（环境工程专业论文）膜生物反应器中同步硝化反硝化的研究.pdf

摘要 本漂瑟立足予国逡岁 弱步蠢纯及硝亿最蓑磷究或采，在考察活性污涎蓉缓稻 膜生物反应器( m b r ) 系统中的同步硝化反硝化现象的基础上，重点对膜生物 反应器( m b r ) 系统中的同步硝化反磷化进行了实验研究和理论分拆，褥瞧如 下主要绪论： ( 1 ) 实验在活性污泥系统中和膜生物反应系统中都证明了同步硝化反硝化 翡存在。黪霹霹发瑗：在疆同工 筝条传下，簇生物反应器系绞对c o d 、氨缀彝 t n 的去除效率比活性污泥系统中去除效率高。总体来说膜生物反应器系统中更 容易实现同步硝化反硝化，并且同步硝化反硝化效果更好。 ( 2 ) 逶过在活瞧污泥系统积鼷生秘反应嚣系统中豹磅究谶疆：d o 是同步 硝化反硝化的一个限制条件，本实验表明，膜擞物反应器系统中d o 控制在 o s m g 兄1 0m g m 时，裁实现 较姆豹鼹步硝化及鸯伍效果；c n 进是围步磷伲 反硝化的一个重要影响因素，迸水c o d t n 比德越低，总氮的去除率相成的也 越低；p h 值是影响同步硝化反硝化的重要因素，且最佳p h 德在中性略微偏碱 延；f m 簸影璃霜步硝纯爱稿纯，亵不影察硝纯遵程懿蓠捷下，f m 懿提褰楚有 利于同步硝化反硝化的进行。 ( 3 ) 通过对活性污泥系统和朕生物反应器系统中同步硝化反硝化机制的探 讨表弱：微观环凌理论和微生物学联论可醵对黼步硝纯反硝他的机理进行阐述。 ( 4 ) 通过本实验可以说明：d o 、c n 比对同步硝化反硝化的影响机制在两 穗系统( 活毪污泥系绫露蒺生兹爨系统孛) 是一致瓣。 ( 5 ) 污泥有机负荷是影响同步硝化反硝化效果的另一关键因素。不同溶解 氧浓度下，发生同步硝化反硝化现象的污泥有机负荷也是不一样的。通过本实验 发现，簇生物反瘟器系统中，当d o 为o 8 m g l 对，污滋蠢视受黄在o 1 5 一o 3 6 k g c o d k g m l s s - d 之问时能发生比较好的阎步硝化反硝化现象。 ( 6 ) 根据本实验妁研究，认为骥生物反癍系统中同步硝纯反硝纯效巢最抒 的工作条件为：d o 控制在0 8 p p m 左右，遴水c n 眈在1 0 _ 莸右，f m 为 0 3 4 k g c o d k g m l s s d ，p h 值在中性略微偏碱处。 ( 7 ) 通过同步硝化反硝化反应极理的分攒，建立了膜生物反应爨中魄嗣步 鞘纯反磴纯反应动力学模鼙，发嚣实验结柒丽求褥豹硝酸薤饱和常数k n 0 3 要远 远离于传统单级反硝化过程模型中的硝酸盐饱和常数，从量化的角度了解了同步 硝化反硝化现象。 关键嚣：貘生物反应器，因步硝纯反鞘纯，动力学模型，溶解氧，碳氮毙 a b s t r a c t t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e dt h et h e o r 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 d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) i na c t i v a t e ds l u d g es y s t e ma n dm b r w h i c hb a s e do nd o m e s t i c a n df o r e i g nr e s e a r e h so ns n d a n dt h ep a p e rh a sp a i dm o r ea t t e n t i o nr e s e a r c ho nt h e t h e o r 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 ( s n d ) i nm b r n l cm a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ep a p e rh a sp r o v e dt h a ts 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 e n i t f i f i c a t i o n ( s n d ) c a no c c u rc o n c u r r e n t l yi na c t i v a t e ds l u d g e s y s t e ma n dm b r c o m p a r e ds n d i nt h ea c t i v a t e ds l u d g es y s t e mw i ms n di nm b r a n df o u n dt h a tt h em b rh a sah j g h e rr e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d ，a m m o n i aa n dt n t h a nt h ea c t i v a t e ds l u d g es y s t e m a sa w h o l e i nt h em b ri se a s i e rt or e a l i z e 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 ( s n d ) t h a n a c t i v a t e d s l u d g e s y s t e m ，a n dt h ee f f e c ti sb e t t e r ( 2 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si na c t i v a t e ds l u d g es y s t e ma n dm b r s h o w e dt h a t d oi sal i m i t i n gf a c t o rt 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 dd e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) ，c ni s ak e yf a c t o rt 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 dd e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) ，a n dp hi sa i m p o r t a n tf a c t o rt 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 dd e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) a c c o r d i n gt o t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h e e f f i c i e n c 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 st h eb e s tw h e nd oc o n c e n t r a t i o ni so 8 m g l - 1 0m g la n dp hi s n e u t r a lt oa l k a l e s c e n t w i t hr e d u c t i o no fc o d t n ，t h et nr e m o v a le f f i c i e n c yb e c o m e s l o w e r b u tt h et nr e m o v a le f f i c i e n c yi n c r e a s i n gw i me n h a n c i n gf m ( 3 ) t h ei n f l u e n c em e c h a n i s mo nt h ee f f i c i e n c yo fn i t r o g e nb ys n d i na c t i v a t e d s l u d g es y s t e ma n dm b rw a sd i s c u s s e d t h ee r i e c t so fd i f f e r e n tf a c t o r so nt h e e f f i c i e n c yo fn i t r o g e nb ys n di na c t i v a t e ds l u d g es y s t e ma n dm b r c o u l db e e x p l a i n e db yt h et h e o r yw h i c hi n c l u d i n gm i c r o s c o p i c e n v i r o n m e n tt h e o r ya n d m i c r o b i o l o g yt h e o r y ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c em e c h a n i s mw h i c hd o a n dc na f f e c to ns n di sc o n s i s t e n ti na c t i v a t e ds l u d g es y s t e ma n dm b r ( 5 ) f mi sa n o t h e rk e yf a c t o ri m p a c t i n go nt h 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 d d e n i t r i f i c a t i o n f s n d 、f o rt h eb e s te 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 d d e n i t r i f i c a t i o mf mi sn o ts a m ei nt h ed i f f c r e n td oc o n c e n t r a t i o n i nt h i se x p e r i m e n t ， f mi so 1 5 - 0 3 6 k g c o d k g m l s s t df o rb e s te 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 n a n dd e n i t r i f i c a t i o ni nm b rw h e nd oc o n c e n t r a t i o ni so 8 m g 几 ( 6 ) i nt h er e s e a r c h ，t h eo p t i m a lt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sf o rm b r s n d p r o c e s s a r ed e t e r m i n e d , u n d e rw h i c ht h ed oi sa b o u t0 8 p p r o , c nv a l u ei sa b o u t1 0 f ，mi s 0 3 4 k g c o d k g m l s s d a n dp hi sn e u t r a lt oa l k a l e s c e n t ( 7 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n so fs n d ，t h ed e n i t r i f i c a t i o ns e e m e dt ob er a t e - l i m i t i n g s t e p m e a n w h i l e ，b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go fd a t ao fs n d , t h e k i n e t i c m o d e lo fs n dw a sc o n s t i t u t e d ，a n dn i t r a t es a t u r a t i o nc o e f f i c i e n t 埯3w a sd e d u c e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i tw a sf o u n dk n 0 3 o nt h ec o n d i t i o n so fs n d w a sg r e a t e rt h a nt h a to fd e n i t r i f i c a t i o np r o c e s si ng e n e r a lm o d e lf o rs i n g l e s t a g e a c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ，a n ds n dw a sd e e p l yu n d e r s t o o df r o mq u a n t i t a t i v ea s p e t k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b 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 n ( s n d ) ，t h em o d e lo fr e , a c t i o n k i n e t i c s ，d i s s o l v e d o x y g e n ，c o d ：t n i v 南昌大学 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。 作者签名菇腿阜氛 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 学位论文作者签名： ( 请在以上相应方框内打“”) 彳知协 导师签名： 签字日期： 胡年f 月11 日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 簇生物反癌器率同步磷纯反鞘亿抟研究 第一章绪论 。1 课题的提出 第一章绪论 水，作为人类所需的不可替代的一种资源，是社会持续发展的重要支柱之。 我国是一个水资源极朦是的国家，入均水资源占商量只有2 1 6 3m 3 ，为世界人均 量豹1 4 ，在毽乔银行统计鹃1 5 3 个嚣家中只藩第8 8 位，著被联合国确梵i 3 夺 水资源贫纛的国家之一【l 】。水资源一方面存在短缺，另一方面水体又因为我国社 会经济的快速发展两遭受着日益严黧的污染，全鼷2 3 的湖泊受到不同程度的富 营养纯浮染危害，七大承系( 海溺、辽河、黄河、淮河、橙稳江、长江、源江) 6 3 的河段因受到不同程度的污染而失去了饮用水功能1 2 】。 2 0 0 4 每，全国废水排放总量4 8 2 亿吨，其中工业废水排放爨2 2 1 亿吨，嶷活 污承捧放羹2 6 1 亿堍。2 0 0 4 年，纯学需氧量簿敖爨1 3 3 9 万吨，阮上年蹭热0 ，唾； 氨氮排放壤1 3 3 万吨，比上年增加2 5 。目前城镇生活污水处理率只有3 2 3 ， 大量未处理达标的污水摊入东体，不仅绘我重的水环境带来熨加严重的污染，危 害入类翡囊体健康，搿艟迸一步热麟隶资源静蔻缺。 目前，普遍采用的污水处理工就是活性污泥法和生物膜法，但对t n ( t o t h n i 扫o g e n ) 去除效率锻低，只有1 0 - - 3 0 之间，难永中仍含蠢大量的氮秘磷， 从丽弓| 越水体的富营游纯，带来严整经济损失帮环境闽题。尽繁一些为了强仡除 磷脱氮对活性污泥法工艺流程进行改造的a o 滋、a 2 o 法等工艺在除磷脱氮方 嚣起到了一定静作鼹，餐仍存在浮淀浓度低、总水力停留时间较长、设备庞大、 需污泥期硝化液回流、需加碱和碳源等缺点，并飘基建投资和逶季亍费用高。针对 我国的经济实力和日盏严重的水污染问题，研究、开发和利用投资少、能糕低， 势能同时瓣有撬裼和氮佬台物进行露效去除的废水处理技术遗在眉睫。 近年来，随着臌生产技术的提高和生产成本的降低，膜生物葳应器 ( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 作为一种新型高效的污水处理技术在国际上受 到了广泛关注。特别怒一钵式膜生貔反应器，其其有基承水籁好，容积负藏离， 占地面积小，剩余污溅产量低，操作管理方便等优点，倍受人们的青睐。舀前， 膜擞物反应器中嗣步硝化反硝化的研究第一章绪论 鬓瘫努已毒毒譬多藏凌疲矮予污承溺霸处理、整活污拳楚理、工鼗疲隶楚理靛m b r 工程实例。最近关于利用m b r 处理生活污水的研究h 激要集中程如何防治膜污染、 减少m b r 熟运行操掺费建方露秘阕时实蠛碳、氮斡犀步去除方嚣。近霉来，人 们研究的同疹硝化反硝化脱氮工蕊具有流程简短、曝气需求低、碱度消耗少等特 点，因面可隆低建设投资和运行成本，在生物脱氮处理方面显示出巨大的潜力。 同时，m b r 系统由于膜与微生物的共作用特性，创造了更有利于实现阍步硝化 反硝他的微生物环境，因此，在m b r 中实现同步硝化反硝化，无论在技术方面 还怒在经济方蕊都具有很好的潜力和广阔豹应用前景。 。2 骥生物反应器鼢特点与分类 1 ，2 1 膜生物反应器的特点 膜生物反应器是将膜组件的高效固液分离作用和生物反_ 呶器内微生物的生 物降解作用露枫结合聪成翰一穆海水处理与露孀技术，它以膜缌馋取代了传统处 理工艺中的二沉池和荫处理系统，简化了工艺流程，县有如下特点： ( 1 ) 固液分离效聚好。膜生物反应器完全依靠朕组件的截留作用，实现泥 承分离的哥的。膜组件酌孔径很小，可将全部的悬浮物和污泥戳留下来，固液分 离效果远远好于二沉池。 ( 2 ) 由予膜组件瓣高效截螫作雳，将污泥全部缓留在生物反应嚣之中，这 一方面省去了污泥回流设施的基建费用和逡行费用，另一方面在反应器内保持了 较麓戆污淀浓笈，辫 鑫了污泥受蓊，疆毫了反应器戆忿瑾效率。 ( 3 ) 膜生物反应器中，水力停留时间与污泥停留时间是完全分开的，这样 裁可默饺生长缓馒、世代涎趣较长躯徽生物( 翅磷鼗缨蘩) 选戆在反应嚣孛生存 下_ 涞，保证了膜生物反威器除具有降解去除有机物的作用外，逐具有良好的硝化 作用。 ( 4 ) 由于反应器中污泥负荷低，污泥产率低，使得剩余污泥的产生蹙少， 这就大大降低了污泥处爨困难的问题，节省了污泥处理的费用。 ( 5 ) 骥奠兰物反应器抗冲击受荷能力较强，出永水质比较稳定。对于活性污 泥法中经常出现的污泥膨胀问题，由于不用二沉池进行固液分离。故不会影响生 兹爱应器最终瓣出瘩承震。 袋生羲反应器串瓣争耩纯反硝话缒研究第一章绪论 ( 6 ) 朕嫩物反应器工芑流程简单，结构紧凑，运行管理简单方便，易于实 现自动控制。 ( 7 ) 膜舷物反应器的出水水质良好，不但能有效去除s s 、c o d 、b o d 等， 还可去狳缨蘩鞠病毒，省去螽续浆瀵毒工艺。 ( s ) 骥黧物反应器工艺设计灵活，可对褒寄黪污承处理厂遂行改逡，在充 分利用原有构筑物的基础上，稍加改造就可获得高质量的出水。 1 2 2 膜生物反应器的分类 ( 1 ) 羧生携反应器按生黪系绞与貘过滤系统缀会方式霹分为分嚣式貘生物 反应器( 如图1 - i ) 、一体式膜生物反应器( 如图l ，2 ) 、复合式膜生物反殿器( 如 图1 - 3 ) 、膜i 鼯气生物反应器四种形式3 1 。 生钧j 溅嚣 加压裂膜组件 圈1 - 1 势置式瑛生物反应然潮 生翱厦成器抽暇象 围l 以一体式骥生物反应器湖 塞塞基谥 交蠹静删 生物囊瘫器捶嚷象 出永 强l o 复舍式膜生稳反藏嚣 ( 2 ) 朕生物反应器根据膜组件在生物反应器中的作用的不同，膜生物反应 器可分为分离膜生物反应器、曝气膜生物反应器和举取膜生物反应器。目前在废 水处理中研究、应用比较多的怒分离膜生物反应器，在该体系中膜组件取代传统 生凌楚理戆二沉逢，爰强将活渡浮淀窝已获步净纯豹东分开，将活缝泻滋藏整在 生物反应嚣中，提高活性污泥浓度，以提高系统的去除率。根据生物荦元所采用 的形式不同，有如下几种方式“：一是活性污泥+ 臌组件，称为活性污混反应器 ( asr ) ；二是生物接触氧化十膜组件，称为生物膜反应器( br ) ；三是复合 骥生錾蠹痤嚣孛瓣疹疆纯聂硝耗豹研究第一章缝逢 式生物反应器+ 膜组件，称先复会溅反应器( hr ) 。三种形式的膜生物簸成器组 合工艺对污染物去除效率相差不大，但膜通透量却存在明显差异，复合膜嫩物反 应器( h l ：i ) 工艺的产水率最高，活性污泥反应器( asr ) 和生物膜反废辫( b r ) 穗差不大“) 。 ( 3 ) 膜懋携反应器中的膜缀件从构型上有中空纾维式、板框式、管残、帘 式、毛细管式罄，各种构型膜组件的优缺点见表1 一l 中；膜组件按化学组成可分 为有机膜和无机膜：按孔径大小w 分为微滤膜、超滤膜和纳滤膜。膜组件采用的 材质分别有聚溅( p s ) 、磺化聚砜、浆德氯乙烯( p v d f ) 、聚嚣烯靖、聚醚蕊( p e s ) 等，善静耪爨鹣貘缝俘蠹垂特点裂予浚1 - 2 孛。 表t - 1 各种构型膜组件的优缺点 堕兰塑星生璺定耍生型垡墨跫笾塑至塞 塑二童丝 表1 2 锫种膜材料的特点 聚台镌饶点 获熹 t i o ：z r 0 2 藿雾定性好、化学稚黼、机械稳定籍孺虫仅限于帆叭材 醋酸纤维 价格低抗氯，溶剂浇没 燕稳定性、化学稳定性、机械稳 定性差 聚瓣 广泛静港毒往，藏p h ，溶裁浇注霹瑗氢筵台物靛截窭较差 聚丙烯 抗化学腐蚀性强 未经表面处理县有疏水性 聚四氟乙烯巷喜量琵霎纂銮差薯；粼污染疏水性强，价格昂贵 聚酰胺 良好的纯学稳定性，热稳定性 对氯纯耢较敏感 良好的机械强度、刚性殿和抗蠕变( 优 聚镳氟乙烯主蓑喜萎豢妻黧囊誓羹趋囊委天荨蓑徐格磊爨 定性好 1 。3 水环境中氯的形态与来源 1 3 1 永环境中氨的形态与转化 菠水中豹氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸慧氮寝硝酸盐氮簿西耱形态存在。 有机氮包括虽白质、多肽、氨基酸和尿素等，无机氮包括氨态氮( 简称氨氮) 和硝 态氮。氨氮包括游离氨态氮n h 3 h 和铵态盐n h 4 十攥。硝态氮包摄硝酸盐氮n 0 3 - n 和亚硝酸盐氮n 0 2 - n 。亚硝态氮不稳定可班还滁为氨氮，或辍伍成硝态鬣。废 水中能被测定的有机氮和氨氮的总缀称为总凯氏氦( t o t a lk i e l d a h in i t r o g e n ) ，常 露t k n 来表示；泼水中一切含氮位合物以氮计量的总秘称为总熬( t o t 畦 n i t r o g e n ) ，常用t n 来表示。 氮的几利t 形态的栩互关系可以用图1 4 来表示。 膜生物艇应器中同步硝化反硝他的研究 撼一章绪论 厂蠢瓿氮总靓式氮( t k h r ) 慧氮( t n ) j 氨氮 j l 鬣硝酸盏氮 l l 硝酸盐氮 圈1 - 4 各种形态氰酌关系翻 氨氮在水中是以n h 3 或n h 4 + 蕊种形式存在，即： n h ；hn h 3 + h + 动态平衡时勋：i 丝! 】旦：! n h ；】 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 式孛：k a 一蹇解誊数； n h 3 一氨的浓度，( m o l l ) 陋 4 一氨离子浓度，( m o l l ) 【h + 】氯离子浓度，( t o o l l ) 水中惑的氨氮物科平衡式可写为 总的氨氮浓度= f n h 3 】+ n h q 根据以上平衡式可以知道，n i - 1 4 + 在总的氨氮中所占的比例可用下忒来表示： 嘲胁器x 1 0 0 = 丽1 0 0 。， 将式( 1 3 ) 霞入式( 1 2 ) 可褥 【船；】( 蚴= 甄丽1 0 0 ( 1 - 4 ) 由式( 1 4 ) 可以看出，水中的氨氮主要以那种形式存在是与污水的p h 相关 的。铡知，氨在2 5 c 时的离解常数k a = 5 8 1 0 一。，当水的p h = 8 对，厢式( t a ) 计算可以知道，此时n h 4 + 所占比例为9 4 。6 。若水黪p h = 7 ，n h 4 + 艇占比例必 9 9 4 。可见，在大部分污水生物处理设备中，氨氮主要是以n h 4 + 的彤式存在。 1 0 0 余年藏即已礁定k 素澎态转化涎疆条蔟本途经f 甜。它们是好氧条馋下瓣 铵氧化( 硝化过程) 和厌氧条件- v 的硝酸根还原( 反硝化过程) ，这是两个不同的过 程。硝纯过程愚在鑫疰j 氯存在瀚象终下，氨氧纯徽生穆把n h 4 * 氧诧残n 0 3 一匏过 程。氨氯化细黼多为化能自养细菌，有机碳的存在不利于氨氧化细菌的活性。但 膜生物反应器中同步硝化反硝化的研究 第一章绪论 在氨氧化细菌中，一部分是异养细菌，它们参与氨的氧化过程需要有机碳的供应。 反硝化过程是反硝化细菌在严格厌氧条件下把n 0 3 。还原成n2 的过程，生成的产 物有n 2 和n 2 0 及少量气体。反硝化过程也可以通过纯化学的方式进行，但化学 反硝化在硝酸根反硝化中所占的比重不大。 在这两个基本过程的基础上，2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初基本上确认硝 酸根还原还有一条捷径【5 1 。硝酸根还原成亚硝酸根后，不是继续还原成气体物质， 而是一部分n 0 2 还原成氨，简称为d n r a ( d i s s i m i l a t o r yn i t r a t er e d u c t i o nt o a m m o n i u m ) 。这一过程除产物为氨外，还常有亚硝酸根的短暂积累和n 2 0 排放。 硝化过程中不产生n2 的观点也受到了挑战。在灭菌土壤上接种硝化细菌，加入 n h 4 + 可以观察到n 2 0 的排放。几乎在同时，经过长时间的争论，突破了反硝化 过程不能在有氧条件下进行的理论。在9 0 年代初确认好氧条件下同样可以进行 反硝化过程。在有分子氧存在的条件下进行反硝化过程，称之为好氧反硝化 ( a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o n ) 。微生物研究方面也打破了硝化细菌和反硝化细菌的严 格界限。原来认为严格好气的自养硝化细菌在氧胁迫下也能利用n 0 2 作为电子 受体而反硝化，生成n2 或n 2 0 和n o 。一系列反硝化细菌则可以参加异养硝化 作用，一部分异养硝化细菌也能够同时进行硝化和反硝化作用垆j 。 1 3 2 水环境中氮的来源 水体中的氮其来源是多方面的，主要由城市生活污水、工厂工业废水和农溉 污水三方面带入。此外自然界的天然固氮也是一个方面，通过雷电固定大气中的 氮就占天然氮的1 5 。大气中的氮通过下雨会降解到水体，水体本身尚有许多能 将大气中的氮固定下来并进入水体。据统计，一些湖泊中的固氮微生物从大气中 固定下来的氮可达湖泊中藻类生长所需氮量的5 0 。而土壤中的固氮菌和豆科植 物根瘤菌的生物固氮也是造成氮进入地下水环境和土壤内源的因素。 1 3 2 1 城镇生活污水中的氮 随着城市人口的进步集中，城市和村镇生活污水和生活垃圾中含有的氮越 来越高，城镇生活污水中的氮主要同厨房洗涤、厕所冲洗、沐浴、洗衣等带入， 城市垃圾的渗滤液含有较高的氨氮。每吨垃圾约产生o ，7 2 2 t 渗漏液，例如香港新 界的垃圾渗漏液就含高达5 0 0 0 m g l 的氮氮。 膜生物腻应器中嗣步硝化反硝化的研究第一章绪论 城镇生活污水中含有的脊机氮和氨氮。主舞来源于人体食物中蛋臼质代谢的 褒弃戆懿粪袋等。遴鬻毅鲜生活污承孛有撬氮翔嚣豢等约占6 0 ，滗辊氮约占 4 0 ，并有微艟的硝酸态氮和贬硝态氮，约占不到1 。陈旧生活污水中由于有 纲菌，能将蛋自矮分解，使蠢祝氨变成氨氨，扶丽使求体中氨氮静眈例上升。据 统计，美国一般每人每天平均产生约1 6g 的食氮废夯物，美国的城市污水统计 表示含氮总量为2 0 8 5m g l ，其中氨悫氮约为8 - 3 5m g l ，有机氮为1 2 5 0m g l 。 我国因生活方式与饮食习馁蛇不网，城市生灌污水中获含氮的平均餐低于美爨懿 统计假，但我因城市污水中工业废水的比重约占6 0 ，远远高于西欧殿美国。我 莺苓瓣遮区域蛮污承审氮懿会譬隽嚣之阕戆麓异逢缀丈l 翻。我嚣嚣蘩采强熬大多 是生物脱氮法处理城市生活污水，二级处理以后，如糟没有硝化作用，排放的污 承中豹氮主癸为氨氮，逶常为1 5 3 5m g ，l ；知若有硝纯一反硝纯作蔼的活性污漉 排出食氮量约为2 1 0m g l 。 1 3 2 2 工业废水的氮 工韭菠东中兹氮，藐取决于工厂掰臻乐瓣豹性囊，也与生产工艺及产品静种 类有关；同时与工厂的管理尤蕻是废水的管理技术及水平有关。因此不仅在不同 类型工厂的工业废永中所含的氨氮、硝态氮、距硝态氮的浓度也是不相同。产生 高浓度含氨废水的工厂，大致可以分为两类型。一类是含氮产品的生产厂，另一 类是含氮产品的使用厂和加工厂。会产生氨氮废水的工厂主要是合成氨厂及系列 氮巴厂、复合船厂、磷酸生产厂、炼焦厂、已凑酸黢厂”、玻璃及玻璃裂品厂、半 导体印刷电路缴产厂、铁合金厂、石化厂、炼油厂、家电厂、制冷剂厂、屠宰厂、 塞食菇麓工厂、淫厂等。天王台残鹣含氮纯疑慧承薅孛氮氮营养元素静主要来源。 我国目前是氮肥产量属世界首位的。硝酸盐系列产品广泛应用于国防工业、冶金、 祝截、轻工、纺织露染、惑壳丰才料等部门。这魏高浓度硝酸盐的工业废水通常也 含有弧硝酸盐，只是其浓度较低。例如硝酸钾生产厂勰 放的废水中含商硝酸挫 2 6 4 0m g l ，同时也含商亚硝酸盐6 4 0m g ，l ，识后者易氧化成硝态氮。而某些工 业废水中起裙并不含蠢亚毒酸楚和硝黢盐，在硝健萤瓣终用下方磷证威硝酸釜秘 亚硝酸盐【6 】。 1 3 2 + 3 农韭海水的氨 缀肥旌入壤后并不是全部立即狻撞物吸收，一般认为当季蕴黪吸收的量不 簇生糖反应器孛瓣拳鞘纯爱稿纯豹簪 究 第一霪绪论 超过5 0 ，余下的残留于土壤中，可被后季植物利用，其量约为2 5 0 一3 5 ，而 损失到大气域随水流失的部分可迭总量的2 0 以上。a n 上我国科学施肥及推广问 题未得到有效的解决，进入水体的流失氮肥数量必然也是越来越多脚。此外农村 夔家畜养殖场、教场孛家啻魏菠雾物、撵遗凌也是农激污水中氮魏寒滚。魏韵物 薪鲜屣液中氮瓤可高达1 2 2 7m g l ，猪场废水中氨氮逸4 9 _ 4m g l 。 1 。4 水环境中氮污染的危害性 交予氨氮跫藩凌霹徽生物鹣皇簧营养魏曩，农锩中氯氮含量豹增翔衾造残拳 体的富营养化，使水体发黑变炱譬l 起水质的恶他。氮污染的主要危害表现在以下 几个方面( 7 】： ( 1 ) 氨氮要消耗水体的溶解氧 氨氮随污水搀入承体后，可谨消磷证缨萤砟瘸下被氧纯蔻硝酸盐。裁化每毫 克翡n l - h + - n 为n 0 3 - n 要滚弦承俸的溶簿氧4 5 7 m g 。 ( 2 ) 增加污水处理费用 当以含宵较高浓度氨氮的水体作水源，或对含氮氮量较高的污水厂出流进行 消毒时，要增加氯消耗量：进丽增加污水处理的费用。 ( 3 ) 氮健含甥怼天露生秘蠢毒害终曩 氨氮会影晌鱼鳃的氧传递，浓度较高时甚至使鱼类歹e 亡。亚硝酸赫肖可能转 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。 ( 4 ) 加速水体的“富营养化”过程 承体富蘩葵纯爱，藻类的邈瀵慧殖将簿 磊承豹矮爨，主要表现为：避行承 处理时，由予滤沲荔被堵塞，缭艇了冲洗周期，璜翔承楚理费塌；影响东上运 动：由于藻类的代谢，使水熬谢色和气昧，影响感观：蓝绿藻产生的毒物危 害鱼和家畜，由于藻类的腐烂引起溶解氧的大量消化。 。5 本漂题辑究的意义翻生要内容 目前最常用的污水脱氮技术为传统生物脱氮，即通过硝化一反硝化过程使氨 氮转化为氮气【8 1 。硝化和反硝化是两个相互对立的过程，硝化反应借助硝化细菌 豹 乍用，要在有氡环境下进行；反硝化反应列借助予反硝仡菌的作用，只有在无 9 膜生物反应器中同步硝化蔽硝化斡研究 第一章缝论 氧条件下，该反应才能顺利进行【9 】；而盥该工艺还需要大量的有机碳源作为电子 供体，如果c n 2 5 ，没有外加有机碳源，反硝化就无法有效地进行i 埔】，而如 果c n 4 ，反硝化容器体积要提高1 。5 1 7 倍；因此在处理低( 超低) c n 比商 浓度会氮废水如垃圾渗滤波、消化浮泥脱水液、动物蓁缀场排出滚等时该工艺表 现出了极大躲局限拨”“。 在潮步稍纯反磷纯( s n d ) 工艺串，硝纯反应鲶产物可矗接成为反鞘亿反应 的底物，困诧，整个反藏过程加快，水力停留时间可缩短，反应器容积也可相应 减小。同步硝化反硝化使得两类不同性质的菌群( 确化菌和反确化菌) 在同反 应器中同时工作，脱氮工艺更加简化而效能却大为提高。在废水脱氮工艺中，有 机物氧化、硝化和反硝化在反应器中同时实现，既撮高脱氮效果，又节约了曝气 积混合波回流所震的能源。另终在同步硝他反硝化( s n d ) 工艺中，反硝化反应 中魇释放出娓碱度可部分 b 偿l 卷囊二反应踞释放灼碱，馒系统蝗p h 壤樱对稳定， 在爱应过程中，碳源对鞘纯凝应有馁进佟焉，溺时瞧为及硝锚二撬供了碳源，减少 藏篌系统无需添掬乡 碳源。新 奠，对于含氮滚永的懿理，同步硝亿葳硝纯技术有 着重要的现实意义和广阔的应用前景l t 2 - 1 7 1 。 本谍题立足于国内外同步硝化反硝化最新研究成果，以在膜生物反应器实现 同步硝化反硝化和运行优化为目标，对膜生物反应器处理含氮污水过程中的同步 硝化反硝化进行一系列系统深入的实验研究，研究的内容主要包括四个方面： ( 1 ) 对膜生物反应器( m b r ) 中的同步硝化反硝t 匕现象进 亍考察，分板溶解 氧( d o ) 、碳氮比( c n ) 、鸯枧受穗( f m ) 、p h 等因素慰膜生物反应器的固步磷 纯反磷纯的影璃，并对沈活性污泥系统中熬零步磷纯反辚纯褒象。 ( 2 ) 探讨帮分析溶解氧( 羚o ) 、碳氮院( e n ) 、有梳负荷( f m ) 、p h 等因 索对脱氮豫碳效率的影响，得出膜生物反应器( m b r ) 同步硝化反硝化的最佳运 行条件； ( 3 ) 根据膜生物反应器( m b r ) 同步硝化反硝化在最佳运行条件下的运行情 况建立邋宜的动力学模型。 ( 4 ) 奁曩前国内外对m b r 同步硝化反硝化微生物学枫理的碜 突基皴上，对 膜生甥菠疫器( m b r ) 孛豹微生物进行移步豹定性分撂，以考察疆鼹孛的生物学 淫论可能起戮的稻对作翔。 0 膜生物反应器中同步硝亿反硝纯的研究第二章壤水生物脱氮理论姆技术 2 1 概述 第二蠢废水生物脱氦理论与技术 污隶审氮豹去狳方法分隽貔纯驻氮法和生貔驻氮法。跌2 0 毽纪6 e 年代起， 创造了氨的气提、选择性离子交换、折点加氯、电渗析、反渗遴等的物化脱氮方 法，但物他脱氮法工艺复杂、成本较高，难以推广应用。而生物法脱氮因为污染 耪静转鬣：遥程不需要麓滠高压，在瀑和静条等下经逶酶篷证静搿薅效并摇静甥康 的完成，而且微生物具肖来源广、繁殖快、对环境适应性强和易宓现变异等特性， 被公认为鼹种经济、有效和最有发展前途的方法之一l l8 1 。i 匿2 0 年来，废水生 物脱氮技术得弱了较袄豹发展，许多醣究者撬爨了一系翻赘麓缀理论与工慧，并 在实际工程中得到应用，有关废水嫩物脱氮的理论也日臻成熟f l 蚰o 】。 2 2 传统生黪脱氯誊霆理 废水生物脱氮的基本原理是在传统二级生物处理过程中，污水中的含氮有机 物首先被霹养型微生物转化为氨氮，然后在好氧( o x i c ) 条件下，通过好氧的宦 养墼硝纯酾亚磷纯菌麓俸曩l ，褥疲水中豹氨氮氧纯为亚硝酸慧氮或硝酸盐氮，最 后在缺氧( a n o x i c ) 条件下，利用殿硝化细菌( 脱氮菌) 将亚硝酸盐和硝酸盐转 他为氮气从废水中逸出，从而达到从废水中脱氮的目的，图2 1 为生物脱氮过程 示意鹜。 氰化 硝化 好戴、缺氧、厌裁 好氧 厂1r 异养菌 亚硝黢菌硝酸菡 有机氨一s - l ：州一n o ；一n n 佻 n 0 i - n l 拜： 图2 - i 生物脱氮过程示意圈 化 蘸 州t 制 袋生鐾反碰器中冠费硝证爱硝他的磺究第二章凌泰生瓣戏氮理论与技术 2 ，2 。 氮化凝应 有机氮化物在微生物的分解佟用中释放出氨盼过操拣爻氨豫反嶷。在寒经处 理的新鲜废水中，污水中的有机氮主要有蛋白质、尿豢、胺类化合物、氨揍化合 物戬及氨基酸等形式存在的，诧夕 也育少量的氨态氮，如n h 。及n h 。+ 等。 蛋囱质是瞧许多氮基酸分子缎成鲍。氨基酸可以髑递式怒烈h 茹 l 表示，r 代表不间的基团。在能产生骚自酶的微生物作用下，蛋自质可逐步水解成简单的 产物，镦后形成氨基黻。氨基酸可渗入细菌的细胞内，在细胞内，氨基酸可进行 默氨基终晨。因此，氨健微生甥分勰蛋整壤是不藏微燮物相囊终曩静结果。篪氨 熬作用既能在有氧的条件下进行，也能在缺氧或厌氧条件下进行，其反应式如下： 在有氧条件下： r c h n h 2 c o o h + 呸r c o o h + c 0 2 + n h 3 ( 氧铯粒氨鏊) ( 2 1 ) 在缺氧条件下： r c h n h 2 c o o h + 皿0 j r c h 2 0 c o o h + n h s ( 水解脱氨基) ( 2 2 ) r c h n h 2 c o o h + h _ r c h 2 c o o h + n h 3 ( 还原脱氨基)( 2 3 ) 峨醐簧恐鹗锵呻c h 3 c o c o o h + n h s ( 貌水脱氨嫠) ( 2 4 ) r c h n h 2 c o o h + r c h n h 2 c o o h + 皿0 _ r c o c o o h + r c h 2 c o o h + 2 n h 3 ( 氧化还原脱氨基)( 2 5 ) 藤索的分瓣过程楚在藤索酶的作霜下迅速永解为辙酸胺，碳酸胺很不稳定易 分解成氨，二氧化碳葶珏水。生活污水中的氮氮主要来源予尿素的水勰。其反应式 如下： c o ( n h ：) 2 + 玛0j ( 吼) 2 c 0 3 ( 2 6 ) ( n h 4 ) 2 c 0 3 2 n h 3 + c 0 2 + 羁o ( 2 。7 ) 2 2 2 硝纯蔽应 硝纯反应怒由一瓣窘养鍪好氧微生物宛戒静，它毽括两个步骤，第一参是由 豫硝酸菌( f 鲫s 蝴册嘲犍氨氮转化为亚硝黢盐f n 0 2 - ) ，驻硝酸菠中有贬磷酸单腿 菌属、溉硝酸螺杆菌属和亚硝化球菌属。第二步则由硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 包括硝 酸耔菌麟、螺菡属和球菌属，将亚硝酸叠进一步氧亿为硝酸魏( n 0 3 。亚硝酸菌 膜生物反应器中同步硝他反硝化的研究第二颦废水生物脱氨理论与技术 和硝酸菌统称为硝化菡。这类菌利用无机碳化合物如c 0 3 、h c 0 3 和c 0 2 作碳源， 献n h 3 、n h 4 + 或n 。2 - 酶戴纯反应中获繇簸量，两矮反应稳需在鸯氧的条佟下迸 行。两类硝化菌的特征如袭2 1 。 表2 1 硝化细菌的特藏罄l 顼臻囊硝酸菌磷酸萤 细胞形状椭球或棒状椭球或棒状 绥麓尺寸( m ) l 1 5 0 。5 1 0 草兰氏染色阴性阴性 毽钱期f l 谚8 - - 3 6 1 2 5 9 自养性专性兼性 震氧戡严捂好氧严捂好氧 最大比增长速率1 1m ( h r 1 o 0 4 0 0 8o 0 2 , - , 0 0 6 产率系数y ( m g 细胞) ( m g 基质) o 。0 4 - - - 0 。1 3o 0 2 - - 0 0 7 饱和常数k ( m g l ) o 6 - - 3 6o 3 1 。7 壹表2 1 可见，亚磷酸蔼帮磷液菌熬黪性大致穗议，郝为好氧叁莽萤，只有 。在溶解氧充足的条件下才能生长。但前者的世代期较短，生长率较快，因此较能 逶貔净击受薅彝不麓懿环境条薛，当磺馥鬻受到撩副豹辩候，有霹麓出现n 0 2 1 积累的情况。 亚磷能反应和硝纯反纛可敬下期反应式表示 6 1 ： 亚硝化反应： n h 4 + 十1 5 0 2 婆塑墼 - n 0 2 ”+ h 2 0 + 2 h + a g = - 2 7 5 k j m o l 。】( 2 8 ) 硝化爱皮： n 0 2 一十o 5 0 2 趟酸髓 - n 0 3 一 【a g 一7 4 1 0 m o l “】( 2 9 ) 硝纯慈反应： n h 4 + + 2 0 2h n 0 3 一+ 2 i - i + + h 2 0 【a g = - 3 4 9 1 0 t o o l