（环境工程专业论文）炼油污水生物脱氮污泥减量一体化研究.pdf

摘要 本文以胜华炼油厂二浮池的出水为研究对象，探讨了a 1 a 2 0 i 0 2 组合工艺对所处理 废水中的有机物及含氮类物质的去除规律，研究了水解酸化处理系统内剩余污泥的减量， 以及剩余污泥的回流对废水处理效果的影响。 通过对影响废水处理效果的操作条件的分析，得出：本工艺具有较强的抗冲击负荷能 力，在实验研究的系统进水容积负荷内( 0 7 8 2 1 2 0 9k g c o d m - 3 d 。1 ) ，系统能较稳定运行； c o d n h 3 n l k 值增大，脱氮效果增强；水力停留时间的缩短将影响硝化反应，若使本工艺 达到较好的处理效果，水力停留时间至少要保持4 2 h 以上；提高溶解氧可以提高c o d 和氨 氮的去除效果，并且当好氧区两段的溶解氧存在梯度时，系统脱氮效果将提高；提高污泥 及混合液回流比，脱氮效果将提高。 将a l a 2 0 i 0 2 工艺中二沉池的剩余污泥回流到厌氧段，通过厌氧段中的世代时问短、 适应性强的水解、产酸细菌，可有效地实现对剩余污泥减量化。通过对影响污泥减量效果 的操作条件的分析，选取容积负荷在0 8 5 3 k g c o d m - 3 d 。1 左右作为系统的正常运行负荷；为 满足废水的处理要求和实现系统内污泥的有效减量，废水在a 1 段水力停留时间应为4 2 h 左右；污泥回流到a l 段进行减量化，污泥( 细胞) 中n 、p 的释放可以有效的补偿炼油废水 c ：n ：p 失调的缺点，可以大大降低向系统添加n 、p 营养物质的费用。 剩余污泥回流到a 1 段，提高了系统对c o d 的去除率。在a 1 段有机负荷0 8 5 3 k g c o d m 3 d 、水力停留时间为5 6 h 条件下，a 1 段c o d 的去除率由1 8 9 7 提升至2 2 6 2 ：污泥回流对系统各段p h 值影响不大；污泥回流使得a 1 段中的n 0 3 - n 含量增大，有 利于反硝化的进行，从而进一步提高系统的脱氮效果；并且随着污泥回流比的不断增大， t n 去除率也随之增大。 关键词：生物脱氮，污泥减量，水解酸化 s t u d y0 1 1b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o na n ds l u d g e r e d u c t i o nw i t hr e f i n e r yw a s t e w a t e r x i a ol a n ( e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a oc h a o c h e n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , s e c o n d a r yf l o a t a t i o np o o le f f l u e n to fs h e n g h u ao i lr e f i n e r yw a ss t u d i e d ， a1 a 2 oi 0 2t e c h n i c sw a sd i s c u s s e dt or e m o v eo r g a n i cs u b s t a n c ea n dn i t r o g e n o u ss u b s t a n c e ， r e d u c t i o no fr e s i d u a ls l u d g ei nh y d r o l y z ea c i d i f i c a t i o ns y s t e ma n di n f l u e n c eo fr e s i d u a ls l u d g e c i r c u m f l u e n c eo nt r e a t m e n te f f e c tw e r es t u d i e d t h r o u g ht h eo p e r a t i o nc o n d i t i o na n a l y s i so fw a s t ew a t e rt r e a t m e n te f f e c t ：a1 a 2 oi 0 2 t e c h n i c sh a das t r o n gc a p a c i t yo fs h o c kl o a d ；t h es y s t e mc a l lm ns t a b l yw i t h i nv o l u m el o a d ( 0 7 8 2 - i 2 0 9k g c o d m 。3 d 叫) ；n i t r o g e nr e m o v a le f f e c tw o u l d b ee n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s i n g o fc o d n h 3 - n ，t h es h o r t e no fh r tw o u l da f f e c tn i t r i f i c a t i o n ；i no r d e rt oa c h i e v eab e t t e r e f f e c t ，h r ts h o u l dr e m a i n4 2 ha tl e a s t ；t h ei m p r o v e m e n to fd o w o u l de n h a n t ec o da n d a m m o n i an i t r o g e nr e m o v a le f f e c t ，a n dw h e nd og r a d i e n te x i s t si nt h ea e r o b i ca r e a , n i t r o g e n r e m o v a le f f e c tw o u l db ee n h a n c e d ；t h ei m p r o v e m e n to fs l u d g ea n dm i x e dl i q u i dr e t u r nr a t i o w o u l de n h a n c et h en i t r o g e nr e m o v a le f f e c t t h er e s i d u a ls l u d g ei ns e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o nt a n kr e t u m e dt oa n a e r o b i ca r e a ，t h r o u g h h y d r o l y s i sa c i db a c t e r i ao fs h o r tt i m ea n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y , c o u l da c h i e v et h er e d u c t i o n e f f e c t i v e l y t h r o u g ht h ea n a l y s i so fo p e r a t i o nc o n d i t i o n sw h i c ha f f e c ts l u d g er e d u c t i o n ， 0 8 5 3 k g c o d m - 3 - d 1w a sc h o s e na st h en o r m a lv o l u m el o a d ；h r ts h o u l db e4 2 hi no r d e rt o m e e tr e q u i r e m e n t so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n de f f e c t i v es l u d g er e d u c t i o n ；s l u d g eb a c kt oa 1 ， npr e l e a s ec o u l de f f e c t i v e l yc o m p e n s a t ec ：n ：pi m b a l a n c e t h u sc o s to fn 、pa d d i t i o nt o s y s t e mc o u l dg r e a t l yr e d u c e r e s i d u a ls l u d g eb a c kt oaii m p r o v e dc o dr e m o v a le f f i c i e n c y c o dr e m o v a le f f i c i e n c y i n c r e a s e df r o m18 9 7 t o2 2 6 2 i na 1w h e no r g a n i cl o a di s0 8 5 3 k g c o d 。m - 3 d 叫a n d h r ti s5 6 h ；t h e r ei sl i t t l ei n f l u e n c eo fs l u d g er e t u mo np hv a l u e ；s l u d g er e t u r nm a d en 0 3 n c o n t e n ti n c r e a s e d ，w h i c hw a sc o n d u c t i v et oa n t i n i t r i f i c a t i o n ，t h u se n h a n c e dn i t r o g e nr e m o v a l ； a n dt nr e m o v a le f f i c i e n c yi n c r e a s e dw i t ht h eg r o w i n go fr e t u r nr a t i o k e yw o r d s ：b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n ，s l u d g er e d u c t i o n ，h y d r o l y s i sa c i d i f i c a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成 果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学 ( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究 所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：氛 日期：矽p 舻年石月；日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：力d 辟 日期：如扩年j v 6 月2 日 月岁 日 中固石油大学( 华东) 颐二i ：学位论文 第一章绪论 废水中如果含有较高浓度的氮化合物，排入水体后将会对鱼类等水生动物构成毒 害，并且刺激藻类等水生植物过度生长，甚至出现赤湖、赤海等富营养化污染现象【。 因此，废水的生物脱氮已成为水污染控制中的一个重要研究方向，并引起世界各国的普 遍关注。为了对生物脱氮技术的研究现状有一个较为全面的了解，首先有必要就国内外 有关生物脱氮技术与工艺方面的研究进展进行综述。 1 1 生物脱氮概述 废水中氮的存在形式以有机氮化合物和氨氮为主。传统的活性污泥法能将有机氮转 化为氨氮，却不能有效地去除总氮。废水生物脱氮的基本原理即在于通过硝化反应先将 氨氮氧化为硝酸盐，再通过反硝化反应将硝酸盐还原为气态氮从水中逸出，从而达到脱 氮的目的。生物脱氮过程如图1 1 所示： 有机氮 图1 - 1生物脱氮过程示意图 f i g l 一1 s k e t c hm a po fb i o l o g i cd e n i t r i f i c a t i o n 有机氮主要指蛋白质、胨、氨基酸、核酸以及尿素等有机氮化合物中的含氮量。实 际测定中以t k n 减去n h 3 n 即为有机氮含量；无机氮指n 0 2 - - n 、n 0 3 - - n 和n h 3 - n 以及少 数其它无机氮化合物：氨氮指在水体中以n h 3 禾d n h 4 + 两种形式存在，即：n h 4 + - o n h 3 + h + ， 总的氨氮浓度等于吖h 3 】与州h 4 + 】之和；总氮指水体中所有的有机氮和无机氮之和【2 ，3 1 。 1 1 1 硝化反应 硝化反应是在好氧条件下由亚硝酸菌洲i t r o m o n a s ) 和硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 共同完成 的。亚硝酸菌有亚硝化单胞菌属、亚硝化螺杆菌属和哑硝化球菌属等，硝酸菌有硝化杆 第一章绪论 菌属、螺菌属和球菌属等，两者都属专性好氧菌。硝化细菌几乎存在于所有污水生物处 理过程中l4 1 ，它们都是革兰氏阴性菌，具有强烈的好氧性，不能在酸性条件下生长，由 于这两类细菌不需要有机物作为养料，且是通过氧化无机的氮化合物得到所需的能量， 故它们是化能自养型的细菌。亚硝酸菌和硝酸菌以无机化合物c 0 3 二、h c 0 3 及c 0 2 等为 碳源，以n h 4 + 及n 0 2 - 为电子供体，0 2 为电子受体，使氨氮氧化并合成新细胞，其反应方 程式可表示为1 5 j ： 硝酸菌 n h 4 + + 1 3 8 3 0 2 + 1 9 8 2 h c 0 3 。 - 0 0 18 c 5 h 7 0 2 n + 0 9 8 2 n 0 2 + 1 0 3 6 h 2 0 + 1 8 9 2 h 2 c 0 3( 1 1 ) n 0 2 一+ o 0 0 3 n h a 十+ o o l t l 2 c 0 3 + 0 0 0 5 h c 0 3 - + 0 4 8 4 5 0 2 垩壁堕堕一 ， 0 0 0 3 c 5 h 7 0 2 n + 0 0 0 8 h 2 0 + n 0 3 ( 1 - 2 ) 两类硝化菌的特征如表1 1 所示。 表1 1 硝化细菌的特征【6 1 t a b l e l 1c ：h a r a c t e ro fn i t r o b a c t e r i a 由表】一1 可见，亚硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，但前者的世代期较短，生长速 率较快，因此较能适应冲击负荷和不利的环境条件，当硝酸菌受到抑制的时候，有可能 出现n 0 2 积累的情况f 2 】o 近年来，利用硝化菌培养物固定化、挂膜或直接投加等方法处理含n h 3 n 废水的研 中固石油人学( 华东) 硕士学位论文 究较多。周群英等1 7 】在采用s b r 法处理味精浓度废水稀释液过程中，通过2 次投加高性能 硝化菌，经硝化反硝化反应后能去除n h 3 n 浓度达1 6 7 8 m g l ，但运行周期过长达到1 2 1 小时，因而不经济实用。赵兴利等【8 1 采用固定化硝化菌法处理含n h 3 - n 人工配制废水的 研究表明，当进水n h 3 - n 浓度为3 5 m g - l 和6 5 m g l 一，反应时间分别为5 h 署d 9 h 时，n h 3 - n 去除率皆可达9 9 以上，且固定化硝化菌寿命长达7 个月以上。此外，郭文艳等使用硝 化菌培养液挂膜，用生物接触法对富营养化河水进行生物脱氮处理，结果表明，在h r t 仅为1 2 h 的条件下，出水n h 3 n 与n 0 2 - n j 匀d 、l m g l 1 【9 1 。 1 1 2 反硝化反应 反硝化反应是由一群异养型微生物完成的，它的主要作用是将硝酸盐或亚硝酸盐还 原成气态氮或n 2 0 ，反应在无分子态氧的条件下进行，其过程为【l o 】： 硝酸盐还原酶亚硝酸盐还原酶氧化氮还原酶 n 0 3 。_ n 0 2 。n o _ 氧化亚氮还原酶 n 2 0 叶n 2 污水生物处理系统中的微生物在无氧条件下大多具有反硝化能力，常见的有变形杆 菌属、微球菌属、假单胞菌属和芽胞杆菌属等。p a y n e 系统地回顾了具有反硝化能力的 废水处理微生物，指出有些类群只具有硝酸盐还原酶，故只能将n 0 3 还原至n 0 2 。，如无 色杆菌属、放线杆菌属、气单胞菌属、琼脂杆菌属、芽胞杆菌属等：而其它类群由于具 有反硝化中的全部酶系，因此能将n 0 3 还原成n 2 ，如微球杆菌属、丙酸杆菌属、螺菌属 等。在所有反硝化菌中，有些是专性好氧菌，有些是兼性厌氧菌。此外，少数专性和兼 性自养细菌也能还原硝酸盐，如硫杆菌属细菌能以氢气和还原性h 2 s 等无机物为电子供 体，在厌氧条件下利用n 0 3 作为电子受体来氧化还原硫j 。 大多数反硝化菌都能在进行反硝化的同时将n 0 2 同化为n h 4 + 供细胞合成之用，此过 程可称为同化反硝化。当利用的碳源为甲醇时，反硝化过程可以表示为1 ： n 0 3 + 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3- 0 0 5 6 c 5 h 7 0 2 + 0 4 刚2 t + 1 6 8 h 2 0 + h c 0 3 ( 1 3 ) n 0 2 。+ 0 6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 h 2 c 0 3， 0 0 4 c s h t 0 2 n + 0 4 8 n 2 t + 1 2 3 h 2 0 + h c 0 3 ( 1 - 4 ) 第一章绪论 在某些情况下，反硝化过程中会出现n 0 2 的积累，由于n 0 2 不挥发，并对生物及人 有害，故引起人们的关注。亚硝酸盐可在亚硝酸还原酶作用下，进一步还原为氧化氮。 正常情况下它不会被积累，而是还原为n 2 0 和n 2 ，但在不利的条件下，也可能形成并积 累n o 。氧化氮在氧化氮还原酶催化作用下还原为n 2 0 ，n 2 0 是一种对环境有不良影响的 气态化合物，它可破坏地球表面大气臭氧层。因此，研究其形成并加以控制，是反硝化 工艺所必须考虑的问题。 在处理某些高含氮工业废水的研究中为了减少曝气量和# l - 3 n 碳源，就特意地将硝化 反应控制在亚硝化阶段。由( 1 3 ) ，( 1 - 4 ) 式可知从n 0 2 。阶段进行反硝化比从n 0 3 - 阶段进行 反硝化所需外加碳源( 甲醇) 理论上减少3 3 3 左右。因此，为了节省反硝化运行费用，可 以将硝化反应控制在n 0 2 阶段。目前控制方法主要有：( i ) 通过控制供氧量( d o ) ；( i i ) 控制 游离n h 3 浓度，抑制硝化菌的活性；( i i i ) 利用在较高温度下，硝化菌的生长速率明显低于 亚硝化菌的生长速率。因此，在完全混合反应器中通过控制温度和停留时间，可以将硝 化菌从反应器中冲洗出去，使反应器中亚硝化菌占绝对优势，从而使氨氧化控制在亚硝 化阶段【1 2 】。z h a n gm ，j o oh w a 等人通过n 0 2 一途径进行反硝化，所需碳源大大减少，其 进水中c o d n 的比值仅为2 0 3 0 9 c o d g n 。而p o t h 等人【1 4 1 将反硝化碳源控制在 1 o g t o c g n 。虽然反硝化不能完全达到，但它们认为过大的c n 将会使氧化一还原电位 迅速下降，从而产生一些有毒性的硫化物。 1 1 3 生物脱氮技术原理研究的最新进展 最近的一些研究表明：生物脱氮过程中出现了一些超出人们传统认识的新现象，如 硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用；某些微生物在好氧条件下也 可以进行反硝化作用。k u e n e nj g 等( 1 9 8 7 ) 及r o b e r t s o nl a 等( 1 9 9 2 ) 发现，许多异养型硝 化细菌能进行好氧反硝化反应，在产生n 0 3 和n 0 2 的过程中将这些产物还原，这就为在 同一反应器中在同一条件下完成生物脱氮提供了可能。v a n d e g r a a f 等( 1 9 9 5 ) 研究发现异 养硝化，好氧反硝化细菌t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 台e 把n h 4 + 氧化成n 0 2 。，尔后通过反硝化 途径将n 0 2 还原为n 2 ，从而完成生物脱氮1 1 2 】。 m u l d e r a 等( 1 9 9 5 ) 发现氨确实可以直接作为电子供体进行反硝化反应，并称之为 a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ( 厌氧氨生物氧化) 。v a n d e g r a a u 等( 1 9 9 6 ) 通过研究，证实 了厌氧氨生物氧化是一个微生物过程，在厌氧分批培养中，氨与硝酸盐同时被转化，仅 有微量的亚硝酸盐积累，一旦硝酸盐耗尽，氨的转化即停止，但其中起作用的菌属还待 进一步研究f 1 5 1 6 j 。 4 中国油大学( 华东) 侦上学位论文 1 2 生物脱氮工艺的发展历史及其研究新进展 1 2 1 生物脱氮工艺的发展历史 早在1 9 世纪末，人们对于自然界中存在着硝化作用和反硝化作用有了较清楚的认 识。但是，在污水处理领域中，对于硝化作用和反硝化作用的研究始于本世纪初。3 0 年 代，w u h r m a n n ( 1 9 3 2 ) 在生物滤床中发现了硝化和反硝化作用，并提出内源呼吸能量的释 放可以提供反硝化作用所需的碳源，由此形成了一种后脱氮工艺。但由于内源反硝化速 率非常低，其效率不高。6 0 年代l u d z a c k & e t t i n g e r ( 1 9 6 2 ) 发现，利用废水中的有机物作为 供氢体进行反硝化，可提高反硝化速率，由此发展了前置脱氮工艺。但由于当时仅仅是 在好氧区中设立一定的缺氧区，不能稳定控制回流比，因而脱氮效率很不稳定，但他们 的研究，对以后的生物脱氮技术发展提供了很好的发展基础。将生物脱氮技术推向应用 之路的是从美国的b a r t h ( 1 9 6 9 ) 等研究者们提出三段( t h r e e s t a g e ) 脱氮工艺开始的( 见图 l 一2 ) 。随着对硝化作用机理认识的加深，又形成了更为经济的二段( t w o s t a g e ) 脱氮工艺 【6 1 ( 见图1 3 ) 。 图l - 2 砌n h 三段工艺 f i g l - 2t h r e e - s t a g eb a r t ht e c h n i c s 第一章绪论 图1 - 3b a r t h 两段工艺 f i 9 1 - 3t w o - s t a g eb a r t ht e c h n i c s 如果说5 0 年代末期到7 0 年代初期是生物脱氮由研究走向工业化开始的话，那么7 0 年 代到9 0 年代则是生物脱氮技术走向全面发展和广泛应用的时期。这一时期的标志是从南 非的j a m e sb a m a d ( 1 9 7 2 ) 将w a h r m a n n 和l u d z a c k & e t t i n g e r 等人的理论相结合，推出了第 一套工业化的b a m a d 生物脱氮工艺而开始的( 见图1 4 ) 。这一工艺比三段和二段脱氮工艺 减少投资和运行费用，具有同等的脱氮能力【5 1 7 1 。 随后他们又将除磷理论结合到生物脱氮中，即在b a m a d - t - 艺的前端增设一个厌氧 池，开发出p h o r d o x 工艺，又被称为b a r d e n p h o i 艺。此工艺的推出使生物除磷脱氮技术 有了更大的发展，扩大了应用范围。 混合液回流 进水 - 同- 冈- ( 沉l 二 1 l 同- 冈 jr i ：广1 广1：广1 广， 排泥 污泥回流 1r l 图l _ 4b a r t h 生物脱氮工艺 f i g l - 4b i o l o g i cd e n i t r i f i c a t i o nt e c h n i c s 1 2 2 近年来应用较为广泛的几种生物脱氮新工艺 1 2 2 1 o 工艺 o 工艺是a n o x i c o x i c 的英文缩写，它是缺氧好氧生物脱氮法的简称。该工艺丌创 于8 0 年代初，由于它将缺氧反硝化池置于好氧池前面，所以又称为前置反硝化! e 物脱氮 6 中固石油人学( 乍东) 硕上学位论文 系统( 见图1 5 ) 。它的特点是，原废水先经缺氧池，再进入好氧池，并将好氧池的混合液 和沉淀池的污泥同时回流至缺氧池，使缺氧池中既从原废水中获得反硝化所需充足的有 机物，又从回流混合液中得到大量的硝酸盐。回流污泥则保证其微生物量，因此可在其 中进行反硝化，但应保证缺氧池中d o 值低于0 5 r a g l 。 混合液回流 j 一 出水出水 - 萧。r 广= = 厂= 。： 一 r斗7污泥 j 1 1 1 ”。 图1 5a o 生物脱氮工艺 f i g l - 5 a ob i o l o g i cd e n i t r i f i c a t i o nt e c h n i c s a o 法与传统的脱氮系统相比有很多优点，如流程简单，构筑物少；不需外加碳源； 同时减少碱度的消耗等。但它的主要缺点在于脱氮效率不高，一般为7 0 8 0 ；回流比较 大等d 8 】。 1 2 2 2 氧化沟 氧化沟( o x i d i z e dd i t c h e s ) 又名氧化渠，因其构筑物呈封闭的沟渠形而得名。实际上 它是活性污泥法的一种变型。因为废水和活性污泥的混合液在环状的曝气渠道中不断循 环流动，有人称其为“循环曝气池”、“无终端的曝气系统”等。 氧化沟是5 0 年代由荷兰的巴斯维尔开发出来的，它运行成本低，构造简单，易于维 护管理，出水水质好，运行稳定，并且它以循环间歇曝气，形成了一个缺、好氧环境， 从而具有很好的脱氮除磷效果，因而目益受到人们重视并得到广泛应用。根据它的构造 特征和运行方式的不同，可以得到不同类型的氧化沟系统。包括c a r r o u s e l 氧化沟，交替 工作式氧化沟并i o r b a l 型氧化沟等类垄! 。基本工艺流程如图l 一6 所利引。 第一章绪论 转刷 图l _ 6 氧化沟工艺流程图 f i g l - 6 f l o wc h a r to f o x i d a t i o nd i t c h 1 2 2 3s b r 工艺 s b r _ t _ 艺即序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ra c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s 缩 写为s b r 活性污泥法) ，又称为间歇式活性污泥法。它是由美国的r i r v i n e 教授等人在7 0 年代末期开发出来的。s b r i 艺基本单元操作由进水、反应、沉淀、出水( 排泥) 及必要 时的闲置等五个阶段组成f 1 9 】。 污泥脱水外运 图1 - 7s b r i 艺流程图 f i g l - 7 f l o wc h a r to fs b r s b r 工艺有以下几方面优点： ( 1 ) 工艺简单，处理构筑物少，无二沉池和污泥回流系统，基建费和运行费用都 较低。 ( 2 ) s b r 用于工业废水的处理，不需设置调节池。 ( 3 ) 污泥的s v i 值很低，污泥易于沉淀，一般不会发生污泥膨胀。 ( 4 ) 可根据需要调节s b r 的运行方式，运转十分灵活、方便。具有去除c o d ，b o d 和显著的脱氮除磷功能。 ( 5 ) 当运行管理得当，处理出水水质优于连续活性污泥法。 ( 6 ) s b r 的最大缺点就在于运行管理比较繁琐，但随着污水处理自动控制技术和 中国石油人学( 华东) 硕一【：学位论文 监测手段的迅速发展，这一缺点已不能制约s b r 法被进步开发与应用。 从7 0 年代中期至8 0 年代中期，世界各国对s b r 研究重点集中在s b r 处理城市污水和 生活污水的工艺特性和应用，如含碳有机物的去除，s b r i 艺的基本运行特征，氮磷的 去除，污泥沉降性能的控制及连续流活性污泥法系统的改造等。研究表明，s b r t 艺在 不需要增加设施的情况下，通过灵活地改变操作运行方法，可以获得城市污水和生活污 水中碳、氮、磷的同时去除，又能够克服连续流系统中常见的丝状菌膨胀问题。 从8 0 年代中期开始，各国的研究者对s b r 的兴趣逐渐转向用s b r 处理有毒或难降解 有机废水方面。s b r 工艺被成功地应用于处理垃圾渗滤液、石油化工废水、含甲酚或二 甲酚的高浓度人工合成废水、苯胺废水、含多种毒物的化学试剂生产废水和混合化工废 水等。研究表明，s b r 的序列运行能够产生有效的微生物选择压，使降解目标有机物的 微生物大量增殖，因而s b r 适合于有毒或难降解有机废水的处理【l 刀。 在国内，对s b r 的研究和应用较晚，直至j j 9 0 年代初对s b r 的研究和应用才越来越多， 应用领域也很广泛。已将s b r 成功应用于城市污水、含酚废水、制药、农药、皮革、石 油化工等废水的处理中。 1 2 3 生物膜脱氮系统 生物膜脱氮系统是指在反应器中投加填料或载体，使微生物附着在其上生长，又称 为固着生长型脱氮系统。它的主要优点是无需回流污泥，且构筑物内西j 以维持较高的微 生物量，因此，水力停留时间较悬浮生长型的构筑物短，负荷率高，脱氮效率高，是一 种经济实用的脱氮工艺。 利用微生物在固体表面的附着生长( a t t a c h e dg r o w t h ) 寸废水进行生物处理的技术， 在传统上称为生物膜法，主要包括生物滤池、生物转盘( r b c ) 、生物接触氧化法、生物 流化床法等，此外针对不同的反应器形式又发展了一些新型生物膜处理技术，如 b s b r ( 生物膜法s b r ) 等，与微生物悬浮生长型的活性污泥法相比，生物膜法具有许多明 显的优点。主要表现在： ( 1 ) 由于存在许多生长繁殖速度缓慢的硝化细菌，因此具有较高的脱氮能力； ( 2 ) 生物膜中存在的微生物具有多样性，包括好氧菌、厌氧菌、真菌和藻类等， 使其在去除污染物方面具有广谱性； ( 3 ) 大量微生物生长和占据了整个反应器的空间，单位体积生物量远比活性污泥 法高，因此单位处理能力更大； ( 4 ) 生物膜法中的食物链比活性污泥法长，产生的污泥大都彼，物所消耗，区i 此 9 第一章绪论 剩余污泥量很少。 ( 5 ) 系统操作维护方便，能耗低，无需污泥回流。 ( 6 ) 因系统的微生态复杂，对水力和有机负荷变化的承受能力强，操作运行稳定 【3 】 o 1 2 3 1 生物滤池 包括干床生物滤池，浸没式生物滤池两种。1 9 7 6 年德国的一家食品公司，首次将干 床生物滤池用于处理食品废水，获得了较好的脱氮效果【l 】，上海焦化厂使用的反硝化淹 没式生物滤池处理焦化废水，使出水n h 3 n 小于3 7 m g l ，去除率达到9 5 以上【5 1 。 1 2 3 2 生物转盘( m 3 c ) 生物转盘( r u 3 c ) 作为一种废水好氧生物处理技术，6 0 年代初首先在欧洲得到应用， 至l j 2 0 年代仅欧洲就有1 0 0 0 多座生物转盘投入运行。我国对该技术的研究起始于1 9 7 2 年， 目前在化纤、石油化工、印染，制革等废水处理方面获得成功应用。1 9 8 7 年t u r n e r 等人 采用四级r b c 系统处理含高浓度n h 3 n 的煤气化废水，取得了对n h 3 n 和有机物很高的 去除率 j , 2 0 】。 1 2 3 3 好氧生物流化床 自7 0 年代初美国首次将该技术应用于废水生物处理以来，得到水处理界的普遍重 视。生物流化床技术是使废水通过流态化并附着生长有生物膜的颗粒床，废水中的基质 在床内同均匀分散的生物膜相接触而获得降解去除。生物流化床具有比表面积大，接触 良好，运转负荷高的优点，但要求回流比较大，动力消耗也大。 h e n r y k m e l c e r 等人采用缺氧好氧两级生物流化床处理焦化污水与鼓风炉污水的混 合废水试验，j 羞7 k n h 3 n n l 0 0 + 5 0 ，回流比为4 的情况下出水n h 3 。n s j 、- 于l m g l 1 【5 1 。 1 2 4 生物脱氮新工艺的研究进展 以上生物脱氮工艺虽能达到较好的脱氮除磷效果，但这些工艺仍存在以下问题： ( 1 ) 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，特别是在低温冬季。因此造 成系统总水力停留时i u j ( h r t ) 较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用； ( 2 ) 系统为了维持较高微生物浓度及获得良好的脱氮效果，以便同时进行污泥回 流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用； ( 3 ) 抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长： ( 4 ) 为中和硝化过程产生的酸度，需要加碱中和，增加了处理费用。 最近的一些研究表明：q i 物脱氮过程中出现了一些超出人们传统认识的新现象，如 1 0 中困石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用，某些微生物在好氧条件下也 可以进行反硝化作用；特别值得一提的是有些研究者在实验室中观察到在厌氧反应器中 n h 3 n 减少的现象f 2 l 】。 这些现象的发现为水处理工作者设计脱氮处理工艺提供了新的理论和思路。近年来 废水生物脱氮领域研究中出现了几种新工艺，包括s h a r o n 工艺、a n a m m o x - t - 艺、 d e a m i n o n i f i c a t i o n i 艺、o l a n d 工艺等。 1 2 4 1a n a m m o x 工艺 1 9 9 0 年，荷兰d e l f t 技术大学k l u y v e r 生物技术实验室开发出a n a m m o x 工艺即在厌 氧条件下，以n o x - 为电子受体，将氨转化为n 2 。最近研究表明，n 0 2 是一个关键的电子 受体。由于该菌是自养菌，因此无需添加有机物来维持其硝化。实验研究发现：厌氧反 应器中n h 4 + 浓度的降低与n 0 3 。的去除存在一定的比例关系【2 2 1 。发生的反应可假定为： 5 n h 4 + + 3 n 0 3 4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 h + a g = 2 9 7 k j m o l n h 4 十 上述反应的g 0 ，说明反应可以自发进行，是一个产能反应。 表l - 2n h 4 + 的氧化途径及反应自由能。1 2 l t a b l e l - 2o x i d a t i o na p p r o a c ha n df r e ee n e r g yo fn h j 反应序号反应方程式a g ( k j m o l n h 4 + ) 该工艺尚处于实验研究阶段，无应用的实例。但它对于处理高浓度n h 3 - n 废水具有 很好的应用前景。 1 2 4 2s h a r o n 工艺 s h a r o n i 艺( s i n g l er e a c t o rh i g ha c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 也是由荷 兰d e l f t 技术大学开发出的脱氮新工艺。其基本原理为简捷硝化反硝化，即将氨氮氧化 控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。众所周知，如果将硝化反应控制在亚硝化阶段生 成n 0 2 ，然后再从n 0 2 反硝化为n 2 ，那么就相当于简化了硝化反应的过程。从s h a r o n 工艺可以看出： ( 1 ) 硝化与反硝化两个阶段在同一反应器r 1 1 完成，可以简化工艺流程； 第一章绪论 ( 2 ) 硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和； ( 3 ) 可以缩短水力停留时间，减少反应器体积和占地面积； ( 4 ) 硝化反应控制在亚硝化阶段，因而可减少供气量2 5 左右，节省了动力消耗； ( 5 ) 可节省反硝化过程所需的外加碳源，以甲醇为例，n 0 2 - 反硝化比n 0 3 反硝化 可节省碳源4 0 。 s h a r o n 工艺的成功在于：巧妙地应用了硝化菌( n i t r o b a c t e r ) 和亚硝化菌 ( n i t r o s o m o n a s ) 具有不同的生长速率，即在较高温度下，硝化菌的生长速率明显低于亚硝 化菌的生长速率。因此，在完全混合反应器中通过控制温度和h r t ，可以将硝化菌从反 应器中冲洗出去，使反应器中亚硝化菌占绝对优势，使硝化反应控制在亚硝化阶段。同 时通过间歇曝气，可以达到脱氮的目的。 1 2 4 3d e a m m o n i f i c a t i o n 工艺 h i p p e n 等人( 1 9 9 7 ) 报道了一个适用于处理高浓度含氮废水的新工艺。该工艺中，氨 转化为n 2 的过程不需要按化学计量式消耗电子供体，这种特殊的转化过程命名为a e r o b i c d e a m m o n i f i c a t i o n ( 好氧反氨化) 工艺。所涉及到的微生物目前尚不太清楚。工艺的关键是 控制供氧。b i n s w a n g e r 等人( 1 9 9 7 ) 报道过利用生物转盘反应器通过硝化一反硝化工艺去除 高浓度n h 4 + 废水中的氨。结果表明：当容积负荷为2 5 9 n m 3 - d ，去除速率达9 0 2 5 0 g n m - 3 d 。在整个过程中不需添加任何可生物降解的有机碳化合物，反应机理可假定为： 反应过程中的n 0 2 被n a d 十还原【2 3 _ 2 7 1 。 1 2 4 4o l a n d 工艺 该工艺称为o x y g e nl i m i t e da u t o t r o p h i cn 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 ( 氧限制自养硝 化反硝化) ，简称o l a n d t 艺f 2 8 2 9 1 ，由比利时g e n t 微生物生态实验室丌发。该工艺的 关键也是控制溶解氧，使硝化过程仅进行到n h 4 + 氧化为n 0 2 阶段，由于缺乏电子受体， n 0 2 - 与未反应完的n h 4 + 反应形成n 2 。该反应机理是由亚硝化菌( n i t r o s o m o n a s ) 催化的歧 化反应。该工艺涉及到的化学反应，反应自由能与传统脱氮工艺的比较总结如表1 3 所 不： 中国油火学( 华东) 烦士学位论文 表l - 3o l a n d - v 艺与传统的硝化反硝化工艺化学反应式及比较1 2 i t a b l e l - 3r e a c t i o nf o r m u l aa n dt h ec o m p a r a t i o no fo l a n da n dt r a d i t i o n a ln i t r a t i o n u n t r a d i t i o n a l p o t h 等人【3 0 】从一系列1 5 n 同位素示踪实验发现：亚硝化菌可利用n 0 2 作为终端电子 受体进行反硝化，导致氮氧化物的产生。 上述工艺的新颖之处在于利用这些新的生物脱氮原理开发出了实用可行的生物脱 氮新工艺。它们均可以不同程度地解决传统生物脱氮工艺在运行过程中需要加碱和碳源 的致命弱点。虽然它们都还处于实验室研究阶段，但可以预见它们将成为今后生物脱氮 工艺研究的热点、主流方向和具有很大的开发和应用前景。 1 3 剩余污泥处理和处置技术与研究 目前，国、内外对剩余污泥的处理与研究分三个方面进行： ( 1 ) 剩余污泥的常规处理方法与资源化技术； ( 2 ) 利用新技术对剩余污泥进行减量化处理； ( 3 ) 在污水或废水处理系统中实现对剩余污泥减量化。 1 3 1 剩余污泥的常规处置方法与资源化技术 1 3 1 1 卫生填埋 根据1 9 9 6 年的资料报道，发达国家在过去大约3 8 的剩余污泥采用卫生填埋的手段 来处理1 3 l 】；在我国，土地填埋也是剩余污泥处理的方法之一【3 2 1 。卫生填埋对设备要求相 对简单，但是需要大量的填埋场地和污泥的运输费用，而且容易产生地下水污染和臭气 散逸等二次污染问题。 第一章绪论 1 3 1 2 焚烧与热能利用 发达国家在过去大约1 0 5 的剩余污泥采用焚烧法的手段来处理【3 1 1 。污泥中含有大 量的热值，每千克的污泥( 含水率8 0 ) 其热值可达1 0 0 0 多千焦，国外很多污水处理 厂充分利用污泥中的热值，设置消化池对污泥进行厌氧消化，并利用产生的沼气建立自 给能量的发电站，其能源自给率可达到5 0 以上。但焚烧法设备和运行费用昂贵，易造 成大气污染，仍然残留大约1 3 左右固体重量的废弃物，且我国污泥中的有机物含量相 对较低，所以其应用还有待于进一步研究1 3 3 1 。 1 3 1 3 污泥消化 剩余污泥好氧消化的本质是微生物有机体的氧化分解。周春生等通过对好氧消化污 泥的脱氢酶活性( d h a ) 、氧摄取速率( o u r ) 和m l v s s ( 混合液体挥发性悬浮固体) 的测定与分析，认为脱氢酶活性、氧摄取速