（环境工程专业论文）一体式ao膜生物反应器在市政污水脱氮中的研究.pdf

摘要 随着工业的发展和人类活动的不断增加，水污染现象日益严重。我国主要湖 泊因氮、磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的5 6 之多，加剧了水资源短缺问 题。 近年来，由于m b r 具有排泥周期长、出水水质好和固液分离效果高等特点， 在水污染控制和水资源利用方面受到广泛的重视。 本课题是通过一体式a o m b r 对市政污水脱氮的研究，探讨其脱氮效果、 各影响因素的影响效果以及确定最佳运行参数。 本试验分为两个阶段，共运行1 0 8 天。第一阶段是在较长水力停留时间和较 低水温条件下运行，第二阶段对水力停留时间进行了调整，且水温较高。试验运 行结果显示：一体式a o m b r 对c o d c ，和氨氮的去除效果很好，对总氮的去除 效果也比较好但不稳定。c o d c ，的平均去除率为9 1 9 4 ，氨氮的平均去除率为 9 1 6 0 ，总氮的平均去除率为7 4 5 1 。氨氮的去除率受水温、溶解氧( d o ) 浓 度、水力停留时间( h r t ) 的影响比较明显。氨氮去除率变化趋势与水温和好氧 段d o 浓度变化趋势一致。当水温在1 3 5 以上时，氨氮的平均去除率9 4 1 0 ， 溶解氧( d o ) 保持在3 m g l 左右时，氨氮的去除效果较理想，且运行稳定；当 水温降至1 1 1 时和溶解氧浓度降至2 0 7 m g l 时，氨氮去除率都明显下降。水 力停留时间对氨氮去除效果的影响与温度有关，当水温分别为2 0 以上、 1 5 - - - 2 0 和1 1 1 1 5 时，h r t 分别为1 2 h 、1 4 h 、1 6 h 时，去除效果最佳。总氮 的去除受水温、厌氧段d o 、回流停回流周期的大小、氨氮去除效果、有机碳源 和水力停留时间的影响比较明显。总氮的去除率与水温的变化趋势一致，与厌氧 段溶解氧的变化趋势相反。水温在1 1 卜1 9 6 范围内，反硝化作用可正常进行 且水温高于1 3 时，平均去除率为8 2 9 5 ，当水温降至1 1 1 时总氮的去除率 下降明显。h r t 对总氮去除效果的影响也与温度有关，当水温分别为2 0 以上、 1 5 2 0 和1 1 1 1 5 时，h r t 分别为1 2 h 时、1 4 h 、2 3 h 时去除效果较好。厌氧 段的d o 小于1 2 5 m g l 、回流停回流周期为3 0 8 0 r a i n 时去除效果好。同时，硝 化反应和反硝化反应速率在回流结束1 0 m i n 后逐步加快，回流结束4 0 m i n 时，明 显加快。系统中存在同时硝化反硝化现象。 本次试验对一体式a o m b r 在市政污水脱氮方面的应用和研究，尤其是各 参数值范围的确定可提供一定的理论和实践参考意义。 关键词：m b r ：市政污水；脱氮；硝化；反硝化 a b s t r a c t w i t hi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ta n di n c r e a s i n gh u m a na c t i v i t i e s ，w a t e rp o l l u t i o ni s b e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s t h em a j o rl a k e so fc h i n at h a th a v es u f f e r e df r o mt h e e u t r o p h i c a t i o na sr e s u l to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sp o l l u t i o n ，a c c o u n tf o rm o r et h a n 5 6p e r c e n tw h i c hh a sa g g r a v a t e dt h es h o r t a g ew a t e rr e s o u r c e s i nr e c e n ty e a r s ，t h em e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) i sa r o u s i n gt h eg r e a ta t t e n t i o n a n db e i n gw i d e l yu s e di nw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n dw a t e rr e u s ed u et oi t sc o m p l e t e r e t e n t i o no fs l u d g ea n dg o o de f f l u e n tq u a l i t y i nt h i sp a p e r , t h ea o m b rw a su s e dt ot r e a tm u n i c i p a lw a s t e w a t e r n e e x p e r i m e n tw a sc a r d e do u tt om a k ea l le v a l u a t i o no fn i t r o g e nr e m o v a lf r o mm u n i c i p a l w a s t e w a t e rb ya o m b r ，a n da l s ot od i s c u s st h ee f f e c t so fi n f l u e n c i n gf a c t o r ss oa st o d e t e r m i n et h eo 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 i se x p e r i m e n tw a sd i v i d e di n t ot w op h a s e sa n dl a s t e d10 8d a y s t h ef i r s t s t a g ew a so p e r a t e dw i t hl o n gh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t la n dl o wt e m p e r a t u r e i n t h es e c o n dp h a s e ，h r tw a sa d j u s t e da n dt h ee x p e r i m e n tw a so p e r a t e da th i g h e r t e m p e r a t u r ea l lt h et i m e t h er e s u l to fp h a s eia n dp h a s ei ia r ea sf o l l o w s ：t h es y s t e m s h o w sg o o dr e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d e r ，n i - 1 3 - n ，t na n dt h ea v e r a g er e m o v a lr a t ei s r e s p e c t i v e l y91 9 4 ，91 6 0 ，7 4 51 b u tt h et r e a t m e n te f f e c to ft ni sn o ts t a b l e t h er e m o v a lr a t eo fa m m o n i ai si n f l u e n c e db yw a t e rt e m p e r a t u r e d i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ，h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) s i g n i f i c a n t l y t h et r e n d so fa m m o n i ar e m o v a l r a t e ，w a t e rt e m p e r a t u r ea n dd i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o ni na e r o b i cw e r es a m e w h e nt h et e m p e r a t u r ei sa b o v e13 5 ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fn 1 3 - ni s9 4 10 i na d d i t i o n ，t h ed i s s o l v e do x y g e nm a i n t a i n e da t3 m g lo rs o ，t h es y s t e mc a nm a k e g o o dn i t r o g e nr e m o v a la n ds t a b l eo p e r m i o n h o w e v e r ，w h e nt h ew a t e rt e m p e r a t u r e w a sd o w nt o1 1 1 a n dd ow a sd o w nt o2 0 7m g l ，t h er e m o v a lr a t eo fn h 3 - n d e c l i n eo b v i o u s l y t h ei m p a c to fh r tf o rr e m o v a lo fn h 3 ni sr e l a t e dw i t hw a t e r t e m p r e t u r e w h e nt h ew a t e rt e m p r e t u r ew a si nt h er a n g eo f1 5 2 0 ，1 1 1 - 1 5 ， a b o v e2 0 ，h r tw a sr e s p e c t i v e l y12 h ，1 4 h ，16 h ，t h er e m o v a lo fn h 3 - na c h i e v e dt h e b e s t t o t a ln i t r o g e nr e m o v a li sa f f e c t e do b v i o u s l yb yw a t e rt e m p e r a t u r e ，d oo f a n a e r o b i cs e c t i o n ，r e a r m s t o pt i m eo fm i x t u r ec y c l e ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f a m m o n i a , o r g a n i cc a r b o nr e s o u r c ea n dh r t t h er e m o r a lr a t eo f in h a dt h es a m e t r e n dw i t ht h ec h a n g eo fw a t e rt e m p r e t u r eb u ti nc o n t r a s tw i t ht h et r e n do fd oo f a n a e r o b i c w h e nw a t e r t e m p r e t u r e w a si nt h e r a n g e o f1 1 1 19 6 c t h e d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s sc o u l dc a l t yo n ，a n dw h e nw a t e rt e m p e r a t u r ew a sa b o v e13 ， t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft ni sa b o u t8 2 9 5 ，b u tf l u c t u a t e di n t e n s e l yb yl a r g e t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n si nt h er a n g eo f1 1 1 - 1 9 6 t h ei m p a c to f h r t f o rr e m o v a l o ft ni sa l s or e l a t e dw i t hw a t e rt e m p r e t u r e w h e nt h ew a t e rt e m p r e t u r ew a si nt h e r a n g eo f1 5 - 2 0 。c ，l1 1 - 1 5 ca n d a b o v e2 0 ，h r tw a sr e s p e c t i v e l y1 2 h ，1 4 h ，2 3 h ，t h e r e m o v a lo ft na c h i e v e dt h eb e s t w h e nd oo fa n a e r o b i cs e c t i o nw a sl e s st h a n 1 2 5 m g l ，t h er e t u r n s t o pt i m ew a s3 0 8 0 r a i n ，t h es y s t e mm a d eag o o dr e m o v a l e f f i c i e n c y a tt h es a m et i m e ，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 nr e a c t i o n sb e g a n a c c e l e r a t es l o w l ya t10m i na f t e rt h ee n do fm i x t u r ec y c l e ，a n dm a r k e d l ya c c e l e r a t e d a t4 0 m i na f t e rt h ee n do fm i x t u r ec y c l e m o r e o v e r ，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 d d e n i t r i f i c a t i o nw a so b s e r v e di nt h es y s t e m t h i se x p e r i m e n tm a yo f f e rc e r t a i nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e f e r e n c ev a l u ei n n i t r o g e n r e m o v a lo fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rb ya o m b i l e s p e c i a l l y i nt h e d e t e r m i n a t i o no fp a r a m e t e rv a l u e s k e y w o r d s ：m b r ；m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ；n i t r o g e nr e m o v a l ；n i t r i f i c a t i o n ； d e n i t r i f i c a t i o n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎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了谢意。 学位论文作者签名：是戍云 签字日期：力加7 年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：整威云 导师签名： 签字日期：力州7 年6 月1 日 签字日期：力p 。7 年，月厂日 ， 2 印、 第一章绪论 第一章绪论 水是自然环境中的重要组成物质，是环境中最活跃的要素。它不断的运动着， 参与自然界中正在发生和进行的一系列物理的、化学的和生物的过程。水资源是 人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源。近年来， 随着世界人口的迅速增长，社会经济的迅速发展以及人类生活水平的不断提高， 水资源危机加剧以及水环境质量不断恶化，导致水资源的短缺问题演变成备受世 界关注的资源环境问题之一。这不仅制约着经济和社会的持续发展，甚至对人类 的生存构成了威胁。 1 1 世界水资源现状 地球上的储水量很大，但9 7 5 是咸水，淡水只有2 5 。这些淡水中有将 近7 0 冻结在南极和格陵兰的冰盖中，其余大部分是土壤中的水分，或者是储存 在地下深处蓄水层中的地下水，不易供人类开采和使用。因此，易于供人类开采 使用的淡水不足全球淡水的1 ，即约占全球水储量的0 0 0 7 ，这就是湖泊、江 河、水库以及埋深较浅的地下水，这些水经常得到降雨和降雪的补充和更新，可 以持续利用【l 】。随着人类文明的进步与发展，水资源的需求量也在不断增加，据 联合国公布的数据，全球用水量在2 0 世纪增加了6 倍，其增长速度是人口增速 的2 倍。联合国科教文组织认为，目前地球上淡水资源总体充足，但分布不均， 约6 5 的淡水资源集中在不到1 0 个国家和地区，大约占世界人口总数4 0 的8 0 个国家和地区严重缺水。另外由于管理不善、环境变化及基础设施投入不足等原 因，全球约有1 5 的人无法获得安全的饮用水，4 0 的人缺乏基本卫生设施。据 统计，全世界有1 0 0 多个国家缺水，严重缺水的已达4 0 多个。同时水生态环境 恶化现象严重。全世界有一半以上的大河已被污染，不仅地表水，地下水的污染 也十分严重，农药和氮肥、有机废物、城市污水、石化产品和一些自然溶解污染 物是主要污染物。由于水生态环境恶化，世界的淡水资源系统退化非常严重，使 其支持人类、植物和动物生存的能力处于危险中，结果是许多淡水物种面临着数 量迅速减少或灭绝的命运，而不断增加的人口也将面临水短缺问题。世界上已知 的1 万种淡水鱼种，在最近的几十年来，已有2 0 的鱼种消失或处于将要灭绝的 危险中【2 1 。 、 第一章绪论 1 2 我国水资源现状 我国是一个缺水严重的国家，是世界上1 3 个贫水国之一。全国水资源总量 约为2 8 1 2 4 4 亿m 3 ，占世界水资源总量的6 ，居世界第4 位，但人均水资源量 是世界人均水资源量的31 ，是美国的1 5 ，加拿大的1 5 0 ，在世界上名列1 2 1 位。我国河川径流量( 地表水资源量1 居世界第5 位，平均年径流深2 8 4 m m ，低于 全球平均年径流深3 1 4 m m ，人均占有河川径流量仅为世界人均占有量的1 4 。我 国耕地亩均占有水量为1 7 0 0 1 8 0 0 m 3 ，是世界亩均占有水量的7 l 7 5 【3 】。 扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利 用的淡水资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿m 3 左右，人均可利用水资源量约为9 0 0m 3 ， 并且其分布极不均衡【4 1 。到2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中，已有4 0 0 多个城 市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达11 0 个，在3 2 个百万人口以 上的特大城市中，有3 0 个长期受缺水困扰。在正常情况下全国年缺水总量为 3 0 0 - - - 4 0 0 亿m 3 ，每年有1 - - 3 亿亩农田受旱，城市年缺水总量为6 0 亿m 3 【5 1 。据 专家预测，我国到2 0 1 0 年缺水量将达l1 4 0 亿m 3 ，2 0 3 0 年缺水量将达2 3 0 0 亿 m 3 ，2 0 5 0 年缺水量将达3 7 1 0 亿m 3 ，全年因城市缺水影响产值2 0 0 0 亿元人民币 以上，影响城市人口约4 0 0 0 万人【6 j 。 我国在面临水资源短缺的同时，水污染问题也日益加剧。随着经济建设的高 速发展，人口不断增加，特别是城市人口急剧膨胀，全国的污废水排放量快速增 长。根据中国环境公报【| 7 1 ，2 0 0 3 年我国废水排放总量4 6 0 亿吨，超过环境容量的 8 2 ；2 0 0 4 年全国工业和城镇生活的废污水年排放量达4 8 2 4 亿吨，其中工业废 水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨，废污水排放总量的8 0 左右未经处理直接排入水域，引起大面积水体污染，造成水环境恶化，七大水系 的4 1 2 个水质监测断面中，i - - i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为： 4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 ；到2 0 0 6 年，全国废水排放总量达到5 3 7 0 亿吨，比上 年增长2 4 ，化学需氧量排放量为1 4 2 8 2 万吨，比上年增长1 o ，七大江河水 系中，劣v 类水质占2 8 。约有7 5 以上湖泊和1 3 左右水库水域也受到不同 程度的污染【8 】，7 6 个城市地下水受严重污染，水质恶化加剧供水困难【5 】。 水质的日益恶化是城市水资源短缺的重要原因，不仅对我国的经济和社会发 展造成了巨大的损失，制约了我国国民经济的可持续发展，而且破坏了水环境的 生态平衡，甚至威胁到人民的生活健康。近2 0 年来，随着我国环境治理力度不 断加大，公民的环保意识逐渐加强，使得水污染势头有所缓和，但是水质恶化的 问题并没有从根本上解决，从而导致我国未来的水资源形势非常严峻。而城市化、 工业化水平要提高，供水需求必然增长，供水危机及其衍生的水质与生态问题， 2 第一章绪论 如不能得到很好地解决，必然束缚和制约经济发展。因此，如何解决好水资源短 缺和污染问题是实现社会经济可持续发展的关键。 1 3 氮素污染及其危害 随着人类活动的不断增加，环境资源的不断改变，水体氮污染日趋严重。据 统计，我国主要湖泊因氮、磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的5 6 之多，影 响渔业发展和危害人体健康，水体氮污染的主要危害为：( 1 ) 氨氮随污水排入 水体后，可在硝化菌作用下被氧化为硝酸盐。消耗溶解氧，溶解氧平衡遭受干扰， 并进一步促使水质恶化；( 2 ) 加速水体的富营养化过程；( 3 ) 影响水源水质， 增加水处理负担； ( 4 ) 对人和生物有毒害作用。硝酸盐和亚硝酸盐有可能转化 为亚硝胺，而亚硝胺是致癌、致变和致畸物质，对人体有潜在威胁；( 5 ) 使水 体感官性状恶化，从而降低水体美学价值【9 】。 氮素的循环受到严重的干扰主要表现在以下几方面：一方面，含氮矿物和燃 料的开采、加工和利用，不但将地壳深层( 生物圈外) 的氮素带至生物圈，提高 了生物的氮素总量，也改变了相应区域的氮素组成；另一方面，工业和农业的固 氮( 工业上大规模产生氮肥，农业上大规模栽培豆科植物) ，将大量氮气转化为 氨，加速了生物圈的固氮进程，对相应区域的氮素平衡产生了巨大冲击；此外， 人类居住渐趋集中，氮素也随日用品和食品向居住地迁移，致使局部区域的氮素 输入量大大高于输出量。这些人类活动的干扰可引起氮素循环的失衡，导致中间 产物积累，造成氮素污染，从而使环境质量下降，有害于人类和其他生物的正常 生存和发展。 1 4 脱氮工艺的概述 脱氮工艺可分为传统脱氮工艺和新型脱氮工艺。 1 4 1 传统脱氮工艺 传统脱氮工艺可分为生物脱氮法和物理化学脱氮法。其中物理化学方法有： 折点氯化法、化学沉淀法、吸附法、离子交换法、吹脱法、气提法、液膜法、电 渗析法、催化湿式氧化法掣10 1 。生物法有：缺氧好氧活性污泥法脱氮系统、 氧化沟工艺、s b r 工艺。 第一章绪论 1 4 1 1 物化法 ( 1 ) 折点氯化法：折点氯化法是向废水中投加足量氯气，使氨氧化成氮气 的废水脱氮技术。所涉及的化学反应为： n h 4 + + h c l o n h 2 c i + h 2 0 + h + n h 2 c i + h c i ojn h c l 2 + h 2 0 n h 2 a + n h c l 2 一2 + 3 日+ + 3 c ，一 ( 1 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) 当n 地+ - n 浓度小于2 0 m g l 时，脱氮率大于9 0 。且p h 影响较大，p h 值 高时产生n 0 3 ，低时产生n c l 3 ，将消耗氯，通常控制p h 值在6 8 。此法常用于 废水的深度处理，脱氮率高。设备投资少，反应迅速、完全，并有消毒作用，但 液氯安全使用和贮存要求高，对p h 要求高，产生的水需要加碱中和，因此处理 成本耐】。 ( 2 ) 选择性离子交换法：是利用离子交换树脂对各种离子所表现的不同亲 和力或选择性，以斜沸石为原料( 它对氨离子的选择性优于钙、镁、钠等离子) ， 取出水中的离子态氨，对污水进行氨氮去除i 拉】。 ( 3 ) 吹脱法：污水中的氨氮是以氨离子( n - i - h + ) 和流离氨( n h 3 ) 两种形 式保持平衡状态而存在。 n h 3 + h 2 0 n h 4 + + o h 一 ( 1 - 4 ) 将p h 值保持在1 1 5 左右( 投加一定量的碱) ，让污水流过吹脱塔，使n h 3 逸出， 以达脱氮目的。该方法操作简便易控，除氮效果稳定，但存在下列问题：p h 值 过高易生成水垢；游离氨逸散造成二次污染【1 2 】。 ( 4 ) 絮凝沉淀法：此法可去除氨氮、重金属及某些大分子有机物，常与其 它处理技术组合，适用于反渗透、活性炭吸附等深度处理的预处理或深度处理， 絮凝剂常用f e c l 3 、a 1 2 ( s 0 4 ) 3 和非离子型聚合物，此法对氨氮的去除率很高，可 达9 0 以上，产生的污泥会对环境造成二次污染但当其用于脱氮预处理时，也可 采用p 0 4 3 类物质，污泥可作肥料使用，故有很大的灵活性，但药剂费用比较贵 1 1 3 1 - - 1 4 。 1 4 1 2 生物法 传统的生物脱氮过程由硝化反应和反硝化反应实现，氨氮氧化成硝酸盐的硝 化反应是由两组自养好氧微生物来完成，分别是亚硝酸菌和硝酸菌。亚硝酸菌 ( n i t r o s o m o n a s ) 主要是亚硝酸盐单胞菌属和亚硝酸盐球菌属，常见的是亚硝酸 4 第一章绪论 盐单胞菌属( n i t r o s o m o n a sm o n o c e l l a ) ；硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 主要是硝酸盐杆 菌属、螺旋菌属和球均属。硝化过程分为两步：第步由亚硝酸菌将氨氮( n i - - h + ) 转化为亚硝酸盐( n 0 2 ) ，第二步再由硝酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐( n 0 3 ) 。 亚硝酸盐将氨氮氧化成亚硝酸盐和硝酸菌将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的反应可用 以下两个反应式表示： 2 n h 4 + + 3 0 2 2 n 0 2 一+ 2 h 2 0 + 4 h + 2 n 0 2 一+ 0 2 寸2 n 0 3 一 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 反硝化反应是由一群异养型微生物完成的生物化学过程。在缺氧( 不存在分 子态溶解氧) 条件下，将n 0 2 - n 和n 0 3 - n 还原成n 2 或n 2 0 。参与这一生化反 应的微生物是兼性反硝化菌，主要有变形杆菌( p r o t e u s ) 、假单胞菌 ( p s e u d o m o n a s ) 、小球菌( m i c r o c o c c u s ) 、芽孢杆菌( b a c i l l u s ) 、五色杆菌属 ( a c h r o m o b a c t e r ) 、嗜气杆菌属( a e r o b a e t e r ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 等。 在无分子态氧情况下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的n 5 + 和n 3 + 作为能 量代谢中的电子受体( 被还原) 。o 玉作为受氢体生成水和o h 。碱度诸如：甲醇、 乙醇、醋酸盐、乳酸盐和葡萄糖等有机物作为碳源及电子供体提供能量并被氧化。 反硝化的生物化学过程可以以下公式表示【”h 1 7 】： 2 n 0 2 一十6 h ( c e 子供体有机物) 一2 + 2 h 2 0 + 2 0 h 一 ( 1 7 ) n 0 3 一+ 5 何( 电子供体有机物) - - 1 2 2 + 2 h 2 0 + o h 一( 1 - 8 ) 传统的生物脱氮工艺有： ( 1 ) 缺氧好氧活性污泥法脱氮系统，a o 法脱氮是于8 0 年代初期开创 的工艺流程其主要特点是将反硝化反应器置放在系统之首，故又称为“前置式反 硝化生物脱氮系统”，这是目前采用较为广泛的一种脱氮工艺。本系统的特征有： 反硝化反应器在前，b o d 去除、硝化两项反应的综合反应器在后；反硝化 反应以原废水中的有机物为碳源；硝化反应器内的含有大量硝酸盐的混合液回 流至反硝化反应器，进行反硝化脱氮反应；在反硝化反应过程中，产生的碱度 可补偿硝化反应消耗的碱度的一半左右，对含氮浓度不高的废水可不必另行投加 碱；硝化曝气池在后，使反硝化残留的有机物得以进一步去除，勿需增建后曝 气池【l8 】。本工艺的不足之处在于：处理水来自硝化反应器，在处理水中含有一 定浓度的硝酸盐氮，如沉淀池运行不当，不及时排泥，在池内能够产生反硝化 反应，污泥上浮，处理水水质恶化；如欲提高脱氮率，必须加大内循环比，这 第一章绪论 样做可能导致：一是运行费用高，二是内循环液带入大量的溶解氧，使反硝化反 应器内难于保持理想的缺氧状态，影响反硝化进展。本系统的脱氮率一般在 8 5 以下。 ( 2 ) 氧化沟工艺，氧化沟是活性污泥法的种变形工艺，属于延时曝气的 活性污泥法。氧化沟工艺一般都采用封闭的环状沟，污水和活性污泥在沟内进行 即几十甚至更多的循环后排出系统，这种池型构造和运行方式，使氧化沟在流态 上兼具推流式和完全混合式的双重特点。氧化沟工艺一般都采用表面曝气设备， 如转刷、转碟等。当混合液从曝气装置中喷洒出来时曝气池水面会进行高速的氧 传质，发生硝化作用而后混合液循环远离曝气区域并进入池底部，随着氧传质速 率降低及微生物耗氧作用，引起溶解氧降低，这时在曝气区域形成的硝态氮就会 发生反硝化【1 9 】。所以氧化沟内划分成好氧区和缺氧区，并按其进行适当的运行， 能够取得硝化与反硝化的效果。 ( 3 ) s b r 法，又称序批式活性污泥法，在时间上非常类似于推流。在处理 废水时，此工艺共分为5 个工序，即进水工序、反应工序、沉淀工序、排水工序、 待机工序。在反应工序和沉淀工序中，根据污水处理的目的，通过控制反应条件， 可进行污水的脱氮【2 0 】。此法特点是：工艺简单，构筑物少，无二沉池及回流污泥 系统，基建费和运行费较低；污泥易于沉淀，不会膨胀；调节s b r 运行方式，可 同时具有去除b o d 5 和脱氮除磷功能：自动化程度高，耐有机冲击负荷能力强， 易管理操作【2 l 】。它的缺点是运行管理比较繁琐【2 2 1 。 1 4 2 新型生物脱氮工艺 ( 1 ) 短程硝化反硝化。短程硝化反硝化又称亚硝化反硝化，把硝化反应过 程控制在氨氧化产生n 0 2 - 阶段，阻止n 0 2 进一步氧化，直接以n 0 2 作为菌体呼 吸链氢受体进行反硝化【2 3 1 。对于活性污泥法，可节省氧供应量约2 5 ，降低 能耗；节省反硝化所需碳源，在c n 比一定的情况下提高了t n 去除率：减 少污泥生成量可达5 0 ：减少投碱量；缩短反应时间，相应反应器容积减少 【2 4 】 o ( 2 ) 厌氧氨氧化，是将氨氮经过短程硝化后生成的电子受体n 0 2 ，或者通 过外加硝酸盐做电子受体，在厌氧条件下将氨氮氧化成氮气的过程【2 5 】。它的优点 是：脱氮效率高，其污泥活性和反应器能力都远远高于活性污泥法中的硝化反 硝化；它的缺点是氨氧化菌生长缓慢，污泥龄长【2 6 】。 ( 3 ) 同时硝化反硝化，同时硝化反硝化作用有生物学和物理学两方面的解 释。生物学认为，硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也可以参与硝化作用，即 存在异养硝化菌和好氧反硝化菌。物理学强调溶解氧浓度和污泥絮体尺寸的作 6 第一章绪论 用，认为只要恰当地控制系统中的溶解氧浓度，就可以在污泥絮体内外分别形成 缺氧和好氧环境实现同步硝化和反硝化作用【2 7 1 。其优点是：能缩短脱氮历程； 节省碳源；降低动力消耗；提高处理能力；简化系统的设计和操作等【2 引。 ( 4 ) c a n o n 工艺( c o m p l e t e l ya u t o t r o p h i cn i t r o g e nr e m o v a lo v e rn i t r i t e ) ， 一体化完全自养脱氮系统。该工艺是在低碳源浓度的条件下由好氧硝化菌和厌氧 硝化菌在低的曝气量的条件下进行的，反应基于部分硝化和厌氧氨氧化。在低溶 氧条件下，如n i t r o s o m o n a s 和n i t r o s o s i r a 的好氧硝化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐 接着，厌氧硝化菌将剩余氨氮与产生的亚硝酸盐进行反应，生成氮气和硝酸盐。 反应式如下【刀j ： 2 n h 4 + + 3 0 2 2 n 0 2 一+ 2 h 2 0 + 4 h + ( 1 - 9 ) n h 4 + + 1 3 n 0 2 一1 0 2 2 + n 0 3 一+ 2 吼0 ( 1 - 1 0 ) 其优点为：比传统的脱氮工艺节省耗氧量和能耗，减少占地空间和运行费用， 具有极大的优越性。缺点为：启动周期较长，废水成分的波动是c a n o n 工艺 运行的主要影响因素；参与反应的厌氧氨氧化菌不易富集培养：厌氧氨氧化菌的 污泥产率低；大量用于接种的厌氧氨氧化污泥不易获得【3 0 1 。 1 5 膜生物反应器在生物脱氮中的应用 1 5 1 膜生物反应器的基本概念及其特点 膜生物反应器是生物处理技术与膜分离技术相结合的一种新型、高效的污水 处理技术。它主要由生物反应器和膜组件两单元设备组成。膜生物反应器分为3 类【3 l 】：膜一曝气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r ，m a b r ) ；萃取膜生 物反应器( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e m b r ) ；膜分离生物反应器( b i o m a s s s e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，b s m b r ) 。其中膜分离生物反应器是应用最广泛 的一种膜生物反应器类型。 膜分离生物反应器主要是由膜组件、泵和生物反应器三部分组成。根据微生 物生长环境的不同分为好氧和厌氧两大类；根据泵与膜组件的相对位置不同分为 加压和抽吸式两大类；膜生物反应器的核心部件是膜组件，从材料上可以分为有 机膜和无机膜两大类；从构型上可以分为管式、框板式、卷式和中空纤维式；按 膜过滤驱动方式分为压力式和抽吸式：按膜组件安放位置分为分置式、一体式和 复合式反应器。 与许多传统的生物水处理工艺相比，m b r 具有以下主要优点【3 2 出】： 第一章绪论 ( 1 ) 固液分离率高，耐冲击负荷能力强，出水水质优质稳定。膜分离使微 生物被完全被截流在生物反应器内，使得系统内能够维持较高的微生物浓度，不 但提高了反应装置对污染物的整体去除效率，而且反应器对进水负荷( 水质及水 量) 的各种变化具有很好的适应性，耐冲击负荷，能够稳定获得优质的出水水质。 同时由于膜的高效分离作用，处理出水极其清澈，悬浮物和浊度接近于零，细菌 和病毒被大幅去除，出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准 ( c j 2 5 1 8 9 ) ，可以直接作为非饮用市政杂用水进行回用，实现污水资源化。 ( 2 ) 泥龄长，剩余污泥产量少。反应器可以在高容积负荷、低污泥负荷下 运行，剩余污泥产量低( 理论上可以实现零污泥排放) ，降低了污泥处理费用。 ( 3 ) 占地面积小，不受设置场合限制。生物反应器内能维持高浓度的微生 物量，处理装置容积负荷高，占地面积大大节省；该工艺流程简单、结构紧凑、 占地面积省，不受设置场所限制，适合于任何场合。 ( 4 ) 可去除氨氮及难降解有机物。由于微生物被完全截留在生物反应器内， 从而有利于增殖缓慢的微生物如硝化细菌的截留生长，系统硝化效率得以提高。 同时，膜分离使污水中的大分子难降解成分在体积有限的生物反应器内有足够的 停留时间，有利于难降解有机物降解效率的提高。 ( 5 ) 操作管理方便，易于实现自动控制。膜的高效截留作用，实现了水力 停留时间( h i 汀) 与污泥停留时间( s r t ) 的完全分离，运行控制更加灵活稳定， 可实现微机自动控制，从而使操作管理更为方便。 ( 6 ) 易于从传统工艺进行改造。该工艺可以作为传统污水处理工艺的深度 处理单元，在城市二级污水处理厂出水深度处理( 从而实现城市污水的大量回用) 等领域有着广阔的应用前景。 膜生物反应器也存在一些不足，主要表现在以下几个方面【3 5 】： ( 1 ) 能耗高：首先m b r 泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，其次 是m b r 池中m l s s 浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度， 还有为了加大膜通量、减轻膜污染，必须增大流速，冲刷膜表面，造成m b r 的 能耗要比传统的生物处理工艺高； ( 2 ) 难降解物质的积累容易造成微生物的毒害和膜的污染，给操作和管理 带来不便； ( 3 ) 膜组件价格目前比较昂贵。 1 5 2a o 膜生物反应器在脱氮方面的研究 为保证脱氮效果，常规的生物脱氮工艺需要增加池容来保持长污泥龄，同时， 絮凝较差的硝化菌会因被带入二沉池而减少了其在曝气池中的数量，影响出水水 第一章绪论 质【3 6 1 。而膜生物反应器可以有效地解决上述问题，通过膜分离技术可极大地提高 泥水分离效率，将污泥停留时间与水力停留时间完全分开，大大提高反应器内硝 化细菌的存活率及硝化细菌浓度，增强生化反应效率。研究和实践也表明m b r 能够较完全地截留微生物，防止硝化菌的流失并使其得到富集生长，是一种较为 理想的新型硝化反应器吲。 当今国内外污水处理中采用的各类m b r 脱氮工艺分别为：传统工艺和新型 工艺。 1 5 2 1 传统m b r 脱氮工艺 传统工艺建立在硝化一反硝化机理之上。根据硝化一反硝化反应发生的空间 和时间，将其分为a o 分置式和刖0 一体式m b r 脱氮工艺。 ( 1 ) a o 分置式m b r 脱氮工艺与传统a o 脱氮工艺相类似，不同之处是 在o 段中加入膜组件，通过截流作用在反应器内形成高浓度的污泥。a o 分置 式工艺以反硝化前置、污泥从o 段回流至a 段较为常见，这样有益于厌氧反硝 化细菌更有效地进行脱氮，使排出水中的营养物大为减少。柏林大学的 r o s e n b e r g e r 等【3 8 j 利用这种工艺处理城市生活污水，并对其在脱氮方面的启动、 稳定等性能作了研究。结果发现，在反应器启动阶段，污水中大部分的氮并未得 到处理，系统启动1 0 天后，出水氨氮的浓度迅速降低到0 1m g l ，2 0 天后，其 中的亚硝酸盐全部转化为硝酸盐，这说明硝化细菌的世代周期长，需要一定的时 间后才能达到足够的浓度，以保证完全的硝化作用。当亚硝酸盐出现后反硝化作 用就开始进行，但直至1 0 0 天后才达到反应完全。最终出水的t n 稳定在1 3 m g l ， 去除率约为8 0 。 ( 2 ) a o 一体式m b r 脱氮工艺是将a 段和o 段结合，在一个反应池内完 成硝化和反硝化。根据进水方式和曝气时间间隔的不同，可以分为序批式m b r 和间歇曝气m b r 。 序批式m b r 采用序批式反应器( s b r ) 的运行方式，随着时间的推流来实现 好氧缺氧的转换，与传统s b r 不同，反应器一般采取进水、反应、排放和待机 4 个工序。序批式m b r 除了具有一般m b r 的优点之外，对于脱氮过程和s b r 工序都有所改进，主要表现在进水期的充满状态使得反应器内的氧浓度迅速下 降，从而避免了分置式m b r 好氧池中的氧可能回流进入反硝化区的弊端。此外， 利用膜分离措施可以在反应工序时就进行排水，免去污泥沉淀的时间，相应地减 少系统运行循环周期。张捍民等【3 9 】采用平行试验的方法对比了序批式膜生物反应 器与传统膜生物反应器在不同进水碳氮比条件下对污染物质的去除效果结果表 明，序批式膜生物反应器强化了传统膜生物反应器的脱氮性能。当进水碳氮比在 9 第一章绪论 ( 7 8 - 3 2 2 ) ：1 的范围内，序批式膜生物反应器对于t n 平均去除率由传统膜生 物反应器的3 1 8 提高至8 7 4 ，且保持稳定，无需外加碳源。n g 等t 4 0 在利用 此类m b r 处理人工配制废水的试验中也考察了系统对氮的去除情况，反应器每 天运行4 个周期，每个周期曝气总时间为5 h 。研究发现，当m l s s 为5 9 l 时， 污水中氨氮得到了完全的硝化，而当m l s s 增加到1 0 l l 时，硝化作用受到抑制， 氨氮大量积累，但c o d 的去除率没有发生变化。该结果表明，序批式m b r 虽 可处理