（环境科学专业论文）两段sbr法去除味精废水有机物及短程硝化反硝化研究.pdf

s t u d y o nm o n s o d i u m g l u t a m a t e ( m g ) w a s t e w a t e r f o rr e m o v a lo f o r g a n i c s a n ds 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 ni na t w o - - s t a g es b rp r o c e s s m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：z h a n g h a n g s u p e r v i s e r ：l e ih e n g 一) ，i a b s t r a c t u s i n gat w o s t a g e s b r p r o c e s s f o rt h et r e a t m e n to fm gw a s t e w a t e rw a s s t u d i e di n t h i s p a p e r , m o s t o fo r g a n i c sw a sr e m o v e di nt h ef i r s t s t a g e s b r r e a c t o r ( s b r l ) u n d e rs h o r tt i m e a n d h i g hl o a d i n gc o n d i t i o n ；t h e s e c o n d s t a g e s b i v s b r 2 ) w a s c o n t r o l l e dt on i t r i t e - t y p en i t r i f i c a t i o nf o rh i g he f f i c i e n c yr e m o v a lo f n i t r o g e n s h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o nw a sr e a l i z e di nt h ee x p e r i m e n t b a s e do ni t ，t h ef a c t o r s w h i c hi n f l u e n c e dn i t r i t e - t y p en i t r i f i c a t i o na n dt h ef e a s i b i l i t yo f a p p l y i n gd o a n dp h v a l u ea sc o n t r o l p a r a m e t e r o f s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o nw e r e a n a l y z e d t h eb e s tt e c h n i c a lp a r a m e t e ra n do p e r a t i n gc o n d i t i o nw a sc o n f i r m e d a c c o r d i n g t o e m p h a t i c a l l yi n v e s t i g a t i n gt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dr e m o v a le f f i c i e n c i e so f c o r ) c ra n dn h s - ns u c ha sd o ，p h ，e t c t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tf r e e e f f l u e n tq u a l i t yw a sr e c e i v e dw h e nt h ei n t l u e n tp hw a sa m o n g8 5 9 0 d i s s o l v e d o x y g e nw e r e1 0 m g l ，2 5 m e j la n dc o d c ra n dn h s - nl o a dw e r e l 8 k g c o d uk g m l s s d ，o 。3 k g n h s - n k g m l s s dr e s p e c t i v e l y i ns b r la n ds b r 2 。t w ok i n d so f b i o m a s sw i t hd i f f e r e n tf u n c t i o ne x i s t e di nt h e d i f f e r e n t r e a c t o r s ，w h i c hw a s b e n e f i c i a lt oi m p r o v et h et r e a t m e n te f f i c i e n c y e f f l u e n tb a s i c a l l yr e a c h e df i r s td i s c h a r g es t a n d a r do f 、h en a t i o n a lg b 8 9 7 8 - 19 9 6 t h er e m o v a lr a t ew a s9 3 f o rc o d c ，9 6 f o rn h 3 - na n d n i t r i t e t y p e i i n i t r i f i c a t i o nw a s s t e a d i l yk e p tu n d e ro p t i m u m c o n d i t i o n i na d d i t i o n , t h em e c h a n i s mo f b i o l o g i c a lr e a c t i o nw a s d i s c u s s e dt h r o u g hk i n e t i c e q u a t i o na t t e m p t i n gt oo f f e rt h et h e o r e t i c ma n dp r a c t i c a lr e f e r e n c et oe n g i n e e r i n g a p p l i a n c e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tat w o s t a g es b r p r o c e s sc o m b i n e dt h em e r k s o fa b a n ds b r p r o c e s sa n da d o p t e dn e wt e c h n o l o g yo f nr e m o v a l i ti sah i g he f f i c i e n c y a n dl o wc o n s u m p t i o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sa n df e a s i b l ef o rt r e a t m e n to n i n d u s t r yw a s t e w a t e r t h a tc o n t a i n sh i g hc o n c e n t r a t i o no f c o d c fa n dn h 3 - n k e y w o r d s ：at w o s t a g es b rp r o c e s s ，m gw a s t e w a t e r , s h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n 两段s b r 法去除味精废水有机物披短程硝化反硝化研究第1 章 1 1 味精废水概述 第1 章绪论 1 1 1 味精废水的来源和水质特点 味精行业是我国发酵的主要行业之一，2 0 0 2 年我国味精的生产量己超过 1 0 0 万吨，随着味精生产的不断发展，其废水排放量不断增加，不但污染周围 环境，损坏企业形象，而且每年还要交付大量排污费，给企业造成沉重的负担， 因此寻找经济、高效的味精废水治理方法，对保护环境、味精企业的可持续发 展都有重要的意义。 味精生产通常是以大米、淀粉、糖蜜为主要原料，经过淀粉糖化、谷氨酸 发酵等工序，分离提取谷氨酸，再精制获得味精产品。味精生产其废水主要来 自：原料处理后剩下的废渣；发酵液经提取谷氨酸( 去酸) 后废母液或离 子交换尾液；生产过程中各种设备( 调浆罐、液化罐、糖化罐、发酵罐、提取 罐等) 的洗涤水；离子交换树脂洗涤与再生废水；液化( 9 5 ) 至糖化( 6 0 。c ) 再至发酵( 3 0 ) 等各阶段的冷却水；各种冷凝水( 液化、糖化、浓缩等工艺) 【”。 在以上6 个污染源中，发酵废母液或离子交换尾液虽占总废水量的比例较 小，但是污染c o d c ，负荷高达3 0 0 0 0 7 0 0 0 0 m g l ，p h 值低( 废母液p h = 3 2 ， 离子交换尾液p h = 1 8 2 o ) ，而且含有高浓度的n h 3 - n 、s 0 4 2 。和悬浮物菌丝 体蛋白，是味精行业较难处理的高浓度有机废水；属于中浓度有机废水的洗涤 水、冲洗水，其排放量大( 1 0 0 1 5 0 t t 产品) ，污染c o d c ，负荷为1 0 0 0 2 0 0 0 m g l ，相当于啤酒行业的废水污染负荷，也应设法治理；冷却水和冷凝水 基本无污染。味精生产主要污染物、污染负荷和排放量可见下表1 1 。 1 1 2 味精废水的治理研究 从总体上来说，味精废水处理一般包括两大部分：一是预处理，常用物化 方法：二是后续处理，常采用生物处理方法。 l 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化反硝化研究第1 章 ( 一) 预处理 味精废水通过预处理可以去除水体中的悬浮物和c o d c ，提取废水中的谷 氨酸菌体蛋白生产饲料或有机肥料，达到资源化的目的。常用物化方法进行处 理，如离心分离、絮凝沉淀、超滤和蒸发浓缩，各种方法的效果见表l 一2 。 表1 2 物化方法处理味精废水效果 2 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化反硝化研究第1 章 ( - - ) 后续生物处理 1 、厌氧生物处理 厌氧发酵是处理高浓度有机废水常用的方法，它具有能耗低，负荷高，可 以产沼气回收能源等优点。但味精废水含高有浓度n h 3 - n ，s o 。 ，在厌氧环境 下对甲烷菌具有毒害和抑制作用，所以一般采用预先脱硫脱氨，稀释进水或采 用生物膜技术来减少影响。味精废水厌氧处理中常用反应器有上流式厌氧污泥 床( u a s b ) ，厌氧复合生物反应器( u b f ) 和厌氧发酵罐，处理负荷及效果见 表1 3 。 表1 3 味精废水厌氧发酵的处理效果 2 、水解酸化法 由于味精废水中高n h 3 - n 、c i 。、s 0 4 2 - 对甲烷菌有抑制作用及沼气产生利用 价值不高，研究者尝试以厌氧水解( 酸化) 取代厌氧发酵。产酸菌世代周期短， 对温度、p h 值以及有机负荷的适应性均强于甲烷菌，保证了其高效运行。周群 英 2 l 、n ne g l 等对此进行了研究，c o d c ，的总去除率可达9 0 以上。 3 、藻菌共生法 藻菌共生法是味精废水经提取谷氨酸菌体、酵母发酵、厌氧发酵等处理后 的一种后续处理法。在细菌作用下，有机物氧化分解成简单的无机物如c 0 2 、 h 2 0 、n 0 3 。、s 0 4 2 。、p 0 4 。、n h 3 等并释放能量，藻类在其生长繁殖过程中吸收 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化反硝化研究第1 章 c 0 2 、h 2 0 、n 0 3 、p 0 4 3 - 等物质并放出氧气，从而使废水中有机杂质减少，溶 解氧增加，水体得到进步净化。刘庆余等 3 进 亍了这方面的研究，获得了较 好的初步结果。但此系统的处理效果受预处理的影响较大，进水c o d 。，浓度越 高，处理效果越差。他们进一步将超滤技术用于截留藻菌共生系统处理液中的 藻和菌体，从而避免的二次污染 4 1 。 4 、好氧生物处理 好氧生物处理一般不直接处理发酵废液，只是作为整个处理流程的后续处 理手段。目前较常用的有s b r 法，a b 法、接触氧化法、光合细菌法等。 陈亮5 1 研究了s b r 活性污泥法对c o d c t 浓度为2 7 5 0 m g l 味精废水的处理 效果，试验表明：在o 2 - - , 0 4 k g c o d o k g m l s s d 的有机负荷下，通过7 h 的缺氧 一好氧交替反应，出水c o d 。、氨氮均达到轻工业部颁发的味精行业废水排放 标准。杨琦等人【6 】采用s b r 对经厌氧u b f 后味精废水进行研究，经过好氧、厌 氧、再好氧、再厌氧的运行，出水c o d 。浓度达到了行业排放标准3 5 0 m g l 以 下。周口味精厂 7 培河南莲花味精厂【8 1 在味精废水处理工艺中也采用了s b r 工 艺，并取得了良好的处理效果。 接触氧化法也是味精废水好氧处理中较为常见的方法，它能避免活性污泥 法处理高浓度有机废水时因污泥膨胀而引发的运行问题。罗楠 9 l 以水解一两级 接触氧化工艺处理味精废水，停留时间3 6 h ，c o d c f 去除率达9 3 ，出水达到行 业排放标准。 光合细菌法( p s b ) 是污水生物处理领域的一种新方法。它具有有机负荷 高、动力能耗省、氮磷去除效果好、污泥菌体蛋白含量高和综合利用价值高等 特点，适用于较高浓度的有机废水处理。王菲凤在试验中发现，光合细菌在好 氧条件下对味精废水( 废水未经水解酸化处理) 有良好的降解作用，当进水c o d 。 为1 0 9 l 左右时，c o d c r 去除率可达8 5 9 0 。 程树培采用一种新型生物反应器外循环气升式反应器( e a l r ) 进行光 合细菌处理味精废水研究。此工艺结构简单、操作方便、效率高，得到的菌体 蛋白含量高达6 7 2 ，利用价值高，极具前景。 上述处理方法都取得了一定的效果，并且有些方法的出水水质相当理想。 其中s b r 法与其它方法相比，具有造价低、流程简单、运行灵活、自动化程度 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化，反硝化研究第1 章 高、耐冲击负荷和处理效果好等优点，因此在味精废水的后续处理中的到了广 泛的应用，并随着水污染治理技术的发展得到了进一步的改进和研究。 1 2s b r 工艺的研究 序批式活性污泥法( s b r s e q u e n c i n gb a c hr e a c t o r ) 是活性污泥法的 先驱。早在1 9 1 4 年英国学者a r d e r n 和l o c k e t t 发明活性污泥法之时，首先采 用的水处理工艺。但受到当时的自动控制和监测水平的限制，这种间歇操作的 方式只适用于小规模的污水处理，使其未能得到应用和发展。 7 0 年代初，随着监测和测试技术的飞速发展，大量新设备被研制出来，如 电动阀、气动阀、电磁阀、水位计、泥位计、流量计、自动计时器，特别由于 自动化、计算机等高新技术的迅速发展以及在污水处理领域的普及与应用，此 项技术获得重大进展，使得s b r 的运行管理也逐渐实现了自动化。美国n a t r e d a m e 大学的r i r v i n e 教授采用实验室规模对s b r 工艺进行了系统深入的研究 “”，并于1 9 8 0 年在美国环保局( e p a ) 的资助下，在印地安那州的c u l v e r 城改 建并投产了世界上第一个s b r 法污水处理厂。我国也于8 0 年代中期开始对s b r 进行研究，目前s b r 工艺在农产品加工、屠宰、酿造、制药、印染、化工等工 业废水的处理中都得到了成功的应用“。 1 2 1s b r 工艺原理及特点 s b r 工艺是通过在时间上的交替实现传统活性污泥工艺的整个过程，它在 流程上只有一个基本单元，将调节池、曝气池和二沉池的功能集中在该池子上， 兼有水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离等功能。经典的s b r 反应器 的运行过程分五个阶段：进水阶段加入基质、曝气阶段基质降解、沉 淀阶段泥水分离、排放阶段排上清液、闲置阶段活性恢复。见图 1 1 。 在进水阶段，曝气池在一定程度上起到均衡水质、水量的作用，因而，s b r 对水质、水量的波动有一定的适应性。反应阶段是s b r 最主要阶段，污染物在 此阶段通过微生物的降解作用得以去除。沉淀阶段相当于传统活性污泥法的二 次沉淀池的功能，停止曝气和搅拌，使混合液处于静止状态，完成泥水分离， 曲段s b r 法去除味精泼水有机物及短程硝化反硝化研究第1 辛 静止沉淀效果良好。经过沉淀分离后的上清液即可排出，排放阶段结束时水位 下降至设计最低水位。然后曝气池处于闲置阶段，可通过曝气使有机物进一步 分解，并等待下个周期的开始【1 3 | 。 进水曝气沉淀滗水待机 儡| 图目口 图1 1 经典s b r 反应器的运行过程 s b r 工艺适合当前生物处理工艺的发展趋势，属简易、高效、低耗的污水 处理工艺。与连续式活性污泥系统存在一定的区蹦，并且有其独特的特点。通 过分析将s b r 反应器的众多优点归纳为表1 4 。 表l 一4s b r 优点的汇总和分析 优点机理 沉淀性能好 有机物去除效率高 提高难降解废水的处理效率 抑制丝状菌膨胀 可以除磷脱氮不需要新增反应器 不需要_ 二沉池和污泥回流，工艺简单 理想沉淀理论 理想摧流理论 多样性的生态环境( 出现扶氧、缺氧和好氧状态多种状态) 选择性准则 生态的多样性( 出现厌氧、缺氧和好氧状态多种状态) 结构本身特点 1 2 2s b r 工艺的新发展 随着s b r 工艺在工程中的应用，在普通s b r 工艺技术的基础上，开发了多 种s b r 变型新工艺，这些工艺在脱氮除磷、处理难降解和有毒污染物等方面有 了一定的改进，但由于时间较短，目前这些技术还停留在研究和小规模应用阶 段。 l 、厌氧序批式反应器( a s b r ) 厌氧序批式反应器( a n a e r o b i c s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 是最近几年由 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化反硝化研究第1 章 d a g u e 和c i w o r k s 在i o w a s t a t e 大学开发的。s u n g 和d a g u e 发表了a s b r 工艺的 基本原理，随后s u n g 和d a g u e 5 1 ( 1 9 9 5 年) ，w i r t z 和d a g u e 1 6 1 在中温条件下对 a s b r 处理高浓度的工业废水和农业废水进行了研究，取得良好处理效果。 r i c h a r dd a g u e 和b a n i k ”1 在此基础上，研究厌氧s b r 法在低温条件( t 2 5 。c ) ， 处理稀释废水( c o d c 。 1 0 0 0 m g l ) ，认为其具有其他厌氧工艺所不具备的优势。 国内学者也在做这方面的研究，并将它与s b r 组合，取得了很好的效果。付莉 燕，钱易等用a s b r + s b r 处理染料废水对染料的平均去除率为8 1 9 2 5 ， 对c o d c r 的平均去除率为8 9 4 9 3 1 ；郑晓英用a s b r + s b r 处理垃圾渗滤 液，a s b r 的c o d c r 去除率最高为5 8 9 ，s b r 的c o d 。去除率最高为6 6 5 ， n h 3 - n 总去除率最高为8 3 5 。 2 、改良式序列间歇反应器( m s b r ) m s b r ( m o d i f i e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 是c q y a n g 等人根据s b r 技术 特点，结合传统活性污泥法技术，研究开发的种更为理想的污水处理系统。 外形上通常设计成一矩形，分成三个主要部分：曝气格和两个交替序批处理格。 主曝气格在整个运行周期中保持连续曝气，而每半个周期过程中，两个序批处理 格分别交替作为s b r 池和澄清池，它实质上是a 2 o 工艺与s b r 工艺串联而成， 运行方式为连续进水、连续出水1 1 9 1 1 加1 。目前，m s b r 系统主要在北美和南美应 用，韩国汉城建造了亚洲第一座采用该工艺的污水处理厂，而深圳市盐田污水 处理厂 2 1 1 是国内建设的首座采用该工艺的城市污水处理厂，近期污水处理规模 1 2 万m 。d ，远期规模2 0 万m d 。 3 、序批式生物膜反应器( b s b r ) b s b r ( b i o f i l ms e q u e c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ) 是在普通s b r 池中装 置填料，由s b r 法和接触氧化法相结合组成的新工艺。王乾杨等人采用膜法 s b r 工艺处理制革废水，具有出水效果好，产生污泥少，抗冲击能力强等特点 【2 2 1 。詹伯君等采用立体填料的膜法s b r 处理印染工业废水工程实例，具有启动 快，管理方便，投资省的特点【2 3 1 。 在实际应用中还发展了p a c s b r ( 投加活性炭的s b p o 和添加其它软性填 料的s b r 。向s b r 系统中活性碳等介质，不仅可以增加污泥的密度，改善污泥 沉降性能，而且可以增大污泥的比表面积，提高对基质的吸附作用，减小有毒 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化反硝化研究第1 章 难降解污染物对生物的抑制作用，进一步改善出水水质。a r t h u rb i n d e r 等人投 加活性碳s b r 处理含氰化物、苯、甲苯类物质的杀虫剂和除草剂废水，该法证 明对t s s 、b o d 5 、t o c 的去除是一种有效的方法，但处理有毒物质( 如杀虫 剂、氰化物) 需要预处理( 2 4 1 。 4 、多段s b r 工艺 多段s b r 最常用的是两段和三段s b r 。两段s b r 是由两个s b r 池串联而成， 在两个分开的s b r 反应器中，有利于培养出适宜于不同基质降解的专性菌，从而 使不同种类的物质在各自相适应的生化条件下都得到充分降解。 5 、连续流序批式活性污泥法 传统的s b r 工艺是完全间歇式运行，即周期进水，周期排水及周期曝气。 近年来，出现了一种新的s b r 运行方式：连续进水，周期排水，周期曝气。以 这种运行方式的s b r 工艺有很多，如i c e a s ，i d e a ，t c b f 等。以t c b f 为 例，与传统的s b r 作比较。连续流序批式活性污泥法( t c b f ) 2 5 1 由厌氧区、主 曝气区、序批区、缺氧区及回流污泥沉淀区组成。传统的s b r 反应器是间歇进 水、间歇排水，池中水位是变化的，反应容积得不到充分利用。t c b f 连续进 出水，可以处理大流量的污水。并且t c b f 系统主反应单元约占整个池体的二 分之一，混合与曝气设备都是连续工作的，因此设备利用率高，处理同等水量 的污水，t c b f 比普通s b r 节省基建投资 2 6 1 。 1 2 3 两段s b r 工艺研究 在s b r 工艺的新发展中，各种工艺各有其特点与应用。对于二级s b r 工 艺，主要有以下研究报道。 一般，两段s b r 工艺主要应用于高浓度的有机废水的处理。因为单级s b r 工艺中微生物利用大量易于降解的有机物后，对其它较难降解的有机物的利用 能力会大大下降，即产生“葡萄糖效应”，使难降解有机物得不到充分降解。而 两段s b r 工艺使其分开在两个不同的反应器中进行，大大提高了有机物去除 率。张鸿华、方士等人口7 1 在处理高浓度的味精废水和彭永臻等人处理石油化 工废水时都采用了两段s b r 法，第一段主要去除易生物降解物质，第二段去除 难降解有机物质，试验证明两段s b r 法克服了普通s b r 法中产生的“葡萄糖 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化，反硝化研究第1 章 效应”，缩短了反应时间，提高了处理效率，其中s b r i 反应器中有机质降解呈 零级反应动力学关系，在s b r 2 反应器中有机质降解呈一级反应动力学关系。 龙北生等人【2 9 】贝u 采用两种两级s b r 工艺除磷脱氮。通过合理控制操作过程， 可望从根本上解决单级生物除磷脱氮系统中的泥龄问题、厌氧区的硝酸盐问题、 有机物对硝化作用的抑制问题和好氧时间长能耗较高的问题等，从而可大大提 高系统除磷脱氮效果和稳定性。 蔡木林等人采用二级s b r 法处理高浓度氨氮化工废水，该工艺主要由硝 化s b r 和反硝化s b r 反应器构成。结果表明，在h r t 为2 4 h 的条件下，二级 s b r 法能处理n h 3 - n 为6 0 0 7 6 0 m g l 的化工废水，使n h 3 - n 和t n 去除率分 别为9 8 5 和9 8 以上，显示了对高浓度的n h 3 - n 去除的较大潜力。 陈韬等人口1 比较了两段s b r 法与普通s b r 法处理宾馆污水的效果，结果表明 这两种方法的c o d 。，去除率相当，两段法的出水水质稍好，波动更小一些，而 且周期更短，能耗更低。 应用两段s b r 同时去除较高浓度有机物和氨氮的研究目前还较少，国内仅 有曾薇等人3 2 在化工废水的处理中有所报道，且缺乏系统的理论和研究，还需 进一步深入探讨。 1 3 污水生物脱氮技术研究 1 3 1 生物脱氮原理 污水中氮主要以氨氮和有机氮形式存在，生物处理中去除氮包括被同化成 新细胞以及通过硝化、反硝化转化为分子氮气并逸入大气。同化合成细胞的去 氮量很少，生物处理中主要通过氨氮的硝化和亚硝酸盐氮及硝酸盐氮的反硝化 两个阶段去除水中氮。 1 、硝化反应 硝化反应由一类自养好氧菌完成，它包括两个步骤：第一步称为亚硝化过 程，是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸赫，亚硝酸菌中有亚硝酸单孢菌属、亚 硝酸螺酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属：第二步称为硝化过程，由硝酸菌( 硝酸杆 菌、螺菌属和球菌属) 将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。亚硝酸菌和硝酸菌统 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化，反硝化研究第1 章 称为硝化菌，都是利用无机碳如c 0 32 、h c 0 3 - 和c 0 2 作为碳源，从n h 3 、n h 4 + 或n o 的氧化反应中获得自身新陈代谢的能量。 反应过程如下： n h 4 + + 1 3 8 2 0 2 型i 堕_ 2 w + 2 h 2 0 + n 0 2 一+ 3 0 9 5 k j ( 1 1 ) n 0 2 + 0 5 0 2 堕堕堕_ n 0 3 。 + 1 0 0 5 k ( 1 2 ) 由反应机理可以看出，将l g n h 3 - n 氧化成n 0 3 一n 所释放的能量是n 0 2 。- n 氧化成n 0 3 n 所释放能量的三倍。所以在反应器内没有抑制物的情况下，第二 步反应速率将大于第一步，中间产物n 0 2 - - n 将不会积累。也就是说，在两步反 应中，控制步骤反应是n h 3 氧化成n 0 2 - n 的步骤，而不是n 0 2 - n 氧化成 n o s - n 。 硝化反应的总反应式为： 2 2 n h 4 + + 3 7 0 2 + 5 c 0 2 马c 5 h 7 0 2 n + 2 1 n 0 3 + 1 9 h 2 0 + 4 3 一( 1 - 3 ) 每氧化1g n 地+ - n ，需消耗0 2 3 8 4 9 ，其中n h 4 + - n 成n 1 - n 消耗0 2 为3 4 3 9 ， n 0 2 一- n 氧化为n 0 3 一一n 需消耗1 1 4 9 0 2 ，消耗碱度( 以c a c 0 3 计) 约为6 9 8 9 。说 明废水中若无足够碱度来缓冲的话，硝化反应将使系统环境的p h 降低。 2 、反硝化反应 反硝化反应是由一群异氧型兼性厌氧微生物完成的，将硝酸盐或亚硝酸赫 还原成气态氮，反应在缺氧的条件下进行。反硝化菌在自然界很普遍，它们能 在缺氧条件下，利用有机底物( 碳源) 作为反硝化的电子供体。其反应式为： 6 n o s + 2 c r l 3 0 h 塑马6 n 0 2 + 2 c 0 2 + 4 h 2 0 ( 1 - 4 ) 6 n 0 2 + 2 c h 3 0 h 些马3 n 2 + 3 c 0 2 + 3 h 2 0 + 6 0 h ( 1 - 5 ) 总方程式为： 6 n 0 3 + 5 c h 3 0 h 墅旦坐堕斗3 n 2 + 5 c 0 2 + 7 h 2 0 + 6 0 r( 1 - 6 ) 出计算可知，每还原1 9 n 0 3 。- n 需消耗2 , 4 7 9 甲醇，约合3 7 9c o d c ，并产 生3 5 7 9 c a c o s ，可弥补硝化过程中消耗的部分碱度。 综上所述，生物硝化和反硝化的过程特性见表1 - - 5 。 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化，反硝化研究第1 章 微生物燃 能源有机物 ，氧曼、 o ： ( h 受体) 。 碱度没有变化 n i t r o s o m o n a sn i t r o b a c t e r 自养型细菌自养型细菌 化学能化学能 0 20 2 氧化l m g n h 4 + 一 n 需氧7 1 4 r a g 没有变化 的碱度 兼氧菌 异氧犁细菌 有机物 n 0 2 一、n 0 3 还原l m g 需n 0 2 - n 、 n 0 3 - n 生成3 ，7 5 9 碱度 耗笏孽凳靴一l m g n 地h 4 + - 篙溢兰器三 硝化和反硝化反应的进行是受一定制约的。一方面，自养硝化菌在大量有 机物存在的条件下，对氧气的竞争不如好氧异氧菌，从而导致异氧菌占优势： 另一方面，反硝化需要提供适当的电子供体，通常为有机物。这种两难的处境 在氨氮浓度较高的废水中表现较为明显。为了从各个方面突破生物脱氮的困境， 国内外学者进行了大量理论和试验研究，发现了一些与传统生物脱氮理论不同 的生物脱氮新途径，其中短程硝化生物脱氮颇受重视。 1 3 2 短程硝化反硝化生物脱氮 短程硝化反硝化生物脱氮的原理就是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，阻 止n 0 。一的进一步硝化，然后直接进行反硝化。脱氮途径如1 2 所示。 d o 碱度d o有机物碱度有机物碱度 n h 4 + 0 2 一嘲0 3 各n o i 彳n 2 亚硝化菌硝化菌脱氮菌脱氮菌 卜+ _ 硝化阶段反硝化阶段 1 2a 传统硝化反硝化生物脱氮途径 两段s b r 法主除味精废水有机物及短程硝化反硝化研究第1 章 d o 碱度有机物碱度 n h 。+ n o ，- 么 n ， 亚硝化菌脱氮菌 h _ h 硝化阶段 。 反硝化阶段 图l - - 2b 短程硝化反硝化生物脱氮途径 早在1 9 7 5 年v o e t ”1 就发现亚硝酸盐在硝化过程中的积累现象，并首先提 出了短程硝化一反硝化的概念，1 9 8 6 年s u t h e r s o n 3 4 1 等经小试证明了经n o , 一途 径进行生物脱氮的可行性。 传统生物脱氮之所以要将氨氮完全氧化成硝酸，主要基于以下几个方面原 因：( 1 ) 亚硝化产物h n o 。是“三致”物质，且具有一定耗氧性；( 2 ) 亚硝酸 菌和硝酸菌在歼放体系中这两类菌普遍存在，并生活在一起，彼此有利，因此 难以单独存在：( 3 ) 氨氧化为亚硝酸的速率较亚硝酸氧化为硝酸速率快，在 n h 。一h n o ，中，亚硝酸的形成是限速步骤，所以通常硝化产物为硝酸，亚硝酸浓 度很低。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着高氨低碳源废水处理过程中所反映的一系列 问题和短程生物脱氮的再次提出，又促使人们重新审视传统生物脱氮的过程， 并围绕短程生物脱氮的可行性进行了大量实验研究和工程实践。亚硝酸型生物 脱氮的技术具有以下优点：( 1 ) 缩短了反应时间，尤其在反硝化阶段，n o 。一一n 还 原成n o 。n 是反硝化的限速步骤，n o 。一n 反硝化比n 0 。一一n 反硝化的速率慢2 倍； ( 2 ) 加快了反应速率，亚硝化菌与硝化菌所需的最佳p h 环境不同，硝酸型硝化 时，亚硝化菌势必处于非最佳p h 条件，影响亚硝化菌活性，适宜亚硝化型硝化 的条件加速了硝化速率；( 3 ) 可节省供氧量约2 5 。降低能耗；( 4 ) 节省反硝 化所需碳源4 0 ，在c n 比一定的情况下提高t n 去除率；( 5 ) 减少污泥生成 量5 0 。 短程硝化反硝化技术若能成功的实施应用，可望大大降低生物脱氮工艺的 能耗。然而，实现短程硝化反硝化的成功报道并不多见，主要由于对此现象的 理论解释还不充分，引起硝化过程中亚硝酸积累的多种因素认识还有所不同， 长久稳定地维持h n 0 2 积累的途径还有待探索。 a n t h o n i s e n 在试验中注意到高浓度游离氨( f a ) 对硝化作用有抑制作用， 两段s b r 法土除味精废水有机物及短程硝化，反硝化研究第1 章 并影响到硝化产物。a l l e m a n l 3 5 1 在此基础上进一步研究后提出了h n 0 2 积累的选 择性抑制学说。他认为亚硝酸菌和硝酸菌对f a 敏感度不同，只要控制系统中 f a 浓度介于硝酸菌抑制浓度和亚硝酸菌抑制浓度之间就可以保证氨氧化正常 进行而h n 0 2 氧化受到阻碍，形成h n 0 2 积累。但另一些试验表明，高浓度f a 抑制造成的h n 0 2 积累并不稳定，硝酸菌对f a 所产生的抑制作用会逐渐适应。 1 9 9 7 年荷兰的m u l d e r 3 6 发明了s h a r o n 工艺，利用在高温( 3 0 3 5 ) 下， 亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率，通过控制停留时间介于硝酸 菌和亚硝酸菌最小停留时间之间，将硝酸菌自然淘汰，从而维持稳定的亚硝酸 积累，该工艺使硝化系统中亚硝酸盐的积累可接近1 0 0 ，并且已经应用于荷兰 r o t t e r d a m 和u t r e c h 两座城市污水二级处理厂的消化上清液单独生物脱氮处理 中，但s h a r o n 工艺的出水氨氮不能达到完全氧化( 主要是污泥龄太短) ，在冬季 仍需加温。 d o 是硝化反硝化过程中的重要因素。h a n a k i 研究表明，低溶解氧下亚硝酸 菌增殖速率加快，补偿了由于低氧所造成的代谢活动下降，使得整个硝化阶段 中氨氧化未受到明显影响，而亚硝酸大量积累，降低溶氧对硝酸菌有明显抑制 作用。l a a n b r o e k ” 【3 8 1 的研究进一步表明低溶解氧下亚硝酸大量积累是由于在 低氧下亚硝酸菌对溶解氧的亲合力较硝酸菌强，亚硝酸菌氧饱和常数一般为 0 2 - - 0 4 m g l ，硝酸菌的为1 2 1 5 m g l ，利用这两类菌动力学特性的差异， 可以实现淘汰硝酸菌，使亚硝酸大量积累。但低氧下活性污泥易解体和发生丝 状膨胀，因此低氧对活性污泥的沉降性、污泥膨胀、以及对除氮以外的其它污 染物质去除效果的影响等仍值得进一步的研究。 1 3 3s b r 工艺生物脱氮研究 传统s b r 工艺主要以去除水中的固体悬浮物( s s ) 和有机化合物( c o d c r ) 为目的。随着全世界的水质富营养化问题的日趋严重以及公众环境意识的加强， 污水中氮、磷排放成为一个严格的标准，能适应这种趋势的s b r 工艺得到了前 所未有的发展。 在s b r 工艺中，不需要投加任何化学药剂，适当控制运行条件，便可实现 高效生物脱氮。因为s b r 通过间歇曝气能形成好氧与厌氧的交替过程，很自然 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝z 反硝化研究 第1 章 的满足生物脱氮的环境条件，达到脱氮的目的，而且硝化和反硝化在同一反应 器中完成，维持了碱度平衡。s b r 生物脱氮的具体过程为：进水期问，反硝化 菌利用进水高浓度有机碳为电子受体，将反应器内上一周期剩余的n o 。- n 还原 为n 2 ，同时活性污泥对高浓度基质避行吸附，以高聚物形式存储起来；进入曝 气阶段，异氧菌首先降解大量有机物，待有机物降解至较低程度，反应进入硝 化阶段，硝化菌将n h 3 - 1 4 逐渐转化为n o 。n ：曝气结束后，有机物已基本耗尽， 反硝化菌利用进水时吸附存储的碳源进行s b r 系统特有的储存碳源反硝化。 s b r 工艺脱氮受负荷、曝气方式、d o 等多种因素的影响。m i l l e r 的研究结 果发现在低负荷的s b r 中硝化反应进行得很彻底，但反硝化却很难控制。i r v i n e 在高负荷s b r 系统中获得了9 0 的脱氮率，并用n o t r ed a m e 的校园废水研 究了在o ，0 2 5 k gb o d 5 ( k g m l s s d ) no 0 5 k gb o d 5 ( k g m l s s d ) 两秘负荷下的 脱氮效果，结果表明高负荷段的硝化率和反硝化率大于低负荷段【4 ”。而在 s i l v e r s t e i n 等【4 1 的研究中，b o d 5 负荷为o 0 4 、0 0 8 k gb o d 5 ( k g m l s s d ) 与 n h 4 + - n 负荷为0 0 1 、o 0 2 k g n h 4 + - n ( k g m l s s d ) 时，高负荷的硝化率与反硝化 率都低于低负荷的。由此可知增加负荷能够在一定程度上提高硝化率与反硝化 率，但超过一定值硝化率和反硝化率都会下降。 p a l l s 和i r v i n e 用两组s b r 研究了连续曝气后连续缺氧与交替曝气对s b r 系统脱氮的影响 4 2 1 。试验中两个反应器的硝化都很彻底，都达到了9 5 以上， 但交替曝气反应器出水比连续曝气反应器好，有更低的出水悬浮物( s s ) 、硝态 氮，反硝化和脱氮更彻底。 a g n e s 4 3 1 等人在实验室研究s b r 法处理消化污泥脱水产生的上清液氨氮 废水，并在b r o m m a 废水试验厂行成功。试验表明，废水的硝化速率主要取决 于溶解氧( d o ) 的大小。 长期以来，众多学者对s b r 工艺生物脱氮进行了大量的研究，但过去的研 究都是以传统硝化反硝化为基础的。随着近年来污水生物脱氮技术研究的新发 展，新型生物脱氮技术，尤其是短程硝化反硝化技术，在s b r 工艺中的应用成 为s b r 生物脱氮领域研究的一个新热点。 s u n g k e u nr h e e 等人利用s b r 反应器处理合成废水，其结果表明：当系 统中氨氮的浓度成为限锦4 硝化细菌将亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐氮的对候，自养 两段s b r 法去除味精废水有机物及短程硝化反硝化研究第1 章 型硝化菌的活性就受到了抑制，从而出现了亚硝酸盐的积累( 随着曝气时间的增 加，这种积累就会减小) ；在后续的缺氧段积累的亚硝酸盐和硝酸盐都能够得到反 硝化而被完全去除，对总氮的去除率为8 5 左右。 哈尔滨工业大学的高大文、彭永臻等人【4 5 i 对s b r 法短程硝化反硝化生物脱 氮方面做的研究较多。他们在处理豆制品废水的研究中，控制反应器内混合液 温度在3 1 o 5 。c 的条件下，实现了短程硝化反硝化生物脱氮工艺，n 0 2 - n n o 。- n 的比率始终维持在9 0 以上。并在此试验基础上，考察了曝气时间对反 应器内氮形态变化的影响及系统对进水c o d c r 和n h 3 - n 浓度的抗冲击负荷能 力。结果显示，曝气时间对硝化效果影响较大，该工艺具有较强的抗冲击负荷 能力。 方士、李筱焕h a l l 4 7 1 采用两段s b r 法处理高氨氮味精废水进行处理，整个生 物处理过程可分为碳氧化阶段和三个亚硝化反亚硝化阶段。p h 值是影响脱氮 的重要因素，p n 值越高越有利于碳氧化阶段氨氮吹脱效果；亚硝化阶段亚硝化 的形成是由于游离氨对硝酸细菌的抑制而形成的。亚硝化阶段i 、i i 、i i i 的最佳 p h 值分别为6 8 、8 2 、8 2 ，反亚硝化阶段i 、i i 、i i i 的最佳p h 值分别为7 5 、 8 2 、8 2 。进水氨氮浓度1 4 0 0 m g l ，出水在1 0 0m g l 左右时。取得了良好的处 理效果，c o d c ，去除率可达9 4 9 5 ，氨氮的去除率在8 0 9 0 。 王淑莹、彭永臻等人还对s b r 在生物脱氮中的自动控制问题做了大量研 究，发现活性污泥法中o r p 、d o 和p h 值的变化规律与有机物降解及硝化、反 硝化过程有良好的线性关系，对其进行简单的在线检测可以指示反应的进程， 以它们作为控制参数是可行的 4 8 】【4 9 【5 0 】，并且对于短程硝化反硝化工艺同样适用 【5 1 】 5 ”。这对充分发挥s b r 的优势，使系统运行更为稳定可靠，具有重要的意义。 两段s b r 法去除味精废水有机物发短程硝化，反硝化研究第2 章 第2 章试验条件和方法 2 1 试验目的与内容 本文以味精食品废水为试验对象，试图探寻一种既能高效去除有机物，同 时又能有效去除氨氮的经济可行的工艺两段s b r 法。通过利用s b r 反应 器灵活便捷的特点和短程硝化反硝化的新型生物脱氮技术，达到节约能耗，进 一步提高c o d