（环境工程专业论文）amon一体化污水生物处理技术试验及机理研究.pdf

摘要 摘要 本论文就一种新型的一体化脱氮除磷工艺a m o n 一体化工艺进行了研 究，该工艺集有机物去除、硝化反硝化和除磷于一体，把反应、沉淀、污泥回 流整合在一个反应器内，适用于水质、水量变化大，处理规模比较小、运行管 理水平较低的小城镇污水处理系统。 本论文试验主要分为四个部分进行，第一部分主要确定反应器活性污泥法 的最佳运行参数：第二部分针对第一部分试验中出现的部分污泥上浮现象进行 改进，在反应器中投加悬浮填料，并就不同填充比对反应器去除效果的影响进 行研究；第三部分主要就悬浮填料的硝化反硝化能力进行了研究；第四部分简 要分析了反应器的动力学参数。 活性污泥阶段分别考察了水力停留时间、污泥龄、溶解氧等参数对反应器 处理效果的影响。试验结果表明： ( 1 ) 随着水力停留时间的增加，反应器的处理效率也随之增加。当h r t 为6 5 h 时，反应器内生物有机负荷较高，出水效果相对较差。增加h r t 到8 5 h 时，污水去除率有较大提高，而1 0 h 的停留时间使得去除率有所提高。试验说 明：反应器的处理效率随着水力停留时间的增加而增加。当h r t = 8 5 h 时，反 应器的处理效率和经济效率达到最佳。 ( 2 ) 溶解氧浓度的大小，不仅关系到好氧区微生物活性的大小，而且影响 好氧、厌( 缺) 氧区反应容积的大小。控制好氧曝气区溶解氧浓度分别在5 5 - - 6 5 m g l ，4 0 - - 5 o m g m ，2 0 - - - 3 o m g m ，试验表明：反应器内d o 浓度为4 o 5 0 m g l 时，反应器的整体处理效果最佳。 ( 3 ) 在控制污泥龄变化的条件下，随着泥龄的减小，反应器的c o d c ，、氨 氮的去除效率下降，总磷的去除率提高。综合反应器处理效果、污泥处置费用 等因素，s r t 保持为1 5 d 时，系统的效果达到最佳。 ( 4 ) 针对试验过程中出现一定程度的跑泥现象，实施两种解决办法：一是 在非曝气区加设两个机械搅拌：二是通过改造反应器，增大沉淀区的容积。但 研究发现：这些改进并不能很好的改善污泥问题。 ( 5 ) 在反应器中投加悬浮填料阶段，试验分别选取5 0 、4 0 、3 0 的填 充比，同时在不同填充比条件下分别控制d o 在3 5 - - 5 0m g l 、2 0 - 3 0m g t , 摘要 进行试验研究。试验结果显示：相同填充比在d o 为3 5 5 0m g l 时，对c o d c r 、 氨氮、总氮、总磷的去除效果比低溶解氧浓度时为高。而且随着填料填充比的 减小，系统的处理能力随之下降。 测定填料表面生物膜硝化活性的试验表明：生物膜对氨氮有较强的降解能 力。并且填料不仅具有良好的硝化能力，在硝化过程中还存在同步硝化反硝化 现象。在反硝化试验中，在反应刚开始的一段时间内，硝酸盐降解速率符合 m o n o d 模型，表现为零级反应动力学。论文并对反应器模型的动力学参数进行 了初步的计算。 a m o n 一体化反应器在活性污泥阶段处理城市生活污水效果良好，进水水质 情况为：迸水c o d c ，浓度2 0 0 - - - 5 0 0 m g l ，氨氮为3 0 - - 6 0 m g l ，总磷为2 - 6m g l 时，保持好氧区溶解氧在5 5 6 5 m g l ，总水力停留时间8 5 h ，污泥龄1 5 d 时， 平均c o d c ，、t n 、n h 3 n 、t p 的去除率分别为7 5 3 ，5 6 3 ，8 8 7 ，2 5 o ， 平均出水c o d c ，、t n 、n h 3 一n 、t p 分别为7 6 m g l ，2 4 9 m g , l ，5 1 m g l ，2 6 m g l ， 除t p 外达到国家二级排放标准，氨氮更是远远小于国家一级排放标准。在投加 悬浮填料阶段，4 0 填充比情况下，平均c o d c ，、t n 、n h 3 n 、t p 的去除率分 别为5 7 3 ，4 5 5 ，6 4 8 ，1 5 8 ，处理效果较活性污泥阶段差，但是在一定 程度上解决了跑泥问题。 关键词：a m o n 一体化技术，污水生物处理，脱氮除磷，悬浮填料 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a i m i n ga tt h es h o r t c o m i n g s ，a m o ni n t e g r a t i o nc r a f t ，a l li n t e g r a t i v eb i o l o g i c a l n u t r i e n tr e m o v a lp r o c e s s ，i sd e s i g n e d i ti s c a p a b l eo fc 孤b o n ，n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u sr e m o v a ls i m u l t a n e o u s l yi nas i n g l et a n k ，a n dc a na l s oi n t e g r a t er e a c t i o n ， d e p o s i t i o na n ds l u d g ec i r c u l a t i o ni nt h es a m er e a c t o nt h ec r a ri ss u i t a b l et ot h e t o w n s h i p ，w h e r et h es e w a g ef l u c t u a t e sg r e a t l yi nw a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t y t h er e s e a r c hw a sc a r r i e do u ti nf o u r p a r t s t h ef i r s tp a r tw a sm a i n l yt od e t e r m i n e t h eo p t i m a lo p e r a t i o np a r a m e t e r s t h es e c o n dw a st om a k ei m p r o v e m e n t st or e s o l v e s l u d g ef l o a t a t i o np r o b l e mb ya d d i n gs u s p e n d e dc a r r i e r si nt h e r e a c t o r i nt h i sp a r t ，t h e t h e s i sa l s os t u d i e dt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tv o l u m e t r i cf i l l i n gr a t i o si nt h er e a c t o r a n d t h et h i r dp a r tm a i n l ys t u d i e dn 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 na b i l i t yo fs u s p e n d e d c a r r i e r s t h ef o u r t hp a r ts t u d i e dk i n e t i cp a r a m e t e r so ft h er e a c t o r i nt h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，i n f u e n c eo fh r t , s r t , d oo nr e m o v a le f f e c t s w e r ei n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) r e m o v a le f f i c i e n c yo ft h er e a c t o ri n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go fh r t w h e n h r tw a s6 5 h b i o l o g i c a lo r g a n i cl o a dw a sh i g hi nt h er e a c t o ra n de f f l u e n tq u a l i t y w a sp o o r w h e nh r tw a si n c r e a s e dt o 8 5 h r e m o v i n gr a t eo ft h er e a c t o rw a s e n h a n c e dg r e a t l y t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t ，r 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 h h r t w h e nh r tw a se q u a lt o8 5 h ，r e m o v a le f f i c i e n c ya n de c o n o m i ce f f i c i e n c y a c h i e v e dt h eb e s t ( 2 ) w h e nd o i na e r o b i ca r e aw a sc o n t r o l l e di n5 5 6 5 m g l ，4 0 5 0 m g l ， 2 0 。3 0 m g lr e s p e c t i v e l y , w ef o u n dt h a td od i dn o to n l yr e l a t et om i c r o o r g a n i s m a c t i v a t i o ni nt h ea e r o b i ca r e a , b u ti n f l u e n c e dt h ea e r o b i ca r e av o l u m es i z ea sw e l l t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tr e m o v a le f f e c tr e a c t o rw a st h eb e s tw h e nd ow a s a r o u n d4 0 5 o m g l ( 3 ) w h e ns r tw a sc h a n g e du n d e rc o n t r o l ，c o d e ra n da m m o n i an i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c yd r o p p e da n dt o t a lp h o s p h o r u sr e m o v i n gr a t ei n c r e a s e dw i t h r e d u c i n gs r t o nc o n s i d e r a t i o no fr e m o v a le f f i c i e n c i e sa n ds l u d g et r e a t m e n te x p e n s e i i i ! 生型型! a n ds oo n , t h es r ts h o u l db ek e p ta t1 5 d ( 4 ) a i m i n ga tt h es l u d g ef l o a t a t i o np r o b l e m ，t w os o l u t i o n sw e r eb r o u g h t f o r w a r d ：t h ef i r s tw a st oa d dt w om e c h a n i c a ls t i r r e r si nt h en o n - a e r a t i o na r e a ；w h i l e t h es e c o n dw a st oi n c r e a s ep r e c i p i t a t i o na r e av o l u m eb yt r a n s f o r m i n gr e a c t o r b u t s t u d i e ss h o w e dt h a tt h e s ei m p r o v e m e n t sc o u l dn o ts o l v es l u d g ep r o b l e me f f i c i e n t l y ( 5 ) i ns u s p e n d e dc a r r i e rp r o c e s s ，w es e l e c t e dv o l u m e t r i cf i l l i n gr a t i o so fc a r r i e r b y5 0 ，4 0 ，3 0 a tt h es & r n et i m ed ow a sc o n t r o l l e da t3 5 5 0m g l 2 0 3 0 m g ls e p a r a t e l yi nt h ed i f f e r e n tf i l l i n gr a t i o s t u d ys h o w e dt h a t ，i nt h es a m ef i l l i n g r a t i ot r e a t m e n te f f e c to fc o d e r a m m o n i an i t r o g e n ，t o t a ln i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u s w e r eb e t t e rt h a nt h o s ea tl o wd ow h e nd ow a s 3 5 5 0m g l m o r e o v e r , w i t h f i l l i n gr a t i or e d u c e d ，s y s t e mt r e a t m e n ta b i l i t yd r o p p e d n i t r a t i o na c t i v ee x p e r i m e n t so fs u s p e n d e dc a r r i e r sb i o m e m b r a n ei n d i c a t e dt h a t b i o m e m b r a n eh a ds t r o n ga b i l i t yo fd e g r a d i n ga m m o n i an i t r o g e n a n ds u s p e n d e d c a r r i e r sh a dn o to n l yt h e9 0 0 dn i t r a t i o na b i l i t y , b u ta l s os 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 np h e n o m e n o ni nt h en i t r i f i c a t i o np r o c e s s i nd e n i t r i f i c a t i o nt e s t n i t r a t e d e g r a d a t i o ns p e e dc o n f o r m e dt ot h em o n o dm o d e la n dd i s p l a y e dz e r oo r d e rd y n a m i c s i nb e g i n n i n g h l t r e a t i n gs e w a g e ，a m e ni n t e g r a t i o nr e a c t o rp r o c e s s e sh a dg o o de f f e c t s c o d e r ，a m m o n i an i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o r u si nr a ww a t e rw e r ea b o u t2 0 0 5 0 0 m g l ， 3 0 6 0 m g l ，2 6m e g lr e s p e c t i v e l y w h e nd oi na e r o b i ca r e aw a s5 5 6 5 m e g l h r t 8 5 h ，s r t15 di nt h er e a c t o r , a v e r a g ec o d c r , t n , n h 3 一n t pr e m o v i n gr a t e w e r e7 5 3 ，5 6 3 ，8 8 7 ，2 5 o r e s p e c t i v e l y , a n da v e r a g ee f f l u e n tc o d c r ，t n , n h 3 - n ，t pw e r e7 6 m g l ，2 4 9 m g l , 5 1m g l ，2 6 m g lr e s p e c t i v e l y t h e ya c c o r d e d w i t ht h en a t i o n a ls e c o n dl e v e lo f i n t e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r db e s i d e st p i ns u s p e n d e dc a r r i e rs t a g e ，v o l u m e t r i cf i l l i n gr a t i oo fc a r r i e r4 0 ，a v e r a g ec o d c , ， t n ，n h 3 一n t pr e m o v i n gr a t ew e r e5 7 3 ，4 5 5 ，6 4 8 ，15 8 r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dt ot h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，t r e a t m e n te f f e c tw a ss oi d e a l b u ti ts t i l l s o l v e ds l u d g ef l o a t a t i o np r o b l e mi nc e r t a i nd e g r e e s k e yw o r d s ：t h ea m e ni n t e g r a t i o nc r a r ，w a s e t w a t e rb i o l o g i c a lt r e a t m e n t , b i o l o g i c a l n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，s u s p e n d e dc a r r i e r s i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：王率丽 矽g 年岁月肜e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在s年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：抽f 堵其 j 以年月1 譬e t 学位论文作者签名：王拿厕 洳6 年；只 暑b 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 溯辟? 月 签名：群厢 第一章概述 第一章概述 随着我国经济的迅猛发展，小城镇也得到了快速健康的发展，中小城镇污 水处理厂的建设，在一定程度上发挥了重要的环境保护作用。但是由于经济、 技术的相对滞后，污水处理规模和技术水平的限制，导致了小城镇污水处理系 统中收集系统不完善，建成的污水厂无法达到甚至远远低于设计处理规模等各 种问题，建成污水处理厂后，由于资金技术匮乏，无法保证正常运转。中华环 保联合会于2 0 0 4 年1 2 月 - 2 0 0 5 年6 月，在全国范围内开展了公开征集公众对 编制国家“十一五环保规划意见和建议的活动，调查显示：在专家问卷调查 中，乡镇企业污染排在“十一五”期间污染防治任务的前3 位f i 】。可见小城镇污 染治理已经是迫在眉睫，需要大力开展技术攻关研究。 根据小城镇经济发展状况及目前实际情况，结合小城镇污水治理工程建设 难、管理难等的特点，本人所在课题组经2 年多的前期自主开发，研制了a m o n 一体化污水生物处理反应器，本论文就这一新开发的工艺进行小试试验研究。 本章在查阅了大量国内外文献的基础上，介绍了小城镇污水处理的现状；简述 了废水生物脱氮除磷原理及工艺；并对厌氧氨氧化、短程硝化反硝化和同步硝 化反硝化等废水脱氮除磷技术新发展和一体化处理方向进行了探讨。 1 1 小城镇污水处理现状 按我国对城市规模的划分，所n d , 城市是指市区和近郊区人口不足2 0 万人 的城市。实际上大多数县级市和县城的人口均在1 0 万以下，一般为5 万l o 万 人，3 万 - - - 5 万人的县级市和县城也不在少数。从城市概念上来看，建制镇亦属 “城市”范畴，建制镇的人口规模从5 0 0 0 - - - 3 0 0 0 0 人不等，这部分小城市的数 量更是数以万计1 2 j 。 随着经济的发展，我国每年废水的排放量和处置率也逐步提高，根据全 国环境统计公报( 2 0 0 4 年) 【3 】数据，2 0 0 4 年全国废水排放总量达到4 8 2 4 亿吨， 比上年增加4 9 。其中工业废水排放量2 2 1 1 亿吨，占废水排放总量的4 5 8 ， 比上年增加4 1 ；城镇生活污水排放量2 6 1 3 亿吨，占废水排放总量的5 4 2 ， 第一章概述 比上年增加5 5 。另外，随着综合国力的提高，我国每年投入环保的资金逐步 增加，2 0 0 4 年已达到g d p 的1 4 0 ，但这些钱绝大多数用于大城市的污水处理 工程，根本无力顾及小城镇。同时农村生态环境质量也正迅速持续恶化，已经 成为区域性水环境的重要污染源，这样都使得水环境问题更为突出。 小城镇由于其特殊的条件和环境限制，其排放污水呈现以下特点【2 j ： ( 1 ) 污水混合排放，生活污水比重大。受城市建设、环境管理、资金投入 等方面因素的影响，小城镇工业、生活污水混合排放，且排放废水以生活污水 为主，污水水质因地区生活习惯、经济发展水平及设施完善程度的不同而存在 一定差异。 ( 2 ) 污水水量小，水质水量变化幅度大，水质成分复杂。由于小城镇人口 较少、排放的污水量也较小，从而水量波动较大，污水处理规模小。污水受区 域的产业结构影响较大，在市场经济的影响下，一定时期内某种行业或是产品 社会需求量大时，则该产业发展较快，该种废水量就会增加，反之则该种污染 物排放消失，以上种种都造成了小城镇污水排放的成分复杂，水质波动较大的 特点。 ( 3 ) 污水处理率较低，管理困难。由于经济发展水平偏低，经济承受能力 弱，可供选择的适用技术范围小，而且污水处理规模小，从而工程建设费及运 输费提高，后期运行维护缺乏有效的管理。 一般小城镇废水主要由居民生活污水和乡镇企业排放污水组成，污染物质 主要有s s 、c o d 、b o d 、总氮、总磷、动植物油和大肠菌群。污水水质和水量 因地区生活习惯、经济发展水平及设施完善程度的不同而存在一定差异。就一 般水平而言，一般b o d 为1 0 0 - - - 1 5 0 m g l ，c o d 为2 5 0 - - 一3 0 0 m g l ，s s 为2 0 0 m g l 左右【2 1 。 小城镇废水由于资金、管理等问题，大部分难以得到有效治理，虽然单个 中小城镇排放的污水量无法与大城市相比，但是我国中小城镇数量众多，其排 放总量相当可观。而且中小城镇布局分散，每个中小城镇排放的污水都影响到 当地的城市和自然环境，这不仅对当地的资源造成危害，而且严重阻碍了经济 的发展，造成恶性循环。因此，国家环境保护十五规划中明确指出“要加强 小城镇环境保护规划，引导乡镇企业适当集中，建立乡镇工业园区，实行乡镇 工业污染的集中控制。促进城镇环境基础设施建设，特别是要因地制宜地建设 城镇污水处理设施和垃圾处理设施，开展环境优美小城镇创建活动”。可以预见， 2 第一章概述 在今后的污水处理技术中，发展针对小城镇污水水量小，水质、水量波动大， 投资少、管理方便等特点的新技术显得尤为必要。 1 2 瞌水生物脱氮除磷原理及工艺简介 氮磷引起水体的富营养化，致使水体水质下降，增加给水处理的成本，造 成对生物体的毒害作用，因此废水脱氮除磷技术一直是研究人员研究的一个热 点，目前存在的方法大体上主要有两种：物化法和生物法。物化法除氮主要有： 折点氯化法、选择性离子交换法等。物化法及其他的一些除磷方法有：流化床 结晶法、离子交换、吸附、电化学除磷、藻类处理、深层过滤床、利用铁氧化 细菌沉积磷盐、化学沉淀法等。物化脱氮除磷方法的特点是操作简单、效率稳 定，但是运行费用高、易产生二次污染、并且产生大量难以处置的化学污泥， 因此处理成本相对较高。而生物方法合理利用微生物的生长特性，通过转化污 水中氮磷的形态而除去，产生二次污染小、处理费用低、污泥易于处置，更具 有实际应用价值。而且，随着研究工作的进行，脱氮除磷生物学原理的认识不 断深入，出现了许多新工艺，本节将简要介绍生物脱氮除磷的原理。 1 2 1 生物脱氮除磷原理 1 2 1 1 生物脱氮的基本原理 废水中的氮主要以有机氮( 蛋白质、尿素及其他有机含氮化合物) 和无机 氮( 氨、亚硝酸盐、硝酸盐等) 两种形态存在。其中的有机氮可通过氨化作用 转化为氨氮。废水生物脱氮的基本原理就在于，在氨化基础上通过硝化作用将 氨氮转化成亚硝态氮和硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮转化成氮气从水中 逸出，完成脱氮的目的。 1 2 1 2 硝化反应 硝化反应是指硝化菌将n h 4 + 氧化成n 0 2 - 和n 0 3 - 的过程。过程分两步进行： 一是h 山+ 被氧化成n 0 2 - 的产能反应。 n h ；+ 1 5 d 2 n o ；+ 2 日+ + h 2 0 - - 2 7 6 4 2k j( 1 1 ) 亚硝化菌( 主要是亚硝化单胞菌属( n i t r o s o m o n a s ) 、亚硝化球菌属 第一章概述 ( n i t r o s o c o c c u s ) 、亚硝化螺菌属( n i t r o s o s p i r a ) 、亚硝化弧菌属( n i t r o s o v i b r i o ) 和亚硝化叶菌属( n i t r o s o l o b u s ) ) 氧化山+ 为n 0 2 一。 第二步是n 0 2 一氧化成n 0 3 一 n o ；+ o 5 q 专n o ； - - 7 2 2 7k j ( 1 2 ) 硝化菌( n i t r o b a c t e r ) 以及硝化螺菌属( n i t r o s p i r a ) 、硝化刺菌属( n i t r o s p i n a ) 、 硝化球菌属( n i t r o c o c c u s ) 、硝化囊菌属( n i t r o c y s t i s ) 将n 0 2 - 氧化成n 0 3 - 1 5 j 。 总反应式为： n h ；+ 2 0 2 一n o ；+ 2 h + + h ，o - - 3 5 1l d( 1 3 ) 硝化细菌都是专性好氧的自养菌，这类菌利用无机碳化合物如c 0 3 2 。、h c 0 3 。 和c 0 2 作为碳源，以n i - h + 和n 0 2 - 为电子供体，0 2 为电子受体，将氨氮氧化成 细胞物质，氮氧化和细胞合成的总反应式如下： n 心+ 1 8 6 0 _ , + 1 9 8 h c q 专( o 0 18 1 + 0 0 0 2 专c 5 h ，心( 硝化菌+ 1 0 4 2 0 + 0 9 8 n ( 葛- + 1 8 8 4 c b ( 1 4 ) 由式( 1 4 ) 计算可知：( 1 ) 将l g 氨氮氧化为硝酸盐需要4 5 7 9 氧、7 1 4 9 h c 0 3 碱度( 以c a c 0 3 计) 和o 0 8 9 无机碳，生成0 1 5 9 新细胞；( 2 ) 亚硝酸菌和硝酸 菌从反应中获得的能量不同，两种细菌氧化同量的氮时，其收率有较大的差异。 根据转化率计算，亚硝酸菌与硝酸菌收率分别为0 0 4 - - 0 1 3m g v s s m gn i - - 1 4 + - n 及0 0 2 , - - - 0 0 7 m g v s s m gn h 4 十_ n f 引。 硝酸菌和亚硝酸菌的动力学特征总结如下： 表1 1 弧硝酸菌和硝酸菌的基本特征【6 1 1 2 1 3 反硝化反应 反硝化反应是指在缺氧( 无分子态氧) 的条件下，将n 0 2 一和n 0 3 一还原( 主 4 第一章概述 要) 为n 2 气体的过程。反硝化细菌在异养菌和自养菌中很普遍，主要有假单胞 菌属( p s e u d o m o n a s ) 、产碱菌属( a l c a l i g e n e s ) 、副球菌属( p a r a c o c c u s ) 、硫杆 菌属( t h i o b a c i l l u s ) 、芽孢杆菌属( b a c i l l u s ) 等。所有的反硝化细菌都是兼性菌， 当0 2 成为限制因素时，它们会转向n 0 2 - 或n 0 3 - 呼吸【4 l 。 反硝化过程的还原步骤是从硝酸盐( n 0 3 一) 到亚硝酸盐( n 0 2 一) 、一氧化 氮( n o ) 、氧化二氮( n 2 0 ) 和n 2 ，每个半反应以及催化酶如下： 表1 2 反硝化反应中氮的转化 反硝化菌利用有机物作为碳源、电子供体，利用硝酸盐中的氧原子作为电 子受体，其反应式为： n o ；+ 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 c 0 3 寸o 0 5 6 c 3 鸩d 2 h + 0 4 7 n 2 个+ 1 6 8 d + 嬲g ( 1 5 ) n o ；+ o 6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 c d 3 专0 0 4 c 3 d 2 h + 0 4 8 2 个+ 1 2 3 也d + h c o ； ( 1 6 ) 由式( 1 5 ) 知，反硝化每还原i gn 0 3 一一n 消耗2 4 7 9 甲醇( 约含3 7 9 c o d ) ， 产生3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 和0 4 5 9 新细胞；由式( 1 6 ) 知，反硝化每还 原l gn 0 2 。- n 消耗1 5 3 9 甲醇( 约2 3 9 c o d ) ，产生3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 和o 3 2 9 新细胞。 在反硝化过程中，硝念氮通过反硝化细菌的代谢活动包括同化反硝化和异 化反硝化两种途径，产物为有机氮化合物和氮气，前者用于细胞物质的合成， 后者则排入大气。这两种不同反硝化反应之间的关系，如图1 1 所示。 5 第一章概述 m t l 4 2 0 2 - - - - y 如 n t h 一n 0 2 一n o ( n o h 广n i l 2 0 h n h 3 异化反硝化反应同化反硝化反应 图i 1 同化反硝化和异化反硝化l ，j 1 2 1 4 生物除磷的基本原理 废水中的磷主要来自生活污水中的含磷有机物、合成洗涤剂、工业废液、 化肥农药和动物的排泄物，其中常见的磷的形态有磷酸赫( h 2 p 0 4 。、h p 0 4 孓、 p o d 弘) 、聚磷酸盐和有机磷。一般在好氧生物处理过程中( 例如活性污泥法) ， 有机物的降解伴随着微生物菌体的合成，其中形成的生物体含磷量占干重的2 3 ，通过剩余污泥的排放可获得1 0 - - 3 0 的除磷效果。 污水除磷技术的发展源于生物超量吸磷现象的发现。污水生物除磷就是利 用活性污泥的超量磷吸收现象，在厌氧、好氧状态转换过程中完成微生物的过 量吸磷，使剩余污泥的含磷量达到3 7 ，再通过剩余污泥的排放完成除磷目 的。 生物除磷中的聚磷菌，早期的研究认为主要是不动杆菌，但是进一步研究 发现，在假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、节核菌属( a r t h o b a c t e r ) 、诺卡氏菌属 ( n o c a r d i a ) 、b e y e r i n k i a 、o z o t o b a c t e r 、气单胞菌属( a e r o m o n a s ) 、小月菌属 ( m i c r o l u n a t u s ) 以及其他菌属中也存在聚磷菌。 1 2 2 生物脱氮的影响因素 生物脱氮的硝化过程是在硝化菌的作用下，将氨氮氧化成硝态氮，硝化菌 是化能自养菌，它利用无机碳源，从氨氮的氧化过程中获得能量。反硝化过程 是在缺氧状态下将硝态氮还原成氮气，反硝化菌属于异养型兼性厌氧菌，能利 用污水中各种有机物作为电子供体，以硝酸盐代替分子氧，作为最终的电子供 体，进行无氧呼吸，将有机物分解，同时将硝酸盐还原成气态氮。由于微生物 特性的不同，硝化、反硝化的影响因素也不同。 6 几u 第一章概述 1 2 2 1 硝化反应的影响因素【8 1 1 9 1 ( 1 ) 溶解氧 氧是硝化反应中的电子受体，反应器中溶解氧的高低势必影响硝化反应的 速率。一般维持混合液的溶解氧浓度为2 - - 3 m g l ，硝化菌的忍受极限是溶解氧 为o 5 0 7m g l 。 对于同时去除有机物和硝化反硝化的工艺中，大部分的硝化菌处在微生物 絮体的内部，增加溶解氧浓度将会提高溶解氧对生物絮体的穿透力，提高硝化 反应的速率。因此，在低污泥龄条件下，有机物的氧化消耗大量的溶解氧，从 而减少溶解氧的穿透力，降低硝化速率；在长污泥龄条件下，耗氧速率慢，即 使溶解氧浓度不高也可保证溶解氧的穿透力，保持较高的硝化速率。因此，当 污泥龄低时，可以适当的提高溶解氧浓度，以保证硝化速率。 ( 2 ) 温度 温度对硝化反应的影响主要表现在影响硝化菌的比增长速率和活性，硝化 反应的适宜温度范围是3 0 - 3 5 。表1 3 列举了不同温度下亚硝酸菌的最大比 增长速率姝值，从表中可以看到，当温度在5 3 5 之间由低到高增加时，硝 化反应的速率将随温度的增高而加快。但到3 0 时增加幅度变小，这是因为当 温度超过3 0 时，蛋白质的变性降低了硝化菌的活性。当温度低于5 。c 时，硝 化细菌的生命活动几乎停止。 表1 3 不同温度下硝酸菌的最大比增长速率 ( 3 ) p h 值 在硝化反应中，反应器中的p h 值对硝化菌的生长繁殖有很大影响，最佳p h 值范围为7 5 8 5 ，当p h 值低于6 和高于9 6 时，硝化反应将停止进行。由于 硝化反应中每硝化1 9 氨氮要消耗7 1 4 9 碱度，如果污水氨氮浓度为4 0 m g l ，则 需消耗碱度2 8 6 m g l 。一般生活污水对于硝化反应来说，就算反硝化每还原lg n o x 一_ n 产生3 5 7 9 碱度补充硝化反应消耗的，碱度往往是不够的，需要投加相 应量的碱度，保证硝化反应的正常进行。 ( 4 ) 有毒物质 7 第一章概述 有毒物质对硝化反应的抑止作用主要有两方面：一是干扰细胞的新陈代谢， 需长时间才能显示；二是破坏细胞最初的氧化能力，短时间即会显示。对硝化 反应有抑止作用的物质有：过高浓度的n h 3 - n 、重金属、有毒物质以及有机物。 一般来说同样毒物对亚硝酸菌的影响较对硝酸菌的影响强烈。 ( 5 ) 污泥龄 为保证反应器中存活并维持数量和性能稳定的硝化菌，微生物在反应器中 的停留时间即污泥龄应大于硝化菌的最小世代期。而且较长的泥龄可以增强硝 化反应的能力，减轻有毒物质的抑止作用，为了保证系统的良好硝化能力，污 泥龄应大于1 0 d 。 ( 6 ) c n 比 亚硝化菌和硝化菌大多为专性无机营养型，而在污水处理中常存在大量兼 性有机营养型细菌，且硝化菌产率低，比增长速率小，c n 比的不同将会影响到 活性污泥中异养菌和硝化菌竞争底物和溶解氧，从而影响脱氮效果。般认为 系统的b o d 负荷低于o 1 5 b o d s d ( g m l s s d ) 时，系统的硝化反应才能正常进行。 1 2 2 2 反硝化反应的影响因素【1 0 j ( 1 ) 碳源及其浓度 反硝化菌是异养型兼性厌氧菌，消耗废水中的有机碳源进行反硝化，因此 需要提供合适的有机碳源。碳源物质不同，反硝化速率也不同。表1 4 列举了不 同碳源物质的反硝化速率。 表1 4 不同碳源的反硝化速率 从废水生化处理生物脱氮角度来看，反硝化菌能利用的碳源有外加碳源、 废水中本身含有的含碳有机物和内源碳。从表1 4 可以看出甲醇是一种较为理想 的外加碳源，其反硝化速率高，是利用生活废水速率的4 倍，分解产物为c 0 2 和h 2 0 ，不留任何难降解物质。此外，也可以利用含碳丰富的工业废水作为碳 源，如淀粉厂、酿造厂的含碳有机废水。 8 第一章概述 ( 2 ) 溶解氧 反硝化菌是兼性菌，能进行有氧呼吸和无氧呼吸，但当废水中同时存在分 子态氧和硝酸盐时优先进行有氧呼吸，反硝化菌降解含碳有机物抑止了硝酸盐 的还原，而且分子态氧的存在阻抑硝酸盐还原酶的形成，对反硝化不利。因此 为了保证反硝化过程的顺利进行，必须保证严格的缺氧状态。一般在悬浮污泥 反硝化系统中，缺氧段溶解氧控制在0 5 m g 以下，在膜法反硝化系统中，由于 生物膜对氧的传质阻力较大，可以容许较大的溶解氧浓度。 ( 3 ) 温度 反硝化最合适的温度为2 0 3 5 c ，低于1 5 。c 反硝化速率明显下降。研究表 明，温度对反硝化反应的影响与反硝化设备的类型及硝酸盐负荷有关。温度对 生物流化床的影响比生物转盘和悬浮活性污泥要小的多。硝酸盐负荷率高，温 度的影响也高；反之，则温度的影响也低。 ( 4 ) p h 值 反硝化过程最适宜的p h 值范围为6 5 7 5 ，不适宜的p h 值将会影响反硝 化菌的生长速率和反硝化酶的活性。反硝化反应会产生碱度，平衡硝化过程消 耗的碱度，这有助于p h 值保持在所需范围内。 1 2 3 传统生物脱氮工艺 废水生物脱氮的发展源于1 9 3 2 年w u h r m a n n 发现生物滤床中的硝化、反硝 化反应，并利用内源反硝化建立了后置反硝化工艺。l u d z a c k 和e t t i n g e r 利用进 水中的有机物为氢供体，提出了前置反硝化工艺。b a m a r d 在l u d z a c k e t t i n g e r 工艺的基础上提出了一种改进型，后来被称为a o 工艺并将此工艺与w u h r m a n n 工艺相结合形成所谓b a m a r d 工艺【1 1 1 。近年来，随着研究的进一步发展，出现了 厌氧等新型生物脱氮工艺。 1 2 3 1a o 工艺 a o 1 2 l 【1 3 】( a n o x i c o x i c ) 工艺于2 0 世纪8 0 年代初开发，主要特点是将反 硝化段设置在系统的前面，因此又称为前置反硝化生物脱氮系统，是目前较为 广泛使用的一种脱氮工艺。 在反硝化反应器中，反硝化菌以原废水中的有机碳为碳源，以曝气池中充 分硝化的回流液为电子受体，进行反硝化脱氮，不需外加碳源，且反硝化产生 9 第一章概述 的碱度可以补偿硝化反应所消耗碱度的5 0 左右。然后废水在好氧池中可进行 b o d 的进一步降解和硝化作用。 1 2 3 2a 2 o 工艺 a 2 o t l 4 】【1 5 i _ z 艺是a n a e r o b i c a n o x i c o x i c 的简称，该工艺是在a o 工艺的基 础上增设了一个厌氧( a n a e r o b i c ) 池，具有脱氮除磷功能，如图1 2 所示。 图1 2 a 2 o 下艺流程 废水先进入厌氧区，使得部分c o d 在此降解，减少后续工艺的负荷。出水 进入缺氧池，利用好氧池回流的硝酸盐和厌氧池出水中的有机碳源进行反硝化， 最后进入好氧段氧化降解有机物和硝化反应，一部分混合液回流进入缺氧区反 硝化，另一部分出水进入二沉池，沉淀分离污泥后出水，污泥回流到厌氧段。 a z o 工艺的主要特点为：厌氧、缺氧、好氧三种不同种类的微生物有机 配合，具有较高的c