( 3 ) 1 9 7 5 年南非的b a m a r d 开发了b a r d e n p h o 活性污泥法工艺，并发现该工艺具有良 好的去除有机物和脱氮的效果，此工艺是一种由硝化手段和反硝化手段相互交替组成的 工艺。该工艺中的硝化和反硝化可以分别在不同的反应器中进行，也可以将它们组合在 一个传统推流式曝气池中不同区域内。其中第二种情况则是实际工程中较多采用的运行 方式。此工艺对于城市污水一般脱氮率可达7 0 8 0 ，但有时由于进水水中b o d 不足 等原因，脱氮效率可能仅有5 0 6 0 t 1 8 】。 ( 4 ) 随后a 2 o 法、改进后的a b 工艺、s b r 工艺、氧化沟工艺、v i p 工艺、u c t 工 艺等脱氮工艺相继被提出并应用于实际工程。其中实验室的研究中最为常见的为s b r 工 艺，这是由于它在单独的反应器中进行，且进水混合均匀、菌体与基质接触充分、耐冲 击负荷等。同时s b r 反应器反应过程中具有很高的f m 梯度，生化反应动力大，工作 效率高，处理效果好，同时也不易发生污泥膨胀问题。s b r 工艺的主要缺点是运行管理 比较繁琐，自动化控制要求高。实际工艺中常采用的为氧化沟工艺，1 9 5 3 年，由荷兰应 用科学研究所环境卫生研究所的p a s v e e r 博士成功地研究出氧化沟污水处理技术【1 9 l ，此 工艺运行操作简单，基建和运行费用均低于传统活性污泥法，是一种经济有效的污水处 理技术，目前常用的形式：p a s s e e r 氧化沟、c a r r o u s e l 氧化沟、p a s s v a n t 氧化沟、交替工 作式氧化沟、o r b a l 氧化沟、导管式氧化沟、射流曝气氧化沟和合建式氧化沟等。 但是，传统生物脱氮方法存在许多方面的不足【2 0 】： ( 1 ) 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，特别是在低温的冬季，因此 造成系统总水力停留时间长； ( 2 ) 有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用；硝化过程是在有氧条件下完成的， 需要大量的能耗( 氨氮的氧当量为4 5 7 9 ) ； ( 3 ) 反硝化过程需要一定的有机物，废水中的c o d 经过曝气有一大部分被去除，因 8 山东建筑大学硕士学位论文 此反硝化时往往要另外加入碳源( 如甲醇等) ； ( 4 ) 系统为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和 硝化液回流，增加了动力消耗和运行费用； ( 5 ) 抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长； ( 6 ) 为中和硝化过程产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用。 1 2 2 3 新型生物脱氮技术 ( 1 ) 短程硝化反硝化 所谓短程硝化反硝化技术，新技术的关键工艺在于亚硝化工艺，通过控制硝化反应 的反应条件，使反应只进行到亚硝化阶段，促进大量的亚硝态氮的稳定积累，如图1 1 【2 1 1 所示，此研究过程中发现废水中的氨氮在转化为亚硝态氮时，微生物中起主要作用的菌 种为氨氧化细菌( a m m o n i ao x i d a t i o nb a c t e r i a ，a o b ) 和亚硝酸盐氧化细菌( n i t r i t eo x i d a t i o n b a c t e r i a ，n o b ) ，前者将氨氮氧化为亚硝态氮( 氨氧化反应) ，后者是将亚硝态氮氧化为 硝态氮( 亚硝化反应) ，因此，研究的关键在于如何促进氨氧化反应而抑制亚硝化反应， 这些新型工艺可以缩短生物脱氮的途径、降低运行费用、减少能耗。 n i t f i f i c a t i o n l d e n i t r i f i c a t i o n l n h 4 + 一n 1 0 2 。一n 0 3 r n o 一n o n 2 0 n ll 图1 1 短程硝化反硝化示意图 短程硝化反硝化与传统硝化反硝化生物脱氮相比，具有许多优点：对于活性污泥法， 可节省氧供应量约2 5 ，降低能耗；节省反硝化所需碳源，在c n 比一定的情况下提高 t n 去除率，减少污泥生成量可达5 0 ，减少投碱量，缩短反应时间，相应反应器容积 减少【2 2 1 。这一技术的主要代表工艺有s h a r o n 工艺和c a n o n 工艺。在传统的生物脱 氮过程中，可以省去亚硝态氮氧化成硝硝态氮，然后硝态氮再还原成亚硝态氮是这两个 多余的反应。短程硝化反硝化是将硝化过程控制在亚硝化阶段，然后直接进行反硝化。 其中氮的变化过程为：对于反硝化细菌来讲，无论n 0 3 或是n 0 2 。均可作为最终受氢体。 因此，实现短硝化反硝化的重点是短程硝化，即将硝化反应控制在阶段结束，并阻止转 化。短程硝化实现的标志是有较高的亚硝态氮积累率。 ( 2 ) 厌氧氨氧化 山东建筑大学硕士学位论文 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 是指在厌氧条件下，微生物以n h 4 + 为电子供体，以n 0 3 或n 0 2 。为电子受体，将n h 4 + 、n 0 3 或n 0 2 转变成n 2 的生物氧化过程【2 3 1 。如下式所示： n h 4 + + n 0 2 一n 2 + 2 h 2 0 参与厌氧氨氧化的细菌是白养菌，因此不需要添加有机物来维持反硝化。由于厌氧 氨氧化技术本身的特点，使之具有不需要碳源，需氧量低，以及运行费用低的突出优点 1 2 4 1 。 此外，该工艺还可与s h a r o n 工艺联合。与传统的生物脱氮工艺相比，s h a r o n 和 a n a m m o x 联合工艺在氧气需要量和外加碳源上都具有明显优势：传统工艺的氧气需要 量为4 6 5 k 9 0 2 k g n ，需要4 , 一5 k g c o d k g n ；而联合工艺氧气需要量为17 k 9 0 2 k g n ，几乎不 需要外加碳源。由此可见，联合工艺完全突破了传统生物脱氮工艺的基本概念，从一定 程度上解决了传统硝化一反硝化工艺存在的问题。但该工艺只完成了实验室的研究工作， 还需进一步研究才能运用于实际工程中。 ( 3 ) 同步硝化反硝化 传统硝化反硝化理论的硝化过程在好氧条件下进行，而反硝化过程在缺氧条件下完 成，两者不能在同一个反应器中进行。然而，许多国内外研究者发现存在同时硝化反硝 化现象，特别是在有氧条件下的反硝化现象确实存在于不同的生物处理系统中，如氧化 沟、s b r 工艺、间歇曝气反应器工艺【2 5 】。 同步硝化反硝化工艺( 简称s n d ) ，就是使一个反应器内同时存在好氧环境和缺氧环 境，则硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物，避免了硝化过程中n 0 3 - n 的积累 对硝化反应的抑制，加速了硝化反应的速度；而且，反硝化反应中所释放出的碱度可部 分补偿硝