（市政工程专业论文）亚硝酸盐型同步硝化反硝化生物脱氮研究.pdf

摘要 摘要 我国的水环境污染严重，氮为主要的污染物之一。传统的生物脱氮工艺将硝 化和反硝化过程在时间上或空间上分离，因此系统复杂，能耗较大，且运行管理 不便。 同步硝化反硝化是近几年来发展起来的新型生物脱氮工艺，该工艺不仅可以 减少污泥生成量，缩短生物脱氮工艺的流程，而且省去了第二阶段的缺氧反硝化 池或减少其体积，减少了工程造价。若把同步硝化反硝化控制到n 0 2 一- n 阶段， 则可进一步缩短反应历程，减少更多的需氧量和碳源。对于碳、氮比例失调的城 市污水，这一技术的推广应用会取得很好的经济效益。 试验采用序批式活性污泥法( s b r ) ，以模拟的广东地区碳、氮比例失调的 城市污水为对象，研究影响亚硝酸盐型同步硝化反硝化效果的因素，以实现长久 稳定的亚硝酸盐型同步硝化反硝化。试验中，通过控制泥龄实现了亚硝酸盐型同 步硝化反硝化，考察了c o d n 、p n ，d o 浓度对亚硝酸盐型同步硝化反硝化效 果的影响，并确定了亚硝酸盐型同步硝化反硝化的最优工况。当泥龄为1 1 1 5 天左右，c o d n 为6 5 左右，d o 为0 3 - 1 0t u g l - 1 ，混合进水p h 为7 、7 5 时， t n 去除率最高，达8 1 9 2 。最优工况下稳定运行3 0d ，总氮的去除率达8 8 9 3 。 试验证明：通过控制适宜的泥龄、c o d n 、d o 及p h 可以实现稳定的亚硝 酸盐型同步硝化反硝化。 关键词s b r ；泥龄；亚硝酸盐型同步硝化反硝化；最优工况 广州大学硕i ：学位论文 t h ew a t e re n v i r o n m e n ti sp o l l u t e ds e r i o u s l yi no u rc o n n t r y n i t r o g e ni so n eo ft h e m a i np o l l u t i o n s t h et r a d i t i o n a lb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o np r o c e s sm a k e sn i t r i f i c a t i o n a n dd e n i t r i f i c a t i o no c c u ri nd i f f e r e n tu n i t so ri nt h es a m eu n i ti ns e q u e n c e s oi ti s c o m p l e xa n dh a r dt om a n a g e s 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 ni san o wb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n p r o c e s sw h i c hw a sd e v e l o p e di nt h el a s tf e wy e a r s n o to n l yt h i sp r o c e s sm a yr e d u c e t h eb i o m a s sp r o d u c t i o n , s h o r t e nt h en i t r o g e nr e m o v a lp a t h w a y , m o r e o v e ro f f e rt h e p o t e n t i a lt os a v ec o s tf o ras e c o n d ( a n o x i c ) t a n k , o ra tl e a s tr e d u c ei t ss i z e i fi t 啪b e e n s u r e dt h a tac o n s i d e r a b l ea m o u n to fd e n i t r i f i c a t i o nt a k e sp l a c et o g e t h e rw i t h n i t r i f i c a t i o ni nt h ea e r a t e dt a n k 1 fs 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 ni s a c c o m p a n i e db yt h ei n h i b i t i o no ft h es e c o n ds t e po fn i t r i f i c a t i o n ( o x i d a t i o no fn i t r i t et o n i t r a t e ) ，t h e o r e t i c a l l yas a v i n go fc o d d e m a n da n do x y g e nd e m a n dc o u l dr e s u l t t h i s i so fp a r t i c u l a ri n t e r e s tw h e nb i o l o g i c a l l yr e m o v i n gn i t r o g e nf r o mw a s t e w a t e rw i t h l o wc o d ：n i t r o g e nr a t i o t h e e x p e r i m e n tw a s c a r r i e do u tt or e s e a r c ho nt h es y n t h e t i c a lw a s t e w a t e rw i t hl o w c o d ：n i t r o g e nr a t i oi ng u a n g z h o ui ns b r t h ef a c t o r sw e r er e s e a r c h e dt oa c h i e v e s t a b l es 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 nv i an i t r i t e i nt h ee x p e r i m e n t , t h e s 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 nv i an i t r i t ew a sa c h i e v e db yc o n t r o l l i n g t h es l u d g ea g e c o d n ，p hi nt h er a ww a s t e w a t e ra n dd oc o n c e n t r a t i o nw a ss t u d i e d a n dt h eb e s to p e r a t i o n a lp r o c e s so fn i t r o g e na n do r g a n i cm a t t e rr e m o v a l sw a s d e t e r m i n a t e d w h e nt h es l u d g ea g ei sa b o u tl l - 1 5 d ，c o d ni sa b o u t6 5 ，d o c o n c e n t r a t i o ni s0 3 - 1 0m g l - 1 ，p hi nt h em i x e dw a t e ri s7 7 5 ，t h er e m o v a lm t eo f t ni st h eh i g h e s t i tc a nr e a c ht o8 1 9 2 t h es y s t e mw a so p e r a t e ds t a b l yu n d e r t h eb e s to p e r a t i o n a lp r o c e s sf o r3 0 , 1 , t h er e m o v a lr a t eo f t ni sa b o u t8 8 - 9 3 t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts 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 n nv i an i t r i t ew n s s t a b l eb yc o n t r o l l i n go p t i m a ls l u d g ea g e , c o d n ，d oa n dp h k e y w o r d s t h es e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ；s l u d g ea g e ；s i m u r a n e o u sn i t r i f i c a t i o n a n dd e n i t r i f i c a t i o nv i an i t r i t e ；t h eb e s to p e r a t i o n a lp r o c e s s 广州大学学位论文原创性声明 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 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 学位论文作者签名：梵枣车 日期： q 年，月6 日 广州大学学位论文版权使用授权书 本人授权广州大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 广州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、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：芄逵年 日期：0 7 年月日 翩獬嘭珈寸醐：7 郫肜日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 课题的来源 本课题是广东省自然科学基金资助项目 可持续生物脱氮除磷方法耦合协同 新技术的研究( 0 4 0 0 9 5 3 3 ) 的部分内容。 1 1 2 我国水资源状况及水污染现状 水是地球上分布最广而又最重要的资源，一切生物皆离不开水，没有水就没 有生命。我国的淡水资源并不丰富，河川径流总量占世界第6 位，人口平均占有 径流量只相当于世界人均占有量的1 4 ，位于世界各国的第8 8 位，是世界上公认 的贫水国之一。另外，我国水资源的分布也不均匀：东南多、西北少。 我国是世界上环境污染最为严重的国家之一。2 0 0 2 年，全国工业和城镇生活 废水排放总量为4 3 9 5 亿立方米，其中工业废水排放量2 0 7 2 亿立方米，城镇生 活污水排放量2 3 2 3 亿立方米。城镇生活污水和工业废水排放量的年增长率分别 为o 9 左右、2 3 左右，仅l o 的生活污水和7 0 的工业废水得到处理，其中 约有一半工业污水处理设施的出水达不到国家排放标准。其他未经处理的污水直 接排入江河湖海，致使我国的水环境遭受严重污染和破坏。 2 0 0 4 年中国环境状况公报显示，我国七大水系的4 1 2 个水质监测断面 中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 ，七大水系中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差， 海河水质差，氨氮为主要污染物之一我国的湖泊也普遍受到氮的污染。 1 1 3 水中氮的来源及危害 当代社会，经济与科学技术日新月异、突飞猛进地向前发展，生产的商品化、 社会化、现代化程度日益提高，由于未能及时调整发展战略和坚持可持续发展的 原则，造成了生态破坏、资源匮乏、环境污染等严重后果。三大污染中，空气中 部分污染物通过降水，土壤中部分污染物经过径流渗透与扩散，最终都成为水污 染。 1 1 3 1 水中氪的来源 广州人学硕i ：学位论文 水体中的氮主要以有机氮和无机氮两种形态存在1 1 心。前者有蛋白质、多肽、 氨基酸和尿素等，它们来源于生活污水、农业废弃物( 植物秸秆、牲畜粪便等) 和 某些工业废水( 如肉类加工、印染、制革等) 。这些有机氮经微生物分解后将转化 为无机氮。水体中的无机氮指氨氮( n i 4 + - n ) 、亚硝酸盐氦( n 0 2 - - n ) 、硝酸盐 氮( n 0 3 一- n ) 。它们一部分是由有机氮经微生物分解转化后形成的，还有一部分 来源于施用氮肥的农田排水和地表径流，以及某些工业废水( 如屠宰废水、化肥 厂等) 。 水体中氮的来源是多方面的，其中人类活动造成的主要有以下几个方面： ( 1 ) 工业和生活污水( 含氮量高) 未经处理直接进入河道和水体。 ( 2 ) 污水处理厂出水：采用常规处理工艺的污水处理厂( 包括生活污水和工业 废水) ，其排放水都含有相当数量的氮。这是城市污水经过常规二级处理但城市 河道依然出现水体富营养化和黑臭的重要原因之一。 ( 3 ) 农业污染物；人工合成的化学肥料和农药是水体中氮、磷营养的主要来 源。旖入农田的氮肥，未被农作物吸收的超过5 0 ，有的甚至超过8 0 。这些 肥料和农药通过雨水冲淋、农业排水和地表径流带入河道和水体，成为直接的营 养源。有机肥料也可能经微生物分解，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，氮的含量相当高，也 会大量进入水体。 ( 4 ) 城市来源：随着城市人口的进一步集中，粪便污水等城市来源的营养物 排放也越来越受重视。另外，城市垃圾的渗滤液、污水处理厂的污泥消化液等含 有高浓度的氨氮。 7 此外，自然界的天然固氮也是氮的另一来源。通过雷电固定大气中的氮占天 然固氮的1 5 大气中的氮通过降雨会进入水体，水体本身尚有许多能固氮的 微生物，如某些固氮菌和蓝绿藻，在光照充足的情况下能将大气中的氮固定下来 并进入水体。据统计，一些湖泊中的固氮微生物从大气中固定下来的氮可达湖泊 中藻类生长所需氮量的5 0 。而土壤中的周氮菌和豆科植物根瘤菌的生物固氮 也会造成氮进入地下水环境。 1 1 3 2 水中氮的危害 含氮废水对自然环境、生物等有极大的危害，过多的氮化合物进入天然水体 2 第一章绪论 将会恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康。因此，水体氮污染问题正日 益受到人们的普遍关注。氮污染的主要危害为【2 1 1 3 l ： ( 1 ) n h 4 + - n 消耗水体的溶解氧( d o ) 。在氧存在条件下，通过硝化细菌的作 用，n h 4 - n 将先被氧化成n 0 2 一- n ，然后再进一步氧化成n 0 3 一- n ，与此同时消 耗n 1 4 + n 重量4 5 7 倍的氧，因此水中氨氮浓度较高时极易引起水体恶臭，这对 水体质量的改善和保证，以及鱼类的生存是非常不利的。 ( 2 ) 氮化合物对人体和生物有毒害作用。n h 4 + - n 会影响鱼的氧传递。水体中 n 比+ - n 浓度超过lt u g l - 1 时，便会使水生生物的血液结合氧能力降低；超过3 m g l - 1 时，可于2 4 9 6 小时内使鲈鱼、鳊鱼等死亡。鱼类对游离氨非常敏感， 对大部分鱼类而言，水体中游离氨对鱼的致死量为lm g l - 1 。n 0 2 一n 和n 0 3 - - n 与胺作用可转化为亚硝胺，而亚硝胺是致癌、致变和致畸物质，对人体有潜在威 胁。另外，水中n 0 3 - - n 含量超过1 0m g l - 1 时可引起婴儿高铁血红蛋白症，使 其失去输氧能力，导致组织缺氧。 ( 3 ) 出现水体富营养化。众所周知，氮是藻类生长所需的重要营养元素当 水体( 特别是流动缓慢的湖泊、水库、内海等水域) 中含氮等其他营养物质过多时， 将促进藻类等浮游生物的过度繁殖，致使水面上形成密集的“水华”或“赤濒”。 藻类带有一股鱼腥味，可使水质下降。些藻类的蛋自类毒素( 如麻痹性贝毒、 腹泻性贝毒、神经性贝毒等) ，可富集在水生生物体内，并通过食物链使人中毒。 而且藻类死亡和腐败将引起水体中溶解氧大量减少，引起水生生物特别是鱼类大 量死亡。 ( 4 ) 影响给水水源，增加给水成本。氨氮会与氯作用生成氯胺，并被氧化为 氮气。若水中含有lm g l - 1 的氨氮，则消毒时就要多加7 l o r a g l - 1 的氯。当以 含有较高氨氮的水体作水源，或对含氨氮量较高的污水厂处理水进行消毒时，为 了保证消毒后的余氯，要增加氯消耗量，从而增加给水处理的成本。 1 1 4 课题的研究目的及意义 1 1 4 1 研究目的 我国水环境的氦污染严重，根据国家环保总司公布“2 0 0 4 年中国环境状况”， 我国七大水系的4 1 2 个水质监测断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的断 面比例分别为：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 。我国的湖泊普遍受到氮的污染。 3 广州大学颈l ：学位论文 传统的生物脱氮工艺系统复杂，能耗较大，运行管理不便，且t n 去除率低。 因此，如何开发出一种高效节能，又适合我国现有条件的脱氮处理技术，成为众 多环境工作者共同努力的目标。 本研究项目就是针对上述生物脱氮现状提出的。通过该项研究为s b r 在城 市污水处理中的实际应用提供基础的技术依据。 1 1 4 2 研究意义 根据传统的脱氮理论：氨氮的去除是通过硝化和反硝化两个独立的过程实现 的。由于对环境的要求不同，两过程不能同时进行，现行的生物脱氮工艺是把硝 化和反硝化作为空间上( 不同的反应器) 或者时间上( 间歇的好氧和厌氧) 的两 个独立的阶段实现氮的去除。这样往往造成系统复杂，能耗较大，且运行管理不 便。然而最近几年来国内外有不少试验和报导都证明存在同步硝化反硝化现象， 即在同一处理系统中，硝化与反硝化反应同时发生在好氧状态下。实际上从氮的 微生物转化过程来看，氨被氧化成硝酸是由两类独立的细菌催化完成的两个不同 反应，应该可以分开。对于反硝化细菌，无论是n 0 2 一- n 还是n 0 3 - - n 均可以作 为最终受氢体。因此，环境工作者开展大量的试验，希望将同步硝化反硝化中的 硝化过程控制到n 0 2 一- n 阶段，即实现亚硝酸盐型的同步硝化反硝化。亚硝酸盐 型同步硝化反硝化具有以下特点： 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4 0 ； 减少污泥生成量； 缩短反应时间，相应反应器容积减少； 具有较高的反硝化速率0 q 0 2 一- n 的反硝化速率通常比n 0 3 一- n 的高6 3 左右k 减少了投碱量。 广东地区由于居民生活习惯的问题，使其城市污水中碳、氮比例失调，b o d s 一般在6 0 8 0n a g l - 1 左右，有时低至5 0m g - l - 1 左右，而氮一般在2 0 3 0m g - l - 1 左右，碳、氮比3 4 ，存在碳源不足的现象。而亚硝酸盐型同步硝化反硝化 比一般的同步硝化反硝化反应历程更短，污泥产量更少，减少供氧量、投碱量， 节约更多的碳源。对于广东等地区的碳、氮比例失调的低碳城市污水，这一技术 4 第一章绪论 的推广应用会取得很好的经济效益。亚硝酸盐型同步硝化反硝化提供了今后降低 投资并简化生物脱氮技术的可能性，要使该技术实用化还有大量的研究工作要 傲。所以开展对碳、氮比例失调的城市污水的稳定的亚硝酸盐型同步硝化反硝化 的研究是非常必要的。 1 2 生物脱氮的原理及现状 目前氨氮废水的处理方法很多，主要分为两大类：物理化学法和生物脱氮法。 物理化学法有折点氯化法、化学沉淀法、吸附法、离子交换法、吹脱法和气提法、 液膜法、电渗析法、催化湿式氧化法等。生物法主要是利用微生物通过氨化、硝 化、反硝化等一系列反应使废水中的氨氮最终转化成无害的氮气排放。一般来说， 物理化学脱氮方法需要的运行费用较高，容易造成二次污染。而生物脱氮法具有 处理效果好，不存在二次污染，运行稳定，操作简单，经济等优点。因此，废水 生物脱氮技术在近二十年取得了飞速发展，并已在生产实践中应用。 1 2 1 生物脱氮的原理 污水生物脱氮的基本原理是在微生物作用下，将污水中含氮化合物转化为氮 气的过程，其中包括硝化和反硝化两个过程。 1 2 1 1 生物硝化过程 n h 4 + - n 氧化成n 0 3 一- n 的硝化反应是由两组自养型好氧微生物通过两个过 程来完成的。 第一步：亚硝酸菌将n h 4 + - n 转化为n 0 2 一- n ： 2n h 4 + + 30 2 一2n 0 2 一+ 2h 2 0 4 - 4r i + ( 1 1 ) 第二步：硝酸菌将n 0 2 一- n 氧化成n 0 3 一- n 。 2n 0 2 一+ 0 2 - - p n 0 3 一 ( 1 - 2 ) 整个磅化反应的总方程式； n i - h + + 2o z _ n 0 3 一+ 2h + + h 2 0 ( 1 - 3 ) 亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。此菌属争性好氧菌，以无机化合物如c 0 3 2 一、h c 0 3 一、c 0 2 作碳源，从n h 4 + - n 或n 0 2 一一n 的氧化反应中获得能量。 1 2 1 2 生物反硝化过程 反硝化反应是由一群异养型微生物完成的生物化学过程，在缺氧或低氧条件 5 广州人学碰j ：学位论文 下，将n 0 2 - - n 和n 0 3 - - n 还原成分子态氮的生化反应过程。 6n 0 3 一+ 2c h 3 0 h - - * 6n 0 2 一+ 2c 0 2 + 4h 2 0 ( 1 - 4 ) 6n 0 2 一+ 3c h 3 0 h - - ) 3n 2 + 3c 0 2 + 3h 2 0 + 6o h 一( 1 - 5 ) 反硝化菌属于兼性菌，在有分子态氧存在时，分解有机物，利用分子氧作为 最终电子受体；在无分子态氧时，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的+ 、n 3 + 作为能量代谢中的电子受体，0 2 一作为受氢体产生h 2 0 和o h 一碱度，有机物作 为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。 1 2 2 生物脱氮的新技术及研究现状 随着氮污染问题的尖锐化以及公众环保意识的加强，近二十年来，提商废水 的氮去除能力已成为污水处理领域研究开发和应用的热点。为此，国内外学者开 展大量的试验，研究污水生物脱氮的新工艺和新方法，其中最典型的是污水生物 处理的同步硝化反硝化、短程硝化反硝化及厌氧氨氧化工艺。 1 2 2 1 同步硝化反硝化 ( 1 ) 作用机理 传统的生物脱氮理论认为硝化与反硝化对环境的要求不同，两个过程不能在 同一反应器内同时发生，只能序列进行。而近年来国内外学者的研究表明存在同 步硝化反硝化现象，即在同一反应器中，相同的操作条件下，硝化、反硝化反应 同时进行。与传统的硝化一反硝化脱氮技术相比，同步硝化反硝化具有不可比拟 的优越性，如减少反应设备的数量和尺寸，降低氧气的供给，减少甚至不需要碳 源投加等。 ( 2 ) 关于同步硝化反硝化的理论解释 宏观环境由于生物反应器的混合形态不均，如充氧装置的不同，可在生 物反应器内形成缺氧及( 或) 厌氧区，此为生物反应器的大环境，即宏观环境。例 如，在生物膜反应器中，生物膜内可以存在缺氧区，硝化在有氧的膜上发生，反 硝化同时在缺氧的膜上发生。类似的如r b c 、s b r 反应器及氧化沟等。事实上， 在生产规模的生物反应器中，整个反应器均处于完全均匀混合状态的情况片不存 在，故同步硝化反硝化也就有可能发生。 微环境理论“微环境”理论从物理学角度解释同步硝化反硝化现象，目 前已被普遍接受。该理论认为由于微生物个体形态非常微小，一般属微米级，影 6 第一章绪论 晌生物的生存环境也是微小的。事实上，由于微生物种群结构、基质分布代谢活 动和生物化学反应的不均匀性，以及物质传递的变化等因素的相互作用，在活性 污泥菌胶团或生物膜内部会存在多种微环境。 即使在好氧环境占主导地位的活性污泥系统中，也常常同时存在少量的微 氧、缺氧、厌氧等环境。其主要是由于氧扩散的限制，在微生物絮体或生物膜内 产生溶解氧梯度，从而在絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高，以好氧硝化菌及 氨化菌为主。深入絮体或生物膜内部，由于氧传递阻力的存在及氧的消耗，在絮 体或膜内产生缺氧区，反硝化菌占优势，从面形成有利于实现同步硝化反硝化的 微环境。生物絮体内部的微环境状态，除了受d o 等环境因素的影响外，还和有 机负荷( f m 比) 、搅拌程度有关。 生物学解释从生物学角度讲，硝化过程被认为发生在好氧条件下，反硝 化过程被认为在缺氧条件下发生。但是2 0 世纪年代好氧反硝化菌和异养硝化 菌的发现，打破了传统理论认为反硝化反应只能在厌氧条件下进行的观点，为好 氧反硝化的解释提供了生物学的依据。研究表明反硝化在好氧条件下也能发生， 同样，硝化反应在氧浓度较低时也能够发生。在此过程中，好氧反硝化菌( 同时 也是异养硝化菌) 同时利用氮和氧作为最终电子受体，直接将氨转化为最终气态 产物。因此，同步硝化反硝化生物脱氮也就成为可能。 ( 3 ) 亚硝酸盐型同步硝化反硝化研究现状 随着人们对生物脱氮技术的不断研究，近年来开发出很多新型生物脱氮工 艺，其中同步硝化反硝化生物脱氮工艺就有可能克服传统生物脱氮工艺中存在的 一些问题。若把同步硝化反硝化中的硝化过程控制到n 0 2 一- n 阶段，则不仅可以 省去第二阶段的缺氧反硝化池或减少其体积，大大缩短生物脱氮工艺的流程，减 少反应时间( n 0 2 - - n 的反硝化速率通常比n 0 3 - - n 的高6 3 左右1 4 】) 。减少工程 造价，而且减少更多的需氧量和碳源，应用到实际工程中，具有很好的经济效益。 因此，有人提出了亚硝酸盐型同步硝化反硝化。 要实现亚硝酸盐型同步硝化反硝化，关键在于将n i - 1 4 + - n 氧化控制在n q 一- n 阶段，阻止n 0 2 一- n 的进一步氧化，然后直接进行反硝化但是，在开放、动态 的反应器系统中，要持久稳定地维持较高浓度n 0 2 一n 的积累并实现同步硝化反 硝化并非易事，因为影响n 0 2 - - n 积累的控制因素多且复杂，而且很多控制因素 7 广州人学颂i j 学位论文 之间相互关联，目前对此现象的理论解释也还不充分。国内外一些学者在这些方 面做过很多研究，发现了很多因素都可能导致硝化过程中n 0 2 一- n 的积累，如温 度、p h 、游离氨( f a ) 浓度、d o 、h r t 、氮负荷等，而且大多数都认为：当硝化 阶段的温度维持在较低( 3 0 ) 、维持较低浓度的d o 、控制f a 浓度与氮负荷等均可实现一定程度n 0 2 一n 的积累。 其中，越来越多的研究表明：通过高浓度f a 的抑制作用获得n 0 2 一一n 的积 累是不稳定的，而通过维持较低浓度水平的d o 所获得的n 0 2 一- n 的积累才是稳 定和持久的。这是因为：虽然一定浓度范围的f a 对硝酸菌会产生一定的抑制作 用，但硝酸菌对f a 所产生的抑制作用具有不可逆转的适应性，造成了亚硝酸积累 的不稳定性。而在低浓度d o 下亚硝酸菌对氧的亲和能力优于硝酸菌，致使硝酸 菌受到抑制，n 0 2 一- n 大量积累。因此，降低d o 对硝酸菌有明显的抑制作用。 试验的结果显示：d o 控制在0 5 1 5r a g l - 1 之间【5 l 【6 1 1 7 l 【8 1 1 9 l 【1 0 l 【1 1 1 2 埘，有利于 n 0 2 一- n 的积累。 到目前为止，实现亚硝酸盐型同步硝化反硝化成功应用的报道还不多见，大 多还处在研究试验阶段。周少奇等【1 4 1 从生化反应计量学出发，提出了对低c o d n 比废水可通过控制营养配比、调控d o 浓度和控制生物硝化反硝化，实现亚硝酸 盐途径同步硝化反硝化的生物脱氮，并对香港粉岭垃圾填埋场渗滤水进行了实际 处理，结果证实反应器系统中的同步硝化反硝化反应确实有一部分是通过了亚硝 酸盐途径。 周少奇在采用内循环气升式反应器( 】 a i 且) 对广州市大田山垃圾填埋场渗滤 水进行同步硝化反硝化试验研究时，通过c o d ( 化学需氧量) 与n 元素的平衡分 析，其结果也证实了上述的结论。 。 y o o h 等【1 5 l 采用间歇曝气反应器，对c o d ：n = 5 ：1 和1 0 ：1 的两种合成废水研 究了亚硝酸盐型同步硝化反硝化生物脱氮情况，结果c o d 去除率均高达9 5 以 上，在最佳条件下氮的去除率也达9 0 以上另外，还确定了亚硝酸盐型同步硝 化反硝化的重要控制参数如d o 等( i t 佳d o 浓度范围为：上限为2 0 - - 2 5r a g l - 1 ， 最佳浓度为1 3r a g - l - 1 左右，当d o 浓度降至1 0r a g - l - 1 左右时反硝化就开始变 得活跃1 ，作者还同时指出了砸硝酸盐型同步硝化反硝化的关键在于控制d o 水 平并协调控制硝化反硝化进行的程度。 8 第一章绪论 m c mv a i ll o o s d r e c h t 等【1 6 l f 2 0 0 0 厮究了气升式悬浮生物膜反应器中亚硝酸 盐型的同步硝化反硝化，认为通过适当的过程控制和d o 浓度控制迫使氮以稳定 的方式经亚硝酸赫途径而得以去除是可行的，并因此可节省c o d 的供给量；作 者利用亚硝酸和氨氧化菌酶对0 2 的亲和性不同的特性，认为将d o 控制在较低 的浓度水平可以成功地将硝化过程控制在n 0 2 n 阶段，而确切的d o 浓度水平 则要取决于生物膜系统中氮的表面负荷与液相一生物膜的传质系数：作者也指出 连续曝气生物反应器系统中不可能使n h 4 + - n 全部转化为n 0 2 一- n 后再反硝化， 必然存在一定程度n 0 3 一- n 途径的反硝化。 c h r i s t i n eh e l m e r 等【1 j 7 1 研究了好氧生物膜系统中的同步硝化反硝化现象，发 现好氧生物膜系统中氮的去除并非是缺氧微环境区的传统反硝化造成的，而是在 低d 0 0 0r a g - l - 1 ) 下，以n 0 2 一- n 为最终电子受体的同时硝化和好氧反硝化联合 作用去除的，并且还证实，氮的去除是由一些具有同步硝化反硝化功能的自养微 生物如t h i o s p h a e r ap a a ) t r o p h a 、n i t r o s o m o n a ss p 等完成的，因此，氮的去除也无 需额外添加有机底物。 m i k eo n e i l 掣1 8 l 研究了o f f o a l 氧化沟中经n 0 2 一- n 途径的同步硝化反硝化， 发现在o r b a l 氧化沟的外沟中，当d o 浓度水平较低( 1 5m g l - 1 ) 时，不促可以 同时发生硝化反硝化，而且发生的还是亚硝酸盐型的同步硝化反硝化。 高大文、彭永臻、王淑莹【1 9 】以豆制品废水为研究对象，用序批式活性污泥法 研究了亚硝酸盐型同步硝化反硝化，提出只要控制s b r 内的溶解氧在0 5m g l - 1 左右，就可以实现稳定的亚硝酸盐型同步硝化反硝化生物脱氮工艺。 1 2 2 2 短程硝化反硝化技术研究概况 ( 1 ) 作用机理 所谓亚硝酸型生物脱氮就是将硝化过程控制在n 0 2 一n 阶段而终止，随后进 行反硝化1 4 j 。长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直 认为要实现废水生物脱氮就必须使氨经历典型的硝化和反硝化过程才能被安全 的除去，这条途径也可称之为全程( 或完全) 硝化反硝化生物脱氮。但实际上从氮 的微生物转化过程来看，氨被氧化成硝酸是由两类独立的细菌催化完成的两个不 同反应，应该可以分开，也就是说生物脱氮可经历反硝化反应以n 0 2 一n 为电子 受体的过程f 捌f 2 ，该过程称短程( 或简捷肖化反硝化，脱氮途径见图1 - 1 ， 9 广州大学硕j j 学位论文 n h 4 + - n 一n 0 2 一n 呻n 2 l 里堑缝丝ki 匡堕丝睑垦 i lli 图1 - ! 短程硝化反硝化生物脱氮途径 f i g 1 1t h ea p p r o a c ho fs h o r t c u tn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n 与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有如下的优点【1 0 1 1 1 4 1 1 2 2 1 ：( 1 潲化 阶段可减少2 5 左右的需氧量，降低了能耗；( 2 ) 反硝化阶段可减少4 0 左右的 有机碳源，降低了运行费用；( 3 ) 反应时间缩短，反应器容积可减小3 0 4 0 左右；( 4 ) 具有较高的反硝化速率( n 0 2 - - n 的反硝化速率通常比n 0 3 一- n 的高6 3 左右) ；( 5 ) 污泥产量降低( 硝化过程可少产污泥3 3 3 5 左右，反硝化过程中可 少产污泥5 5 左右) ；( 6 ) 减少了投碱量。 ( 2 ) 关于短程硝化反硝化的理论研究 虽然很多原因会导致硝化过程中亚硝酸盐积累，但目前对此现象的理论解释 还不充分，认识有所不同，长久稳定地维持n 0 2 一- n 积累的途径还有待探索。国 内外学者对短程硝化的研究主要集中在三个方面：游离氨抑制造成的n 0 2 一n 积累；通过巧妙控制反应器温度和泥龄，淘汰硝酸菌实现n 0 2 一n 积累 ( s 砘蛆o n ) ；降低反应器内的溶解氧浓度实现n 0 2 - - n 积累。 选择抑制理论早在1 9 5 年，v o c t 就发现n 0 2 一- n 在硝化过程积累的现 象，并首先提出了短程硝化反硝化的概念闭。1 9 8 4 普度大学的a l l e m a n 根据 a n t h o n i s c n 的间歇试验结果提出了选择抑制理论1 2 4 1 1 2 5 1 ，其核心是根据硝化菌对游 离氨的敏感度不同( 硝酸菌的抑制浓度为0 。1 1 0m f f l - 1 ；亚硝酸菌的抑制浓度 为1 0 1 5 0r a g l - 1 ) ，控制混合菌群对游离氨的接触浓度，使其高于硝酸菌的抑 制浓度，低于亚硝酸菌的抑制浓度，则硝酸菌被抑制，亚硝酸菌正常增殖和氧化， 从而获得n 0 2 一- n 的积累。 硝酸菌对高游离氨浓度具有不可逆转的适应性造成了亚硝酸盐积累的不稳 定性。游离氨浓度与反应体系内的p h 值、温度和氨氮浓度有关，其中p h 变化 对游离氨浓度的影响最为显著。 s h a r o n - r 艺m u l d e r 发明的s h a r o n 工艺嗍，其硝化系统中n o z 一- n 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 级处理厂的消化液单独生物脱氮处理，s h a r o n l 2 7 1 2 8 1 - i - 艺的核心是利用高温f 1 0 第一章绪论 ( 3 0 - 3 5 ) ，亚硝酸菡的最小停留时问小于硝酸菌这一固有特性，控制系统的泥 龄介于硝酸菌和亚硝酸菌最小停留时间之间，则硝酸菌被自然淘汰，从而维持稳 定的亚硝酸盐积累，证明了短程硝化反硝化的可能性。 溶解氧控制理论溶解氧是影响硝化过程的重要因素之一。比利时g e n t 微生物生态实验室研究开发的o i a n d 工艺( o x y g e nl i m i t e da u t o t r o p h i e n i t r i f i c a t i o nd e n i t r i f i c a t i o n ) 的技术关键就是控制溶解氧浓度，使硝化过程仅进行 到氨氧化为亚硝酸盐阶段i 柳。研究表明，g l a n d 工艺就是利用了硝酸菌和亚硝 酸菌动力学特性上的差异，实现了淘汰硝酸菌，使亚硝酸盐大量积累。h 跹a l 【i 【1 3 1 利用恒化器对低浓度溶解氧( o 5m g l - 1 ) 下亚硝酸菌和硝酸菌的相互作用关系进 行研究，发现出水n 0 2 - - n 大量积累，并认为低溶解氧抑制了硝化进程粥埔9 了 硝酸菌) 。l a n n b r o e k 等 3 0 l 研究纯种的n i t r o s o m o n a s 和n i t r o b a c t e r 混合菌群( 两者都 是污水处理中硝化污泥中最常见的菌属1 在低浓度溶解氧下的增殖及氧化规律， 发现n o z 一- n 大量积累，其原因主要是n i t r o s o m o n a s 对溶解氧的亲和力优于 n i t r o b a c t e r 。 ( 3 ) 短程硝化反硝化研究现状 l a a n b r o e k l 3 0 l 等的研究进一步证明低溶解氧下亚硝酸盐大量积累是由于理硝 酸菌对溶解氧的亲和力较硝酸菌强。同时低溶解氧条件下，亚硝酸菌和硝酸菌的 增殖速率均下降，当溶解氧为0 5m g l 1 时。亚硝酸菌的增殖速率为正常溶解氧 时的6 0 ，而硝酸菌则不到正常情况下的3 0 。因此，采取低溶解氧控制显然 能够实现亚硝酸盐的积累。 荷兰大学d e l f t 技术大学于1 9 9 7 年开发的s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rf o rh i 曲 a c t i v i t ya m m o n i a r e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 工艺就是通过控制温度和污泥停留时间 来实现短程硝化反硝化生物脱氮工艺1 1 0 i 1 1 1 】【1 2 1 1 1 3 1 。该工艺的成功之处在于巧妙的 利用了硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率，即在较高温度t ( 3 0 3 5 1 ，亚硝 酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率，亚硝酸菌的最小停留时间小于硝酸 菌这一固有特性控制系统的水力停留时间，使其介于硝酸菌和亚硝酸菌最小停留 时间之问，从而使亚硝酸菌具有较高的浓度而硝酸菌被自然淘汰，从而维持了稳 定的亚硝酸积累，硝化系统中的亚硝酸盐积累达1 0 0 。并通过间歇曝气便可达 到反硝化的目的。但对于寒冷地区的废水进行加热以实现亚硝酸盐的积累，无疑 广州大学硕士学位论文 是不经济的。 j o a n n a 等1 1 2 】通过抑制硝酸菌活性实现了短程硝化，并得出引起硝酸菌抑制 的物质是游离氨，硝酸菌对游离氨较亚硝酸菌更敏感。而较高的进水氨氮浓度和 p h 值是造成游离氨存在的主要原因，其中p h 值是引起硝酸菌活性抑制的决定 因素同时，他们还根据分析分别监测硝化菌属的好氧速率( o u r ) 来控制短程硝 化。 国内学者高大文、彭永臻、王淑莹p 1 】对s b r 中短程硝化反硝化生物脱氮的 研究表明，反应器内温度只有超过2 8 时，利用温度实现的短程硝化反硝化生 物脱氮工艺才能稳定她运行；另外，首次发现过度曝气对短程硝化影响较大，在 过度曝气条件下运行1 2 d ，硝化类型就由n 0 2 - - n 累积率为9 6 的短程硝化转变 为n 0 2 一- n 累积率为3 9 3 的全程硝化。 张小玲等人提出高低溶解氧交替模式是获得短程硝化的关键条件。 1 2 2 3 厌氧氨氧化 荷兰d e l f t 技术大学研究人员在反硝化流化床中的研究中发现【3 2 l ：厌氧反应 器中同时出现了氨和硝酸赫的消失，并且还成一定的比例关系，这是无法用传统 异养反硝化来解释的现象。他们认为反应器中发生了如下反应【3 3 j ，并将其命名为 厌氧氨氧化( a n a e r o b i co x i d a t i o no f a m m o n i u m ，简称a n a m m o x ) 。 5n l i i + + 3n 0 3 一_ 4n 2 + 9h 2 0 + 2i - i * ( 1 6 ) n h 4 + + n 0 2 一一n 2 + h 2 0 ( 1 7 ) 厌氧氨氧化是在厌氧条件下，以n 地+ - n 为电子供体，以n 0 3 - - n 或n 0 2 一- n 为电子受体，将n h 4 + - n 、n 0 3 - - n 或n 0 2 一- n 转变成n 2 的生物氧化过程p 哪。如 果说s h a r o n 工艺还只是将传统的硝化和反硝化工艺通过运行控制缩短生物脱 氮的途径，a n a m m o x 工艺则是一种全新的生物脱氮工艺，它完全突破了传统 生物脱氮工艺的基本概念。参与厌氧氨氧化的细菌是自养菌，因此不需要添加有 机物来维持反硝化。 一一t 随着研究的深入，人们发现自然界中的许多缺氧环境中，尤其是缺氧，有氧 的界面上，如土壤、湖底沉积物等都有厌氧氨氧化过程的发生。 g 墙仃研究表明。参与厌氧氨氧化的细菌是一种自养菌，在厌氧氨氧化过程 中不需要添加有机物。j e t t e n 等人从上述发现a n a m m o x 工艺的反硝化流化床 第一章绪论 反应器中分离并获取了a n a m m o x 细菌，经富集培养后获得了一种优势自养 菌，该优势菌种为一种具有不规则球状的革兰氏阴性菌，尚未能确定其在分类学 的归属。g r a f t 等人在a n a m m o x 富集菌群中也发现了同样的优势菌种。s t o h 的研究发现还可以用化能自养型的基础盐类培养基筛选厌氧氨氧化微生物， 而且在选择的初始阶段，添加氯霉素可以排除反硝化菌的出现f 矧。此外，j c t t c n 等人和g r 龃f 等人在a n a m m o x 富集培养物中都发现有好氧氨氧化菌 n i t r o s o m o n a se u r o p a c a 的存在。但是j e t t e n 等人认为这些好氧氨氧化菌在厌氧氨 氧化过程中的作用不大。在厌氧