（环境工程专业论文）水解脉冲生物滤池处理农村生活污水的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 题名：水解一脉冲生物滤池处理农村生活污水的研究 硕士研究生：蒋怡学号：0 2 0 5 2 9 导师：吴浩汀学校：东南大学 摘要 太湖流域水质型缺水和富营养化问题十分严重，水资源形势严峻，造成这种状况的原因之一是 农村生活污水导致的面源污染。本文重点研究的是水解一脉冲生物滤池工艺用于农村分散型生活污 水的处理，建设小型污水处理科研先导工程，属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目( 专 题编号2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 2 1 a ) 的子课题之一。通过试验研究，开发在太湖流域农村地区具有广泛推 广价值的生活污水处理实用技术，并制订相关的设计规范和运行指南。 本试验考察了脉冲生物滤池的性能以及影响因素。试验结果表明：水力负荷、有机负荷、进水 氨氮浓度、温度、布水均匀性均影响脉冲生物滤池的处理效果，其中有机负荷对滤池硝化反应的影 响最为显著，有机负荷超过0 4k g c o d “m 3 d ) 时，负荷增加会明显抑制硝化反应。滤池的最佳水力 负荷范围为5 m d 9 州d 。滤池生物膜中微生物数量在1 0 ”个细胞幢的数量级，优势微生物种类分区 明显，异养菌在滤池上层占优势，硝化菌在滤池下层占优势。通过试验数据的线性回归分析，得出 】8 时脉冲生物滤池数学模型的参数。 本试验还考察了水解一脉冲生物滤池工艺的性能以及影响因素。试验结果表明：水解池对c o d 的去除率较高，在5 5 以上；水解池水力停留时间、回流比、滤池的硝化程度、c 肘均影响工艺的 t n 的处理效果，要提高1 n 的去除率，应综合考虑这些影响因素。系统除磷效果不佳，仅能去除生 物同化作用的量。 水解一脉冲生物滤池工艺用于农村分散型生活污水的处理是一种新的尝试，可以有效完成有机 物降解、硝化作用和反硝化作用，而且投资和处理费用均较低，吨水投资费1 5 0 6 元，吨水处理费 0 3 3 元，操作管理方便。 关键词：农村生活污水水解脉冲生物滤池碳氧化硝化反硝化 东南大学硕士学位论文 s u b j e c tt i t l e ：s t u d yo nm et r e a 廿n e n to f r u r a jd o m e s t i cw a s t e w a t e rb yh y d r o l y s i s 伊u l s e t r i c k l m gf i l t e r b y ：j i a n g y i s u p e r v i s o r ：w uh a o t i n g s t u d e n tn o ：0 2 0 5 2 9 s c h o o i ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t i nt h et a i h uv a l l e vw a t e rq u a l i t 、，o fr i v e r si sd e t e o r a t e da n dt h ep r o b l e mo fw a t e re n h a n c e m e n to f l a k ei s v e r ys e o u s o n eo fc a u s eo fi ti sn o n p o i n ta g r i c u l t u r ep o l 】u t i o nt h a tr u r a ld o m e s 矗cw a s 把w a t e r l e a d st 0 ak i n do fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sf o u n di nt h i st h e s i si sh y d m l y s i s p u l s et r i c k l i n g 矧把ru s e d t od i s p o s er u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e li tb e l o n g st o0 1 1 eo fs u b - s u b j e c t so f 8 6 3p 1 如s a r e rt e s 匕ap r a c t i c a i t e c h n i q u eo f d o m e s t j cw a s t e w a t e rt r e a l 1 e n tt h a tc a nb eg e n e r a i i z e di nm r a la r e a so ft 越h uv a h e yw i l lb e d e v e l o p e d ，a n dd e s i g nc r i t e n aa n dm a n u a lo f o p e r a t i o nr e l a t e dw i t hp r o c e s sw i l lb es t j p u i a t e df o l f u n c t i o na 1 1 da f r e c t i n gf k t o r so fp u l s e 埘c k l i n g 行1 t e rh a v eb e e na n a i y z e di nt h i st e s t r e s u l t ss h o w t h a t0 0 dc u b a g ei o a d ，w a t e rl o a 也i n n o wc o n c e n t r a “o no fn h 4 + n t e m p e r a t u r eo fw a s t e w a t e ra n d u n i f o r r n 时o f w a t e r i n gc a na 丘色c te 伍c i e n c i e so f c o da n dn h 4 + - nr e m o v i n go f p u l s et n c k l j n gf i l t e lw h e n c o dc u b a g e1 0 a dr e a c h e so v e r0 4k i l o g r a mc o dp e rc u b i cm e t e rw a t e re v e r y d a v ，n i t r j 6 c a t i o nv e l o c j t y w i l l 】o w e lt h eb e s tr a l l g eo fw a t e ri o a do fp u l s et r i c k l j n g 行l t e ri sb e t w e e n5m e t e re v e r v d a ya n d9m e t e r e v e r y d a y b a c t e r i ad a t ai np u i s et r i c k i i n g6 j t e ri sa t1 0 “c e l i sp e rg m mb j o 一疗l mi e v e l b yl i n e a ra n a j y s i s a n dr e c u r s i v ea n a l y s i s ，t h es m p l em o d e lo f p u l s e 廿l c k l i n g 矗l t e rf o r l8c e n t i g r a d ec a nb ef o u n d f u n c t i o na n da 髓c t i n gf a c t o r so fh y d r 0 1 v s l s ，p u l s e 州c k 】i n g 西1 t e rh a v eb e e na n a l y z e di nm j st e s t r e s u l t ss h o wt h a tf a t eo f c o dr e m o v i n zc a nr e a c ho v e r5 5 b yh y d r o l y s j sa n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e o th y d r o l y s i sp o n d ，r a t i oo fc i r c u m n u e n c e ，n i 仃靠o no fp u l s et r i c k l j n gn l t e lc nc a n 胡睦c te 筋c j e n c yo f d e n i t r o g e n a t i o n e 颤c i e n c yo f d e p h o s p h o r i z a t i o n1 1 a sb e e nk e p ta tal o w1 e v e i h y d r 0 1 y s i s ，p u i s e c k i i n g6 l t e rc a nr e d u c ee 仃e c t i v e l yc o n c e n t m t i o no fc o d ，n h 4 + 一na n d 下n 1 n a d d j t i o n ，i n v e s t m e n tc o s ta n dw a t e rt m a n l l e n tc o s t a r el o wi n v e s t m e n tc o s tj s15 0 6y u a np e rt o n w a s t e w a t e ra n dw a s t e w a 把r 仃a t m e n tc o s ti so3 3y u a np e rt o nw a s t e w a t e lo p e r a t j o no f 订e a t m e m e q u p m e n t si se a s y k e yw o r d s ： r u r a ld o m e s t i cw a s t e w a t e r h y d r 0 1 y s i sp u l s et c k l i n g 行1 t e r b i o l o g i c a lo x i d a t i o n n i 订a t i o na n dd e n i t r i ：i c a t i o “ 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我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了谢意。 研究生签名： 藕! 鑫曰期：圣! 至：笸! l 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 蘑! 毖导师签名：芝! 坚日 期：硝、譬 第一章绪论 1 1 1 太湖流域水污染现状分析 第一章绪论 1 1 研究背景 太湖流域地处长江三角洲的南翼，流域总面积3 6 8 9 5 k m 2 。流域内湖泊众多，河流纵横交错， 河长约1 2 万k m ，是全国经济发展最快的地区，也是城市、人口、财富集中的地区之一。太湖位于 太湖流域中心，是我国第三大淡水湖泊，具有蓄洪、灌溉、航运、供水、水产养殖、旅游等多项功 能，太湖水源是整个太湖流域国民经济和社会发展的命脉。 近几十年来，太湖流域经济的快速发展，人口的急剧增加，城镇化水平的不断提高和人类不恰 当的水资源开发，水环境容量的滥用，给流域水资源生态系统造成巨大的冲击和压力。 流域内大部分湖泊河网水质己不符合地表饮用水水源地水质标准，流域永质型缺水问题十分严重， 水资源形势严峻。 湖泊富营养化程度日趋严重。流域内湖体以有机污染为主，随着湖体水质污染程度的加剧，湖 泊富营养化发生发展并日趋严重。太湖自2 0 世纪9 0 年代中期大部分已达中营养富营养水平，近 1 0 年富营养化己上升i 5 2 个等级”j 。水质检测显示，近年藻类数量比】o 年前增加5 倍，总氮、 总磷比1 9 6 0 年增加6 7 倍。且藻类爆发面积扩大，并向湖心伸展；藻类种属发生变化，耐污类 增加：藻类发生时间延长，春秋季可以显见。1 9 9 0 年夏，太湖蓝藻爆发，北部沿岸水域形成o 5 m 厚藻类聚集层，迫使无锡市水厂和1 1 6 家工厂停产，直接经济损失】3 亿元【2 l 口1 9 9 4 年夏，蓝藻再 度爆发，无锡梅园、马山水厂取水口被大片蓝藻包围，水质腥臭，造成市民用水困难【2 】。 河网水质污染严重。太湖水体在近2 0 年来总体下降了一个半等级，且河网污染区域已从原来 中心城镇及其附近河流扩散到几乎整个河网pj 。 太湖流域污染源主要由以下部分组成【4 。o j ： 1 ) 工业废水无节制排放 流域经济迅速发展，导致大量工业废水排入水体。据统计，太湖上游及京杭大运河苏南段的西 南地区，各类废水排放量大于3 o x 】o ”k 年。大量的氮、磷也随之流入水体，是造成太湖流域污 染的原因之一。 2 ) 生活污水排放 目前流域内城市生活污水集中处理率一般在5 0 7 0 ，而县城以下城镇由于污水收集系统 和处理设施严重不足，大量生活污水未经处理直接排入河道中。加上居民生活水平快速提高，洗涤 剂广泛使用，加快了太湖富营养化进程。我国目前洗衣粉的配方中，大多含有1 7 左右的三聚磷 酸钠( 含磷量约为4 ) 。据有关机构对太湖流域内中等生活水平地区的典型抽样调查，城市人均 年洗衣粉用量3 9 4 蝇，而农村地区人均年洗衣粉用量为4 3 k g 口】。 3 ) 农业面源污染 农业耕作制度与施肥结构的改变使流域内农业基本处于化学农业阶段，特征为农田施肥中农家 肥用量减少，化肥用量增多，化肥年耗量( 2 0 3 0 ) 1 0 9 奴，每公顷约( 1 5 3 0 ) 1 0 3 k g ，农 药用量( 5 o 8 o ) 1 07 k g ，每公顷4 2 蝇，化肥利用率小于5 0 ，大部分随灌溉或降水流入河流湖 泊，导致湖中氮、磷等营养物含量上升，增加太湖富营养程度。 不同的水产养殖也对流域内水环境造成了压力。流域内有鱼塘6 7 1 0 4 h m 2 ，围网面积大于0 4 2 1 0 4 h m 2 。渔民为求经济效益，过量投饵( 大于2 o 1 0 9 k g ，年) ，饵料利用率仅为2 0 3 0 ，剩 余饵料加重了湖中的营养负荷。 4 ) 生活垃圾污染 农村中基本没有生活垃圾清运处理系统，生活垃圾一般就地堆埋和随意堆放。不少农村河道成 为垃圾场，被各种废弃物填埋。随着流域内人口增长和居民生活水平的提高，生活垃圾种类和数量 l 东南大学硕士学位论文 也不断增多，仅上海城镇和农村产生垃圾就达5 0 0 万吨川。生活垃圾在雨水冲淋和地表径流的冲刷 下，增加了水体c o d 、n 、p 等污染。 5 ) 畜禽养殖造成的污染”1 2 0 世纪8 0 年代，随着人民生活水平的提高和农村产业结构的调整，各级政府实施了“菜篮子 工程”，畜禽饲养量逐年增加，至9 0 年代末上海拥有畜禽饲养基地1 0 0 0 余个，存栏生猪3 0 0 多万 头，牛4 万多头，出栏肉禽8 0 0 0 余万只。这些畜禽牧场每天要产生2 万多吨粪便，全年粪便尿液 排放量达4 0 多万吨。目前，流域内皆禽总数达3 4 7 亿只，其现状和潜在污染排放量不可忽视。 1 1 2 课题的目的和意义 太湖流域城市建有污水处理厂，集中处理生活污水，但县城以下城镇和农村的生活污水大多没 有经过处理直接排入水体。而且太湖自古便是鱼米之乡，居住人口众多，以至于由于农村生活污水 造成的非点源污染日益严重，已经是太湖富营养和河网污染的主要成因之一。因此，亟需在相对集 中居住的中心村、中心镇或者连片的自然村分s 崎# 设管网及建设小型生活污水处理装置，处理农村 和城镇分散型生活污水。装置要求投资低、能耗低、运行成本少、易建设、可操作性好。 本课题重点研究的是农村生活污水处理技术，建设小型污水处理科研先导工程对农村生活污水 进行处理，属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目( 专题编号2 0 0 2 a a 6 0 1 叭2 1 a ) 的子 课题之一。通过试验研究，开发在太湖流域农村地区具有广泛推广价值的生活污水处理实用技术， 并制订相关的设计规范和运行指南。科研先导工程的建设和研究开发项目整体水平达到国际先进水 平。 示范区内村镇生活污水处理率大于8 0 ，丁n 去除率大于7 0 ，t p 去除率大于8 0 ；吨水建 设投资集中型不超过2 0 0 0 元，吨水处理成本集中型低于o 6 元。 1 2 农村生活污水处理技术 随着城市化的发展，城市生活用水量逐年增加，对水环境的压力也逐年上升。在国家“十五” 计划纲要中要求加快城市污水处理设施建设，2 0 0 5 年城市污水处理率达到4 5 ，2 0 1 0 年城市污水 处理率达到6 0 。国内对集中式城市生活污水的处理工艺研究较为广泛和深入，技术的工程应用 也较为成熟，常用工艺有a 2 一o 、u c t 、s b r 、氧化沟等多种形式，但对分散式生活污水的研究薄 弱，技术也不成熟。 1 2 1 太湖农村生活污水的特点 在2 0 0 3 年夏和2 0 0 4 年夏东南大学环境工程系对太湖流域宜兴市大浦镇2 3 个自然村和老镇区 的农村生活污水水质水量进行调查，研究太湖农村生活污水的特点，为设计生活污水收集和处理系 统提供依据。 第一章绪论 器 j 1 ： 6 0 冀： o 7 0 6 0 5 0 j 4 0 蚓3 0 芒2 0 i o 0 ，0 图1 - 1 河渎用水和排水量日变化情况 愿 i li8 艮艮丽图隐艮匝胡 图1 2 林庄用水和排水量日变化情况 表1 1 太湖流域宜兴市大浦镇的用水量和排水量调查 行政村编号自然村户数人口( 人)用水量( 月) 排水量( t 月) 1老镇区7 3 92 2 1 76 6 5 l5 3 2 0 2 黄家 1 0 93 5 07 8 86 3 0 3 诬村 1 2 03 5 07 8 86 3 0 大浦村 4 西娄 1 l73 3 0 7 4 25 9 4 5 东村 1 2 64 0 09 0 07 2 0 6 街西 1 0 02 6 07 8 06 2 4 7 道化 2 27 14 7 83 9 2 8 楼f 圩 4 51 4 61 0 7 9 4 9沈家浜1 23 77 96 8 】o 淡家圩 2 06 31 4 51 1 7 滞南村 1 1 河渎 1 0 03 1 75 4 0 4 2 5 1 2 浦南村3 9 0 1 1 7 0 3 5 1 02 8 0 8 l3 厚和 17 55 0 21 1 3 09 0 4 1 4 溪西 3 81 1 92 6 8 2 1 4 渭渎 1 5 漳南 1 3 64 0 88 4 5 7 2 7 1 6漳北1 4 44 3 29 6 39 5 9 1 7花园8 62 5 84 6 4 3 8 0 = 篓 _ 拶萨 守p妒妒萨 拶一萨 心、一 p虬心心沁pp 拶 心带心心芦裔 东南大学硕士学位论文 1 8良心渎9 02 7 08 1 06 4 8 1 9 滑滨北 6 了2 0 l6 0 34 8 2 2 0 渭滨南 1 2 23 6 61 0 9 8 8 7 8 2 1 采家村东 4 6 1 3 83 1 02 4 8 2 2泉家挝瑶7 02 1 04 7 23 7 8 2 3湖滨新村2 l6 31 8 91 5 l 汤出2 4 林庄 1 9 l5 l o3 0 32 9 l 2 3 个自然村 舍计3 0 s 69 1 8 82 2 9 6 31 8 6 8 2 老镇区 表1 2 用水量和排水量情况 强屠住区耩建屠往嚣 平均用水量f l ，( 人- 日) )5 0 7 01 0 0 1 2 0 平均排水嚣( l ，( 人日) )2 0 5 0 7 0 1 0 0 太湖农村生活污水特点： 1 、太潮农村生活污水的人均摊教量低，在调查区，人均日捧教量双为6 8 l ，焉城市生活污水 人均日排放量为9 0 l 1 6 0l 【“。虽然自来水普及率较高，但不少居民仍使用井水和河水。卫生洁具 的普及率低，往闻海浴设施的蒙庭很少。丽嚣于不同村镇的排水量相菱较大。 2 、c o d c r 、b o d 5 、s s 值较高，处于典型生活污水中等水平“，但b c 在o 4 以上，污水的可 生化性高，有机污染物多为易生化降解的物质。可见太湖农村生活污水非常适掰于生物处理技术。 3 、总筑、氨氮和总磷随季节变化显著，播种施肥季节偏高，可能是氮肥和磷肥随雨水域地下 水进入污水收集系统，导致污水中总氯和总磷含量急剧上升并居高不下，c o d ，n n 最低时只有2 3 ， 此鞋不利予污求的反硝他处理和基氯的去除。 4 、各个自然村的污水水质水量相差较大，与村民的总体生活水平和经济状况相关。经济条件 不同的蓿琵的翔承排水量不同，条释好的穗民用永及排永量稍大，日掩放豹c o d 、氨、磷总量也 稍大。经济条件差的村庄生活污水主要来源于清洗、淋浴等污水，而且用水量小，污水c o d 、b o d 浓度普遍较高。 5 、农村雕水及排水量工作e | 与休息日没有显著差别，排水时间基本都集中在上午和中午，下午 及晚上用水及排水量很少。污水排放量时变化情况显著，但每日的排放规律稳定，全年基本没有变 化。困j 蹙需要停留时间较睦的调节迪或集水池，以便继存污水，适应污水较高的时变化系数。 6 、居民居住较为分散，比较普遍的居住形式是几个村民小组集中居住，约有3 0 至5 0 户不等， 连片艟佳或已准城镇化的村落集中居住户数可达l o o 户以上甚至2 户。活民的素质拳 受教育程瘦 也比较低。农村几乎没有管网收集系统，而且统铺设污水收集系统，将各个自然村和城镇的生活 污水集中处瑗所需费用太高，经济上不能承受。西此只能考虑针对备个自然村分剐建设污承收集系 统和小型污水处理装置。 7 、由于污水收集系统靠近农田或菜地，农潮水和菜地中的肥料易进入系统，造成污水浓度增 高。同时藤水也会进入系统，在秉承的冲刷佧用下，农田、菜地和牲畜养殖形成的污染物一目进入 系统。因此需考虑暴雨强度对处理系统的负荷冲击影响。 1 2 2 农村生活污水处理技术 国内技术研究主要有组合式w s z 型地埋式体化生活污水处理设施，化粪池出水人工快滤与水 培蔬菜复合处理系统；铁科院环控劳卫所和德国嚣p p a 却u a u t ；o nl t d 公司合作开发了可移动式豹生 活污承处理装置，采用r 独特的生物接触氧化加活性污泥工艺。 国外对分散式生活污水的研究较早，故在此方面有许多的技术和经验。日本农村污水处理采用 4 第一章绪论 小型生活污水净化装置( 净化槽) ，采用淹没式生物滤池和生物接触氧化法，常用的滤料有沙子、碎 石、卵石、炉渣、陶粒和红杉板条等，甚至乳酸饮料瓶( 石井法) ；韩国针对农村生活污水的特点， 研究了一种湿地污水处理系统，需要的能源少，维护的成本低；澳大利亚的f j l t e r 污水处理系统，是 一种过滤、土地处理与赔管排水相结合的污水再利用系统。 1 2 3 水解一脉冲生物滤池工艺 分析了中国农村生活污水水质和农村居住现状，结果表明耍建设大型集中型生活污水厂明显不 现实。农村人口居住分散，铺设污水收集管网耗资巨大，经济上不合理。在参考了国内外多种生活 污水处理技术后，选择了水解一脉冲生物滤池工艺，工艺流程如图1 3 所示。 生拈污求 水解调节池 到脉冲生物滤池i jr 。1 ”一r 回流 图1 3 工艺流程图 排放 生物滤池有良好的硝化作用，工艺对回流水进行反硝化，既达到了碳氧化的目的，又达到了脱 氮的效果。系统前加水解池，以水解池取代常规初沉池，其b o d 5 、s s 去除率分别可提高1 0 和3 0 左右【i “；水解工艺可对进水负荷的变化起缓冲作用，从而为脉冲生物滤池创造较为稳定的进水条件； 由于生物滤池的产泥量小于活性污泥，同时水解酸化可大幅度地去除废水中悬浮物或有机物，因此 系统产泥量少；水解池和调节池合建，减少了构筑物数量和占地面积，降低了投资；脉冲生物滤池 的工艺中只用到一台泵，降低了能耗，使得运行成本低，而且操作维修方便。 表i 3 几种农村生活污水处理技术对比 工艺 优点 缺点 f i m r 污水处 以土地处理系统为基础，结合污水灌溉农作物；对 生活污水的处理效果好，能够脱氨除磷，运行费用 只适用于灌溉大田作物；受作物生长季节的 理系统 限制；暗管排水系统造价较高；占地面积广 低 湿地污水处理需要大量土地：要解决土壤和水中的充分供 系统 维护成本低，湿地对病原体的去除效果好 氧问题；受气温和植物生长季节的影响 氧化塘能耗低，维护成本低，操作管理方便需要大量土地；对氨、磷去除效果差 人工快滤一蔬 菜培植 是一种土地一植物系统；处理效果好占地面积广；受气温和植物生长季节的影响 接触氧化处理 需曝气系统，运行费用相对较高；操作管理 系统 成本和维护费用低，处理效果好，占地面积小 不便；除磷效果差 水解一生物滤设备简单，能耗低，操作管理方便，成本和维护费 除磷效果差 池用低，处理效果好，占地面积小 东南大学硕士学位论文 第二章课题研究的理论基础 2 1 生物脱氮 生物脱氮是污水中的含氮有机物( 如蛋白质、氨基酸、尿素、硝基化台物等) 在生物处理过程 中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自养型硝化细菌将其转化为n 0 3 一，最后由反硝化 细菌将n 0 3 一还原转化为n 2 ，从而达到脱氮的目的。生物脱氮过程如图2 1 所示。 氮化菌亚硝酸菌硝酸菌反硝化菌 有机氮斗氨氮卜n 0 2 卜n 0 3 一争n 2 0 n 2 ( 异养) ( 自养)( 自养) ! 要氧冀錾苎：需有 ( 好氧，不需有机物，碱减少) 机物，碱增加) 。 氢化作用硝化作用 图2 1 生物脱氮过程示意图 2 1 1 污水生物处理过程中氮的转化 ( 异养) ( 缺氧，需有机物，碱增加) 反硝化作用 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 ) 氨化作用 含氮有机物经微生物降解释放出氨的过程，称为氨化作用。含氮有机物一般指动、植物和微生 物残体，以及它们的排泄物、代谢物所含的有机氮化物。污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的 形式存在。蛋白质是氨基酸通过肽键结合的高分子化合物。蛋白质可以作为微生物的基质，在蛋白 质水解酶的作用下，水解为氨基酸。蛋白质水解可以在细胞内进行，也可在细胞外进行。氨基酸在 脱氨基酶的作用下产生脱氨基作用，进入三羧酸循环，参与各种合成代谢和分解代谢，释放出氨。 污水中的蛋白质和氨基酸在生物稳定化处理过程中通过氨化作用转化为氨氮。 生活污水中的氨氮主要来源于尿素的水解。人和动物所排泄的尿中含有尿素，尿素在尿素酶的 作用下迅速水解生成碳酸铵。尿素的水解反应方程式： h ，n c o n h ，+ 2 h ，o 兰! 塞! 2 n h 。+ + c o ，2 一 氨化作用无论在好氧还是厌氧条件f ，中性、碱性还是酸性环境中都能进行，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，故一 般不做特殊考虑。 2 ) 硝化作用 氢氮在有氧存在的条件下被亚硝酸菌氧化为亚硝酸盐，并进一步被硝酸菌氧化为硝酸盐的过程， 称为生物硝化作用。上述过程是由两组自养型好氧微生物来完成的，即亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 和 硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) ，统称为硝化菌。硝化菌属专性好氧菌，它们利用无机化合物如c 0 3 、h c 0 3 一和c 0 2 作碳源，从n 凡+ 或n 0 2 一的氧化反应中获得能量。硝化菌细胞的化学组成用c 5 h 7 n 0 2 表示， 硝化反应式如下： 5 5 n h 4 + + 7 6 0 2 + 1 0 9 h c o3 一里堕墅：堕争c5 h7 n 0 2 + 5 4 n o2 一+ 5 7 h2 0 + 1 0 4 h 2 c o3 6 第二章课题研究的理论基础 4 0 0 n o 2 一+ n h 4 + + 4 h2 c 03 + h c o3 一+ 1 9 5 02 舅堕里斗c ，h 7 n o2 + 4 0 0 n 0 一+ 3 h 2 0 在生理浓度下，n 乩+ 氧化为n 0 2 一产生能量为2 4 2 8k j m o l 3 5 1 7 日，m o l ，n 0 2 一氧化为n 0 3 一产 生的能量仅为6 4 5k j ，m 0 1 8 7 5k j m 0 1 ，。因此要获得相同的能量，氧化n 0 2 一- n 的速度相当于氧化 n h 。+ n 的4 5 倍l l 。所以在稳态条件下，不会产生亚硝酸盐的积累，氨氮转化成亚硝酸盐的过程 是完全硝化的限速步骤。 硝化作为生物硝化一反硝化脱氮系统的第一步，其作用的好坏直接影响到脱氮效率。 3 ) 反硝化作用 硝酸盐可以被微生物作为最终电子受体，通过生物异化还原转化成气态氮( n 2 ) ，或通过生物同 化还原转化为氨氮进入生物合成过程。硝酸盐的这种还原过程称为反硝化作用，示意图见图2 - 2 。 一一岍 = 二= = 腻钔 图2 - 2 反硝化的生物化学过程示意图 生物反硝化过程可用下式表示： n o2 一+ 3 h ( 电子供体有机物) l 2 n 2 一+ h 2 0 + 0 h n o ，一+ 5 h ( 电子供体有机物) l 2 n ，一+ 2 h o + o h 一 完成反硝化过程的是反硝化菌。反硝化菌属于异养型兼性菌，大量存在于污水处理系统中。在 有分子态溶解氧存在的条件下，反硝化菌利用分子氧作为最终电子受体，氧化分解有机物；在无分 子态溶解氧存在，但有n 0 3 一和n 0 2 的条件下，反硝化菌利用n 0 3 一和n 0 2 一中的氮作为能量代谢的 最终电子受体，氧作为受氢体生成h 0 2 和o h 一碱度，而有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到 氧化稳定。由此可见，反硝化作用的效率取决于污水中溶解氧的含量。 4 ) 同化作用 污水中的氮被同化成微生物细胞的组成成分的过程称为同化作用。 5 ) 同步硝化反硝化作用 传统脱氮理论认为，按照硝化和反硝化发生的必要条件，即硝化在好氧条件下发生，反硝化在 厌氧条件下进行，硝化反应和反硝化反应不可能同时发生。但近年来试验证实，在好氧生物反应器 内出现了反硝化的现象。对于同时硝化和反硝化机理( s i m u l t a l l e o u sn 确6 c a t i o na n dd e n 洲6 c a t i o n ， s n d ) 在物理学方面主要有两种理论：一是宏观环境( 混合形态) 理论，认为由于充氧不均和反应 器结构原因，在反应器局部出现缺氧或厌氧环境而形成同时硝化反硝化现象；另一种是微环境理论， 由于微生物种群结构、基质分布代谢活动、生物化学反应的不均匀性，物质传递的变化等因素相互 作用，在活性污泥菌胶团和生物膜内部存在各种各样的微环境状态。由于氧扩散的限制，在微生物 絮体内产生d 0 梯度，微生物絮体的外表面d o 较高，以好氧菌、硝化菌为主；深入絮体内部，氧 传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧微区，反硝化菌占优势。在生物膜法工艺中，d 0 浓度、 基质浓度和生物膜厚度的变化对厌氧微环境的产生有重大影响。s n d 反应主要发生在好氧生物膜层 和兼氧生物膜层分界区内，由s n d 产生的脱氮率随c ，n 的增加而增加。 对于同时硝化和反硝化机理还有一种理论，即生物的好氧反硝化( a e m b i cd e n i t r i 6 c a t i o n ) 理论。 2 0 世纪8 0 年代后期以来，在生物脱氮的生物学方面有了很大的进展，发现了好氧反硝化菌，如 t h i o s p h a e mp a l l t o t m p h a 、p s e u d o m o n a ss p 、a l c a l i g e n e sf h c a l i s 等，这些好氧反硝化菌同时也是异养 硝化菌，而传统的硝化菌属于化能自养型。这些细菌可在好氧条件下将氨直接转化成气态产物。与 厌氧反硝化菌相比，好氧反硝化菌的反硝化速率慢，但能较好适应厌氧( 缺氧) 好氧环境的变化。 东南大学硕士学位论文 2 1 2 生物脱氮的影响因素1 1 4 1 | 1 7 1 1 ) 温度 硝化反应速度受温度影响很大，其原因在于温度对硝化细菌的增殖速度和活性影响很大。生物 硝化反应在4 4 5 范围内进行。亚硝酸菌的最佳生长温度为3 5 ，硝酸菌的最佳生长温度为3 5 4 2 。在5 3 0 范围内，随着温度的升高，硝化反应速率也增加。温度超过3 5 时硝化 菌由于蛋白质的变性而降低活性，硝化反应速率下降；温度低于4 时，硝化菌生命活动几乎停止， 硝化反应几乎不发生。对于同时进行有机物的去除和硝化反应的系统，温度低于1 5 硝化速度急速 下降。低温对硝酸菌的抑制作用十分强烈，在低温条件下( 】2 1 4 ) 常常会出现亚硝酸盐的积 累。 温度对反硝化速率的影响和反硝化设备的类型、硝酸盐负荷有关。膜法反硝化速率受温度影响 比活性污泥法低。 2 ) 溶解氧( d o ) 硝化反应必须在好氧条件下进行，溶解氧浓度影响硝化反应速率，一般硝化反应中溶解氧浓度 大于2 m g 几。脱氮有机物纯种培养研究表明，溶解氧的存在阻碍了把末端电子传递给硝酸盐所需酶 的形成，所以在缺氧反硝化过程中溶解氧过高时，反硝化菌将首先利用溶解氧作为电子受体，从而 竞争性地阻碍了硝酸盐氮的还原，影响了硝态氮的去除率。在本课题的工艺中，由于要同时去除有 机物和进行硝化反硝化，溶解氧浓度影响更加重要。 3 ) p h 硝化反应要消耗碱，因此，如果污水中没有足够的碱度，则随着硝化的进行，口h 值会急剧下降。 而硝化细菌对p h 值十分敏感，亚硝酸细菌和硝酸细菌分别在p h 值为7 o 7 8 和7 7 81 时活性最 强，p h 值超出这个范围，其活性便急剧下降，可见p h 值是影响硝化速度的重要因素。 p h 值是影响反硝化作用的重要因素，反硝化细菌生长的最适宜p h 值为7 0 8 5 ，在这个口h 值 范围内，反硝化速度最大。当p h 值大于8 5 或小于6 时，反硝化的速度将大大下降。原水p h 值偏 离最适p h 值时应予以调节。此外p h 值还影响反硝化的最终产物，p h 值超过7 3 时终产物为氮气， 低于7 3 时终产物为n ，o 。 4 ) s r t 在废水硝化的运行管理方面，关键是生物固体停留时间( s r t ) ，即污泥龄。为了使硝化菌菌群能 在连续流的系统中生存下来，系统的s r t 必须大于自养型硝化菌的最小世代时间，否则硝化菌的流 失率大于其繁殖率，会使它从该系统中淘汰。而生物膜法则可避免此现象的发生。 5 ) 有毒物质 某些重金属、络合阴离子和有毒有机物对硝化细菌有毒害作用。另外，n h 4 + _ n 和n 0 2 。n 对硝 化细菌也会有影响。据研究，当污水中的n h 4 + 一n 浓度小于2 0 0 m g ，l ，n 0 2 n 浓度小于1 0 0m g ，l 时， 对硝化作用没有影响。 6 ) c ，n b o d 5 t k n 比值越高硝化细菌所占的比例越低。由于硝化菌是自养菌，有机基质的浓度并不 第二章课题研究的理论基础 是它的生长限制因素。相反，硝化段的含碳有机基质浓度不可过高，b o d 5 一般应低于2 0 m g ，l ，若 有机基质浓度过高，会使生长速率较高的异养菌迅速繁衍，争夺溶解氧，从而使自养菌的生长缓慢 且好氧的硝化菌得不到优势，结果降低了硝化速率。 由于t k n 中有一部分用于细胞合成，而n 0 3 。n 有一部分随出水排出，所以只要进水b o d 5 ，r k n 值大于3 ，一般就能满足反硝化菌的碳源需求，获得良好的反硝化效果。大多数学者认为废水中 b o d n d ( 3 5 ) ：l 时，可不另外投加碳源而达到同时脱氮的目的【l 。 7 ) o r p ( 氧化还原电位) 由于溶解氧电极的广泛应用，d o 被成功地作为普通活性污泥法或生物膜法的控制参数，但是 对于生物脱氮除磷工艺，d o 却难以描述缺氧段( 区) 、厌氧段( 区) 的概念，因为在理论上缺氧段( 区) 和厌氧段( 区) 的溶解氧均为零，因此，用d o 作为脱氮除磷工艺的运行控制参数，就显得概念模糊、 不确切。据研究，厌氧段o r p 值一般在。1 6 0 m v 一2 0 0 m v 之间；好氧o r p 值一般在+ 】8 0 m v 左右； 缺氧段o r p 值一般在- 5 0 m v - 1 1 0 m v 间，因此，可以用o r p 作为脱氮除磷工艺的运行控制参数， 且通过该参数可以明确地区分厌氧、缺氧、好氧段，可以表示不同类型微生物的活动。 2 2 1 水解酸化的基本原理 2 2 水解酸化 伯力特等人根据微生物的生理种群，提出的厌氧消化三阶段理论，是当前较为公认的理论模式。 三阶段消化的第一阶段，是在水解与发酵细菌作用f ，使碳水化合物，蛋白质和脂肪水解发酵转化 成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等；第二阶段，是在产氢产乙酸菌的作用下，把第 一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸；第三阶段，是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用， 一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一。组是对乙酸脱羧产生甲烷。从原理上讲，水解( 酸化) 是厌氧消 化过程的第一、二两个阶段。 水解池将厌氧消化控制在反应时间较短的水解段，原污水中不溶的有机污染物溶解、可溶的部 分复杂污染物得到降解，使其易于穿越细胞膜。水解形成的小分子被细菌用为进行发酵的碳源和能 源。同时水解池中的脱氮微生物利用硝酸盐作为电子受体，将其转化为氮气或氮的氧化物来达到反 硝化脱氯的目的。 在2 1 1 中提到，水解作用增加生活污水中氨氮的含量。人和动物所排泄的尿中含有尿素，尿素 在尿素酶的作用下迅速水解生成碳酸铵。因此水解池出水氨氮浓度高于进水。 2 2 2 水解酸化的影响因素 1 ) 温度 水解反应是生物反应，温度对微生物的代谢活动有影响。细胞内的生化反应随温度的增加达到 一个极大值，此后进一步提高温度将引起生物酶的变性而使反应速率下降。水解( 酸化) 过程对温度的 要求不象厌氧消化那样严格，通常在常温下，也能取得较好的处理效果，即使在最低水温1 3 时仍 可稳定运行。温度对反硝化的影响在2 1 2 中已经讨论过了。 2 ) 污水性质 水解( 酸化) 工艺可用于处理城市污水和难降解工业污水。被处理污水中基质不同，其水解的难易 9 东南大学硕士学位论文 程度也不同，如多糖、蛋白质、脂肪在相同的操作条件下，水解速率依次减小，而同类有机物，分 子量大的比分子量小的难水解，直链结构的分子与支链结构的分子相比易水解，单环化合物比杂环 化台物易水解【1 5 j 。c m 对反硝化的影响见2 1 2 。 污染物的粒径对水解速率的影响也很大。大粒径的颗粒，单位重量的比表面积小，水解速率也 较小。 3 ) h r t 水力停留时间是控制反应器运行的重要参数 时间，使水解物质与水解微生物接触的时间增长 时水力停留时间长，同流污水中的溶解氧被消耗 4 ) p h 对于单纯以水解为目的的反应器，提高水力停留 溶出c o d 的浓度就越高，即水解效率也越高。同 有利于反硝化。 水解( 酸化) 与一般生物反应系统一样，p h 值对其水解产物的种类和含量、水解速率、生物增长 率等均有影响。水解( 酸化) 的p h 值的适应范围较广，在3 5 1 0 0 内均能正常反应，考虑到反硝化， 最佳值为7 o 8 5 。 0 第三章实验设计和研究内容 3 1 1 研究技术路线 第三章试验设计和研究内容 3 1 试验设计 本试验以水解一脉冲生物滤池工艺处理农村生活污水为主要研究目标，试验工艺流程图如图3 1 所示。 污水经管网收集后，重力流进水解调节池。水解调节池分为两格，底部装有球形填料，进水口 在第格上部，自吸泵吸水口设在第二格中部填料层中。自吸泵将污水打进配水箱。配水箱中有虹 吸装置，当水箱中的水位达到一定高度时虹吸装置自动启动，水箱中的污水经配水管均匀喷洒到生 排入河道 厌氧水解调节池 图3 1工艺流程示意图 物滤池表面。生物滤池底部设有通风口，当池内温度大于池外温度时，池内的气流是由下朝上；反 之，气流方向由上朝下；当池内外气温比较接近时，通风量近于零。废水中的溶解氧是来自流动的 空气，气流速率愈大，氧的溶解速率也愈大供氧条件也愈好。滤池底部设有二沉池，污水通过滤 层盾跌入二沉池经过泥水分离汇入穿孔集水管出水，出水一部分流进附近的河道，另一部分回流至 水解涌节池进行反硝化反应。二沉池中的剩余污泥排进水解调节池进行水解消化。由水解对污水进 行预处理，可以增加污水的可溶解性c o d 和b o d 5 含量，从而提高后续好氧处理的有机物去除率， 同时缩短污水好氧处理的时间，减少了好氧处理的容积和投资；其次水解对生物剩余污泥具有4 0 以上的消解作用，使污泥减量化，减弱了污泥处置的负荷、降低了投资，污泥也得到了稳定化；再 次水解可对回流水进行反硝化，加强了工艺的脱氮效果；此外，水解调节池还可以均衡进水水质水 量，起到调节池的作用，缓冲、调节可能发生的冲击负荷的影响。 试验工艺流程特点： 1 ) 脉冲生物滤池前设置水解调节池，增强了系统的反硝化能力，使得系统有理想的脱氯功能， 同时降低了脉冲生物滤池的有机负荷。水解调节池同时具有水解和调节水质水量的功能，减少了投 东南大学硕士学位论文