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浙江工业大学硕士学位论文摘要 采用储碳方式提高系统的脱氮效果 摘要 碳源不足是影响脱氮效果的主要问题。目前，常用的前置反硝化 工艺一般t n 去除率不会很高，而外加碳源成本较高。本研究旨在通过 对s b r 和s b b r 的改进，依据有机碳储存的基本原理，充分利用原水 中的碳源，以提高t n 的去除效率。 本研究提出了s b r 中活性污泥的碳源保存方法。在s b r 的常规进 水一缺氧一好氧一沉淀一出水模式下，通过缺氧结束后取出部分在进 水段吸附储碳的污泥进行保存，待好氧末返投储碳污泥作为碳源来强 化缺氧反硝化。试验证明：具有储碳反硝化的s b r 系统t n 去除率可 达9 8 左右，远高于普通s b r 缺氧一好氧运行方式；好氧操作时污泥 浓度约3 0 0 0 m g l 的情况下，缺氧搅拌选择污泥浓度在5 0 0 0 m g l 左右 能使t n 基本全部去除；s b r 经改造后，能有效实现取返储碳污泥， 提高脱氮效果。 本研究提出了两格交替运行序批式生物膜反应器。它以陶粒为填 料，并通过在传统s b b r 中设置竖向隔板将反应器分为左右两格。反应 器的操作步序为：左格进水口进水、右格曝气头曝气、出水，右格进 水口进水、左格曝气头曝气、出水。反应器一分为二的构造使曝气格 和非曝气格有了明显的区分。曝气格主要进行硝化反应，非曝气格主 要进行原水碳源保存和反硝化反应，因此整个反应器可以在硝化的同 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 时来完成反硝化实现好氧阶段脱氮，t n 的去除率能达到9 0 ；双向交 替循环，有利于原水碳源的储存，能保持两格微生物的平衡生长和系 统处理效果的稳定。同时，反应器中曝气量的大小对出水t n 浓度和t n 容积负荷率均有影响，建议采用0 2 m 3 h 珈6 m 3 h 范围内的曝气量作为 脱氮反应控制参数。 关键词：脱氮，碳源储存，反硝化，同步硝化反硝化，s b r ，s b b r ， 交替进水和曝气，曝气量 l i 浙江工业大学硕士学位论文摘要 e n h a n c e 匝n to fd e n i t r i f i c a t i o nf o r n i t r o g e n r e m o 、纷江，b yc a r b o ns t o r a g e a b s t r a c t l a c ko fc a r b o ns o u r c e sa r et h em a i np r o b l e m so fn i t r o g e nr e m o v a l e f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，t h ec o m m o n l yu s e dp r e d e n i t r i f i c a t i o ni sd i f f i c u l tt o g e tv e r yh i g ht n r e m o v a le f f i c i e n c y , a n dt h ea d d i t i o no fa ne x t e m a lc a r b o n s o u r c ei sh i 曲i nc o s t s t h eo b j e c t i v eo ft h i s s t u d yw a st od e v e l o pt h e r e f o r m e ds b ra n ds b b rw i t hc a r b o ns t o r a g ef r o mr a ww a s t e w a t e r , a n d s t o r e dc a r b o nc a nb ee f f e c t i v e l yu t i l i z e dt oi m p r o v et nr e m o v a l am e t h o do f c a r b o n s t o r a g e i ns b rw a s p r o p o s e d u n d e r c o n v e n t i o n a ls b r m o d e ( i n f l u e n t a n o x i c a e r o b i c s e t t l i n g e f f l u e n t ) ，a p o r t i o no fc a r b o ns t o r a g es l u d g ew a st a k e na n ds t o r e da f t e rt h ee n do f a n o x i cp h a s e ，a n dt h es l u d g ea sc a r b o ns o u r c ew a sr e t u r n e da n dm i x e dw i t h t h ea e r o b i cs l u d g ea tt h ee n do ft h ea e r o b i cp h a s et oe n h a n c ed e n i t r i f i c a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nu s i n gt h ec a r b o ns t o r a g es l u d g ef o r d e n i t r i f i c a t i o n ，t h et nr e m o v a lr a t er e a c h e d9 8 ，ah i g h e rr a t et h a nt h a t u s i n gt h et r a d i t i o n a la n o x i c - a e r o b i cm e t h o d t nc a l lb ea l m o s tc o m p l e t e l y i i i 浙江工业大学硕士学位论文摘要 r e m o v e di nt h es b rw h e ns l u d g ec o n c e n t r a t i o nw a s5 0 0 0 m g li nt h e a n o x i cp h a s ea n d30 0 0 m g li nt h ea e r o b i cp h a s e i nar e f o r m e ds b r , c a r b o ns t o r a g es l u d g ec a l lb ee f f e c t i v e l ys e p a r a t e d ，s t o r e da n dr e t u r n e df o r d e n i t r i f i c a t i o nt oi r e p r o v en i t r o g e nr e m o v a le f f e c t at w o c o m p a r t m e n ts b b ro p e r a t e dw i t ha l t e r n a t ea e r a t i o na n df i l l w a s p r o p o s e d at r a d i t i o n a l s b b rw a sd i v i d e di n t ot w oi d e n t i c a l c o m p a r t m e n t sb yap i e c eo fv e r t i c a lc l a p b o a r d ，a n dw a sf i l l e db yc e r a m i c p a r t i c l e sf o rb i o f i l mg r o w t h t h er e a c t o rw a so p e r a t e d ：f i l lf r o mt h el e f t i n l e t ，a e r a t i o nb yt h er i g h ta e r a t o r , d r a w , f i l lf r o mt h er i g h ti n l e t ，a e r a t i o nb y t h el e f ta e r a t o r , a n dd r a w t h ea e r a t i o nc o m p a r t m e n ta n dt h en o n a e r a t i o n c o m p a r t m e n ti nt h er e a c t o rw e r ec l e a r l yd i s t i n g u i s h e db yt h eu n i q u e s t r u c t u r e n i t r i f i c a t i o nw a sd o m i n a n ti nt h ea e r a t i o nc o m p a r t m e n t c a r b o n s o u r c e s t o r a g e a n dd e n i t r i f i c a t i o nw e r e d o m i n a n ti nt h en o n - a e r a t i o n c o m p a r t m e n t t h ew h o l es y s t e mn o to n l ye n s u r e sc a r b o ns o u r c eu s e da s e l e c t r o nd o n o rf o rd e n i t r i f i c a t i o n ，b u ta l s oc r e a t e sa n o x i cz o n e s o ，i tc o u l d r e a l i z es n df o ra e r o b i cn i t r o g e nr e m o v a l ，a n dt h et nr e m o v a lr a t ec o u l d r e a c hu pt oa p p r o x i m a t e l y9 0 b i o f i l mo ft w oc o m p a r t m e n t sw o u l dg r o w e v e n l ya n dt h er e a c t o rr a ns t e a d i l yd u et oa l t e m a t ea e r a t i o na n df i l l ，a n di t i sa l s ob e n e f i c i a lf o rc a r b o ns o u r c es t o r a g eo fr a ww a s t e w a t e r t h ee f f e c to f a e r a t i o nr a t eo ne m u e n tt nc o n c e n t r a t i o na n dt nv o l u m e t r i cl o a dw a s t e s t e da n da n a l y z e d a e r a t i o nr a t er a n g e df r o m0 2 m 3 ht o0 6 m 3 hi nt h e a e r a t i o nc o m p a r t m e n tw a sr e c o m m e n d e d i v 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 k e yw o r d s ：n i t r o g e n r e m o v a l ，c a r b o ns t o r a g e ，d e n i t r i f i c a t i o n ， 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 n ，s b r ， s b b r ，a l t e r n a t ea e r a t i o na n df i l l ，a e r a t i o nr a t e v 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人 或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机 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。 作者签名： 气撕日日期：下p 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密n ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密口 导师签 日 日 月 月 y 参 年 年 砷上7 期 期 日 日 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 污水脱氮技术的发展 第1 章绪论 1 1 1 污水脱氮技术的现实需要 在污水处理初期，有机物和悬浮物的去除是污水处理的主要目标。n 2 0 世纪 6 0 年代和7 0 年代，人们发现仅仅去除有机物和悬浮物是不够的。氨氮的存在仍然 导致水体的黑臭或溶解氧浓度过低，这使得污水生物处理技术从单纯的有机物去 除发展到有机物和氨氮的联合去除。到了2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代，水体富营养化 问题目益严重，近年来更有加剧的趋势。城市污水的脱氮除磷已经引起全世界的 重视，具有脱氮除磷功能的污水处理工艺正在取代以去除有机物为主的传统二级 生物处理工艺。此外，工业废水的脱氮也不容忽视。由于制药厂废水、焦化厂废 水等工业废水排放量大，有机物、悬浮物和氨氮含量高，c o d 和t n 浓度可分别高 达1 0 0 0 0 m g l 和6 0 0 m g l 以上，若得不到妥善处理，则会严重影响地表和地下水。 因此，研究开发可行的污水生物脱氮工艺是急需解决的问题。 虽然发达国家的水污染控制对象己经转向微量有毒有机物，致力于受污染水 体水质功能的全面恢复，但广大发展中国家的水污染控制对象仍然主要是有机污 染物和氮磷营养物，遏制水污染和水体富营养化不断加剧的趋势依然是艰巨的任 务。 1 1 2 污水生物脱氮的基本原理 污水生物脱氮已经被证明是一种经济、可靠的污水脱氮方法。传统的生物脱 氮处理过程【l 】，是首先在好氧条件下，亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，而后硝 酸菌将亚硝酸盐氮进一步氧化为硝酸盐氮。随后在缺氧条件下，反硝化菌将硝酸 盐氮或亚硝酸盐氮还原成气态氮。具体可分为以下三种反应形式。 ( 1 ) 氨化反应 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用【2 1 ，很多细菌、真菌和放 线菌都能分解蛋白质及其含氮的衍生物，其中分解能力强并释放出n h 3 的微生物称 为氨化微生物。氨化作用无论在好氧还是厌氧，中性、酸性还是碱性环境中都能 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 进行，只是作用的微生物种类不同，作用的强弱不一。由于氨化反应速度很快， 在一般的生物处理设备中均能完成，通常在生物脱氮工艺中不将其作为控制步骤。 ( 2 ) 硝化反应 氨氮氧化成硝酸盐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。在有氧的条件下，氨氮首先由亚硝酸菌氧化为亚硝酸盐，继而亚硝酸盐再由 硝酸菌氧化为硝酸盐，这一过程称为硝化作用【2 j 。 ( 3 ) 反硝化反应 硝化作用只是改变了氮在水中的化合态，并没有降低污水中氮的含量，这对 于防止水体富营养化，并没有解决根本问题。要使污水中的氮转化为氮的气体形 态而得以去除，必须进行反硝化作用。反硝化作用【2 】是指反硝化细菌在缺氧( 不存 在分子态d o ) 条件下将n 0 3 - n 、n 0 2 - n 还原成气态氮( 主要是n 2 ) 的过程。在反 硝化细菌的代谢活动下n 0 3 有两条转化途径，即：同化反硝化( 合成) ，最终产物 为有机氮化合物，成为菌体的组成部分；异化反硝化( 分解) ，最终产物为气态氮i 异化反硝化去除的氦约占总去除量的7 0 一7 5 。 1 1 3 生物脱氮的影响因素 ( 1 ) 溶解氧( d o ) 硝化反应d o 浓度一般应在2 o m g l 以上，最低极限是0 5 m g l 珈7 m g l 。而对 于反硝化，反硝化菌是异养型兼性厌氧菌，需要缺氧的环境，d o 一般在0 5 m g l 以下。 ( 2 ) 温度 硝化反应的温度范围为5 叫o ，适宜温度为2 卜3 0 ，反硝化的适宜温度 为2 0 - q 0 ，低于1 5 ，硝化反硝化速率极低。 ( 3 ) 有机碳 硝化菌是自养型，其生存率远小于氧化有机物的异养菌，当好氧池中有机物 浓度较高时，硝化菌为劣势菌种，当b o d 5 小于2 0 m g 几，硝化反应才不受影响。而 反硝化则需要充足碳源为能源，否则反硝化不彻底。 ( 4 ) p h 值 亚硝酸菌最适p h 值为8 卜8 4 ，硝酸菌的最适p h 值为6 5 7 5 ，反硝化最适 宜的p h 值为为6 5 7 5 。当p h 低于6 0 或高于9 6 ，硝化反硝化将受到影响，甚至反 2 浙江工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 应将停止。 ( 5 ) 泥龄( s r t ) 硝化菌属于自养菌，生长缓慢，世代时间较长。要保持硝化菌群在活性污泥 系统中的比例，就必须保证s r t 大于最短的世代时间。 ( 6 ) 有毒有害物质 许多物质对硝化菌有毒害作用，如某些重金属、复合阴离子和有机化合物等， 会干扰细胞的新陈代谢，破坏细菌最初的氧化能力。另外，过高的氨氮浓度对硝 化反应会产生基质抑制作用。 1 1 4 污水生物脱氮技术与理论的发展 近一个世纪以来，人们对转化和去除污水中的氮进行了大量的工作，主要的处 理方法有物理法、化学法和生物法。1 9 3 2 年，w d a r m a n n 利用内源反硝化建立了后 置反硝化工艺，1 9 6 2 年，l u d z a c k 和w t t i n g e r 提出了前置反硝化工艺，1 9 7 3 年，b a m a r d 结合前两种工艺提出了m o 工艺，后来又出现了各种改进工艺如b a r d e n p h o 、a 2 o 、 u c t 工艺等，这些都是典型的分容器分级硝化反硝化工艺。2 0 世纪7 0 年代初，美 国的r h v i n e 教授等人对s b r i 艺进行了系统深入的研究。经过最近几十年的研究， 生物脱氮方法日趋成熟和完善，同时出现了一些新兴的生物脱氮技术。 ( 1 ) 传统的顺序硝化反硝化 传统的废水生物脱氮处理过程分为两个过程：硝化过程和反硝化过程。首先 在好氧条件下，好氧硝化菌将废水中的氨氮氧化为亚硝酸盐或硝酸盐，然后在缺 氧条件下，反硝化菌将亚硝酸盐和硝酸盐还原为氮气，从而实现废水脱氮的目的。 由于硝化反应和反硝化反应分别是在好氧和缺氧的条件下进行，所以这两个过程 一般不能同时发生，只能序列式地进行，即传统的顺序硝化反硝化工艺。 ( 2 ) 短程硝化反硝化 一般来说，生物脱氮需要经过硝化和反硝化两步。完全硝化反硝化是指污水 中的氨氮在亚硝酸菌的作用下先转化成亚硝酸盐，生成的亚硝酸盐在硝酸菌的作 用下进一步被氧化成硝酸盐。而反硝化过程则是以硝化产物硝酸盐、亚硝酸盐为 电子受体，在反硝化菌的作用下还原成气态氮脱去。可以看出，在生物脱氮过程中， 亚硝酸盐扮演了一个重要的角色，它不仅是硝化反应的中间产物，而且它也可以替 代硝酸盐作为反硝化过程中的电子受体进行脱氮。如果将氨氮的硝化控制在亚硝 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 酸盐阶段，然后以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化，就实现了短程硝化反硝化脱 氮【3 4 】，具体过程如图1 1 所示。 i i 硝化反应：反硝化反应 亚硝酸茵硝酸菌 i 反硝化菌 州_ n 一1 三二= 主置：! 传统硝化反硝化 硝化反应 ；反硝化反应 亚硝酸菌i 反硝化菌 n h 4 + - n 叫n o i ；叫n 2 l 短程硝化反硝化 图1 1 传统脱氮与短程硝化反硝化对比 显然，与完全硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有更快的反硝化速率( n 0 2 。 的反硝化速率通常比n 0 3 高6 3 左右) ，反应时间的缩短使得反应器容积可减3 0 一4 0 左右；氨氮的亚硝酸化使曝气量减少2 5 左右，而在反硝化阶段又可减少 4 0 左右的有机碳源，大大减少了能耗和运行成本；产泥量也大大减岁4 ，5 】。 由于废水生物处理反应器都是开放的非纯培养系统，控制硝化停止在亚硝酸 盐阶段是实现短程生物脱氮的关键。传统硝化过程又是亚硝酸菌和硝酸菌协同完 成的，由于这两类细菌在开放的系统中形成较为紧密的互生关系，彼此相互作用 而将氨氮氧化为硝酸盐，因此完全的亚硝酸化是十分困难的。短程硝化的标志是 稳定且较高的亚硝酸盐的积累即亚硝化率较高( 至少大于5 0 ) 。 到目前为止，经亚硝酸盐途径实现生物脱氮成功应用比较有代表性的是荷兰 d e l f t 科技大学开发的s h a r o n 工艺，该工艺已经在几个污水厂的消化池上清液的 富氨氮污水的处理中得到应用。 s h a r o n 【6 1 ( s i n c er e a c t o rf o rh i g ha c t i v 埘a m m o m ar e m o v a lc e rn i t r i t e ) 最初是用来处理污水厂污泥消化池上清液和垃圾滤出液等高浓度的含氨废水。此 4 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 类污水的水温都较高，一般大于3 0 c 。s h a r o n 工艺巧妙利用了在高温下( 3 卜 3 5 ) 亚硝酸菌的最小泥龄小于硝酸菌最小泥龄这一特性，采用连续反应器( c s t r 反器) ，通过控制系统的水力停留时间使之介于硝酸菌和亚硝酸菌的最小泥龄之 间，从而将硝酸茵淘汰，维持了亚硝酸盐的积累。s h a r o n 工艺中，温度和p h 值 被严格控制，保证氨氮的亚硝酸化，最终使系统中的亚硝酸盐积累率达到1 0 0 ， 同时通过间歇曝气实现好氧条件下氨氮亚硝酸化和缺氧条件下亚硝酸盐的反硝 化。但s h a r o n 工艺要求废水的温度达到3 0 以上，这对大多数含氨废水不适用。 另外，s h a r o n 工艺的出水中还含有较多尚未反硝化去除的氨氮和亚硝酸盐等污 染物，需要进一步处理才可排放。不过该工艺证明了短程硝化反硝化的可行性， 同时对温度较高的高氨废水生物脱氮处理有重要的现实意义。 近年国内学者关于短程硝化反硝化的报道也日益增多，王春荣7 】等采用两段曝 气生物滤池对实际生活污水的实验研究中得出，b 段反应器具有明显的短程同步硝 化反硝化特性，从亚硝酸盐直接进行反硝化比从硝酸盐进行反硝化速率提高了1 1 5 倍。高大文【8 】等通过建立交替好氧缺氧短程硝化反硝化生物脱氮过程控制模式，确 定了最佳控制参数，c o d 、氨氮、总氮的去除率保持在9 0 、9 9 、9 2 。 ( 3 ) 好氧氨化 研究人员用s b r 反应器处理含氮浓度高的废水实验中，在只提供微量氧( d o 在0 1 m g l 一0 8 m g l 之间，大部分情况下低于0 8 5 ) ，并且不加碳源的情况下，将 氨氮一步去除。好氧氨化的反应过程如下【3 】： 0 5 n i - h + + 0 7 5 0 2 一o 5 n 0 2 + 0 5 h 2 0 + l + 0 5 n h 4 + + 0 7 5 n 0 2 。一o 5 n 2 + h 2 0 n h 4 + + 0 7 5 n 0 2 。一o 5 n 2 + 1 5 h 2 0 + h + 参与反应的微生物被认为是以氨的氧化菌为主的自养型的硝化菌，它们是作 为一种生物催化剂将废水中的氨进一步去除，在硝化中只提供微量的氧使硝化反 应只进行到亚硝酸盐阶段。由于缺少电子接受体，这种生物催化污泥消耗自身产 生的亚硝酸盐来氧化另一分子的氨氮，从某种意义上也可以说是硝化菌进行了好 氧反硝化的结果。 ( 4 ) 厌氧氨氧化 在催化剂的作用下，通过硝酸盐氧化氨氮进行脱氮在电厂的烟气脱氮处理中 已经大量应用。这个反应也给污水生物脱氮提供了一个新思路，能否直接以n h 4 + 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 为电子供体，以n 0 2 或n o s 为电子受体，在某类微生物的作用下将n h 4 + 转化成 n 2 4 , 6 1 。 1 9 9 0 年，m u l d e r 和g r a a f 等在一个反硝化流化床中发现了厌氧氨氧化现象，从 而提出了a n a m - - m o x - v 艺。此后g r a a f 等通过进一步试验，证实了厌氧氨氧化是 由微生物引起的生化反应，最终产物是氮气，并发现厌氧氨氧化中n 0 2 才是关键 的电子受体而不是n 0 3 。 ( 5 ) 同步硝化反硝化 最近几年国内外有不少实验和报道证明有同步硝化和反硝化现象 ( 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 n ，以下简称s n d ) ，尤其在有氧条件 下同步硝化与反硝化存在于不同的生物处理系统中，如流化床反应器、生物转盘、 s b r 、氧化沟工艺等。同步硝化反硝化1 】是指在低氧条件下，一个反应器同时存 在硝化作用和反硝化作用。与传统生物脱氮理论相比具有很大的优势，它可以在 同一反应器内同时进行硝化和反硝化反应。 对于同步硝化反硝化的机理，可以从宏观环境、物理学、生物学三方面加以 解释。 ( 1 ) 宏观环境理论 宏观环境理论郾】是指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) 厌氧段。例如，好氧性条件为主的活性污泥 系统中，特别是采用点源性曝气装置或者曝气不均匀时，往往会出现较大范围的 局部缺氧环境，在曝气阶段出现某种程度的同步硝化反硝化现象。又如，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。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并不存在，故s n d 也就有可能发生。 ( 2 ) 微环境理论 微环境理论t n , 1 3 1 俱1 重从物理学观点，研究活性污泥和生物膜中各种物质( 如 d o 、有机物等) 传递的变化，各类微生物的代谢活动及其相互作用，从而导致微 环境中的物理、化学和生物条件或状态的改变。 微环境理论认为：由于微生物个体形态非常微小，生物的生存环境也是微小 的，微环境直接决定微生物个体的活动状态，而宏观环境的变化往往导致环境的 变化或不均匀分布，从而影响微生物群体或类型的活动状态，并在某种程度上出 6 浙江工业大学硕士学位论文第l 章绪论 现所谓的表里不一( 宏观环境与微观环境不一致) 的现象。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，在活性污泥菌胶团和生物膜内部会存在多种多样的微环境类 型。而每一种微环境往往只适合于某一类微生物的活动。 在活性污泥中，决定各类微环境状况的因素包括有机物和电子受体，如：d o ， 硝态氮的浓度及物质传递特性，茵胶团的结构特征，各类微生物的分布和活动状 况等。在好氧性微环境中由于好氧菌的剧烈活动，当好氧速率高于氧传递速率时， 可变成厌氧性微环境；同样厌氧微环境在某些条件下，也能转化成好氧微环境。 如d o 浓度增高，搅拌加剧，使氧传递能力增强时，就会使菌胶团内部原来的微 环境由厌氧型转为好氧型。一般而论，即使在好氧型微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，厌氧等状态的微环境。厌氧微环 境理论是以自养硝化和厌氧反硝化的相互专有概念为基础的；也就是说，硝化可 以发生在絮体表面，而反硝化由于活性污泥絮体内的d o 梯度，会发生在内层。 因此曝气阶段会出现某种程度的反硝化，或称同步硝化反硝化。在生物膜法的工 艺中，基质浓度和膜厚的变化对厌氧微环境的产生尤其有重大影响。 对同时去除有机物和进行硝化反硝化的工艺，硝化茵在活性污泥中约占5 左 右，大部分硝化菌、反硝化菌处于生物絮体内部。在这种情况下，d o 浓度增高将 提高其对生物絮体的穿透力，因此可以提高硝化反应速率，但会降低反硝化速率。 生物絮体内部的微环境状态，除了受d o 影响外，还和有机负荷( f m ) ，絮体大 小和搅拌程度有关。高f m ，低d o 或无搅拌时，生物絮体内微环境倾向于向缺氧 或厌氧发展。反之，低f m ，高d o 或有搅拌时，微环境向好氧状态发展【1 3 】。 由于好氧工艺中厌氧性微环境的存在，使得对于好氧反硝化的现象，即使从 传统硝化反硝化理论的角度解释，也可以理解了。 ( 3 ) 生物学理论 生物学理论【3 ，1 2 】是指2 0 世纪8 0 年代以来，生物科学家发现许多硝化菌如荧光 假单胞菌，类产碱菌等都可以对有机或无机氨化合物进行异养硝化。同时国内外 大量文献报道在实验室里进行硝化细菌纯培养和混合培养以及处理垃圾渗滤液的 研究中均发现了好氧反硝化现象的存在。 由于异养硝化菌和好氧反硝化菌的存在，使硝化和反硝化有了同时发生的可 能。通常硝化细菌是自养型好氧微生物，依靠n i - h + - n 的氧化获得能量生长，需要 7 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 0 2 作为呼吸的最终电子受体；反硝化细菌大都是异养型兼性厌氧微生物，在缺氧 和低溶解氧条件下利用有机物的氧化作为能量来源，将n 0 3 一和n 0 2 - 作为无氧呼吸 的电子受体。对于反硝化菌来说，氧气的存在对于反硝化过程有抑制作用，主要 表现在电子受体之间争夺电子的能力差异上，通常0 2 接受电子的能力远远高于 n 0 3 一和n 0 2 一，但氧的存在对于大部分反硝化细菌本身却并不抑制，而且这些细菌 呼吸链的某些成分甚至需要在有氧的情况下才能生成。正是由于好氧反硝化菌， 低d o 浓度下的硝化菌，异养硝化菌及自养反硝化菌等的存在，使得s n d 能够进 行。 同步硝化反硝化具有以下优点【1 4 1 6 】： ( 1 ) 曝气量减少，降低能耗。 ( 2 ) 反硝化产生碱度可以中和硝化产生的氢离子，s n d 能有效地保持反应器 内的p h 。 ( 3 ) 因不需缺氧反应池，可以节省基建费用，或至少减少反应器容积。 ( 4 ) 能够缩短反应时间，节约碳源。 ( 5 ) 简化了系统的设计和操作等。 ( 6 ) 在某些特定控制条件下的s n d 工艺中，亚硝酸盐氮无须氧化为硝酸盐 氮便可直接进行反硝化反应，因此，整个反应过程加快，水力停留时间可缩短， 反应器容积也可相应减小。 ( 7 ) s n d 使得两类不同性质的菌群一硝化菌和反硝化菌在同一反应器中同时 工作，脱氮工艺更加简化而效能却大为提高。 所以，对于含氮废水的处理，s n d 系统提供了今后降低投资并简化生物除氮 技术的可能性，有着重要的现实意义和广阔的应用前景。 1 1 5 传统生物脱氮工艺 根据污水处理系统的类别不同，可将生物脱氮系统分为活性污泥脱氮系统和 生物膜脱氮系统。其分别采用活性污泥反应器与生物膜反应器作为好氧缺氧反应 器，实现硝化反硝化以达到脱氮的目的。 ( 1 ) 活性污泥法脱氮工艺 活性污泥法脱氮系统应用较多的污水处理工艺有a 2 o 工艺，a o t 艺，s b r 工艺等。 g 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 a 2 o 工艺【1 刀即厌氧缺氧好氧工艺，是一种典型的应用广泛的生物脱氮除磷工 艺。污水首先进入厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下，将部分 易生物降解的大分子有机物转化为挥发性脂肪酸。在缺氧区，反硝化茵利用污水 中的有杌物和经混合液回流而带来的硝酸盐进行反硝化，同时去碳脱氮。在好氧 区，有机物浓度相当低，有利于自养硝化菌生长繁殖，进行硝化反应。该工艺是 依据生物脱氮除磷基础理论而设计的较早的脱氮除磷工艺，在实际运行过程中也 发现不少问题【l 引。首先是污泥龄问题，硝化菌增殖速度慢，世代时间长，故要实 现硝化需较长的泥龄，一般1 0 1 5 天。而除磷是通过剩余污泥的排除实现的。研 究表明，当泥龄大于3 天时，除磷效果随泥龄的增加而降低，除磷的最佳泥龄为3 5 天。因此，不协调的排泥计划可能影响整体处理效果。碳源问题也是其中一个 关键的问题，反硝化和聚磷菌释磷都需要有机碳源，尤其是其中的易生物降解部 分。城市污水中易降解的有机物含量较少，很难同时满足释磷和反硝化的要求。 从而造成了反硝化碳源的不足。另外，回流污泥将一部分硝酸盐带入厌氧区，因 为微生物利用硝态氮作为最终电子受体可获得更多的能量，异养菌进行反硝化， 不但不产生挥发性脂肪酸，还消耗水中原有的挥发性脂肪酸。聚磷菌释磷受到抑 制，从而影响除磷效果。在同一流程中进行脱氮除磷会带来相互干预作用，这种 相互干预产生了负面影响。 a o 工艺即缺氧好氧工艺。缺氧区、好氧区分别在同一构筑物中被分隔的两 个部分或两个独立的构筑物中，反硝化在缺氧区完成；含碳有机物的去除，含氮 有机物的氨化和氨氮的硝化，在好氧条件下运行。a o 工艺流程简单，占地少，不 需外加碳源，文能充分反硝化，且易于控制污泥膨胀，运行管理方便，同时，很 容易利用原厂改建，从而提高了出水水质，近年来已得到了越来越广泛地应用。 s b r 即序批式活性污泥工艺，s b r 工艺在时间上依次实现厌氧，好氧两种状态。 空间上完全混合。一般可按运行次序分为5 个阶段，即进水、曝气、沉降、排水和 闲置，组成一个运行周期，间歇操作。s b r 工艺简单、经济，处理能力强，耐冲击 负荷强，占地面积少，运行方式灵活，不易发生污泥膨胀，是处理中小水量，特 别是间歇排放废水的理想工艺【19 1 。目前，单级( 段) 活性污泥法脱氮系统已从过 去的小型实验，中试及半生产装置发展到生产性研究和应用阶段，并在工程上积 累了一定的经验，但仍有许多实际问题需要解决。对进一步优化单级活性污泥法 脱氮系统的工艺参数与运行控制的研究，无疑将是污水脱氮处理研究的方向之。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 ( 2 ) 生物膜法脱氮工艺 生物膜法脱氮工艺大多数处于小试、中试及半生产性实验阶段。这些生物膜 脱氮系统相对于活性污泥脱氮系统具有更好的稳定性。生物膜脱氮技术要应用到 城市污水工程，还有许多问题有待解决。因此，对生物膜脱氮机理的深入研究和 开发新型经济高效生物膜反应器，将是今后污水生物膜脱氮技术研究的主要方向。 目前，研究和应用较多的生物膜处理系统有曝气生物滤池、移动床生物膜反应器 和序批式生物膜反应器等。 曝气生物滤池( b i o l o g i c a la e r a t e df i r e r ，b a f ) 的基本原理是：在一级强化的 基础上，以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为主要处理介质，实现污染物在同 一单元反应器内去除，省去了二次沉淀设备。反应器内存在着不同的好氧、缺氧 区域，可同步实现硝化和反硝化，在去除有机物的同时达到脱氮的目的。具有占 地面积小、出水水质高、投资省、运行灵活方便、易于管理、抗冲击能力强等特 点，在污水的有机物去除、硝化去氨、反硝化脱氮、除磷以及微污染水源水的预 处理过程中有着较好的应用前景。 移动床生物膜反应器( m o v i n gb e db i o f i l mr e a c t o r ，m b b r ) 吸取了传统的活 性污泥法和生物接触氧化法两者的优点而成为一种新型、高效的复合工艺处理方 法。其核心部分就是以比重接近水的悬浮填料直接投加到曝气池中作为微生物的 活性载体，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用而处于流化状态，当微生物附 着在载体上，漂浮的载体在反应器内随着混合液的回旋翻转作用而自由移动，从 而达到污水处理的目的。作为悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法相结 合的一种工艺，m b b r 法兼具两者的优点：占地少，在相同的负荷条件下它只需要 普通氧化池2 0 的容积；微生物附着在载体上随水流流动所以不需活性污泥回流或 循环反冲洗；载体生物不断脱落，避免堵塞；有机负荷高、耐冲击负荷能力强， 所以出水水质稳定；水头损失小、动力消耗低，运行简单，操作管理容易；同时 适用于改造工程等。 序批式生物膜反应器( s b b r - - s e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ) 是在s b r 基 础上发展起来的一种改良工艺，在s b r 反应器内装填不同的填料，遵循s b r 的操 作方式，兼具s b r 工艺与生物膜法的优点。在一个运行周期中，各个阶段的运行 时间、反应器内混合液体积的变化以及运行状态等均可以根据具体污水性质、出 水水质与运行功能要求等灵活掌握。对于s b b r 反应器来说，不存在空间上控制 1 0 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 的障碍，通过在时间上进行有效地控制和交换，达到多种功能要求。 1 1 6 传统生物脱氦工艺存在问题 在工程应用中，目前主要采用的还是传统的成熟工艺。这些工艺虽然在去除 氮素的过程中起到了一定的作用，但还是明显存在各自的不足。如硝化菌群增殖 速度慢且难以维持较高的生物浓度，造成系统总水力停留时间较长，有机负荷较 低；污泥回流和硝化液回流增加动力消耗及运行费用；为中和硝化过程产生的酸 度，需要加碱中和，大大增加处理费用。 除此之外，常规脱氮工艺需要好氧硝化和缺氧反硝化，反硝化需要碳源。在 常用工艺中，前置反硝化对氮的去除不完全，导致出水硝态氮的累积，若想获得 较高的总氮去除率，需要硝化后的混合液回流以利用原水中的碳源，这就必须加 大内循环比，这样相应地能耗也就大大提高；后置反硝化则有赖于外加快速易降 解有机碳源的投加；普通内源反硝化的效率很低【2 2 2 3 1 。由于异养菌的优势，好氧 反应中碳的氧化优先于硝化，造成碳的氧化增加能耗而反硝化又缺少碳源的现象。 因此，碳源问题是制约反硝化效果的主要问题。 1 2 采用储碳方式提高系统脱氮效果的提出 1 2 1 碳源对生物脱氮的影响 在废水生物除氮过程中，有机碳源作为异养好氧细菌和反硝化过程的电子受 体，起着非常重要的作用。它是细菌代谢必需的物质和能量来源，是反硝化反应 得以有效进行的必备条件。缺乏碳源，会导致反硝化过程受阻，同时也会抑制异 养好氧细菌增殖，使得n h 4 + - n 的同化作用下降。因此在实际的反硝化装置中，常 常要加入甲醇等物质作为补充碳源。对于同步硝化反硝化体系，由于有氧环境与 缺氧环境的一体化以及硝化与反硝化反应的同时发生，使得有机碳源对整个反应 体系的影响尤为重要。 阮文权【2 0 】等在研究好氧颗粒污泥同步硝化反硝化时发现：c o d 仆吼+ - n 比值 在2 _ 4 范围内( 即c o d 浓度为4 0 0 m g 卜8 0 0 r a g l ) ，氮的去除率随着有机物浓 度的上升而略有提高。而在c o d n h 4 + - n 4 的情况下，氮去除率快速下降，说明 废水中适量的有机物对颗粒污泥同步脱氮是有利的，一方面可满足异养型好氧微 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 生物的生长代谢需要，也可以为异养型厌氧反硝化细菌提供代谢所需的有机物， 从而提高氮的去除效率。但当废水中存在过量的有机物时，处在好氧区内的自养 型硝化细菌的代谢活动受到抑制，从而影响硝化反应，影响氨氮的氧化，最终使 氮的去除下降。许多类似研究也表明，碳氮比过低，满足不了反硝化的需要，过 高降低反硝化反应的速率，不利于氨氮的去除。 对于碳源的投加方式，一些学者也进行了研究。传统的碳源投加方式往往是 一次性在曝气开始时投加，胡宇华等认为【2 1 1 采用易降解的有机物作为碳源时，难 以保证反应后期的c n 维持在反应所需水平，因此在s b r 系统中试验了分批补料 的方式，在保证总的有机碳源需求充足的条件下，通过影响化学反应平衡可使氨 氮浓度最终接近于零。采用补料方式一方面是增加了反硝化所需的电子受体，促 进反应的进行；另一方面是通过添加有机物，使得微生物在降解有机物过程中， 不断降低体系中的溶氧水平，从而为同时硝化反硝化过程提供一定的缺氧环境。 张小玲【2 2 】在研究s b r 的s n d 实验中采取3 种碳源投加方式：在反应器进水 期一次性投入( 瞬时加入) ，在好氧反应期每隔一小时加一次碳源( 半连续性投 入) ，在好氧反应期用蠕动泵连续性投入，并进行了比较。一次性投加时，c o d 很快降解到较低值，随后由于碳源缺乏使得反硝化受阻，总氮去除5 0 - - 6 0 ；当 采取半连续投加方式时总氮去除率提到7 0 ，反应过程中始终有c o d 存在，但反 应器内碳源浓度太低，渗透到絮体内部的缺氧区碳源有限。连续投加结合了前2 种投加的优点，能保证总氮的去除率大于8 0 。 1 2 2 反硝化脱氮的碳源选择 从污水生物处理的脱氮工艺来看，有机物来源主要分为外加碳源和系统碳源 两大类。外加碳源多采用甲醇、乙醇等，还有许多新型碳源。系统碳源是指污水 处理系统本身的碳源。它包括污水中的有机碳( 以b o d 5 计) ：已从原污水中分离 出来的颗粒态慢速降解有机物( 初沉污泥) ；活性污泥微生物死亡或破裂，自溶 后释放出来的可被利用的基质等。 ( 1 ) 工业废水 各种工业废水一般都是高碳源废水，若能将它们作为反硝化的外加碳源，不 仅能实现经济的外加碳源投加方式，还能解决部分工业废水的处理问题。现在国 内外有许多研究者已经开始了这方面的探索，比如引入啤酒废水，造纸工业废水 1 2 浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论 作为反硝化补充碳源【2 3 2 4 。 ( 2 ) 天然有机固体底物 天然有机固体底物，如甘草，芦苇等植物，萃取的甘草根，海藻等，其主要 成分为纤维素，是一种多糖物质，具体为线性葡萄糖聚合物，在相邻并行的羟基 之间以氢键相连。天然有机固体底物可在反硝化过程中作为菌群的生物载体和反 硝化碳