（环境工程专业论文）反硝化除磷系统稳定运行性能研究(1).pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重麽太堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名： 丞、彳 签字日期： 缈歹年r 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，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。本人授权重废去堂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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：丞，- 5 f 签字日期：慨厂月，目 导师签名： 扔骏 签字日期：m 筘，月占日 中文摘要 摘要 根据生物除磷代谢机理模式可知，厌氧好氧或厌氧缺氧环境的交替变化都可 以诱导磷的超量吸收，前者以分子氧作为电子受体、后者以n 0 3 - n 作为电子受体。 由于n 0 3 - n 电子受体传递链短、氧化还原电位低，产生a t p 只有氧电子受体的 2 3 。因此，从生物除磷的角度分析，缺氧吸磷不如好氧吸磷。但由于缺氧吸磷过 程将反硝化和磷吸收融为一体，从能耗角度认为缺氧吸磷是一种节约能源的新陈 代谢模式，且已有大量资料表明，在达到相同的营养盐去除效果时，缺氧吸磷与 好氧吸磷相比可以减少7 5 的氧耗量，同时能削减5 0 以上富磷污泥排放量。但 迄今为止，对反硝化除磷系统污泥的活性以及反硝化除磷系统的稳定运行性能具 有两种截然不同的试验结果：1 ) 厌氧缺氧( a a ) 试验装置在不需要好氧的情况 下能长期、稳定运行：2 ) 伴随着运行过程的进行，单纯的a 系统生物量将逐渐 减少，除磷能力逐渐消失。为此，本文拟定对影响反硝化除磷系统除磷能力和稳 定运行性能的主要因素做进一步探讨，通过反硝化除磷系统单因素影响试验( 主 要从n 0 3 - n 浓度，厌氧、缺氧、后好氧时间，污泥龄，碳源基质c o d 浓度几个 方面进行考察) 和反硝化除磷系统的优化试验( 四因素四水平正交试验) 的研究， 研究结果表明： 增加后好氧段是保证反硝化除磷系统稳定运行的关键，在本试验条件下 o 5 h 的后好氧时间即可保证a a o s b r 系统的稳定运行又可以获得良好的反硝化 除磷效果。 在厌氧缺氧反硝化除磷系统和厌氧缺氧后好氧反硝化除磷系统的运行过 程中，启动初期均可观察到较为明显的反硝化除磷现象，但在厌氧缺氧过程中， 随着运行时间的延长，其除磷效果逐渐变差，污泥产率也将下降甚至呈负增长状 态，最终生物除磷能力丧失。在厌氧一缺氧一好氧过程中，创造适宜条件，系统 的缺氧段有良好的聚磷效果，并且该系统在此条件下能长期稳定的运行。 当厌氧时间为2 h ，缺氧时间为3 5 h 时，缺氧段初期投加n 0 3 - n 浓度为 3 0 m g l 时，能够获得良好的除磷效果。并且缺氧段末期脱氮率达到9 8 。 污泥龄是影响a a o s b r 反硝化除磷系统正常运行的又一重要因素，本研 究通过对比试验得出，在a a o s b r 系统中，当按照厌氧时间为2 h ，缺氧时间为 3 5 h ，好氧时问为o 5 h ，沉淀时间为2 h 的运行工况运行时，污泥龄为2 5 d 时，能 获得较好的除磷效果。 通过正交试验得出当保证在进水c o d 浓度为2 5 0 m g l ，p 0 4 3 - _ p 浓度为 4 3 5 8 m l ，n h 3 n 浓度为2 0 2 5 m g l 时a a o s b r 系统能长期稳定运行，并 重庆大学硕士学位论文 且能取得良好的除磷效果时的最佳反应时间配比为：厌氧2 h 缺氧3 5 h 后好氧 0 5 h ，同时缺氧段投加n 0 3 - n 浓度为3 0 m e , m 。 通过对传统生物除磷污泥系统除磷能力与反硝化除磷系统除磷能力的对 比，得出反硝化除磷系统具有一定的除磷能力，但其除磷能力低于传统生物除磷 系统。影响反硝化除磷系统除磷能力的综合因素有s r t 、污泥产率系数、剩余污 泥含磷率等。 通过对反硝化除磷系统动力学模式的探求，得出：a ) p 0 4 3 - - p 厌氧释磷的动 力学模式为p t = p o 一3 1 5 x t 2 + 1 0 1 x t ，b ) 缺氧段反硝化吸磷动力学模式为 p t = p o + 7 6 x + 2 2 7 - 1 4 t 。 本研究是国家自然科学基金资助课题( 5 0 2 7 8 1 0 1 ) ，重庆大学骨干教师资助课 题( 1 - 5 7 ) 中的部分内容，本论文的研究工作可为进一步开展反硝化除磷工艺研究 提供一定的理论依据。因此，本研究具有较好的实用价值和理论意义。 关键词：生物除磷脱氮，反硝化除磷，硝酸盐浓度，碳源基质c o d ，好氧时间， s r t ，a a s b r ，a ，a o s b r i i 英文摘要 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o m e c h a n i s mo fb i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l ，p h o s p h o r u s i s a s s i m i l a t e ds u p e r f l u o u s l yi na oo r 沁k i na o p h o s p h o r u sb a c t e r i at a k e st h e o x y g e n o u sm o l e c u l ef o rt h ee l e c t r o n i ca c c e p t e r i na ，氏n 0 3 。ni st o o kf o r t h e e l e c t r o n i ca c c e p t e r o w i n gt os h o r tt r a n s f e rl i n ka n dl o wr e d o xo fn 0 s - n ，a t pt h a t n 0 3 - np r o d u c e si st w ot 1 1 i r dt i m e sf o rt h a to x y g e n o u sm o l e c u l ed o e s f r o mt h ea n g l e o f b i o l o g i c a lp h o s p o r u sr e m o v a l ，a b s o r b e n c yo f p h o s p h o r u si na n o x i cc o n d i t i o ni sl o w e r t h a ni na e r o b i cc o n d i t i o n h o w e v e r , n i 廿o g e nr e m o v a la n dp h o s p o r u sr e m o v a la r e s y n c r e t i z e di nt h ea n o x i cp r o c e s so fp h o s p o r u sr e m o v a l ，a n df r o mt h ea n g l eo f t h a t e n e r g yw h i c hi sc o n s u m e d ，p h o s p o r u sr e m o v a li na n o x i cc o n d i t i o ni s am e t a b o l i cm o d e t h a tc a nr e 仃e n c he n e r g ys o u r c e s l a r g en u m b e r so fd a t ei n d i c a t e dt h a ti tc a nr e d u c e7 5 p e r c e n to fo x y g e n o u sw a s t a g ei n a n o x i cc o n d i t i o nc o m p a r e dw i 血i na e r o b i c c o n d i t i o n ，a n di tc a nc u to v e r5 0p e r c e n to fd i s c h a r g e dr i c hp h o s p h o r u ss l u d g e s of a r , t h e r ea r et w od i f f e r e n tt e s tr e s u l ta b o u ta c t i v i t yo fs l u d g ea n ds t e a d yf u n c t i o ni nt h e s y s t e mo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ，a sf o i l o w s ：1 ) i t c a n r u ns t a b l ya n d c h r o n i c a l l yi n k 2 ) a l o n gw i t hr u nt i m ei n c r e a s i n g b i o m a s sw i l ld e c r e a s eg r a d u a l l y i nt h es y s t e mo f 氏t h e r e f o bi nt h i s d i s s e r t a t i o n , a u t h o rw i l ls t u d yt h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ea b i l i t yo f p h o s p h o r u sr e m o v a la n dl o n ga n ds t e a d y r u ni nt h es y s t e mo f d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l i nt h em a t e r i a lc o u r s eo fs t u d na u t h o rw e n ta l o n gaf e wp h a s e so f r e s e a r c ht h r o u g h s i n g l ef a c t o rt e s ti nt h es y s t e mo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ( i ti ss t u d i e dm a i n l y b a s i n go ns o m ef a c t o r sa b o u tc o n c e n t r a t i o no fn 0 3 - n ，a n a e r o b i ct i m e ，a n o x i ct i m e , a e r o b i ct i m e ，s r ta n dc o d ，e t c ) a n do r t h o g o n a lt e s ti nt h es y s t e mo fd e n i t l i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v a l ( a c c o r d i n gt of o u rf a c t o r sa n df o u rl e v e l so f t h eo r t h o g o n a lt e s t ) a c c o r d i n gt ot h ea b o v es t u d yr e s u l t s ，i ti n d i c a t e dt h a t ： t h ek e yt om a k et h es y s t e mo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lo p r e r a t e s t e a d i l yi si n c r e a s i n gt h el a t t e ra e r o b i ct i m e i tw a sa l s of o u n di nt h et e s tt h a tt h el a t t e r a e r a t i o nf o ro 5 hw o u l de n s u r en o to n l ys t e a d yo p e r a t i o n ，b u ta l s og o o de f f e c to f p h o s p h o r u sr e m o v a li nt h es y s t e mo f a a o s b r i nt h es y s t e mo f a a s b ro rt h es y s t e mo f a a o s b r ，t h e ya l lc o u l db ef o u n d t h ep h e n o m e n ao fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a li nt h ee a r l i e rs t a g eo f t e s t ，h o w e v e r , a l o n gw i t ht h er u nt i m ei n c r e a s i n gi nt h es y s t e mo fa a s b r , t h ee f f e c to fp h o s p h o r u s i i i 重庆大学硕士学位论文 r e m o v a lw o u l dw e a k e n , y sw i l l a l s od e c r e a s eg r a d u a l l yt oz e r oo re v e nm i n u s ，t h e a b i l i t yo fp h o s p h o r u sr e m o v a lc a m e d o w nf i n a l l y i nt h es y s t e mo fa a o - s b r ，t h e a n o x i cc o u r s ew o u l dg a i nf a v o r a b l ee f f e c tw h e ni tw a sc o n t r o l l e di nf e a s i b l ec o n d i t i o n , a n di tc o u l dr u nc h r o n i c a l l ya n ds t a b l y w h e na n a e r o b i ct i m ei s2 1 1 , a n o x i ct i m ei s3 5 h , c o n c e n t r a t i o no fn 0 3 - ni s 3 0 m g li nt h ei n i t i a ls t a g eo fa n o x i cc o u r s e , t h es y s t e mo fa ac o u l dg a i nf a v o r a b l e e f f e c to f p h o s p h o r u sr e m o v a l s r ti sa l s oap i v o t a lf a c t o rt h a ta f f e c t e dt h el o n ga n ds t e a d yr u no ft h es y s t e m o fa a o s b r i tw a sf o u n dt h r o u g ht h et e s t ，w h e nt h es y s t e mr u na c c o r d i n gt o a n a e r o b i ct i m ef o r2 h ，a n o x i ct i m ef o r3 5 l l a e r o b i ct i m ef o ro 5 h ，c o n c e n t r a t i o no f n 0 3 - ni s3 0 m g u ，s r tw a s2 5 d ，i tc o u l dg a i nb e r e r e f f e c to f p h o s p h o r u sr e m o v a l t h r o u g ho r t h o g o n a lt e s t ，i ti n d i c a t e dt h a tt h eo p t i m a lc o n d t i o no ft h el o n ga n d s t e a d yr u nf o rt h es y s t e mo fd e n i t r i f 3 d n gp h o s p h o r u sr e m o v a li sa n a e r o b i ct i m ef o r 2 h , a n o x i ct i m ef o r3 5 l l a e r o b i ct i m ef o ro 5 h ，c o n c e n t r a t i o no f n 0 3 - ni s3 0 m g 几，s r t w a s2 5 d , w h e nc o n c e n t r a t i o no fc o dw a s 2 5 0 m p j l ，c o n c e n 订a f i o no fp 0 4 3 - _ pw a s 4 3 5 8 m g l c o n c e n t r a t i o no f n h 3 - n w a s2 0 - 2 5 m g li ni n f l o w t h r o u g ht h ea b i l i t yo f t h es y s t e mo f t r a d i t i o n a lb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l c o m p a r i n gw i t ht h ea b i l i t yo ft h es y s t e mo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ，i tw a s f o u n dt h a tt h es y s t e mo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lh a v et h ea b i l i t yo f p h o s p h o r u s r e m o v a l , b u ti tw a sl o w e rt h a nt h es y s t e mo ft r a d i t i o n a lb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l g e n e r a lf a c t o r st h a ta f f e c t e dt h ea b i l i t yo fp h o s p h o r a gr e m o v a lw e r es r t 、s l u d g e p r o d u c t i v i t y 、c o n t e n to f p h o s p h o r u si ns u r p l u ss l u d g e ，e t c t h r o u g hs e a r c h i n gt h ek i n e t i cm o d eo ft h es y s t e mo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v a l ，t h ef o l l o w i n g sw e r ed e d u c e d ：a ) t h ek i n e t i cm o d eo f p 0 4 3 - _ pt h a tw a sr e l e a s e d i na n a e r o b i cc o u r s ew a sp f p o 一3 1 5 x t 。2 + 1 0 1 x t , b ) t h ek i n e t i cm o d eo fp 0 4 - pt h a t w a sa b s o r b e di na n o x i cc o u r s ew a sp t = p 0 + 7 6 x + 2 2 r 一1 4 t t h i sd i s s e r t a t i o nb e l o n g st ot h et a s kt h a tw a ss t a k e db yc h i n an a t u r a ls c i e n c e f u n da n dc a d r e m a no fc h o n g q i n gu n i v e r s i t y t h er e s c a r c h sc a no f f e rs o m ea c a d e m i c e v i d e n c ef o rs t u d ya b o u tt e c h n i c sd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l s o ，t h er e s e a r c h s a r ei m p o r t a n tb o t hi na p p l i c a t i o na n dt h e o r y k e y w o r d s ：b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ， t h ec o n c e n t r a t i o no f n i t r a t e ，c o d ，a e r o b i ct i m e ，s r t , a n a e r o b i c a n o x i c - s b r , a n a e r o b i c a n o x i e o x i c s b r i v 1 概述 1 概述 1 1 水体富营养化 1 1 1 水体富营养化现象及其来源 1 水体富营养化现象是指过量的植物性营养元素氮、磷进入水体后，在光照和 其他环境条件适宜的情况下，使水中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之 而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶 化和水生生态结构的破坏。水体的富营养化常表现为“水华”、“赤潮”等现象， 它大大加速了湖泊等水体的退化。 总的来讲，富营养化是水体受到氮、磷污染，营养物质进入水体并造成藻类 和其它微生物异常增殖的结果。水体中氮磷等营养物质主要包括从外部进入水体 的氮磷，以及水体内部自身底泥等沉积物释放进入水中的氮磷。外源氮磷主要通 过面源污染和点源污染两种方式进入水体。据研究，美国湖泊中的氮磷有7 6 来 自于非点源污染。大多数情况下，氮主要通过面源进入水体，磷主要通过点源进 入水体。常见的面源污染主要有：农业面源污染、城市雨水径流污染、气载污染 物污染、水土流失以及水产养殖的残饵及排泄物等造成的污染。点污染源主要来 自于生活污水及工业废水的直接啊排放或经处理后尾水排放等两方面造成的污 染。内源氮磷也是水体污染并导致营养化不可忽视的潜在二次污染源。各种氮磷 污染源相互之间既独立又有联系，并且污染程度各不相同。各主要污染源成因及 强化分析如下。 农业面源污染 农业面源污染主要是农业施肥经流失造成的，其中最主要的因素是大量施用 化学肥料造成的。据资料【2 】表明：美国河川污染中，只有9 是因工业原因造成的， 将近6 5 是由农业和非产业活动造成的。在欧洲一些乡村，由于农业活动造成的 氮磷污染占全部污染负荷的7 0 8 5 和3 0 以上。我国是一个农业大国，化肥 施用量已达l 亿吨，施用化肥水平比世界化肥施用水平高出2 6 倍，而施肥利用率 仅有3 0 - - 5 0 的水平，大量氮磷成分通过各种途径进入水体。 城市雨水径流污染 城市雨水径流污染包括合流制排水系统中因暴雨期间污水溢流造成的污染， 以及分流制排水系统中初雨径流造成的污染，研究表明 3 】，两种排水体制造成的污 染强度基本相当。雨水径流中污染物含量、形态除受大气环境状况影响外，还和 当地人口密度、地区社会生产活动等因素有关，表1 1 是一些城市雨水径流中营养 物质特征值口】。 重庆大学硕士学位论文 表1 1 城市雨水径流中营养物质特征 t a b l e l 1t h ec h a r a c t e ra b o u tt h en u r i r a e n ti nr a i n w a t e r 项目 浓度 6 4 时，才能取得较好的除磷效 果。另有资料表明【1 7 j ：当进水b o d 5 t p 一 2 0 时，出水t p 可达到l m g l ，进水 b o d s t p 值 5 0 d ) 仍然能获得很好的除磷效果。 出水s s 对生物除磷的影响 一般情况下除磷工艺的m l s s 含磷量报导值为2 3 7 o ，因此二级出水的 s s 浓度以及它们的含磷量对生物除磷系统有很大的影响。据报导1 2 4 ：当p v s s 为 6 ，出水s s 为2 0 m g l 时，出水颗粒性磷浓度已接近1 0 m g l 。 1 2 2 传统生物脱氮过程及影响因素【2 5 j 污水生物处理过程中氮的转化包括氨化、同化、硝化和反硝化作用： 1 1 氨化与硝化 9 重庆大学硕士学位论文 在未经处理的新鲜污水中，含氮化合物存在的主要形式有：a ) 有机氮，如蛋 白质、氨基酸、尿素、胺类化合物、硝基化合物等：b ) 氨态氮( n h 3 ，n h 4 + ) ，一 般以前者为主。 含氮化合物在微生物的作用下，相继产生下列各项反应。 氨化反应 有机氮化合物，在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮，这一过程称之为 “氨化反应”，以氨基酸为例，其反应式为： r c h n h 2 c o o h + 0 2 一r c o o h + c 0 2 + n h 3 硝化反应 在硝化菌的作用下，氨态氮迸一步分解氧化，就此分两个阶段进行，首先在 亚硝化菌的作用下，使氨( n h 4 ) 转化为亚硝酸氮，反应式为： n h 4 + + 姜0 2 _ a k 一+ 日2 0 + 2 h + 一t l f ( a f = 2 7 8 4 2 k j ) 继之，亚硝酸盐在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮，其反应式为： 1 n 0 2 一+ 亡0 2 _ n 0 3 一一a f ( a v = 7 2 2 7 k j ) 二 硝化反应的总反应式为： n h 4 + + 2 0 2 _ n 0 3 一+ 日2 0 + 2 h + 一a f ( f = 2 7 8 4 2 k j ) 硝化菌 亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，硝化菌是化能自养菌，革兰氏染色阴性， 不生芽孢的短杆状细菌，广泛存活在土壤中，在自然界的氮循环起着重要的作用。 这类细菌的生理活动不需要有机性营养物质，从c 0 2 获取碳源，从无机物的氧化 中获取能量。 影响硝化反应的因素： a ) 溶解氧 氧是硝化反应过程中的电子受体，反应器内溶解氧高低，必将影响硝化反应 的进程，在进行硝化反应的曝气池内，据实验结果证实，溶解氧含量不能低于 l m g l 。 b ) 温度 硝化反应的适宜温度是2 0 3 0 。c ，1 5 。c 以下时，硝化速度下降，5 时完全停 止。 c ) p h 值 硝化菌对p h 值的变化非常敏感，最佳p h 值是8 0 8 4 。在这一最佳p h 值条 件下，硝化速度，硝化菌最大的比增殖速度可达最大值。 1 0 1 概述 d ) 生物固体平均停留时间( 污泥龄) 为了使硝化菌能够在连续流反应器系统中存活，微生物在反应器内的停留时 间( oc ) n 必须大于自养型硝化菌最小的世代时间( 0c ) n m m 否则硝化菌的流 失率将大于净增殖率，将使硝化菌从系统中流失殆尽。一般对( 0c ) n 的取值， 至少应为硝化菌最小世代时间的2 倍以上，即安全系数应大于2 。 ( 0c ) n 值与温度密切相关，温度低，( ec ) n 取值应明显提高。 e ) 重金属及有害物质 除重金属外，对硝化反应产生抑制作用的物质还有：高浓度的n h 4 一n 、高浓 度的n o 。- n 、有机物以及络和阳离子等。 2 ) 反硝化 反硝化反应过程 反硝化反应是指硝酸氮( n 0 3 - n ) 和亚硝酸氮( n 0 2 讣i ) 在反硝化菌的作用 下，被还原为气态氮( n 2 ) 的过程。 反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌的细菌。在厌氧条件下，营厌氧呼吸，以 硝酸氮( n 0 3 - - n ) 为电子受体，以有机物( 有机碳) 为电子供体。在这种条件下， 不能释放出更多的a t p ，相应台成的细胞物质也较少。 在反硝化反应过程重，硝酸氮通过反硝化菌的代谢活动，可能有两种转化途 径，即：同化反硝化( 合成) ，最终形成有机氮化合物，成为菌体的组成部分；另 一为异化反硝化( 分解) ，最终产物是气态氮( 参见图】3 ) 2 h n o ，塑2 h n 0 2 骂 - 2 h z o- 2 h 2 d 同化反硝化 删。 ，岁2 0 紫m 异化反硝化 n 。、一一n 。2 一+ 刊h 2 。 有机体( 同化反硝化) 、n 0 2 一+ n 2 0 ，n 2 ( 异化反硝化) 反硝化过程化学式上式的简化式 图1 3 反硝化反应过程( 同化反硝化、异化反硝化) f i g 1 3 t h ep r o c e s so f d e n i t r a t i o n a lr e a c t i o n 重庆大学硕士学位论文 影响反硝化反应的因素 a ) 碳源 能为反硝化菌所利用的碳源是多种多样的，但从污水生物脱氮工艺来考虑， 可分为下列几类： 污水中所含碳源 这是比较理想和经济的，优于外碳源。一般认为，当污水中b o d 5 厂t n 值 3 5 时，即可认为碳源充足，勿需外加碳源。 外加碳源 当原污水中碳、氮比值过低，如b o d 5 厂t n 值 3 5 时，即需另投加有机碳源， 现多采用甲醇( c h 3 0 h ) ，因为它被分解后的产物为c 0 2 和心q ，不留任何难于降 解的中间产物，而且反硝化速率高。 b l p h 值 p h 值是反硝化反应的重要影响因素，对反硝化菌最适宜的p h 值是6 5 7 5 ， 在这个p h 值的条件下，反硝化速率最高，当p h 值高于8 或低于6 时，反硝化速 率将大为下降。 c 、溶解氧 反硝化菌是异养兼厌氧菌，只有在无分子氧而同时存在硝酸和亚硝酸离子的 条件下，它们才能够利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。如反应器内 溶解氧较高，将使反硝化菌利用氧进行呼吸，抑制反硝化菌体内硝酸盐还原酶的 合成，或者氧成为电子受体，阻碍硝酸氮的还原。但是，另一方面，在反硝化菌 体内某些酶系统组分只有在有氧条件下，才能合成，这样，反硝化菌以在厌氧、 好氧交替的环境中生活为宜，溶解氧应控制在0 5 m g l 以下。 d ) 温度 反硝化反应的适宜温度是2 0 4 0 ，低于1 5 。c 时，反硝化菌的增殖速率降 低，代谢速率也将降低，从而降低了反硝化速率。 在冬季低温季节，为了保持一定的反硝化速率，应考虑提高反硝化反应系统 的污泥龄( 生物固体平均停留时间0c ) ；降低负荷率；提高污水的停留时间。 研究结果表明，反硝化反应过程的温度系数e 值介于1 0 6 1 1 5 之间。 研究结果还表明，温度对反硝化反应速率的影响大小，与反应设备的类型有 关，以流化床为反应器的反硝化反应，温度对其的影响明显小于以生物转盘或悬 浮污泥层为反应器的反硝化反应。 此外，负荷率高，温度的影响也高，负荷率低，温度影响也低。 1 2 _ 3 生物除磷脱氮系统存在的矛盾和竞争 目前，在城市污水处理过程中不但要求去除c o d 、s s ，而且对除磷和脱氮都 1 2 1 概述 提出了较高的要求。但是，生物除磷脱氮工艺在实际应用过程中经常出现脱氮和 除磷效果不能同时达到最佳的现象，即脱氮效果好时除磷效果较差，而除磷效果 好时脱氮效果不佳 2 6 - 2 8 】，这种现象不仅表明生物除磷脱氮工艺尚有不完善的地方， 而且也说明生物除磷脱氮过程存在难以协调的矛盾和竞争，这些矛盾和竞争主要 表现在： 1 1 微生物相互独立 传统的生物除磷脱氮包括好氧硝化、缺氧反硝化、厌氧释磷和好氧吸磷等过 程，不同的反应过程需要的微生物不同，有自养菌、异养菌，有兼性菌、专性好 氧菌等。由于微生物种类不同，它们对基质类型、环境条件的要求也各不相同， 由此产生了不可避免的矛盾和竞争关系，如何处理好这些矛盾和竞争关系已成为 污水处理中一个重要而艰巨的课题。 2 ) 污泥龄彼此矛盾 污泥龄的矛盾主要体现在两个方面： 根据r e n s i n k 等人的观点【2 ，聚磷菌多为短世代微生物，降低污泥龄可以 提高聚磷菌的吸磷能力；而硝化菌属于世代时间较长的微生物。因此，硝化过程 需要的长污泥龄和生物除磷需要的短污泥龄之间存在不可协调的矛盾。 排除剩余污泥是目前生物除磷的唯一渠道，因此在生物除磷系统中不得不 维持较高的污泥排放量以获得良好的除磷效果，致使生物除磷系统污泥浓度通常 处于较低状态。而早在1 9 5 9 年s r i n z t h t 3 0 均研究就证明了除磷速率和污泥浓度有关， f i n s t e i n 3 1 】也认为当污泥浓度较高时生物系统除磷效率更高。因此在生物除磷系统 中，自身就存在维持较高污泥排放量和维持较高污泥浓度的矛盾，这种矛盾在低 浓度城市污水的生物除磷系统中表现得尤为突出。 3 ) 对碳源有机物的竞争 在生物除磷脱氮系统中，碳源有机物主要用于厌氧释磷、缺氧反硝化和异养 微生物的正常生产代谢，碳源有机物尤其是污水中低分子脂肪酸( v f a ) 的含量直 接影响厌氧释磷和缺氧反硝化效果，在城市污水中v f a 的含量通常较低( 几十毫 克升) ，碳源不足引发的竞争往往使聚磷菌不具有优势【3 ”。 4 ) 硝酸盐对厌氧释磷的影响p 叫 硝酸盐对厌氧释磷过程的影响主要表现在两个方面： 和聚磷菌竞争v f a 用于生物反硝化； 当聚磷菌的聚磷量不高、进水v f a 较低时，n 0 3 - 可以诱导聚磷菌缺氧吸 磷 3 4 , 3 5 ，抑制厌氧释磷过程的顺利进行进而影响生物除磷效果。 实质上，在常规生物除磷脱氮工艺a 2 o 的框架下，就如何避免硝酸盐进入厌 氧区一度成为生物除磷脱氮技术研究的热点和难点，相继开发了v i p 工艺、u c t 重庆大学硕士学位论文 工艺、j h b 工艺、e a s c ( 延时厌氧污泥接触法) 工艺等。 迄今为止，人们对生物除磷脱氮工艺中存在的矛盾关系认识还不够深入，每 种工艺都有各自的特点和适用条件，新工艺也只能解决菜一局部问题，当从系统 角度全面考虑时，新工艺往往又具有新的缺陷。因此，本论文认为生物除磷脱氮 系统不仅存在工艺技术问题，还可能存在方法问题，研究新的生物除磷脱氮方法 更为重要。 1 3 反硝化同时除磷系统及研究现状 根据传统生物除磷脱氮理论，生物除磷和脱氮是两个不同的、相互竞争的生 理过程。由此开发的工艺存在着聚磷菌与反硝化菌竞争有机碳、泥龄矛盾、c o d 利用率低、处理成本高等问题。 随着经济的发展，人口的增加，人民生活水平的提高，城市生活污水呈现排 水量增大、低c o d 浓度和高氮、磷的特征。世界各国对于封闭、半封闭水体的污 染防治日益重视，对排入此类水体的氮、磷控制标准也日益严格。这迫切需要对 生物脱氮除磷机理进一步研究完善，提高c o d 利用率，为低c n 、c p 下同时保 证生物脱氮和除磷取得良好效果找到根本出路。 在对除磷脱氮系统的研究过程中发现，活性污泥中一部分聚磷菌能以硝酸盐 作为最终电子受体在进行反硝化的同时完成过量吸磷。研究表明，在厌氧缺氧交 替变化运行的条件下，具有一类兼有反硝化作用和除磷作鱼那个的兼性厌氧微生 物，即反硝化除磷菌( d p b ) ，能在缺氧环境下吸磷，可使吸磷和反硝化脱氮这两 个不同的生物过程借助同一种细菌在同一个环境中完成【3 6 j 7 1 。 反硝化理论的提出无疑可以解决上述矛盾，另外反硝化除磷工艺可将硝化和 除磷置于两个互相独立的系统中进行，硝化菌和d p b 可在自身最佳的生长环境进 行生物代谢作用，完成硝化和释磷过程，特别是在缺氧段，d p b 利用硝酸盐来代 替氧气作为电子受体，同时完成反硝化和除磷的目的。 1 3 1 反硝化同时除磷机理 d p b 可以利用0 2 或者n 0 3 - n 作为电子受体，其基于体内的聚1 3 一羟基丁酸 酯( p h b ) 和糖原质生物代谢原理与传统a o 法中的聚磷菌( p a o s ) 极为相似。 在厌氧段，c o d 可被降解为醋酸( h a c ) 等低分子脂肪酸，被d p b 快速吸收之后 大量繁殖，同时水解细胞内的p o l y - p ，以无机磷酸盐( p 0 4 孓) 的形式释放出来。 利用上述过程产生的能量a t p 和糖原酵解还原性产物n a d h 2 ，d p b 以n 0 3 - n 作 为氧化p h b 的电子受体，利用降解p h b 产生的能量a t p ，大部分供给d p b 细菌 合成( 包括糖原的合成) 和维持生命活动，一部分则用于过量摄取水中的无机磷 酸盐并以p o l y - p 的形式储存在细胞体内，同时n 0 3 - n 被还原为n 2 ，如此在厌氧 1 4 】概述 缺氧交替运行条件下，即可实现d p b 反硝化除磷效果。 许多科学家对聚磷菌反硝化作用机理及其在实际工程中的应用进行了大量研 究1 3 8 j 。研究结果表明，作为氧化剂，n 0 3 - n 和0 2 都可以作为电子受体。如在反应 器中，创造厌氧、缺氧交替的环境就可筛选出以n o - n 作为电子受体的聚磷菌即 d p b 。 因此，反硝化除磷机理可以用下图1 4 表示为： 厌氧阶段 h a c 醋酸( c o d ) g l y c o g e n 糖原p o l y - p 多聚磷酸盐 a t p 三磷酸腺p h b 聚1 3 羟基一丁酸酯 n a d h 2 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( 辅酶) 图1 4 生物除磷生化代谢模型 f i g1 4b i o c h e m i c a im e t a b o l i z a b i l i t ym o d e lo f b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l 兼性反硝化细菌生物摄放磷作用被确认不仅拓宽了磷的去除途径，而且，更 重要的是这种细菌的生物摄放磷作用将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二：为一。 这就为可持续污水处理工艺的发展奠定了十分有力的技术基础。 综上，反硝化除磷基本原理可概括为是利用反硝化聚磷菌在厌氧状态下放磷 的同时，吸附污水中大量有机物后，进入缺氧环境中，以n 0 3 - - n 为电子受体，厌 氧段吸附的大量有机物作为碳源，反硝化聚磷菌同时完成反硝化脱氮和超量磷的 吸收，硝酸盐转为氮气逸出水体，而磷酸盐则被过量吸收并通过剩余污泥形式排 出池外，达到除磷脱氮的目的。 1 3 2 反硝化同时除磷系统的特点 反硝化同时除磷系统与传统生物脱氮除磷系统的主要区别是该系统能利用反 硝化除磷菌( d p b ) 在缺氧段以n 0 3 - - n 为电子受体进行反硝化吸磷。相对于传统 脱氮除磷联合工艺，d p b 反硝化除磷技术的革新之处在于：1 ) 节省5 0 c o d 的 消耗量，避免了反硝化菌和聚磷菌之间对有机物的竞争，适合处理高t k n c o d 污水；2 ) 减少3 0 的曝气量，节省了电能。d p b 的吸磷由于用硝酸盐代替了氧 气，故曝气量得到了节省；3 ) 减少了除磷脱氮运行中产生的污泥量( 大约5 0 ) ， 重庆大学硕士学位论文 从而减少了污泥处理费用；4 ) 可缩小反应器的体积。 1 3 3 反硝化同时除磷技术研究现状和存在的问题 反硝化除磷系统由于能将反硝化脱氮和生物除磷有机地合二为一，因此，可 以认为这是一种低碳耗、低能耗的污水处理技术，对该系统的研究无疑具有重大 的理论意义，尤其在城市污水有机物( c o d ) 浓度越来越低、氮磷尤其是磷的浓 度越来越高的情况下，具有重要的现实意义。 近几十年来，国内外生物处理专家和技术工作者主要从三个方面进行了反硝 化除磷脱氮研究： 1 ) 反硝化除磷脱氮微生物研究 o s b o m 和n i c h o l l s ( 1 9 7 5 ) 在硝酸盐异化还原过程中观测到磷的快速吸收现象， 表明某些反硝化菌能超量吸磷。l o t t e r t7 ”j ( 1 9 8 5 ) 研究了三座( 除磷效果1 9 4 3 ) b a r d e n p h o 法污水处理厂曝气段的活性污泥，发现其中5 6 6 6 的细菌属 于不动