（模式识别与智能系统专业论文）分段进水ao工艺的生物脱氮研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着我国社会经济的快速发展，工业化和城市化程度的不断提高，污 水排放总量不断增加，造成水环境污染的状况越来越严重，其中以氮、磷等营养 物的大量排放引起的水体富营养化最为突出，因此以控制水体富营养化为目的的 脱氮除磷技术成为当今污水处理研究领域的热点之一。重点是如何进行深度脱 氮，选用具有较高脱氮效率的生物脱氮工艺进行优化和改良。分段进水a d o 工艺 是国外近年来开发并广泛研究的生物脱氮工艺，该工艺具有较高的脱氮效率，无 需内循环，污泥龄较长等优点。 本试验以北京工业大学西区家属院生活污水为研究对象，对分段进水a d o 生 物脱氮工艺在处理污水过程中的有机污染物的去除效果，脱氮特性，反应器内水 质沿程变化规律和脱氮效率进行研究，系统地考察了好氧区溶解氧浓度，污泥回 流比，进水c n 比和进水流量分配等因素对脱氮效果的影响。得出本试验较为合 理的运行参数：好氧区溶解氧浓度为3 m g l ，污泥回流比为1 0 0 ，进水比例为1 ： 2 。当进水c n 比较低时，为提高脱氮效率，合理控制外加碳源，得出在中碳氮 比条件下以等比例进水，高碳氮比条件下2 ：1 进水能够取得较好的脱氮效果。 同时根据物料平衡方程推导出分段进水生物脱氮工艺的最高理论脱氮效率 公式，并通过试验进行验证。最高理论脱氮率应该满足上一段硝化产生的硝酸盐 在下一段完全反硝化掉，即不产生硝酸盐的积累推导，得到最高理论脱氮效率公 式。 本文旨在通过试验分析研究通过改善试验运行条件提高系统脱氮效率，以为 实际运行和污水处理厂的新建和改造提供参考依据。 关键词：分段进水；m o 工艺；生物脱氮 a b s t r a c t a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yi nc h i n a , i n d u s t r i a l i z a t i o n a n du r b a n i z a t i o nc o n t i n u et oi m p r o v ea n dt h el e v e l so fs e w a g ec o n t i n u et oi n c r e a s e c a u s i n gt h ew a t e rp o l l u t i o ns i t u a t i o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s t h e r e f o r e e u t r o p h i c a t i o no fw a t e rb e d yb e c o m e ss i g n i f i c a n t l yo n eo fw o r l d w i d ee n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s t h es t a n d a r do fw a s t e w a t e rd i s c h a r g ew a sc o n t r o l l e dm o r es t r i c t l yw i t ht h e s e v e r ee u t r o p h i c a t i o nq u e s t i o ng e t t i n gw o r s ea n dw o r s e w h i c hm a k e st h et h en i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g ya i m i n gf o re u t r o p h i c a t i o nc o n t r o lb et h es t u d y f o c u si nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r e a t h em a i np o i n ti sh o wt oa c h i e v ee n h a n c e d n i t r o g e nr e m o v a l ，c h o o s eb 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 sr e m o v a lp r o c e s sw i t h l l i 曲n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c ya n di m p r o v ei t t h es t e pf e e db i o l o g i c a lr e m o v a l p r o c e s sh a si n c r e a s i n g l yb e e np r o p o s e da sa t t r a c t i v ea l t e r n a t i v e t h ei n f l u e n tf l o wi s d i s t r i b u t e dt ot h ea n o x i cr e a c t o r sa n dt h er e t u n e ds l u d g ee n t e r st h eh e a do fr e a c t o r t h e s t e pf e e dh a sg r e a ta d v a n t a g e s ：h i 曲n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y , n oi n t e r n a lr e c y c l eo f m i x e dl i q u o r , i n c r e a s e ds o l i dr e t e n t i o nt i m e t h ee x p e r i m e n tt o o kt h eb e i j i n gi n d u s t r i a lu n i v e r s i t yw e s tt h ef a m i l ym e m b e r a r e as a n i t a r ys e w a g ea st h eo b j e c t r u nt h es t e pf e e da oc r a f tc o n t i n u o u s l yu n d e rt h e c o n d i t i o n so fm a n yk i n d so fd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e s s y s t e m a t i c a l l yi n s p e c t i n gt h e i n f l u e n c et od e n i t r i f i c a t i o ne f f e c to nm a n yf a c t o r s ，s u c ha st h ed 0o fa e r o b i ca r e a , s l u d g er e t u r nt ot h ea e r o b i ca r e a , t h ea d d e dc a r b o n a c e o u so r g a n i cm a t e r i a l t h ei n f l u e n t d i s t r i b u t i o ne t c u s i n gs t e p f e e da n o x i c o x i ca c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sf o rt h eo r g a n i c m a t t e rr e m o v a l ，t h en i t r o g e nr e m o v a ls i t u a t i o na n dt h ew a t e rq u a l i t yv a r i e t yo ft h e s y s t e m i nt h i ss t u d y , t h i sp r o c e s s ，w i t ht w oi n f l u e n tf e e dl o c a t i o n s ，t w e l v e - h o u r h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e 1o o r a t eo fr e t u r na c t i v a t e ds l u d g e t h ed oo fa e r o b i c a r e ai s3m g l w eo b t a i n e dm o r er e a s o n a b l e o p e r a t i n gp a r a m e t e r s o ft h i s e x p e r i m e n t a l ：w ec h o o s et h ed i s t r i b u t i o nr a t i oo f1 ：2 t h e n w ec o u l dg e tb e t t e r e f f i c i e n t i v eo fn i t r o g e nr e m o v a l w bs h o u l dr e a s o n a b l yc o n t r o lt h eq u a n t i t yo ft h e a d d e dc a r b o n a c e o u so r g a n i cm a t e r i a lt oe n h a n c et h ed e n i t r i f i c a t i o ns p e e do ft h ea o c r a f t , w h e nt h er a t i oo ft h ec no ft h et r e a t e dw a s t e w a t e ri sl o w t oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fn i t r o g e n , p l u sr e a s o n a b l ec o n t r o lo fc a r b o n , c a r b o na n dn i t r o g e nt h a nt h a t i nc o n d i t i o n ss u c ha st h ep r o p o r t i o no fw a t e r , c a r b o na n dn i t r o g e nt h a nt h eh i g h - w a t e r c o n d i t i o n st oa c h i e v e2 ：1n i t r o g e na n db e t t e rr e s u l t s a n dt h es t e pf c e da op r o c e s sh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i 曲n i t r o g e nr e m o v a l e 伍c i e n c y t h ef o r m u l ao ft h e o r e t i c a ln i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yf o rt h es t e pf e e d b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sw a sr e d e d u c e db a s e d0 1 1t h em a s sb a l a n c eo f n i t r a t en i t r o g e ni nt h i sp a p e ra n dv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t s n eh i g h e s tn i t r o g e n r e m o v a le m c i e n c yc a nb eo b r a i n e dw h e nt h e r ei sn oa c c u m u l a t i o no fn i t r a t ei na n o x i c z o n e s ow ec o u l dg e tt h et h e o r e t i c a ln i t r o g e ne 岱c i e n c y i i i 北京下业大学硕十学位论文 t h i sa r t i c l ei sf o rt h ep u r p o s eo fp r o v i d i n gt h ee x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g yr e f e r e n c e a n dt h et h e o r yb a s i so fh o we n h a n c e st h eb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o na n dn i t r i f i c a t i o n e f f i c i e n c yo ft h es t e pf e e da op r o c e s s ，r e d u c et h ea m m o n i an i t r o g e na n dt h et o t a l n i t r o g e nd e n s i t yo ft h el e a k a g ew a t e r a sw e l lf i t st h es y s t e mo p e r a t i n gc o s tt h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n d r e s e a r c h k e y w o r d s ：s t e p f e e d ；a op r o c e s s ；b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l i v 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。 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) 鼢立 新签名一： 二稍r 第一章绪论 第一章绪论 近年来随着我国社会经济的快速发展，工业化和城市化程度的不断提高，污 水排放总量不断增加，造成水环境污染的状况越来越严重，其中以氮、磷等营养 物的大量排放引起的水体富营养化最为突出，尤其是一些静止型淡水水体，例如 湖泊、水库和港湾，由于排入其中的污水( 包括二级处理出水) ，含有较多数量的 氮、磷等营养物，导致蓝藻和蓝绿藻等的过度繁殖，发生“水华”现象，引起我 国海域从北到南( 从渤海到南海) ，多处大面积的赤潮，对海洋生态和水产造成了 严重的损害。 随着水体富营养化问题的日益突出，污水排放标准也不断严格，污水去除技 术已经从单一去除有机物的阶段步入既要去除有机物又要满足脱氮除磷的深度 处理阶段，以控制富营养化为目的的脱氮除磷技术已经成为当今污水处理领域的 热点问题。控制水体富营养化，防止水体污染的最根本途径就是对污染源进行治 理，控制污染物的排放量，使污水处理厂出水中的氮磷含量必须达到一定标准， 污水排放标准的日益严格是目前世界各国普遍发展的趋势，我国最新颁布的污水 排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 要求所有排污单位最后出水氮磷的含量根据接纳水体 的等级分别为总磷小于l m g g l ，氨氮小于5 m l ，总氮小于1 5 m g 1 ( 一级标准) 。 可见，无论是新建污水厂还是已有污水厂都面临着污水深度脱氮除磷的要求。 1 1 水体中氮素的主要来源及危害 1 1 1 主要来源 水体中的氮主要来源于自然过程和人类活动，但造成水体污染的氮主要是由 于人类从事社会生产活动所引起的，氮主要以有机氮和无机氮两种形式存在于水 体中。其中无机氮包括氨、硝酸盐和亚硝酸盐，有机氮包括尿素、氨基酸、蛋自 质、核酸等含氮有机物，其中有机氮可通过氨化等作用转化为氨氮。表1 - 1 体现 了氮素之间的相互转换。进入水体中的氮主要来自于内部源和外部源，其中内部 源包括水体沉积物中氮的释放及水生生物的死亡分解等，外部源是指在人类活动 过程引起的氮排放，主要来源包括以下几个方面瞳，： 1 未经处理的城市生活污水和工业废水。生活污水中的氮，主要来自人体 食物中蛋白质代谢的废弃产物。新鲜生活污水中的有机氮约占6 0 ，氨态氮约占 北京t 业大学硕十学位论文 4 0 ，硝酸态氮仅微量。工业废水也是水体中氮的重要来源，一些工厂如：冶金工 业的炼焦、化肥工业的氮肥厂、化肥厂、屠宰厂、食品加工厂等排放的废水都含 有大量的氮。 2 二级污水处理厂出水。传统生物二级处理对氮的去除率低下( 仅为2 0 - 5 0 ) 也是造成水体氮污染的主要原因。采用常规水处理工艺的二级污水处理厂，出水 中含有相当数量的氮和磷。 3 使用无机氮肥的农田排水和地表径流。农田施用化学肥料和农家肥料， 也是引起水环境氮污染的主要人为因素之一。农田中施用的化学肥料和农家肥 料，除一部分真正被农作物吸收利用外，其余的被土壤吸附、残留或溶于水中， 有相当一部分通过雨水径流进入江河湖泊。近年来，由于化肥的大量使用，以及 可耕地土壤质量的降低，肥料成分容易流失，导致大量的氮流入水体。 表i - i 氮素循环的生物反应 t a b l e1 - 1b i o l o g yr e a c to f n i t r o g e nc y c l e 反应术语涉及的生物 n 2 n h 3生物固氮固氮细菌 n i t 3 有机物 氨的同化植物、细菌、低等真核生物 有机物n i l 3 氨化作用各种( 微) 生物 n h 3 叶n 0 2 - ，n 0 3 - 硝化作用硝化细菌 n 0 3 - ，n 0 2 ，n o ，n 2 0 一n 2 反硝化作用 反硝化细菌 n 0 3 ，n 0 2 - n h 3 异化性硝酸盐还原作用发酵性细菌 1 1 2 氮素的危害 我国经济发展迅速，随着现代工业的迅猛发展和化肥及农药的普遍应用，废 水中氮的含量也不断增加，水环境受到严重污染。当水体中氮含量超标，不仅使 水环境质量恶化，还对人类以及动、植物有严重的危害作用： 1 造成水体富营养化。水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需 的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮 游生物迅速繁殖的现象。据资料显示，当水体中氮含量超过0 2 - - - 0 3 p p m ，生化 需氧量大于l o p p m ，磷含量大于0 0 1 - - 0 0 2 p p m ，p h 值为7 9 的淡水中细菌总数 每毫升超过1 0 万个，表征藻类数量的叶绿素一a 含量大于l o m g l 时，即可认为水 体已经成为富营养化。目前水环境的富营养型污染相当普遍，已成为当今世界普 遍关注的环境问题之一口1 。 2 第一章绪论 其中水体富营养化所造成的危害表现在以下几个方面： ( 1 ) 使水源水质恶化，水体透明度降低，大量藻类的恶性繁殖使水体发黑、 腥臭难闻，严重影响其使用价值、旅游及观赏价值。 ( 2 ) 恶性繁殖的水藻在水体表面形成一层浮渣，使得阳光难以穿透水层，植 物的光合作用因受到限制使水中溶解氧大大降低，水体中藻类死亡的同时也会消 耗水中溶解氧，从而引起水体中鱼类等水生生物的大量死亡。 ( 3 ) 富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的有害气体及 一些浮游生物产生的生物毒素都会对人体及水生生物产生毒害。某些藻类所含的 蛋白质毒素会富集在水产物体内，并通过食物链影响人体的健康，甚至使人中毒。 2 对人类及水生生物产生毒害作用。当水体中p h 较高时，氨态氮往往呈游 离氨的形式存在，游离氨对水体中的鱼类等水生生物皆会造成毒害作用，影响渔 业的发展，大大降低水体的经济价值。水体中由于硝化作用，氨氮会继续氧化成 亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，而亚硝酸盐与铵类作用会转化生成亚硝酸铵，亚硝酸铵 是一种强致癌、致变和致畸物质，严重威胁人体的健康。 3 消耗水体中的溶解氧，破坏水环境生态平衡。良好的水体内，各类水生 生物之间及水生生物与其生存环境之间保持着既相互依存又相互制约的密切关 系，处于良好的生态平衡状态。氨氮随污水排入水体后，会在硝化菌的作用下， 消耗水中的溶解氧，转化为硝酸盐。水体中氨氮愈多，消耗的溶解氧也愈多，严 重时会使鱼类等水生动物窒息死亡，导致水环境条件发生改变，破坏水环境的生 态平衡。 4 影响水源水质，增加水处理成本。当含有较高浓度氨氮的水体作为水源， 或对含氨氮较高的污水处理厂出水采用氯进行消毒时，氯的消耗量较大，成本高， 因此污水处理厂仅处理到氨化程度是不够的。由于氮的存在，水体发生富营养化 时，光合微生物( 大多数为藻类) 数量增加，因此增大了水处理设备被堵塞的可 能，运转周期缩短，从而增加了水处理的费用h 1 。 1 1 , 3 氮素污染的控制技术 水体一旦发生富营养化现象，很难恢复。因此，对尚未发生富营养化的水体 要积极防止，对已经发生富营养化的水体要妥善治理。防止和治理的关键是源头 控制与污染治理，即一方面减少含磷洗涤剂的生产、使用，减少化肥、农药使用， 在工业生产中推广“清洁生产 ；另一方面，对城市污水进行脱氮除磷处理，从 而减少排入水体的氮、磷元素。 为了全面消除水环境的严重污染，欧美等发达国家在2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代 开始全面普及污水二级处理。但由于二级生化处理均以去除有机物和悬浮固体为 目标，并不考虑对氮、磷等无机营养物质的去除。一般而言，城市污水经传统活 北京工业大学硕十学位论文 性污泥法等二级处理后，b o d 。去除率可达9 0 以上，但脱氮率一般仅为2 0 5 0 ， 出水总氮含量为l o - - , 3 0 m g l ，远远超出了富营养化的临界浓度。因此常规二级污 水处理的普及并不一定能够全面解决水污染问题。过去通常认为，富营养化只发 生在像湖泊这类水流速度十分缓慢的水体中，但2 0 世纪7 0 年代以来，在某些 水浅的急流河段，由于生活废水和工业废水的大量排入，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。因此强化已建或在建污水处理厂的处 理能力、提高污水深度处理普及率，是改善水环境和缓解水资源紧缺的必经之路。 在废水脱氮技术的研究、开发和应用中，涌现出了一大批行之有效的处理工 艺，构成了废水脱氮处理的技术体系。这些废水脱氮技术可分为物理化学法和生 物法两大类，其中物化法主要包括空气吹脱法、折点氯化法、选择性离子交换法、 磷酸铵镁沉淀法、反渗透法、电渗析法等。物化法脱氮通常只能去除氨氮；生物 法主要有传统的硝化一反硝化工艺及短程硝化一反硝化工艺、厌氧氨氧化等新工 艺。 1 2 生物脱氮原理 传统生物脱氮理论认为废水生物脱氮是硝化和反硝化菌参与的反应过程，将 氨氮最终转化为氮气而将其从废水中去除的。硝化和反硝化过程中所参与的微生 物种类不同转化的基质不同所需要的反应条件也不同，。污水的生物脱氮处理过 程，实际上是将氮在自然界中循环的基本原理应用于废水生物处理，并借助于不 同微生物的共同协调作用以及合理的人为运行控制，而将生物去碳过程中转化而 产生以及原污水中存在的氨氮转化为氮气而从污水中脱除的过程；首先在好氧条 件下，通过好氧硝化菌的作用，将污水中的氨氮氧化成亚硝酸盐氮或硝酸盐氮； 然后在缺氧条件下，利用反硝化菌( 脱氮菌) 将亚硝酸盐和硝酸盐还原成氮气从 污水中逸出。还有一部分氨氮被污泥吸附而去除。因此，污水的生物脱氮通常包 括氨氮的硝化和亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的反硝化两个阶段。 1 2 1 生物硝化 硝化反应是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程，它包括两个基本的反应步骤： 亚硝酸茵( n i t r o s o m o n a s ) 首先将氨氮转化为亚硝态氮( n 0 2 ) ；然后硝酸菌 ( n i t i 0 b a c t 盯) 将亚硝酸盐转化为硝酸盐( n 0 3 ) ，其中亚硝酸菌有亚硝酸氮胞菌属、 亚亚硝酸螺杆菌属等；硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸螺菌属和硝酸球菌属等。亚硝 酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用c 0 2 、c 0 3 2 一和h c 魄一等作为碳源，通过与 n h 。、n h 。+ 或n o ：一的氧化还原反应获得能量。硝化细菌的主要特征是生长速率低， 4 第一章绪论 这主要是由于氨氮和亚硝酸氮氧化过程产能低所致。硝化反应过程需要在好氧条 件下进行，并以氧作为电子受体。其反应方程式可以表示为： n i l 4 + 1 5 0 2j 0 2 - + h 2 0 + 2 h ( 卜1 ) 删3 + 0 5 q 专脚2 鲫 a g e = + 1 7 k j m 。z ( 1 2 ) 通常，把氨氮氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生物反应称为生物硝化作用，简 称硝化作用；把能够进行硝化作用的细菌称为硝化细菌。 从微生物学的角度看，氨是硝化细菌的营养物质( 电子供体) ，亚硝酸盐或 硝酸盐是硝化细菌的代谢产物，氧( 电子受体) 是硝化细菌必需的环境条件。系 统深入地研究硝化细菌的种类与特性，探明其生长所需的营养物质和环境条件， 将有助于废水硝化工艺的设计、操作和优化。 除了底物( 氨氮) 浓度对硝化速率的影响外，还有一些环境因素亦影响着 硝化速率。主要有以下几方面。 ( 1 ) 溶解氧 氧( 0 2 ) 是生物硝化作用中的电子受体，反应器中溶解氧浓度的大小必将影 响着硝化反应的速率。纳格尔和哈沃斯( n a g e l h o r t h ) 于1 9 6 9 年已发现当反 应器中溶解氧( d o ) 浓度超过i m g l 时，随着溶解浓度增加，相应氨氮的氧化速 率亦增加( 见图2 一1 ) 。同样，据华尔特等( w i l de ta 1 ) 1 9 7 1 年研究表明，当 反应器中溶解氧浓度大于i m g l 时，则对硝化过程无不良影响。 7 刁 槲 煅 ：丑 基 蓬i l f 憾 强 0 1 5 0 1 o 0 5 0 - ， 溶解氧浓度( r a g l ) 图i - i 溶解氧对硝化速度的影响 f i g u r e l id i s s o l v eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ne f f e c to nt h es p e e do f n i t r i f y i n g 溶解氧浓度 0 ： 和硝化菌比生长速率之间的关系，可以表示为： 鳓2 忆) 币 o 而d ( 1 3 ) 式中厄为( 氧影响) 半速率常数。= 0 1 2 m g 伤几，通常为0 1 0 4 m g 伤l 。 当 伤 届时，。( 。) 。 一般地，在活性污泥法曝气池中，溶解氧浓度至少保持不低于2 m g l 的水平。 在这种情况下，若在曝气池中考虑进行硝化过程，则溶解氧浓度对硝化过程的影 5 北京n 1 业大掌帧t 掌位论义 暑嬲曼量皇簟i i i i 一一一l l m l i i ! i 一, i i i i 鼍 响可不必再加以考虑阻1 。 ( 2 ) 温度 硝化反应豹最适宜溢度范围是3 0 - 一3 5o c ，湿度不但影响硝化菌的眈增长速 率，而且影响硝化菌的活性。亚硝酸菌的最大比增长速率值与温度的关系服从 a r r h e n i u s 方程，即温度每升高1 0 ( 2 ，a 值增加倍。在5 - - - 3 5 c 的范围内，硝 化反应速率隧温度的升高丽翔快。但到3 0 4 c 时增加幅度减少，这是因为当温度超 过3 0 c 时，蛋白质的变性降低了硝化菌的活性。当温度低于5 时，硝化细菌的 生命活动几乎停止。对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于1 5 。c 即发现硝化速率迅速降低。低温对硝化菌的抑制作用更为强烈，因此在低温1 2 王4 时常出现亚硝酸盐的积累n 。 温度对亚硝酸菌氧化氨氮的饱和常数和亚硝酸菌反应速率的影响可以表示 为： k 、，= 1 0 ( 8 粥烀l 醛8 ( 1 - 4 ) 鲰。= 0 ，4 7 e o - 0 9 8 卜” ( 卜5 ) 式中t 温度，： 脐硝化反应饱和系数，m g l ； 私舾。，谲度t 时亚硝仡细菌的最大眈生长速率，d - 。 ( 3 ) h i 值 在硝化作用中，反应器中溶液的p h 值对硝化茵的生长繁殖有很大影响。对 匝硝酸菌来说，在一定的温度下，为了达到最大的比生长速率，有一最佳的p h 值。在最佳蝉傻的环境下，硝化速度可达最大僮。最佳鹾值一般为8 0 - - 8 。4 。 当p h 值不在此范围内时，硝化速率将明显降低。低于6 和高于9 6 时，硝化反 应将停止进行。根据氨氮氧化的反应式可知，硝化反应中每消耗l g 氮氮要消耗 碱度7 1 4 9 ，如采污水氨氮浓度为2 0 m g l ，则需消耗碱度1 4 3 m g l 。一般污永对 予硝化反应来说，碱度往往是不够的，因此应投加必要的碱量以维持适宜的p h 值，保证硝化反应的正常进行。强p h 值为非最佳值时，硝化菌( 主要是亚硝化 茵) 的最大比生长速率( i i 。) 。和最佳p h 值时的最大比生长速率( 1 t 。) 。朋之 阆的关系n 蝣 燃) n p 觚) n j 珏 l + o 。0 4 1 0 ( p h 一p h ) - i ) ( i - 6 ) 式中( i l 。) 。运行p h 值时的硝化菌最大比生长速率，d 一； ( p 。) m 朋最佳p h 值时的硝化菌最大比生长速率，d 一； 照最佳滩值，对硝酸菌隽8 。0 - - - 8 4 ； p h 吨行p h 值。 ( 4 ) 污泥龄 为保诞连续流反应器中存活并维持一定数量耪性熊稳定的硝化菌，微生物在 6 第一章绪论 反应器的停留时间即污泥龄应大于硝化菌的最小世代期，硝化菌的最小世代期即 其最大比增长速率的倒数。由硝化反应动力学可知，脱氮工艺的污泥龄主要由亚 硝酸菌的世代期控制，因此污泥龄应根据亚硝酸菌的世代期来确定。实际运行中， 一般应取系统的污泥龄为硝化前最小世代期的两倍以上，并不得小于3 5 d ，为 保证一年四季都有充分的硝化反应，污泥龄应大于1 0 d 。较长的泥龄可增强硝化 反应的能力，并可减轻有毒物质的抑制作用。若有条件的话，可采用固着生长体 系( 生物膜) ，例如流化床或生物转盘等，以防止硝化菌的流失叭1 。 ( 5 ) b o d 。t k n 在活性污泥系统中，硝化菌只占活性污泥微生物的5 左右，这是因为与异养 型细菌相比，硝化菌的产率低、比增长速率小。而b o d 。t i ( n 值的不同，将会影响 到活性污泥系统中异养菌与硝化菌竞争底物和溶解氧，从而影响脱氮效果。一般 认为处理系统的b o d 负荷低于0 1 5 b o d 。( g m l s s d ) 时，处理系统的硝化反应才 能正常进行，即b o d 。t l ( n 比值越高硝化细菌所占的比率越低n 们。 ( 6 ) 重金属及有害物质。除重金属如汞、镉、铬、铜等外，对硝化反应产生 抑制作用的物质还有：高浓度的n h 。+ 一n 、高浓度的n o 。一n 、有机底物以及络合阳 离子等。 1 2 2 生物反硝化 反硝化反应是将硝化过程中产生的硝酸盐或者亚硝酸盐还原为n 2 的过程。 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 化反应过程中，反硝化菌需要有机碳源作为电子供体，利用的n 0 3 中的氧进行缺 氧呼吸n 2 1 。其反应过程可表示为： 5 c ( 有机碳) + 2 h ，0 + 4 n 0 a 一一2 m + 4 0 h 一+ 5 c 0 2 ( 1 7 ) 综上所述，从n 0 3 - n 还原为n 2 的过程经历了下列连续4 步反应过程： n 0 3 _ n 0 2 一_ n o _ n 2 0 j n 2 ( 1 8 ) 将硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气的生物反应，称为反硝化作用( d e n i t r i f i c - a t i o n ) ；能够进行反硝化作用的细菌，称为反硝化细菌( d e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ) 。反 硝化作用是反硝化细菌的厌氧呼吸过程，硝酸盐是电子受体，有机物是电子供体， 氮气是代谢产物。反硝化细菌是反硝化作用的持有者，探明反硝化细菌的种类与 特性，弄清它们的营养条件和环境条件，将有助于废水生物脱氮工艺的研究、开 发和应用。 与生物反硝化有关的环境因素，主要有以下几种。 ( 1 ) 碳源( 有机碳) 能为反硝化菌所利用的碳源较多，但从废水生物处理的生物脱氮工艺来看， 主要可分为如下三大类。 7 北京t 业大举硕士掌位论文 鼻冀鼍璺曼曼曼嬲兰曼皇鲁黑篁曼璺曼曼麓詈寡罡鼍黑鼍皇曼曼蔓黑曼皇i 一一。 i 一 一 一i i i i i i i i i i i i 一一 烹i 攀曼曼皇曼嬲皇曼鼍 废水中所含的有机碳源当废水中含有足够的有机碳源( b o d s 计) 可供生 物脱氮需用时，就不必另外投加碳源。当废水中b o d j t k n 大于3 5 时，即可认 为碳源充足丽满足瘦水生物脱氮的要求。 外加碳源当废水中所含的碳、氮比过低，即b o d t n 值小于3 5 时，在 废水生物脱氮过程中需要另外投加有机碳源n 舶。外加碳源大多采用甲醇( c h 。o h ) ， 因它被氧化分解焉的产物为c 氇和嚣茹，且戆获得最大的反硝优速率( 一般来说， 该速率约为无外加碳源的4 倍) 。 内碳源内碳源主要是指活性污泥微生物死亡、自溶后释放出来的有机 碳。其特点是反应器的泥龄( 微生物停留时间) 长或负荷率低，微生物处于生长 曲线的静止期后部或衰亡期，反应器容积较大。这种剩用内碳源的反硝化速率比 以上利用碳源方法要小的多。可是，当废水中碳氮比较低时，可无需另外投加碳 源而达到反硝化脱氮的目的。 ( 2 ) 温度 滠度对反硝化作用的影响比其他的废水生物处理过程要大些。对反硝化作用 来说，最适宜的运行温度是2 0 , - - , 4 0 。低予1 5 时，反硝化速率将明显下降， 丽在5 以下时，反硝化过程虽能进行，煎速率极低班争捂。 温度和反硝仡速率之间的关系可以用阿累尼乌颠( a r r h e n i u s ) 经验公式表 达。污水处理中常用的形式为： 群茹k o 矿2 0 ( 卜9 ) 其中，赫忍分别为c c 和2 0 时的反应速度常数； 口为温度系数，护随具体条件丽稍有变化，数值在l 。0 6 , - - , i 1 5 之间。 温度对反硝化作用的影响是由于低温时，反硝化菌的生长速率较低，同时菌 体的代谢速度也较低，从丽降低了反硝化速率。为了保证在低温下有良好的反硝 化效果，赦在冬季低瀣季节，可适当增大反硝化系统进行的泥龄，或减少负荷率 和增加废水停留时间。另外温度对生物膜法反硝化作用的影响，较悬浮污泥法小 此f l l 】 翟二 o ( 3 ) 雕值 在反硝化作用下，反应器中的州值也是一个重要的环境因素。对反硝化菌 的生长来说，最佳p h 值范围为6 5 7 5 。在此p h 值范围内，反硝化速率为最大。 当硼值不在最佳范围内，反硝化速率降低。不适宜的p h 值会影响反硝化菌 的生长速率和反硝化酶的活性。巍渊筐低予6 。o 或离子8 。0 ，反硝化反应将受到 强烈抑制。另外，反硝化反应会产生碱度，这有助于将p h 值保持在所需范围内， 并补充在硝化过程中消耗的一部分碱度。 溶液的豫僮同时决定着反鞘优过程形成豹最终气态产物，当雕越过7 0 以 上时，n ：是n 0 3 - n 还原的主要产物；当p 珏低于7 o 以下时，n o 和 2 0 将是n o 捌 第一章绪论 还原的主要产物。而n o 和n ：o ( n 。o ) 一方面是环境产物：另一方面n 。o 对反硝化 菌还有一定的抑制性，特别是反硝化工艺为活性污泥法时，n 。o 的积累还可能引 起污泥膨胀n 纠羽。因此，对于反硝化系统，建议溶液的p h 值应控制在大于7 0 为宜。 ( 4 ) 溶解氧 反硝化菌是一类异养型兼性厌氧菌，它需要在缺氧条件下生活。如果反应器 的溶解氧过多，将会对反硝化菌的异化作用产生抑制。通过抑制硝酸盐还原酶的 形成，或充当电子受体，从而竞争性地阻碍了硝酸氮的还原。 虽然氧对反硝化脱氮有抑制作用，但它对反硝化菌本身并非如此。因为反硝 化菌属兼性厌氧菌，故菌体内某些酶系统组成在有氧情况下才能合成。为此，在 工艺流程中，总是使这些反硝化菌交替处于厌氧、好氧的环境下生长。一般来说， 在悬浮污泥法反硝化系统中，缺氧段( 反硝化反应器) 的溶解氧应控制在o 5 m g l 以下，否则会影响反硝化的正常进行。 1 3 脱氮及技术现状 从废水中脱氮的方法有许多种，如吹脱法、折点氯化法、离子交换法和生物 化学法。但目前普遍认为生物化学法是城市污水脱氮最为经济和有效的方法。污 水生物脱氮技术是7 0 年代在美国和南非等国的水处理专家们在化学、催化和生 物方法研究的基础上提出的一种经济有效的处理技术，该技术由于处理过程可 靠，处理成本低，操作管理方便等优点而被广泛使用。微生物脱氮技术按微生物 在系统中的不同状态，可分为活性污泥法和生物膜法，通过设立好氧区、厌氧区 来实现硝化、反硝化以达到脱氮目的。具体的生物脱氮工艺简述如下： 1 3 1a o 工艺 1 w u h n n a n n 工艺 废水生物脱氮工艺的研究开始于1 9 3 0 年，w u h r m a n n 确认在生物滤池内发生 了硝化反应，并建立了“脱氮菌还原硝酸盐作为供氢体有效利用细胞内物质的生 物脱氮法，并开创了w u h r m a n n 处理法，流程遵循硝化、反硝化的顺序设置， 主反应区按功能分成两段：好氧区和缺氧区，好氧反应器主要进行含碳有机物的 氧化，氨氮的硝化；缺氧反应器的作用是反硝化脱氮由于反硝化脱氮过程需要碳 源，而这种后置反硝化工艺是以微生物的内源代谢质作为碳源，所以反硝化速率 较慢；该工艺不需要填加碳源，但如原废水的含氮量较高，会导致缺氧池容积大， 而且污水进入系统的第一级就进行好氧反应，能耗太高，出水s s 较高，因此该 9 北京工业大学硕1 ：学位论文 意耀曼量曹黑曼曼皇燃舅曼i i i 一, ! iiiiiii, i 燃篡曼皇曼靶曼曼舅黧曼曼 工艺在工程上难以实用，但它为以后脱氮除磷工艺的发展奠定了基础。 2 l u d z a c k e t t i n g e r 脱氮工艺 1 9 6 2 年l u z a c k 和e t t i n g e r 等首次提出了翦置反硝化工艺，将缺氧段置予工 艺的第一级，直接利用污水中的有机物作为反硝化的碳源，解决了碳源不足的问 题。生物脱氮是由硝化和反硝化两个生化过程完成的，污水先在好氧池( o x i c ) 中 进行硝化，使含氮有机物被有机物分解成氨，氨避一步转化力硝态氮，然蜃在缺 氧池中进行反硝化。硝态氮还原成氮气溢出。但好氧池的硝酸氮也会被携带至沉 淀池，影响沉淀池水质。它可以认为是a 0 工艺的前身，如图1 - 2 所示： 至此，生物脱氮工艺得到了长足的发展和完善。b a m a r d 对a 内工艺进行了 重大改进( 增加了内回流) ，其后相继出现了o r b a l ，b a r d e n p h o ，u c t , s b r 、s h a r o n ， g l a n d 工艺等，并被广一泛应用于城市污水和工业废水中的营养物的去除。这 些工艺从碳源来分，可分为外碳源工艺和内碳源工艺；从硝化和反硝化过程在工 艺流程中的位置来分，可以分必传统工艺和翁置反硝化工艺：麸处理工艺中微生 物的状态来分，可以分为悬浮生长型和附着生长型。 睡i - 2l u d z a e k - e t t i n g e r 工艺流程圈 f i g u r e1 - 2t h er e g u l a t i o nd r a w i n go f l u d z a c k - e r m g e r 诎 3 a 0 工艺 1 9 7 3 年，b a r n a r d 又提出改良型l u d z a c k - e t t i n g e r 脱氮工艺，印广泛应用的 缺氧一好氧( a o ) 工艺，它增加了内回流，即好氯池的混合液和沉淀盾的污泥同 时回流到缺氧池，这样，回流液中的大量硝酸盐回流到缺氧池后，可以从原污水 得到充足的有机物，使反硝优脱氮得以充分进行。从而使a 0 工艺进入了王监化 实用阶段。a o 法不能同时脱氮除磷。如图卜3 所示。 混禽濠豳滤 进承；，匝m - f c x da oc r a f t 1 3 2 氧化沟工艺 c a r r o u s e l 氧化沟、0 r b a l 氧化沟和三沟式氧化沟的工艺原理是利用间歇的 好氧、缺氧变化达到硝化、反硝化脱氮的目的。在环状的氧化沟中一点或多点设 置曝气机，污泥沿氧化沟循环流动，在曝气机的下游为好氧区，以进行除碳和硝 化；远离曝气机的硝酸盐进行反硝化。氧化沟的能源及运行成本较低，但占地面 积大。 北京工业大学硕十学位论文 1 3 3s b r 工艺 s b r 法作为一种较早的活性污泥处理系统，随着自动化技术的提高加上其自 身的许多独到之处在近年来愈发受到重视，近年来在其基础上又开发了如c a s s 、 i