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太原理工大学硕士研究生学位论文 同步硝化反硝化脱氮效果研究 摘要 近年来，随着水体富营养化问题越来越严重，以及对污水处理中氮、 磷等排放标准越来越严格的问题，急需开发出一种既脱氮效果好，又简便 节能的生物脱氮工艺。序批式生物膜反应器( s b b r ) 是目前正在研究、应用 的一种污水生物处理新工艺，它是在s b r 的基础上发展起来的，既保留了s b r 的诸多优点，又有不同于s b r 的特点。由于s b b r i 艺的脱氮效果好；自动化 程度高，运行管理简单；基建费用低，运行费用省，推广到城市污水处理中， 必将产生良好的环境效益和社会效益，其应用前景十分广阔。 本文研究了序批式生物膜反应器( s b b r ) 在有氧情况下同步硝化反硝化 的生物脱氮机理，并对影响s n d 的各种因素进行了较详细的研究。试验选用 反应器为有机玻璃制成，其主要尺寸为：直径1 5 c m 、高4 0 c r n 、总容积7 l 、 有效容积6 2 l 。生物膜载体选用立体弹性填料，并采用高氨氮污水为处理 对象；试验系统地考察- t d o 浓度，c o d 浓度( c n ) ，生物膜厚度等因素对 生物膜法同步硝化反硝化( s n d ) 脱氮效果的影响。 通过试验分析，得到以下主要结论：溶解氧浓度控制在2 m g l 左右时， 其同步硝化反硝化现象明显，脱氮效果最佳，氨氮去除率可达9 0 ，c o d c ， 的去除率达9 4 6 ，出水总氮浓度为2 6 6 m g l - - - 2 9 m g l ，总氮的平均去除率 在5 0 以上，最高去除率达至1 6 6 8 ，并可推断出在反应系统内存在好氧反硝 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 化菌。c n 控制在4 - - - 8 之间时，c n 越高，s n d 效果越好，继续增加碳氮比时， 总氮去除率增加不多，并且还会导致硝化作用不完全。当存在足够的易降解 有机碳源时，能发生完全的好氧反硝化作用。载体生物膜具有吸附储碳能 力，在较大的溶解氧浓度范围内，增加载体生物膜厚度有利于同步硝化反硝 化的进行。 s b b r 具有同步硝化反硝化的能力，建议将n h 。一n 降解到零或最小值的时 刻，作为同步硝化反硝化的结束点；当原水氨氮浓度高时可增加后续脱氮 处理或减少进水量来满足出水要求，或者优化运行方法和参数来稳定s b b r 的总氮( t n ) 去除率。 微环境理论和微生物学理论可以解释试验中所发生的好氧生物膜法同 步硝化反硝化( s n d ) 现象。生物膜法同步硝化反硝化作用机理可以认为， 在d 0 浓度较低情况下，由于生物膜内部存在着溶解氧浓度梯度，从外至内 生物膜可以分为好氧层、缺氧层和厌氧层。生物膜内部的缺厌氧层存在着 大量的反硝化菌，使得反硝化脱氮在这里得以进行。总之，生物膜内部溶 解氧浓度梯度的存在是系统进行同步硝化反硝化的关键因素。 s b b r i 艺在小型点源污染控制和污水脱氮除磷深度处理中是一种行之 有效的脱氮除磷工艺。 关键词：s b b r 系统，同步硝化反硝化，填料，生物膜 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c h0 fs i m u i ，t a n e o u s n i t r i f i c a t l 0 na n dd e n i t r i f i c a t l 0 n e f f e c t0 nr e m o v a l0 fn i t r o g e n a b s t r a c t 触t h ew a t e re u t r o p h i c a t i o nb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，a sw e l la s t h es t a n d a r d so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sh a db e e ni m p r o v e d ，i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pah i g h e f f i c i e n t ，l o we n e r g yr e q u i r e da n ds i m p l yo p e r a t e dt e c h n o l o g yt o n u t r i e n tr e m o v a l s b b r ( s e q u e n c i n gb i o f i l mb a t c hr e a c t o r ) i san e ww a s t e w a t e r b i o n t r e a t m e n tp r o c e s sr e s e a r c h i n ga tp r e s e n t i ti sd e v e l o p i n gb a s e da ts b ra n d i n h e r i t ss b rm a n ym e r i t s ，a sw e l la sd e v e l o p e dt h en e wc h a r a c t e r i s t i c s t h e p r o s p e c to ft h es b b rt e c h n i c a la p p l i c a t i o nh a sf u l lv a s t i t u d ef o ri t sg o o de f f e c t s o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h eh i g ha u t o m a t i o n ，t h es i m p l er u n n i n g s u p e r v i s i o n ，t h el o wc h a r g eo ft h ec a p i t a lc o n s t r u c t i o na n ds a v i n gt h er u n n i n g c h a r g e p o p u l a r i z e da tt h ef i e l do fm u n i c i p a ls e w a g et e a t m e n t ，t h et e c h n i c a lw i l l p r o d u c et h eg o o de n v i r o n m e n tb e n e f i ta n dt h es o c i a lb e n e f i t t h ec h a r a c t e ro f 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 no f s e q u e n c i n g b a t c hb i o f i l m r e a c t o r ( s b b r ) u n d e rt h ec o n d i t i o no fo x y g e ne x i s t i n gw a ss t u d i e d t h ep a p e r ii i d i s c u s st h em e c h a n i s mo fn i t r o g e nr e m o v a lb ys i m u l t a n e o u sn 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 ( s n d ) a n ds t u d yt h ev a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gs n di nd e t a i l i n t h ep a p e r ，t h eb i o l o g i c a lr e a t o ri sm a d eo fs y n t h e t i cg l a s s ，i t sm a i nd i m e n s i o n s a r e ：d i a m e t e ri s 1 5 c m ，h e i g h ti s4 0 c m ， v o l u m ei s7 l , w o r k i n gv o l u m ei s6 2 l , a n dt h eb i o l o g i c a lf i l l e ri st r i d i m e n s i o n a le l a s t i cp a c k i n g t h er a w w a s t e w a t e ri s h i g hc o n c e n t r a t i o nn h 4 一nw a s t e w a t e r t h er e g u l a rt h a tt h em a i nf a c t o r ss u c ha s d o ，c o d c o n c e n t r a t i o n ( o rc nr a t i o ) a f f e c t e ds n dh a db e e nr e s e a r c h e d t h e r e s u l ts h o wt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fd i s s o l v e d o x y g e nv a l u e ( d o ) a b o u t 2 m g lt h ep h e n o m e n ao 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 o b v i o u sa n dt h ed e n i t r i f i c a t i o ne f f e c ti so p t i m a l t h er e m o v a lo f n h 4 nr e a c h e d 9 0 a n dt h a to fc o d c rr e a c h e d9 4 6 i nt h e m e a n t i m e a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w i n gm o r et h a n5 0 t nr e m o v a l ，t h es t u d ys u g g e s t s a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ，i 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 n ( s n d ) ， t o o kp l a c ed u r i n gt h eo p e r a t i o n w h e nc ni s i n c r e a s e d ，t h et o t a ln i t r o g e n r e m o v a lr a t ei n c r e a s e s w h e nc ni s4 - 8 ，t o t a ln i t r o g e nr e m o v a lc o u l dr e a c ht h e h i g h e s tr a t eo f6 6 8 w h e nc ni n c r e a s e sf u r t h e r ，n i t r o g e nr e m o v a lr a t eh a sn o o b v i o u s g r o w i n g ，a n dw i l l r e s u l t i n n i t r i f y i n g f u n c t i o n i n i n c o m p l e t e l y a c o m p l e t ea e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nf u n c t i o nc a nt a k ep l a c ew h e nt h e r ea r ee n o u g h d e g r a d a b l eo r g a n i cc a r b o ns o u r c e s t h es b b ri sa d v a n t a g e o u st oc r e a t ea n o x i c c o n d i t i o n ，a n db i o f i l mc a na b s o r ba n ds t o r ec a r b o nf o rg o o dn 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 t h ee f f i c i e n c yo 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 n i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go f t h i c k n e s so ft h eb i o f i l m i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 s b b r p o s s e s s e d t h e c a p a c i t y o 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 d d e n i t r i f i c a t i o ni nw i d e rr a n g eo fd i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n ；a n dw h e n n h 3 - nr e d u c e dt oz e r oo rm i n i m u mv a l u e ，t h et i m ew a ss u g g e s t e dt ob et h ee n d o 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 n i ti s s u g g e s t e d t h a ta s u b s e q u e n c ef o rd e n i t r i f i c a t i o ni s a d d e do ri n f l u e n ta m o u n ti sd e c r e a s e df o r r e q u i r e m e n t o fe f f l u e n t q u a l i t y a to p t i m u mo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，t h et n r e m o v a l e f f i c i e n c yc o u l db ea c h i e v e d b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hw o r k ，i ti s a p p r o p r i a t et h a tu s i n gt h e m i c r o s c o p i ce n v i r o n m e n t a lv i e wa n dt h em i c r o o r g a n i s mt h e o r yt oe x p l a i nt h e m e c h a n i s mo ft h es n di nb i o f i l m p r o c e s s ：a tt h ec o n d i t i o no fl o wd o c o n c e n t r a t i o n ，b e c a u s eo ft h ed oc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n tw h i c he x i s t si nb i o f i l m ， t h eb i o f i l mc o u l dc l a s s i f yt h r e ep a r t yf r o mo u t s i d et oi n s i d e ：l a y e ro fo x y g e n ， l a y e ro fo x y g e nd e f i c i e n t ，a n a e r o b i cl a y e r b e a u s et h el a y e ro fo x y g e nd e f i c i e n t a n dt h ea n a e r o b i cl a y e ra r ec o n s i s to fs o m ef a c u l t a t i v eb a c t e r i ao ra n a e r o b i c b a c t e r i as u c ha sd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，i tm a k et h ed e n i t r i f i c a t i o nt ob ep r o b a b l e i naw o r d ，t h ed oc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n te x i s t si nb i o f i l mi st h ec r i t i c a lf a c t o ro f s n d i tw a sc o n c l u d e dt h a ts b b rw a sa n e f f e c t i v e t e c h n o l o g y f o r s i m u lt a n e o u s l yr e m o v i n gn i t r o g e nd u r i n gc o n t r o lo fs m a l ls c a l ep o i n tp o l l u t i n g s o u r c e sa n df u r t h e rt r e a t m e n to fw a t e r k e y w o r d s ：s e q u e n c i n g b a t c hb i o f i l mr e a c t o rs y s t e m ，s i m u l t a n e o u s v n 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 ，f i l l e r ，b i o f i l m v i 声明丹明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名一查鍪杰 e t ! 赣i ：至竺蒸：曼：三： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签：名：，奎鍪盔f ti 菲1 ：坦星：主 即孙趁趁隰吐g ： 太原理工大学硕士研究生学位论文 第章绪论 1 1 研究课题的提出及意义 氮是造成水体富营养化和环境污染的一个很重要的污染因子。比如，云南滇池、江 苏太湖、安徽巢湖等水体污染就是因为氮化合物造成了水体的富营养化而且日趋严重。 更为迫切的是，我国目前城市污水处理率仅有5 左右，且绝大多数不具备脱氮除磷的能 力。因此，研究污水脱氮，探索适合我国国情且经济有效的脱氮工艺和方法，已成为亟待 开展的研究课题。 传统的生物处理脱氮方法对氮的去除主要是靠微生物细胞的同化作用将氮转化为 细胞原生质成分，所以传统的生物处理方法只能去除生活污水中约4 0 的氮。如传统的活 性污泥法、生物膜法和生物稳定塘等n 1 。目前，城市污水处理厂一般采用生物法进行脱氮， 多采用缺氧一好氧二级生物脱氮工艺( a p o 法) 。其原理是，在好氧、低基质浓度条件下通 过硝化菌的作用将氨氮氧化为硝酸盐，在缺氧、可利用碳源及碱度充足的条件下，反硝化 菌将硝酸盐还原成气态氮从水中去除。如a 0 工艺、a a o 工艺等。而最近的一些研究表 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； 有些研究者在实验室中观察到在厌氧反应器中n h 。一n 减少的现象；特别值得一提的是有些 研究者观察到硝化反应和反硝化反应可以在同一操作条件下且在同一反应器内进行，称 为同步硝化反硝化现象( 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 简称s n d ) ，并且这 种现象确实存在于各种不同的生物处理系统，如生物转盘，氧化沟工艺，序批式反应器 等。这些现象的发现为水处理工作者设计处理工艺提供了新的理论和思路。 目前，所采用的生物脱氮工艺( a p o 法) 开创于8 0 年代初，它将缺氧反硝化反应池置 于该系统之首，所以称这为前置反硝化生物脱氮。此工艺在废水的脱氮方面起到了一定 的作用，但仍存在以下问题瞳1 ： ( 1 ) 污泥浓度低硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，物别是在低温 的冬季。因此造成系统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费 用；( 2 ) 动力费用高系统为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 行污泥回流和硝化液回流，增加了动力消耗和运行费用：( 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生长；( 4 ) 处理费用高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。而s n d 与传统生物脱氮相比就具有很大的优势，它可在 同一反应器中同时实现硝化、反硝化和除碳，具有以下优点：( 1 ) 低曝气需求，节省能耗； ( 2 ) 硝化过程中碱度被消耗，而同时反硝化过程中产生碱度，s n d 能有效地保持反应器中 p h 值稳定，而且无需外加碳源，因为硝化菌最适p h 值范围很窄，仅为7 5 - 8 6 ，因此这一 点是非常重要的；( 3 ) 可以省去缺氧池，或至少减少反应器容积。 在荷兰、德国等国家已有利用同步硝化反硝化脱氮工艺的污水处理厂在运行，目前 同步硝化反硝化研究在以下几个方面值得作近一步研究阳1 ：( 1 ) s n d 的形成原因复杂， 对s n d 机理的研究要进一步深入，特别是微生物的研究重点放在好氧反硝化菌菌种的筛 选和驯化上，从生物学角度对好氧反硝化菌的各种生长特性和脱氮机理进行深入研究， 找出影响它生长的各种生态因子。( 2 ) 研究s n d 的影响因素，建立s n d 中硝化和反硝化的 动力学模型。进一步研究好氧颗粒污泥的培养方法，寻找缩短培养和驯化时间的控制条 件。作好好氧颗粒污泥形成机理、微生物学特性等方面的研究。( 3 ) s n d 中将硝化控制 在亚硝化阶段可以缩短反应时间，节约能源和空间。如何控制反应条件，实现持久稳定的 亚硝酸盐积累是近期研究的难点。( 4 ) s n d 在除氮的同时有明显的除磷现象，如何把脱 氮除磷有机结合起来，不仅可以在同一反应器内实现有机物降解及脱氮除磷，减少脱氮 除磷反应池体积，而且节约处理费用，提高系统的处理能力和效率，成为近期研究的热 点。 1 2 课题的研究目的和内容 1 2 1 课题研究的目的 序批式生物膜反应器s b b r ( s e q u e n c i n gb i o f i l mb a t c hr e a c t o r ) 工艺是在s b r 池内 置入填料的一种改良工艺，最早由德国的w il d e r e r 于上个世纪9 0 年代初提出，实质上是 生物膜法的间歇操作模式。它通过在s b r 中添加载体作为微生物附着生长的基础，将间 歇操作模式引入到生物膜反应器中，这一方面可提高系统的污泥浓度，增加微生物与污 水的接触面积，提高硝化菌的固着量，增加抵御外界环境变化的能力和防止生物量随着 悬浮污泥流失掉；另一方面由于系统引入了间歇运行特征，使其具备了很强的运行控制 能力。而同步硝化反硝化由于能够带来很明显的经济效益而被日益广泛的应用到实践 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 中。目前关于同步硝化反硝化的应用有很多报道，并已阐明了其具有缩短脱氮历程、节 省碳源、降低动力消耗、提高处理能力等优点，尤其是在利用生物膜或固定化细胞进行 单级生物脱氮方面取得了很大的进展，开发出许多新型生物反应器或新的固定化方法。 但这些系统目前均不成功，有待进一步的研究。 于是，本文提出了在序批式生物膜反应器中实现同步硝化反硝化，以此来处理高浓 度氨氮废水，研究目的如下： ( 1 ) 适应可持续发展战略的要求，对s b b r 处理有毒废水进行可行性研究，为高效 且低投入处理有毒废水提供参考资料。 ( 2 ) s b b r 对高浓度氨氮废水同步硝化反硝化脱氮效果研究，并找出工艺最佳运行 参数和运行条件。 ( 3 ) s b b r 对高浓度氨氮废水脱氮过程中，生物膜吸附、储碳等进行研究。 ( 4 ) 在前人的研究基础之上，对同步硝化反硝化机理进行进一步的研究和探讨。 1 2 2 课题研究的内容 本次研究的主要内容是通过采用人工模拟污水为处理对象，通过实验室模型试验， 考察在s b b r 中实现同步硝化反硝化的可行性和主要影响因素，这包括各种氮在反应过程 中的变化情况；溶解氧浓度、有机负荷与c n 、生物膜厚度等对同步硝化反硝化的影响； 生物膜吸附和储碳现象等，并在此基础上探讨s b b r 中同步硝化反硝化的机理。 1 3 序批式生物膜法( s b b r ) 研究现状 由于自动化技术的成熟和发展，人们能将自动控制的一些运行方式引入废水处理的 工艺过程。例如，将自动化控制技术与传统的活性污泥法相结合产生了序批式活性污泥 法。该方法与连续式活性污泥法相比较有许多优点。生物膜法作为污水生物处理的主要 方法之一，有其特点。借鉴于序批式活性污泥法，将序批式的运作模式和生物膜法相结合， 产生了序批式生物膜法，它既能保持生物膜法的固有优点，又能使系统引入自动化管理。 国内的应用主要集中在工业废水的处理上，国外的研究主要集中在有毒、难降解有 机物的处理上1 7 - 1 6 】。 1 3 1 国内研究现状 传统的工业废水通常具有高c o d 值、高b o d 值、高s s 及高色度。普通的水处理工 艺出水很难达到行业排放标准。s b b r i 艺在处理多种高浓度的工业废水时，均取得优于 传统s b r 的效果。王乾扬、方士、陈国喜等用s b b r 法处理皮革废水，试验结果表明，s b b r 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 法运行周期比s b r 短，相对于普通s b r ，s b b r 法的降解速率大，达到同样的出水标 准，s b b r 法的曝气时间比普通s b r 法短，节约能耗，s b b r 法的出水c o d 值明显优于s b r 。 詹伯君、陈国喜等运用s b b r 处理印染废水的工程实例表明，s b b r - f 艺启动快，出水水质 稳定，耐冲击负荷。李伟光等人用s b b r 处理屠宰场废水，结果表明，各项污染指标的去除 率：c o d 为9 7 ，b o d 5 为9 9 ，t k n 为9 2 ，油脂为8 2 ，出水水质指标达到国家二级标准。方茜、 陈凤冈等则研究了s b b r 与s b r 处理屠宰废水的对比实验。从试验数据得出，c o d c r 和 b o d 5 总去除率分别为9 7 和9 9 ，油脂为8 2 ，t k n 为9 2 ，s s 为9 3 4 ，充分说明了s b b r 处理系统的高效性。梁晨辉等采用s b b r 生化法辅助必要的物化法处理高盐度有机废 水，c o d 的去除率达到7 9 6 。2 0 0 2 年王亚宜等，在序批式活性污泥反应器中填充弹性立 体填料，形成序批式生物膜反应器，对s b r 和s b b r 去除有机物和氨氮的效果进行对比 研究。2 0 0 5 年徐伟锋等，通过加硝化菌与未加硝化菌的对比试验，对序批式生物膜法中 所表现出来的脱氮特性进行了试验分析，研究探讨生物膜法脱氮的机理。2 0 0 6 年荣宏伟 等采用序批式生物膜反应- , 器( s b b r ) ，以人工模拟污水为处理对象，在温度、有机物浓度和 营养物浓度较宽的变化范围内进行了连续运行，对s b b r - - _ 艺脱氮除磷的处理效能进行 了系统研究。同年，李军等应用s b b r ( 填料为塑料鲍尔环) 在有氧情况下用于处理实 际生活污水，该反应器能很好地创造缺氧微环境，载体生物膜具有吸附储碳能力，出现了 良好的同步硝化和反硝化现象，但这些系统目前均不成功，有待进一步的研究。 1 3 2 国外研究现状 w o b u s a 等与k a b a l l o 等采用s b b r i 艺降解、去除p c h l o r o p h e n o l ，分析了间歇与连 续进水对反应器处理效果的影响。间歇进水( 序批式处理工艺) 反应器内液体呈匀相，连 续进水反应器内液体存在浓度梯度，但由于生物膜敏感的吸附作用，对降解氯酚的效果 影响不大。w h i t e d a n i e l m 等利用s b b r 工艺处理含氰废水。含氰废水是开采金矿沥析出 的剧毒废水，对环境的危害很大，采用s b b r 工艺，2 4 4 , 时一个运行周期，一个周期可将 2 0 m g l 的氰化物降解至0 5 m g l ，同时以1 ：1 摩尔的量生成n h 3 一n 。封闭式的s b b r 系统耐低 温，能耗小，可移动，是处理此类废水的首选。2 0 0 0 年，e a r n o l d j l j 用s b r 和s b b r 处理高浓 度含氮污泥消化液的对比研究发现：s b b r 的硝化能力优于传统s b r 。b i n s w a n g e r 等利用生 物转盘反应器，通过s n d 去除高浓度n h 。+ 一n 废水中的氮，结果表明，当表面负荷为 2 5 9 ( m 2 d ) 时，去除率达9 0 9 6 - - - - 9 5 9 6 ，并且在整个过程中，不需要添加任何可生物降解的 有机碳化合物。f e r m a n d e z p o l a n c o 等人采用中试规模的厌氧好氧流化床实现了同时脱 4 太原理j 大学硕七研究生学位论文 氮和除碳。k o l b 等人在用s b b r 处理含不易降解有机物的工业废水的研究中，采用活性炭 做填料和微孔膜的序批式生物膜反应器，处理用苯- - 氯酚和三氯乙烷酚配制的污水， 效果也很好。 1 4 生物脱氮技术研究现状 1 4 1 传统的生物脱氮工艺 传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段，硝化和反硝化反应分别由硝化 菌和反硝化菌作用完成，由于对环境条件的要求不同，这两个过程不能同时发生，而只能 序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应发生在缺氧或厌氧条件下。由此 而发展起来的生物脱氮工艺大多将缺氧区与好氧区分开，形成分级硝化反硝化工艺，以 便硝化与反硝化能够独立地进行。1 9 3 2 年w u h r m a n n 利用内源反硝化建立了后置反硝化 工艺( p o s t d e n i t r i f i c a t i o n ) ，l u d z a c k 和e t t i n g e r 于1 9 6 2 年提出了前置反硝化工艺 ( p r e d e n i t r i f i c a t i o n ) ，1 9 7 3 年b a r n a r d 结合前面2 种工艺又提出了a o 工艺，其后又出现 了各种改进工艺如b a r d e n p h o 、p h o r e d o x ( a 2 o ) 、u c t 、j b h 、a a a 工艺等，这些都是典型的 传统硝化反硝化工艺。u 7 1 1 4 2 传统的生物脱氮存在的问题 以上这些工艺充分发挥了各自的优势，在废水脱氮方面起了相当重要的作用。前置 反硝化利用废水中部分快速易降解有机物做反硝化所需碳源，节约了反硝化阶段外加碳 源的费用：后置反硝化充分保证了出水中氮的含量：s b r 技术使硝化反硝化发生在一个容 器中，大大地节约了基建投资。但这些工艺明显存在各自的不足。前置反硝化对氮的去 除不完全，不能保证出水中亚硝态氮和硝态氮的含量，若想获得较高的氮去除率，必须加 大内循环比，这样相应地能耗也就大大提高，o 后置反硝化则有赖于外加快速易降解有机 碳源的投加，这又使得出水受到有机物的二次污染，使出水有机物水质不能得到保 证：s b r 所需处理时间长，处理量偏低。除此以外，它们还存在一些共同的问题，主要有以 下几方面：( 1 ) 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高的生物浓度，特别是在低温冬季，因 此造成系统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用：( 2 ) 为维 持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须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 ) 为中和硝化过程产生酸度，需要加碱中和，为满足反硝化过程 的碳源，有时又需要外加碳源，这都大大增加了处理费用。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 3 生物法脱氮新技术 最近国内外的许多试验n 螂1 和报道证明，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 一n 减少的现象。这些现象的发现为污水脱 氮处理提供了新的理论和思路。 1 4 3 1 s h a r o n 工艺 s h a r o n i 艺是荷兰d e l f t 技术大学开发出的脱氮新工艺。其工艺流程如图1 - 1 所示： 2 3 进水 o 0 0 n h 。n o t 出水 n - o h一 o 。o 。o 叭一i n ， 一热交换 一 暑量暑 上 略 旦上 0 00 仁= = = 图1 1s h a r o n t - 艺图 f i g 1 1o u t l i n ed i a g r a mo fs h a r o n 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。 硝化过程可分为两个阶段，第一步是由亚硝化菌( n i t r o s o m o n a s ) 将氨氮转化为亚硝酸盐 ( n o - ：) ，亚硝化菌包括亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属。第二步是由硝化菌 ( n it r o b a c t e r ) 将亚硝酸盐转化为硝酸盐( n o - 。) ，硝化菌包括硝酸盐杆菌属、螺旋茵属和 球菌属。这类菌利用无机碳化物如c 0 2 3 、h c o - 3 和c 0 2 作碳源，从n h 。、n h 。或n 0 一。的氧化反应 中获得能量，两步反应均需在有氧条件下进行。生成的n o - 。由反硝化菌在缺氧条件下还原 成n ：或氮氧化物。 s h a r o n i 艺具有以下特点：硝化与反硝化2 个阶段在同一反应器中完成，可以简化 工艺流程；硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和；可以缩短水力停留 时间( h r t ) ，减小反应器体积和占地面积。其成功在于：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 ) 的不同生长速率，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。同时通过间歇曝气，可以达到反硝化的目的。 6 太原理：大学硕士研究生学位论文 1 4 3 2 同步硝化反硝化( s n d ) 当好氧环境与缺氧环境在1 个反应器中同时存在，硝化和反硝化在同一反应器中同 时进行时称为同步硝化反硝化。同步硝化反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中，也可 以发生在活性污泥系统中。同步硝化反硝化系统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提 供了可能性。但目前对s n d 现象的机理还没有一致的解释，一般认为有3 个主要机理是：( 1 ) 宏观环境作用：由于充氧装置的充氧不均和反应器的构造原因，造成生物反应器形态不 均，在反应器内形成缺氧、厌氧段。此种情况称为生物反应的大环境，即宏观环境。( 2 ) 微观环境作用：缺氧、厌氧段可在活性污泥菌胶团或生物膜内部形成，即微观环境。( 3 ) 生物化学作用：在过去几年中，许多新的氮生物化学菌族被鉴定出来，其中包括部分菌种 以组团形式对s n d 起作用，包括起反硝化作用的自养硝化菌及起硝化作用的异养菌。在生 产规模的生物反应器中，完全均匀的混合状态并不存在。菌胶团内部的溶解氧梯度目前 也已被广泛认同，实现s n d 的缺氧、厌氧环境可在菌胶团内部形成。由于生物化学作用而 产生的s n d 更具实质意义，它能使异养硝化和好氧反硝化同时进行，从而实现低碳源条件 下的高效脱氮。 同步硝化反硝化技术的产生为今后污水处理降低投资并简化生物脱氮过程提供了 可能性，在荷兰、德国已有利用同步硝化反硝化脱氮工艺的污水处理工厂在运行。目前 国内同步硝化反硝化的研究主要是在其形成机理上。 1 4 3 3 好氧反硝化 最初，反硝化被认为是一个严格的厌氧过程，因为反硝化菌作为兼性茵优先使用溶 解氧呼吸，甚至在浓度低达0 1 m g l 时也是如此，这样就阻止了使用硝酸盐和亚硝酸盐作 为最终电子受体，不过这种限制只是对专性厌氧反硝化菌起作用。2 0 世纪8 0 年代后期以 来，在生物脱氮生物学方面有了很大进展。人们曾多次观察到在没有明显缺氧段的活性 污泥法中存在脱氮现象，发现了好氧反硝化 菌：p s e u d o m o n a s s p p ，a l c a li g e n e s f a e c a lis ，t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a ，这些好氧反硝化 菌同时也是异养硝化菌，而传统上的硝化菌是化学自养型的。这样，这类细菌就可将氨在 好氧条件下直接转化成气态产物。生物学研究表明，在好氧和缺氧条件下 n i t r o s m o n a s s p p 能够通过硝酸盐的生物还原形成氧化氮和氧化亚氮。有人认为，在好氧 条件下氧化氮和氧化亚氮产生速率依赖于亚硝酸盐浓度，而大多数人则认为这一速率与 溶解氧浓度成反比。众多研究表明，n i t r o s m o n a s s p p 的反硝化活动在低溶解氧条件下是 7 太原理一r 大学硕士研究生学位论文 明显的，但对n i t r o b a c t e r s p p 的反硝化能力研究得比较少。有人认为在好氧条件 下，n i t r o b a c t e r 菌株不能进行反硝化，某些菌株可以在无氧的丙酮酸、氨和硝酸盐的培 养物中生长，丙酮酸和硝酸盐被消耗，在低溶解氧条件下生产的氧化氮可能参与蛰j n a d h 的形成。反硝化的初始基质可能是亚硝酸盐或硝酸盐，研究比较电子转移平衡可以确定 初始基质是硝酸盐还是亚硝酸盐。氨氧化为亚硝酸盐产生2 个电子，亚硝酸盐氧化为硝酸 盐也产生2 个电子，完全的亚硝酸盐还原需要3 个电子，而完全的硝酸盐还原需要5 个电 子。因此，当亚硝酸盐被完全还原时，氧化氨产生氮气的最大可能因数为 0 6 7 n m o l n ：n m o l n h ，而对于硝酸盐这一因数为o 4 ，所以亚硝酸盐为反硝化的初始基质。 m u ll e t 等证明了好氧反硝化是与硝化相伴发生的。好氧反硝化速率与氨消耗速率基本处 于同一数量级，这使好氧反硝化更具实际的工程意义，这将在节省能源消耗的情况下，使 污水脱氮处理的效率大大提高。 1 4 3 4 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 其由荷兰d e l f t 技术大学于1 9 9 0 年开发，是一种新型脱氮工艺。其原理为：在厌氧条 件下，以硝酸盐或亚硝酸盐为电子供体，将氨氮氧化成氮气。由于n 0 - ：是一个关键的电子 受体，所以a n a m m o x t _ 艺也是亚硝酸型生物脱氮技术。由于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。实验研究发现：厌氧反应器中n h + 4 浓度的降低 与n o 一。的去除存在一定的比例关系。可能的物质转化过程如图卜2 ，卜3 所示。 2 0 3 洲国阳瓴 堆罗1 m 图1 - 2g r a a f 提出图卜3s c h a l k 等人提出 f i g 1 - 2g r a a fp u tf o r w a r df i g 1 - 3s c h a l ke ta lp u tf o r c e a r d 影响a n a m m o x i 艺的因素主要有：基质抑制，厌氧氨氧化过程的基质是氨和亚硝酸盐， 如果两者的浓度过高，也会对厌氧氨氧化过程产生抑制作用；p h 值，由于氨和n 0 一：在水溶 液中会发生离解，因此p h 值对厌氧氨氧化具有影响作用，其适应p h 值范围为6 7 8 3 ，最 适应p h