（环境工程专业论文）a2o工艺同步脱氮除磷中试研究.pdf

类号：x 7 0 3 学号：2 0 0 4 2 0 1 1 5 1 0 4 华南理工大学硕士学位论文 a 2 o 工艺同步脱氮除磷中试研究 作者姓名：黄梅 申请学位级别：- r 学硕士 指导教师姓名、职称：周少奇教授 学科专业名称：环境工程 研究方向：固体废弃物资源化与环境生物技术 论文提交日期：2 0 0 7 年5 月2 8 日论文答辩日期：2 0 0 7 年6 月8 日 学位授予单位：华南理工大学 学位授予日期：年月日 答辩委员会成员： 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：童柄日期：9 年6 月t o 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，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 函果密，在上年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：之荻梅 指导教师签名： 日期：砷、石，o 日期：? 唧占厂6 摘要 氮、磷是造成水体富营养化的主要原因。为了防治日益严重的水体富营养化，我国 现行的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 对城市污水处理厂出水的 氮磷指标提出了较严格的要求。这样，不仅新建城市污水处理厂应具备氮磷脱除功能， 无脱氮除磷设施的原有污水厂也须进行技术改造，使其具有氮磷脱除功能。 广州市猎德污水处理厂一期工程采用a b 法污水处理工艺，与传统的活性污泥法相 比较，具有有机物去除效率高、基建造价投资低等优点，但由于工艺本身的技术局限性， 该工艺不具备深度脱氮除磷功能，其出水水质尚达不到防止水体富营养化的要求。鉴于 日趋严格的氮、磷排放标准，须对原有的a b 法工艺进行改造，使其具备脱氮除磷功能， 满足国家和地方的排放标准。 文章根据猎德污水处理厂一期工程a b 法工艺往年的实测资料，分析了该工程存在 的问题，探讨了几种工艺作为该工程改造方案的可行性，并以实际城市污水作为处理对 象，在以该厂一期工程a b 法工艺原有构筑物容积比例设计的a 2 o 工艺中试系统中， 进行同步脱氮除磷的研究，确定a 2 o 工艺对城市污水的处理效果，并重点研究了溶解 氧对污水中各污染物，尤其是对氮、磷去除效果的影响，分析了影响a 2 o 工艺同步脱 氮除磷效果的几个因素。 结果表明，a 2 o 工艺具在良好的同步脱氮除磷效果，出水各项指标均可达到城 镇处理厂污染物排放标准( g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级a 标准，其中总氮、总磷的去除率明 显高于原a b 工艺，平均去除率分别可达到5 9 7 8 和8 8 4 4 ；溶解氧浓度是a 2 o 工 艺系统中一个最主要的限制因素之一，将溶解氧浓度控制在1 5 - - - , 2 5 m g l 范围时，可以 取得较好的脱氮除磷效果。 关键词：工艺改造：同步脱氮除磷；a b 工艺；a 2 o 工艺；影响因素 a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o ni sm a i n l yc a u s e db yn i t r o g e na n dp h o s p h a t ed i s c h a r g e di n t ot h ew a t e r b o d y i no r d e rt op r e v e n tt h ei n c r e a s i n g l ys e v e r ee u t r o p h i c a t i o n , t h ec u r r e n t ”d i s c h a r g e s t a n d a r d so fp o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ”( g b18 918 2 0 0 2 ) h a s m a d es o m es t r i c tr e q u i r e m e n tf o rm u n i c i p a lw a s t e r w a t e rt r e a t m e n tp l a n t so nt h e i rn i t r o g e n a n d p h o s p h o r u si n d e xo fe f f l u e n t t h e r e f o r e ，t h ef u n c t i o no 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 i sn o to n l yr e q u i r e df o rt h en e ww a s t e r w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ，b u ta l s of o rm ei n h e r ep l a n t s w i t h o u tt h i sf u n c t i o n ，w h i c hm a yh a v et om a k e s o m e p r o c e s st r a n s f o r m a t i o n t h ea bp r o c e s sw a sa p p l i e di nt h e f i r s t - s t a g ep r o j e c to fg u a n g z h o ul i e d ew a s t w a t e r t r e a t m e n tp l a n t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，t h i sp r o c e s sh a sl o t so f a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hr a t i oo fo r g a n i cr e m o v a l ，l o wi n v e s t m e n t ，a n ds oo n f o rt h e t e c h n o l o g i c a ll i m i t m i o n ，t h i sp r o c e s sd o e s n th a v et h ef u n c t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a ls 0t h a tt h ew a t e rq u a l i t yc a n tr e a c ht h er e q u i r e m e n to f c o n t r o l l i n ge u t r o p h i c a t i o n a s t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u ss t a n d a r d sb e c o m i n gs t r i c t e ra n ds t r i c t e r , i t i s n e c e s s a r yt o i m p r o v ep r e v i o u sp r o c e s st oa d dt h ef u n c t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a la n ds a t i s f y n a t i o n a la n dl o c a ld i s c h a r g es t a n d a r d a c c o r d i n gt ot h ed a t ao b s e r v e di nf o r m e ry e a r so ft h i sf a c t o r y , t h i sa r t i c l ea n a l y s i s e dt h e p r o b l e m so ft h ep r o j e c ta n dd i s c u s s e dt h ef e a s i b i l i t yo fs o m eo t h e rp r o c e s s e sa sa l t e m a t i v e r e f o r mp l a n s w eh a v ed o n es o m er e s e a r c ho n n i t r o g e na n dp h o s p h o r o u sr e m o v a la n d d e t e r m i n et h et r e a t i n ge f f e c to nt h em u n i c i p l es e w a g eb yt i l ea 2 op i l o t - p l a n tw h i c hi s d e s i g n e di nt h es a m ew o r kv o l u m er a t i ow i t ht h ep r e v i o u sp r o c e s si nt h ef i r s t s t a g ep r o j e c t t h ee f f e c to fd oc o n c e n t r a t i o no nt h ew a t e r p o l l u t a n t s ，e s p e c i a l l yn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si s a n a l y s i e d ，a sw e l la sa f f e c t i n gf a c t o r so fs i m u l t a n e o u sn 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 er e s u l t si n d i c a t et h a ta 2 0p r o c e s sh a sv e r yg o o de f f e c to nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a l a l lt h ei n d e x e sc a l lr e a c hg r a d eas t a n d a r do f ”d i s c h a r g es t a n d a r d so f p o l l u t a n t sf o r m u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( g b18 918 - 2 0 0 2 ) a n dt h er e m o v a lr a t i oo f n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u si s o b v i o u s l yh i g h e rt h a na bp r o c e s s t h ea v e r a g er e m o v a lr a t i oc a l lr e a c h 5 9 7 8 a n d8 8 4 4 r e s p e c t i v e l y t h em a i nr e s t r i c t i v ef a c t o ro ft h i s p r o c e s si s d o c o n c e n t r a t i o n k e e p i n gd oc o n c e n t r a t i o nb e t w e e n1 5 m g lt o2 5 m g lw i l lm a k et h e n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c tm u c hb e t t e r ke y word s - p r o c e s si m p r o v e m e n t ；s i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ；a b p r o c e s s ；a 2 op r o c e s s ；a f f e c t i n gf a c t o r s 目录 第一章绪论1 1 1 生物脱氮理论1 1 1 1 传统生物脱氮机理1 1 1 2 同步硝化反硝化( s n d ) 2 1 1 3 短程硝化反硝化4 1 1 4 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 5 1 2 生物除磷理论7 1 2 1 传统生物除磷机理7 1 2 2 反硝化除磷理论l o 1 3 生物同步脱氮除磷工艺1 2 1 3 1 空间顺序的连续流脱氮除磷工艺。1 2 1 3 2 序批式反应器( s b r ) 工艺系统1 6 1 3 3 反硝化除磷工艺1 8 1 4 课题来源和研究内容。2 2 1 4 1 课题来源和研究目的2 2 1 4 2 研究的主要内容：_ 2 2 第二章猎德污水处理厂一期工程概况及改造方案探讨2 3 2 1 设计标准2 3 2 2 工艺流程及运行方式2 3 2 3 主要构筑物及设计参数。2 4 2 3 1 厂内污水提升泵房2 4 2 3 2 平流式曝气沉砂池2 4 2 3 3a 级生物处理系统2 5 2 3 4b 级生物处理系统。2 5 2 3 5 鼓风机房。2 5 2 3 6 污泥浓缩池2 6 2 3 7 污泥脱水机房2 6 2 4a b 工艺的处理效果及其局限性2 6 1 1 1 2 5 改造的目标2 9 2 6 改造方案的选择2 9 2 6 1 a d m o n t 工艺一2 9 2 6 2a 2 o 工艺及其改良型3 0 2 6 3 u c t 工艺3 l 2 6 4 间歇曝气工艺3 2 2 7 本章小结3 2 第三章试验材料与方法3 3 3 1 试验用水来源与水质3 3 3 2 试验流程与试验装置3 3 3 3 试验分析项目与检测分析方法3 5 3 4 污泥的接种与驯化3 6 第四章a 2 o 工艺处理城市污水的特性3 7 4 1 运行参数的确定3 7 4 2a 2 o 工艺同步脱氮除磷效果3 7 4 2 1c o d c r 的去除特性3 7 4 2 2 氨氮的去除特性3 9 4 2 3 总氮的去除特性4 0 4 2 4 总磷的去除特性4 3 4 3 本章小结4 4 第五章不同溶解氧浓度下同步脱氮除磷的试验分析4 5 5 1 试验方法与试验安排4 5 5 2c o d c r 的去除效果。4 5 5 3 氨氮的去除效果4 7 5 4 总氮的去除效果4 8 5 5 总磷的去除效果。5 0 5 6 本章小结5 l 第六章a 2 o 工艺同步脱氮除磷影响因素分析5 3 6 1 碳源的影响5 3 6 2 溶解氧( d o ) 的影响5 5 i v 6 3 污泥龄的影响。5 5 6 4 混合液回流比i h 的影响( 内回流) 5 5 6 5 污泥回流比r ( 外回流) 5 6 6 6 温度的影响。5 6 6 7p h 的影响5 6 6 8 本章小结5 7 结论与建议5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间取得的研究成果6 8 致谢6 9 v 第一章绪论 1 1 生物脱氮理论 1 1 1 传统生物脱氮机理 第一章绪论帚一早z 百了匕 污水生物脱氮是在硝化菌和反硝化菌参与的反应中，将污水中的氨氮最终转化为氮 气从而得以去除。硝化和反硝化过程所参与的微生物种类不同、转化的基质不同、所需 要的反应条件也各不相同。硝化反应是将n h 4 + - n 转化为n 0 3 - n 的过程，它包括两个基 本的反应步骤：亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 参与的是将n h 4 + n 转化为n 0 2 。n 的反应； 硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 参与的是将n 0 2 _ n 转化为的n 0 3 - n 的反应。其中亚硝酸菌包括 亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属等；硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸螺菌属和硝酸球菌属 等。亚硝酸菌和硝酸菌都属于化能自养型菌，它们能够利用c 0 2 、c 0 3 2 - 和h c 0 3 - 等作为 碳源，通过与n h 3 ，n i - h + - n 或n 0 2 的氧化还原反应获得能量【1 捌。 硝化反应过程需要在好氧条件下进行，并以氧气作为电子受体。其反应电子计量方 程式可以表示为【孓1 0 】： 鸶瑚：+ 扣j = 扣叫掣1 o | m 。， + 兰堑h + + 业h ，o 、7 1 56 0 5 + ? 2 f ? , n ：+ 兰吁黝；= 扣7 0 2 1 鹕 m 2 ， + 兰盟h + + 兰堕h ，o 、 2 0 4 0 反硝化是将硝化过程中产生的硝酸盐或者亚硝酸盐还原为氮气的过程。反硝化菌是 一类化能异养兼性缺氧型微生物，其反应需在缺氧的条件下进行。反硝化过程中，反硝 化菌需要有机碳源作为电子供体，利用n 0 3 - n 中的氧进行缺氧呼吸【。其反应过程可 表示为o 】： n 0 3 专n 0 2 一n o n 2 0jn 2 ( 1 - 3 ) 华南理t 大学硕士学位论文 i(cod)+兰兰丝no，。+五h+=五c5h，o：n+生五n02+(。thers)(1-282 82 82 4 ) j)，zz 、 ， 1 ( c o d ) + 气孚h n o ：= 轰c 5 h 7 0 2 n + ( 1 一z ) n o + ( 0 t l l e r s ) ( 1 - 5 ) 丢( c o d ) + 半h n 0 2 = 2 6 v 5 f 5 ch 7 0 ：n + 1 - | f 。n 2 0h 池r s ) ( 1 - 6 ) 丢c c 。功+ 与竽删o ：= 2 嘉c s h 7 0 ：n + 半吖们m e 脚( 1 - 7 ) ( c o d ) + 等等h n o ，= 2 丢c 5 h 7 0 ：n + 普吖+ ( 0 t h e r s ) ( 1 - 8 ) 丢( c o d ) + 半烈0 3 - + z f 石n h 4 + = z f u 5c 儿o ：n + 普n ：t + ( 础r s ) 0 - 9 ) 生物脱氮过程本身就是一个矛盾的统一体【1 1 1 。一方面，硝化反应需要污泥龄较长的 硝化菌和好氧条件；另一方面，反硝化需要污泥龄较短的反硝化菌和缺氧条件。同时， 二者对有机物的存在也是有矛盾的：自养硝化菌在大量有机物存在时，对氧气和营养物 质的竞争不如好氧异养菌，从而导致反应器内异养菌成为优势菌种；而反硝化反应需要 有机碳源作为电子供体。因此硝化和反硝化菌生理机制的差异导致了生物脱氮反应器的 不同组合，如将硝化与反硝化由同一污泥来完成的单污泥工艺以及分别由不同污泥完成 的双污泥工艺。前者通过交替的好氧和厌氧条件来实现。后者贝i j 通过硝化和反硝化反应 器的分离来完成。如果硝化在前，反硝化时需要外加有机碳源来完成脱氮：当反硝化在 前时，则需要大规模地回流硝化液，这些都不利于传统生物脱氮工艺运行的高效和稳定 性。 1 1 2 同步硝化反硝化( s n d ) 根据传统脱氮理论，含氮有机物首先被异养微生物分解转化为氨氮，然后通过自养 型硝化细菌在好氧的条件下将氨氮氧化为硝酸盐，最后再由反硝化细菌在缺氧条件下将 硝酸盐还原为氮气，最终完成污水的脱氮过程。由于硝化菌和反硝化菌各自适宜的生长 环境不同，硝化菌是在好氧条件完成硝化反应，而反硝化菌是在缺氧或厌氧条件下完成 反硝化反应，故传统理论对硝化过程与反硝化过程有严格区分。传统的生物脱氮工艺是 把硝化和反硝化作为两个独立的阶段分别在不同反应器中( 空间上) 或者用间歇的好氧和 厌氧条件( 时间上) 来运行，以实现污水生物脱氮的目的。而同步硝化反硝化( s i m u l t a n e o u s n i t r i f i c a t i o na n dd c n i t f i f i c a t i o n ，简称s n d ) 的理论是指硝化反应和反硝化反应在同一反 2 第一章绪论 应器中、相同操作条件下同时发生，它突破了这种传统的理论。近年来的一些新发现使 得s n d 成为可能，而且在生物学上，好氧反硝化菌和异养硝化菌的发现以及好氧反硝 化、异养硝化和自养反硝化等研究的进展，奠定了s n d 生物脱氮的理论基础【1 2 】。 目前，对s n d 生物脱氮的机理尚未完全掌握，还需进一步地加深认识与了解，但 已初步形成了三种解释，即：宏观环境解释、微环境理论解释和生物学解释【l3 1 。 宏观环境解释认为：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，这为生物反应器内同时提供了硝化所需的好氧环境 和反硝化所需的缺氧环境，使得硝化和反硝化反应可以同时发生。例如，在氧化沟反应 系统中，曝气装置均为表面曝气设备，这就造成在曝气设备的下游，溶解氧浓度较高， 处于好氧状态，而随着混合液的流动，溶解氧逐渐被消耗，而形成缺氧区甚至厌氧区， 这就为硝化和反硝化的同时发生创造了条件【1 4 】。而事实上，在生产规模的生物反应器中， 即使是完全混合的反应器整体均处于完全好氧状态的情况并不存在，总是存在有缺氧或 厌氧区，故s n d 也就有可能发生，类似的如r b c t l 5 , 16 】、s b r 】反应器等。 皇 休 拥 b o d n h 4 - h l d o n 0 ，州 图1 1 微生物絮体内反应区分布和底物浓度变化 f i g u r e1 1 r e a c t i o nz o n ed i s t r i b u t i o na n ds u b s t r a t e s c o n c e n t r a t i o nv a r i a t i o ni n s i d et h ef l o c k 微环境理论解释认为：由于氧扩散的限制，在微生物絮体内外产生溶解氧的浓度梯 度从而导致微环境内同步硝化反硝化的发生，其原理如图1 1 所示。微生物絮体的外表 面溶解氧浓度较高，以好氧硝化菌为主；深入絮体内部，由于外部氧的大量消耗，氧传 递受阻，产生缺氧区，此处反硝化菌占优势。因此硝化可发生在絮体的表面，而反硝化 会发生在活性污泥絮体的内层。从而会在好氧的宏观环境下出现某种程度的反硝化，即 华南理工大学硕士学位论文 s n d 现象。该理论从物理学角度加以解释，考虑活性污泥和生物膜的微环境中各种物质 ( 如d o 、有机物等) 的传递与变化，各类微生物的代谢活动及其相互作用，以及微环 境的物理、化学和生物条件或状态的改变等，目前已被普遍接受。如在生物膜反应器中， 生物膜的表面为好氧区，而在生物膜内部可以存在缺氧区，硝化在有氧的膜上发生，反 硝化在缺氧的膜上发生，形成了宏观上硝化和反硝化同时发生的现象【l 踟。 另外一种对s n d 现象的解释是从生物学角度来阐述的。近年来，好氧反硝化菌和 异养硝化菌的发现，使得好氧反硝化和异养硝化的解释有了生物学的依据。打破了传统 理论认为硝化反应只能由自养菌完成和反硝化只能在缺氧条件下进行的观点。该理论认 为好氧反硝化和异养硝化在s n d 脱氮中占有重要地位。对于好氧反硝化、异养硝化( 厌 氧氨氧化) 、自养反硝化的现象，近年来生物学的发展已经可以给出令人比较满意的答 案。由于许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，能够直接把n h 4 n 转化为最终气态 产物而逸出，使得s n d 生物脱氮成为可能。已知的好氧反硝化菌有p s e u d o m o n a ss p p 、 a l c a l i g e n e sf a e e a l i s 、t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h o ，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌。 正因为如此，能够直接把氨转化成最终气态产物。r o b e n s o n 1 9 1 等人还提出了好氧反硝化 和异养硝化的工作模型，即t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 和其它好氧反硝化菌使用硝酸盐亚 硝酸盐呼吸( 好氧反硝化) 、氨氧化( 这里指的是异养硝化，而不是传统意义上的自养 硝化) ，以及在最后一步作为过量还原能量的累积过程形成p h a 。关于好氧反硝化和异 养硝化菌，其反应速率随着d o 增加而减少的规律，也有类似的报道。与厌氧反硝化细 菌相比，好氧反硝化菌的一般特征：反硝化速率慢一些，但能较好适应厌氧( 或缺氧) 好氧周期变化 2 0 l 。 1 1 3 短程硝化反硝化 长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直认为要实现废水 生物脱氮必须使n i - 1 4 + - n 经历典型的硝化和反硝化过程才能安全地被除去，这条途径可 称之为全程( 或完全) 硝化反硝化生物脱氮，见图1 2 。实际上从氮的微生物转化过程来看， 氨氧化为硝酸是由两类独立的细菌完成的，其中从氨向亚硝酸盐的转化是硝化过程的速 度控制步骤，而对于反硝化菌n 0 2 、n 0 3 - 均可以作为最终受氢体。1 9 7 5 年v o e t 等在 进行经n 0 2 途径处理高浓度氨氮废水的研究中，发现硝化过程中n 0 2 。的积累现象，并 首次提出短程硝化反硝化生物脱氮( s h o a e u tn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i e a t i o n ) 也称亚硝酸生 物脱氮1 3 1 ，见图1 3 。 4 第一章绪论 芒二兰二二n 2 硝化阶段反硝化阶段 图1 - 2 全程硝化反硝化生物脱氮途径 f i g u r e1 - 2 t h eb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o na p p r o a c hb yc o m p l e t 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 n n i - - 1 4 + + n 0 2 。n 2 图1 3 短程硝化反硝化生物脱氮途径 f i g u r el 一3 t h eb i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o na p p r o a c hb ys h o r t c u t 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 短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理就是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，阻止 n 0 2 进一步硝化，然后直接进行反硝化。要实现短程硝化反硝的关键在于将n h 4 + - n 氧 化控制在n 0 2 阶段，因此，如何持久稳定地维持较高浓度n 0 2 的积累及影响n 0 2 积累 的因素也便成为研究的重点和热点所在。影响n 0 2 积累的主要因素有温度、p h 、游离 氨( f a ) ，溶解氧( d o ) 、游离经胺( f h ) 以及水力负荷、有害物质和污泥泥龄等。 与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下优点【7 ，2 1 2 2 】：( 1 ) 硝化阶段可节省 2 5 的氧供应量，降低能耗；( 2 ) 反硝化阶段减少4 0 的碳源，在c n 较低的情况下实 现反硝化脱氮：( 3 ) 缩短反应历程，增加脱氮效率，节省5 0 的反硝化反应器容积：( 4 ) 减少投碱量，降低运行费用；( 5 ) 污泥产量降低，硝化过程可少产污泥3 3 3 5 左右， 反硝化阶段少产生污泥5 5 左右。其对高浓度氨氮低碳源废水( 如焦化和石化废水以及 垃圾渗滤液等) 生物脱氮处理具有非常大的经济效益，但考虑到亚硝酸盐的有毒性，反 应系统中n 0 2 的积累和彻底去除应予以高度的重视。 1 1 4 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 厌氧氨氧化( a n a m m o x - 一a n r o b i c a m m o n i u mo x i d a t i o n ) 反应是指在厌氧条件 下( 确切的说是在缺氧条件下，即无分子氧的条件下) ，通过微生物的作用，以亚硝酸 盐或硝酸盐为电子受体，氨氮为电子供体，将硝态氮和氨态氮同时转化为n 2 的过程。 1 9 9 5 年，荷兰d e l f t 技术大学k l u y v e r 生物技术实验室的m u l d e r 、g r a a f 等人【2 3 1 在反硝 5 华南理工大学硕士学位论文 化流化床反应器发现了氨氮的异常消失。经试验证实n h 4 的转化与n 0 3 有关，在缺氧 条件t ( h 0 无分子氧存在的条件下) ，n i - h 十作为电子供体，n 0 3 作为电子受体参与反应生 成氮气。g r a a f 2 4 1 的进一步研究表明，n 0 2 才是关键的电子受体。1 9 9 5 年，g r a a f , m u l d e r 等人【2 5 】通过试验证明，a n a m m o x 是一个由微生物参与作用的生化反应过程，可能发 生如下两个反应： 5 n h 4 + + 3 n 0 3 一4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 h +a g = - 2 9 7 k j m o l n h 4 + ( 1 - 1 0 ) n h 4 + + n 0 2 专n 2 + 2 h 2 0a g = - 3 5 8 k j m o l n h 4 + ( 1 - 1 1 ) 根据化学热力学理论，上述反应的6 g 0 ，说明反应可自发进行。 目前推测厌氧氨氧化有多种途径2 6 1 ：第一种是包括羟氨和亚硝酸盐生成n 2 0 的反 应，而n 2 0 可以迸一步转化为氮气，氨被氧化为羟氨：第二种是氨和羟氨反应生成联 氨，联氨被转化成氮气并生成4 个还原性 h 】，还原性【h 】被传递到亚硝酸还原系统形成 羟氨；第三种是一方面亚硝酸被还原为n o ，n o 被还原为n 2 0 ，n 2 0 再被还原为n 2 ， 另一方面，n i - h + 被氧化为n h 2 0 h ，n h 2 0 h 经n 2 h 4 、n 2 h 2 被转化为n 2 。三种可能 的途径见图1 4 。 n ， t n o 一胁一 图1 - 4 厌氧氨氧化的可能代谢途径 f i g u r e1 - 4 t h ep o s s i b l em e t a b o l i cp a t h w a y s o fa n a e r o b i ca t m n o n i u t no x i d a t i o n a n a m m o x 理论完全突破了传统生物脱氮基本概念。与传统的脱氮理论相比， a n a m m o x 反应有很大的优势，具有以下几点： ( 1 ) 该反应是一个产生能量的反应，参与反应的微生物为无机化能自养菌，极大地 节省了能源及物质消耗。 ( 2 ) 反应以n i - 1 4 + 为电子供体，不需外加碳源做供氢体。 ( 3 ) 反应在无分子氧条件下进行，无需供氧，大大节省了因曝气带来的动力消耗， 6 第一章绪论 基建投资、运行费用均可大为缩减。 ( 4 ) 反应基质为氨氮和亚硝酸盐，理论上反应比例为1 ：l ，若将硝化部分控制在只有 5 0 的n i - 1 4 + 被转化为n 0 2 。，生成的n 0 2 。与剩余5 0 的n h 4 + 继续反应，可以节省6 0 的能耗和3 0 的运行费和工程投资。 基于上述优点，开发利用厌氧氨氧化为基础的生物脱氮技术，不仅可以大幅度地降 低硝化反应的充氧能耗，免去反硝化反应的外源电子供体( 碳源) ，而且对控制化学试 剂消耗，防止可能出现的二次污染，具有重要的作用。a n a m m o x 反应的发现为改进 传统的生物脱氮工艺提供了理论依据，在实践中有重大的应用价值，可能会使传统污水 脱氮处理工艺发生变革，带来巨大的社会经济和环境效益。 1 2 生物除磷理论 1 2 1 传统生物除磷机理 常规的好氧生物处理工艺中，废水中的含磷化合物除少部分被微生物用于自身的繁 嚼 殖而随活性污泥排出，大部分以磷酸盐的形式随处理出水排入环境。由l i e b i g 的最低定 律得到，磷浓度的高低将成为藻类生长的限制因子【1 1 。因此，如何经济、有效地降低废 水中的含磷量成为防止富营养化的关键，而生物除磷工艺就是目前最好的方案【2 。 厌氧环境i 欣爵- 贮壤 好蚨) 氯胙麓i 琵硪摄碍 图1 5 聚磷微生物放磷、吸磷机理图 f i g u r e1 - 5 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l 到目前为止，国际普遍认可和接受的生物除磷理论是“聚合磷酸盐( p o l y - p ) 累积 微生物 - p a o 的摄放磷原理：在厌氧好氧交替运行条件下驯化出聚磷菌( p a o ) 一 类的微生物，它能够过量的，在数量上超过其生理需要的，从外部环境中摄取磷，并将 磷以聚合磷的形式贮存在体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷的效果 7 华南理工大学硕十学位论文 2 8 - 3 1 1 。生物除磷过程通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程，其代谢模式如图1 5 所示 【3 2 】 o 厌氧释磷：在厌氧条件下，聚磷菌水解体内的a t p ，形成a d p 和能量，同时将胞 内多聚磷酸盐( p o l y - p ) 分解，以无机磷酸盐( p 0 4 孓) 的形式释放出去。另一方面，聚磷菌利 用糖原酵产物( n a d h 2 ) 和能量摄取废水中的有机物来合成大量的有机颗粒p h b ，贮存在 细胞体内。此时表现的是磷的释放，其反应方程式可以表示为： a t p + h 2 0 一a i ) p + h 3 p 0 4 + 能量 ( 1 1 2 ) 好氧吸磷：在好氧条件下，聚磷菌利用氧化分解体内储存的p i - i b 而产生的能量完成 繁殖代谢作用，而a d p 获得这个能量，可用来合成了a t p ：同时，聚磷菌超量吸收溶 液中的磷酸盐来合成p o l y - p 及糖原等有机颗粒，储存在细胞体内，此时反映出的是磷的 吸收，其反应方程式可以表示为： a d p + h 3 p 0 4 + 能量一a t p + h 2 0 ( 1 1 3 ) 磷的厌氧释放分为两部分：有效释放和无效释放。有效释放是指磷被释放的同时， 低分子有机物被吸收到细胞内，并在细胞内贮存，即磷的释放是有机物吸收转化和贮存 这一耗能过程的偶联过程；无效释放则不伴随有机物的吸收和贮存。内源损耗、p h 变 化，毒物作用引起的磷的释放均属无效释放。中国市政华北设计研究院的研究结果表明 【3 2 1 ，随着厌氧时间的增长，虽然磷释放总量不断提高，但单位释磷量所产生的吸磷能力 一嚣篡 1 - 艘受曼王。2 疆躺嚣 图1 6以p a o 为原理的e b p r 除磷工艺与p 0 4 3 。浓度变化图 f i g u r e1 - 6 e b p r p r o c e s sa n dt h ed y n a m i co fp h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o nb a s e do i lt h et h e o r yo fp a o 随无效磷释放量的增加而降低。因此认为：聚磷微生物在厌氧环境下有效释磷水平的高 低，决定了其在好氧环境下吸磷能力的大小，对系统的除磷能力具有极其重要的作用。 8 永牛壕骏毒l浓废 第一章绪论 但这一观点仍有学者提出争议，如毕学军等人【3 3 】对短时厌氧区( h r t = 2 o 3 o h ) 生化 特性的研究表明：聚磷微生物有效释磷水平的高低，并非是系统除磷能力大小的决定性 条件。 磷吸收效果的好坏对磷的释放也有明显的影响，磷的吸收完成得越彻底、微生物细 胞存贮的聚磷量越大，相应地厌氧状态下磷的有效释放也越有保证。以图1 5 为依据， 满足p a o 环境和基质需要的强化生物除磷工艺( e n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ， 缩写为e b p r ) 原理如图1 - 6 所示。这种除磷工艺现被称为a o 工艺【3 4 】。 自然界中，许多细菌能从外界吸收可溶性磷酸盐，并在体内转化成聚磷酸盐积累起 来，作为贮存物质。为此，国内外许多科学家围绕聚磷微生物展开了大量的研究。早期 的研究认为，除磷微生物的优势菌属主要是莫拉氏菌群a c i n e t o h a c t e r ，不动杆菌属) 。f u h s 等( 19 7 5 ) 对b a l t i m o r eb l a c kr i v e r 和s e n e c af a l l s 两个具有较好除磷效果的污水厂曝气池 中的活性污泥进行检测，发现不动杆菌属与磷的去除密切相关。b u c h a n ( 1 9 8 3 ) 利用纯 培养分离技术研究分析了除磷效果良好的几个试验装置及污水厂的曝气活性污泥，表明 不动杆菌是其中的优势菌种，他认为废水生物除磷过程首先是富集不动杆菌属，然后通 过该菌属过量吸收磷达到除磷的目的。此后，l o n e r ( 1 9 8 5 ) ，c l o e t e ( 1 9 8 5 ) ，b