（环境工程专业论文）a2o2工艺中短程硝化反硝化的实现及影响因素研究.pdf

摘要 摘要 随着近年来工业的发展及人民生活水平的提高，含氮废水排放量日益增多， 尤其是氮肥企业排放的生产废水c n 比较低，难以满足传统脱氮工艺对碳源的 需求。近年来发展起来的短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等是适于处理低碳源废 水的新型脱氮工艺，为了推动短程硝化反硝化走向工程化应用，本课题以实际 工程为依托，在模拟试验装置中采用缺氧厌氧微氧好氧工艺 ( a n o x i c a n a e r o b i c - r n i c r o a c r o b i c a e r o b i c ，简称a 2 0 2 工艺) 处理氮肥企业生产废 水，研究了短程硝化反硝化的实现及其影响因素，主要得出以下结论： ( 1 ) 控制微氧区温度为2 4 - - 2 8 ，p h 为7 5 8 0 ，d o 为1 0 m g l ，3 0 d 后 降为0 5 m g l ，好氧区d o 为3 0 m g l 不变，污泥龄为1 5 d ，亚硝化液回流比为 1 5 0 ，硝化液回流比为2 0 0 ，污泥回流比为8 0 ，最终在微氧区实现了较高 的亚硝态氮积累及氨氮、c o d 的高效去除，并能连续稳定运行。稳定运行期间， 积累率平均达到8 8 ，氨氮去除率达到9 0 ，t n 去除率达到6 8 ，c o d 去除 率达到8 6 4 。 ( 2 ) 在稳定运行的试验装置中保持其他条件不变，分别考察了微氧区d o 、 p h 、以及水温的变化对亚硝态氮积累、氨氮去除及t n 去除的影响，得出最佳 d o 为0 3 o 4 m g l 、最佳p h 为7 5 8 o ；最佳温度为2 4 - 2 8 ，而且存在常温 下实现短程硝化反硝化的可能性。 ( 3 ) 在间歇实验装置中考察了氨氮降解规律，发现在低氧环境下亚硝酸菌 的活性受到一定程度的抑制，适当延长微氧区水力停留时间，氨氮去除率能达 到9 5 以上。 ( 4 ) 考察了氧化还原电位( o i 冲) 的变化与氨氮浓度之间的关系，并得出 了o r p 与氨氮浓度对数之间的关系式：o r p = - - 4 9 7 1 2 1 9 帆+ 一m + 1 0 1 9 。 关键词：a 2 0 2 工艺；短程硝化反硝化：脱氮；影响因素 a b s t a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n g , t h ed i s c h a r g eo fn i t r o g e n o u s e f f l u e n ti si n c r e a s i n g , e s p e c i a l l yt h e w a s t e w a t e rw h i c hi sp r o d u c e db yn i t r i cf e r t i l i z e ri n d u s t r yi sa m o u n tw i t hl o w c n ，s o i t sh a r dt os a t i s f yt h ec a r b o ns o u r c ed e m a n do ft r a d i t i o n a lp r o c e s sf o rn i t r o g e n r e m o v a l s h o r t c u tn 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 na n da n a e r o b i ca m m o n i u l no x i d a t i o n p r o c e s sa l es u i tt ot r e a tw a s t e w a t c rw i t hl e s sc a r b o n ，i no r d e rt oa c c e l e r a t et h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o fs h o r t c u t 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 。t h ea 1 | 心 p r o c e s s ( a n o x i c - a n a c r o b i c m i c r o a c r o b i c - a e r o b i c ) w a su s e dt ot r e a tt h en i t r i cf e r t i l i z e r w a s t e w a t e ri nt h es i m u l a t i o nt e s td e v i c ea n df i n a l l yw ec a nd r e wt h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ： ( 1 ) h i g hn i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ew a sa c h i e v e di nm i c r o a e r o b i cp o o lw h i l et h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ec o n t r o l l e da sf o l l o w s ：t h et e m p e r a t u r eo fm i c r o a e r o b i cp o o l w a s2 4 - - 2 8 ，p hw a s7 5 8 0 ，d ow a s1 0m g la n dr e d u c e dt o0 5m g la r e r3 0 d a y s ，t h ed oo fa e r o b i cp o o lw a s3 0m g l ，t h es l u d g ea g ew a s15 d ，t h en i t r o s a t i o n l i q u i dr e f l u xr a t i ow a s15 0 a n dt h en i t r i f i c a t i o nf l u i dw a s2 0 0 w h i l et h es l u d g e r e f l u xr a t i ow a s8 0 d u r i n gt h es t a b l ee x p e r i m e n t ，i tw a sf o u n dt h a ts t a b l en i t r i t e a c c u m u l a t i o nc a nb ea c h i e v e da n dt h er a t er e a c h e da na v e r a g eo f8 8 w h i l et h e r e m o v a le f f i c i e n c yo fa m m o n i a n i t r o g e na c h i e v e d9 0 ，t n6 8 a n dc o d8 6 4 ( 2 ) t h ev 撕a t i o no ft h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ea n dt h er e m o v a lr a t eo f a m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e nw e r ea n a l y s e dw i t hd i f f e r e n td o ，p ha n dt e m p e r a t u r e w h i l et h eo t h e rc o n d i t i o n sr e m a i n e dt h es a m e ，i tp r o v e dt h a tt h em o s ts u i t a b l ed o w a s0 5 o 7 m g l ；t h ep hw a s7 5 , - - 8 0a n dt h et e m p e r a t u r ew a s2 4 - - 2 8 ( 3 ) i nt h ei n t e r m i t t e n t t e s td e v i c e ，t h ed e g r a d a t i o no fa m m o n i an i t r o g e nw a s i n s p e c t e d ，a n d i t p r o v e d t h a tt h e a c t i v i t yo fn i t r o s o b a c t e r i ai nt h eh y p o x i c e n v i r o n m e n ti sp o o r , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fa m m o n i an i t r o g e nc a nr e a c hm o r et h a n 9 5 i ft h eh r to ft h em i c r o a e r o b i cp o o lw a se x t e n d e ds l i g h t l y ( 4 ) t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i an i t r o g e na n d0 r pw a s i i a n a l y s e da n df i n a l l yaf o r m u l a w a sf o u n d e d ：0 1 即= - 4 9 7 1 2 1 9 n h , + 一n + 1 0 1 9 k e yw o r d s ：a 2 0 2p r o c e s s ；s h o r t c u tn 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 ；n i t r o g e nr e m o v a l ； i n f l u e n c ef a c t o r i i i 1 绪论 1 绪论 1 1 水体中氮污染现状 1 1 1 水体中氮的存在形态及来源 水体中的氮一般以无机态和有机态两种形式存在。无机态氮主要是氮化合 物，包括氨氮( n h 3 或n h 4 + n ) 、亚硝态氮( n 0 2 - n ) 和硝态氮( n 0 3 ，有机态 氮主要包括氨基酸、尿素、蛋白质、核酸等含氮有机物【l 】，其中尿素和蛋白质可 以进行氨化反应，从而将可溶性的有机氮转化为氨氮，而氨氮和n 0 2 - - n 很容易 被亚硝酸菌和硝酸菌进一步氧化为n 0 3 = n 2 1 。 水体中的氮主要有天然性和人为性两种来源，天然性来源包括通过雷电及 降雨方式从大气进入水体的氮化物以及水体中固氮微生物在光照充足的情况下 固定下来的氮【3 】，人为性的来源包括未经处理直接进入水体的工业废水和生活污 水、污水厂出水、面源性的农业污染物以及畜禽养殖业的废料等【4 l 。 1 1 2 水体氮污染的危害 水体因某种物质的介入而导致其物理、化学、生物或放射性的改变，从而 造成水质恶化，危害人体健康或破坏生态环境的现象称为水污染【5 1 ，过多的含氮 物质进入水体将造成水体氮污染，氮污染危害主要表现在以下几个方面【& 7 】： ( 1 ) 氨氮氧化大量消耗水体中的溶解氧( d o ) 水体中的氨氮可以被亚硝酸菌和硝酸菌氧化为亚硝态氮和硝态氮，导致水 体中d o 浓度下降，水生物将因缺氧致死，同时硝化作用消耗大量的碱度将导致 水体p h 下降【7 】。 ( 2 ) 氨氮消耗水体中的余氯 氨氮能与氯反应生成氯胺【2 1 ，对含氨氮较多的水体进行消毒时，要想符合出 水要求，就必须消耗更多的氯，从而加大了消毒费用。 ( 3 ) 氮化合物危害人体健康 硝酸盐和亚硝酸盐在人体内有可能转化为三致物质( 致癌、致变、致畸) 亚硝胺，严重威胁人体健康。此外，水中高浓度的硝酸盐和亚硝酸盐会引起儿 童高铁血红蛋白症【7 1 。 1 i 绪论 ( 4 ) 氮元素加速水体的富营养化过程 过多的氮元素排入水体会促使藻类大量生长，从而造成富营养化。大量的 藻类不仅消耗水体中的d o ，藻类死亡和异养微生物的代谢活动还将造成水质恶 化和水体生态结构的破坏。 1 1 3 水体氮污染治理现状 随着工业的发展和人民生活水平的提高，废水中含氮物质不断增多，造成 进入污水处理厂的废水c n 比值偏低，难以满足传统生物脱氮工艺对碳源的需 求【8 】，因此寻求适宜于处理低碳源污水的新型脱氮工艺是目前水处理研究的重点 和难点。 我国大中城市污水处理厂大多从2 0 世纪8 0 年代初开始建设，大多存在标 准低、无脱氮功能的缺点，2 0 0 0 年左右建成并投入运行的污水处理厂多数仅能 达到 城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l8 9 18 2 0 0 2 ) 中的二级标准【9 1 ，这 两方面的原因造成了纳污地表水体氮、磷指标居高不下的现象，成为目前水污 染控制及环境保护领域亟待解决的问题之一。 目前污水脱氮处理广泛采用的有a o 工艺、a 2 o 工艺、氧化沟工艺、s b r 法等。这些工艺均是依据传统的生物脱氮原理去除氨氮的，首先利用微生物将 氨氮经由n 0 2 。- n 氧化为n 0 3 o n ，然后再将产生的n 0 3 - n 经由n 0 2 - n 还原为 n 2 排放，这其中还原n 0 3 - n 的过程需要消耗有机碳源，而我国城市污水的碳源 较低，难以满足这些工艺对碳源的需求【2 1 ，因此脱氮效率低下。近年来低碳源废 水越来越多，研究适宜处理低碳源废水的新型脱氮工艺是实现低耗高效脱氮的 关键。 1 2 生物脱氦原理及工艺简介 1 2 1 生物脱氮原理 污水中的氮一般以氨氮和有机氮的形式存在，通常只含少量甚至不含亚硝 酸盐和硝酸盐形态的氮。生物脱氮的基本原理就是在氨化细菌通过氨化作用将 有机氮转化为氨氮的基础上，利用亚硝酸菌和硝酸菌通过亚硝化反应和硝化反 应将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，最后通过反硝化细菌的作用将硝态氮转化 为气态氮的形式从水中逸出，从而达到脱氮的目的。 2 i 绪论 ( 1 ) 氨化作用 氨化作用是指将有机氮转化为氨氮的过程，由氨化细菌完成。氨化细菌主 要包括好氧性萤光假单胞菌和灵杆菌以及兼性的变形细菌和厌氧腐败梭菌【1 0 ， 1 1 】，氨化细菌将污水中的有机氮分解为氨氮的过程见式1 1 、1 2 。 ( 有氧条件下) r c h n h 2 c o o h + 0 2 _ r c o o h + c 0 2 + n h 3 ( 1 1 ) ( 缺氧条件下) r c h n h 2 c o o h + h 2 一r c h 2 c o o h + n h 3 ( 1 2 ) ( 2 ) 硝化反应 硝化反应是硝化菌在好氧条件下将氨氮氧化为硝态氮的过程，硝化菌为自 养茵，以无机碳化合物( c 0 2 、c 0 3 2 - 、h c 0 3 。) 作为碳源，氧化n h 3 、n h 4 + 或者 n 0 2 。并获得能量。根据反应基质可把硝化菌分为氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细 菌，根据反应产物可以分为亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 和硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) ，硝化 菌的特性见表2 7 】。 表1 1亚硝酸菌和硝酸菌的生理特性 t a b l e1 1 t h ep h y s i o l o g i c a lp r o p e r t i e so fn i t r o s o m o n a sa n dn i t r o b a c t e r 对应于亚硝酸菌和硝酸菌，硝化过程包括两步反应：第一步是亚硝化反应， 由亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐，见式1 3 ；第二步是硝化反应，由硝酸菌将 第一步生成的亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，见式1 4 ；总反应过程见式1 5 ： 心+ 1 3 8 2 q + 1 财嬲鹎- + 1 0 3 6 - 2 0 + 1 8 9 嵫吗+ 0 0 1 8 q h t q n 3 1 绪论 ( 1 3 ) n 0 2 + o 4 s s q + o o m r 2 c q + 0 0 0 3 h c o ；+ 0 0 0 0 3 n h 4 + 骂心一+ o 0 0 8 h 2 0 + o 0 0 3 c s h t 0 2 n ( 1 4 ) 町+ 1 8 6 q + 1 9 8 2 鹏堑堕岛9 8 2 心- + 1 ( d 4 h 2 0 + 1 髑岖吗+ 0 0 2 1 q 马o # ( 1 5 ) 式1 3 反应放出能量较多并供给亚硝酸菌将n h 4 转化为n 0 2 ，式1 4 反应 放出的能量较少。由式1 5 可计算得到，1 9 n h 4 + _ n 完全氧化需要消耗4 5 7 9 氧， 这称为硝化需氧量( n o d ) ，同时硝化反应消耗一定的碱度，将导致p h 下降。还 有一些研究表吲2 1 3 1 ，稳定状态下，将n 0 2 。转化为n o r 的反应速率很快，硝化 反应的反应速率主要取决于n h 4 + 转化为n 0 2 。的反应。亚硝酸菌和硝酸菌均属于 化能自养专性好氧斟1 2 - 1 4 1 ，可以从无机物氧化中获取能量。 ( 3 ) 反硝化反应 反硝化反应是在缺氧或厌氧条件下，通过反硝化菌的同化作用和异化作用 来完成亚硝酸盐和硝酸盐的还尉1 5 ，1 6 1 。反硝化菌特性见表1 2 。 表1 2 反硝化菌生理特性 t a b l e 1 2t h ep h y s i o l o g i c a lp r o p e r t i e so fd e n i t r i l y i n gb a c t e r i a 项目 还原n o r 的反硝化菌还原n 0 2 的反硝化菌 碳源 需氧状况 p h 范围 t b 生长温度范围 最大比增长速度 产率系数 半饱和系数 所包含菌属 有机碳有机碳 兼性好氧兼性好氧 6 5 8 56 5 - 8 5 0 2 5 d 5 h0 2 5 - 4 ) 5 h 5 - 3 5 5 3 5 2 61 5 1 2 9 m l v s s ( g n o x - n ) 0 8 9 。m l v s s ( g n o x - n ) 三d 1 4 r a g l “n o x - n5 1 2 m g l 1 n o x - n 单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌属 在缺氧条件下，反硝化菌将硝态氮转化为n 2 并产生3 4 7 9 c a c 0 3 g n 0 3 。- n 的 碱度，见式1 6 、1 7 - 5 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4 n 0 3 - 匡堕骘2 2 + 4 0 1 t + 5 c 0 2 ( 1 6 ) 3 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4 n o z 垦型缉2 2 + 4 0 h 一+ 3 c 0 2 ( 1 7 ) 4 1 绪论 反硝化反应以有机物为碳源和电子供体，但缺乏有机物时可以h 2 、h 2 s 等 无机物作为电子供体，同时还会发生内源反硝化m ，见式1 8 ： c 5 n 0 2 + 4 崛一一2 2 + 4 0 h 一+ 5 c 0 2 + 弛 ( 1 8 ) 从反应式1 8 可以看出，内源反硝化的发生将导致细胞物质减少，同时还会 生成氨氮，因此，应向微生物提供其必需的有机碳源，从而避免内源反硝化的 发生。 生物脱氮还包括生物的同化作用，即污水中的一部分氮( 氨氮或有机氮) 被同 化合成为微生物细胞的组成部分，同化作用对氮的去除率很低【2 一。 1 2 2 传统生物脱氮工艺 传统生物脱氮工艺主要是依据上述脱氮原理发展起来的，目前常见的有： 缺氧好氧脱氮工艺( a o 工艺) 、厌氧缺氧好氧工艺( a 2 o 工艺) 、序批式活 性污泥法( s b r 法) 等。 1 2 2 1 缺氧好氧脱氮工艺( a o ) 开创于2 0 世纪8 0 年代初的缺氧好氧工艺【6 】( a o 工艺) ，前置缺氧池进行 反硝化，硝化和c o d 的去除在好氧池进行，见图1 1 。 混合液回流 图1 1a o 脱氮工艺流程图 f i g 1 1 f l o wc h a r to fa n a e r o b i c - a e r o b i cn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s 废水首先进入缺氧池，与好氧池回流的混合液和回流污泥混合，之后反硝 化菌利用原水中有机物作为碳源，将回流液中的n 0 3 n 还原成n 2 排放，然后 在好氧池中进行有机物氧化、有机氮分解和氨氮氧化等反应。 5 1 绪论 1 2 2 2 厌氧一缺氧一好氧工艺( a 2 0 工艺) a 2 o 工艺【6 】是厌氧缺氧好氧( a n a e r o b i c a n o x i c - o x i c ) 生物脱氮除磷工艺 的简称，工艺流程见图1 2 。 混合液回流 图1 2a s o 工艺流程图 f i g 1 2 f l o wc h a r to f a s op r o c e s s 废水与回流污泥同时进入厌氧池，兼性厌氧发酵菌把大分子有机物转化为 小分子有机物，反硝化菌利用有机物把n 0 3 - n 还原为n 2 释放：然后进入缺氧 池，进一步加强反硝化反应；最后进入好氧池，发生硝化反应。 当进水t p b o d 5 值较高时，该工艺除磷效率有限；脱氮和除磷对运行条件 ( 如污泥龄、混合液回流比等) 的要求存在矛盾【引，难以达到同时高效去除。 1 2 2 3 间歇式活性污泥法( s b r 工艺) s b r 工艺在1 9 7 6 年以后逐渐得到应用， 工艺的一般工序见图1 3 。 进水 一一 8 0 年代后我国也开始应用。s b r 自由一咐肖日 进水厌氧搅拌好氧曝气缺氧搅拌 沉淀 图1 3s r b 工艺流程 f i g 1 3 f l o wc h a r to fs b rp m c e a s 磷的释放在厌氧搅拌中完成，吸磷和硝化以及b o d 去除在好氧曝气过程完 成，脱氮则在缺氧搅拌过程完成。工艺优点是：污泥s v i 较低，易于沉淀，很 6 1 绪论 少产生污泥膨胀；在单一的曝气池中能同时实现脱氮和除磷；能够实现全部自 动化；可以根据底物去除情况，灵活改变反应时间，优化出水水质。 1 2 2 4 氧化沟 2 0 世纪5 0 年代，荷兰的p a s v e e r 开发了氧化沟生物处理技术，见图1 4 。 图1 4 氧化沟工艺流程 f i g 1 4 f l o wc h a r to fo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s 氧化沟水力停留时间可长达2 4 h ，在曝气装置的下游，d o 从高向低变动， 甚至可能存在缺氧段。在流态上介于完全混合式与推流式之间，有利于活性污 泥的生物凝聚作用，而且可分为富氧区和缺氧区，分别进行硝化和反硝化，从 而脱氮。该工艺可不设沉淀池，或考虑氧化沟与二沉池合建，省去污泥回流； 污泥龄长，池内可存活、繁殖世代时间长的微生物。 1 2 3 传统生物脱氮工艺存在问题 传统生物脱氮工艺目前应用比较广泛，对于污水脱氮起到了一定作用，但 运行过程仍然存在很多问题【2 】： ( 1 ) 硝化菌世代周期长，反应器中难以维持较多的硝化菌数量，造成所需 h r t 长，基建投资和运行费用高； ( 2 ) 反硝化过程需要消耗碳源，硝化过程需要消耗碱度，处理成本较高： ( 3 ) 氨氮完全氧化需要消耗大量的d o ，动力消耗较大； ( 4 ) 硝化菌的抗冲击负荷能力低，易受f a 等抑制剂的抑制； ( 5 ) 脱氮过程存在很多矛盾，硝化菌和反硝化菌的世代周期相差很大；同 7 1 绪论 时在异养菌和硝化菌之间存在d o 及碳源的竞争。 1 2 4 新型生物脱氮理论与工艺 由于传统生物脱氮工艺的固有缺陷，再加上工业的迅速发展导致排放的废 水大多碳源不足，因此急需开发适宜于处理低c n 比废水的新型脱氮工艺。目 前发展起来的新型脱氮工艺【2 0 】主要包括：短程硝化反硝化、厌氧氨氧化 ( a n a m m o x ) 和同步硝化反硝化( s n d ) 等。 1 2 4 1 短程硝化反硝化 短程硝化反硝化是使整个生物脱氮过程通过n h 4 + _ n 0 2 n 2 t 的途径来完 成的，v o e t s0 8 1 于1 9 7 5 年首次发现了n 0 2 的积累现象，并提出了亚硝化型生物 脱氮，后来s o u t h e r s o n 和g a n c z a r c z y k 19 】在小试装置中证明了短程脱氮的可能 性。 短程硝化反硝化过程见式1 1 0 、1 1 1 。 聊+ 1 3 2 + 1 财磁型些k 9 8 2 心- + 1 ( 1 3 6 h 2 0 + 1 8 9 嵫+ 0 0 1 8 瞄0 2 n ( 1 1 0 ) 3 c ( 有机碳) + 2 h ：o + 4 n 0 2 区堕骘2 2 + 4 0 h - + 3 c 0 2 ( 1 1 1 ) 短程硝化反应中氨氮直接被氧化为n 0 2 ，减少了约2 5 的d o 消耗，而短 程反硝化直接将n 0 2 转化为n 2 排放，减少了约4 0 的碳源。此外，短程硝化反 硝化缩短了反应历程，反应器容积也大大减少。 1 2 4 2 同步硝化反硝化 传统脱氮理论认为硝化反应和反硝化反应分别在好氧和缺氧条件下进行， 然而，许多研究剖2 0 川2 2 】在不同的生物处理系统中( 如氧化沟、s b r 、间歇曝 气反应器等) 发现了同时硝化反硝化现象( s n d ) 。 研究结果表明2 3 1 ，s n d 的发生主要是由缺氧微环境引起的，它发生的程度 主要取决于d o 浓度和污泥絮体的大小，s n d 进行程度较高时可以减少一个反 应器，反硝化产生的碱度可直接被硝化反应利用，从而减少了对碳源和碱度的 需求。 8 1 绪论 1 2 4 3 厌氧氨氧化 2 0 世纪9 0 年代中期，荷兰的m u l d e r 小组发现了以氨作为电子供体直接进 行亚硝酸盐反硝化的a n a m m o x ( a n a e r o b i c - a m m o n i u m o x i d a t i o n ) 反应【2 4 1 ，厌 氧氨氧化以n h 4 为电子供体，以n 0 2 。为电子受体，反应生成n 2 ，反应过程无需 碳源。 目前开展研究的厌氧氨氧化工艺有c a n o n 工艺、s h a r o n ( s i n g l er e a c t o r l l i g ha c t i v i t ya m m o n i ar e m o v a lo v e rn i t r i t e ) 一a n a m m o x 工艺等。s h a r o n a n a m m o x 工艺是在有氧条件下将硝化反应控制在亚硝化阶段，将其出水作为 a n a m m o x 工艺的进水，整个过程只需少量氧气，不需有机碳源，产生污泥量 也较少，特别适合处理低c n 和高氨氮废水。c a n o n 工艺又称为全程自养脱氮， 在限制d o 处于0 8 1 0 m g l 之间和不加有机碳源的条件下，生物转盘中有超过 7 0 的氨氮直接转化为n 2 去除，h e l m e r 等证实该过程由亚硝酸菌和厌氧氨氧化 菌共同完成【2 5 1 。 厌氧氨氧化工艺成功运行的关键是获得足够的厌氧氨氧化菌，并将其有效 地保持在装置内，目前通常采用生物膜或者培养颗粒污泥的方式来实现厌氧氨 氧化菌的富集。a n a m m o x 条件控制主要包括：温度( 2 0 - - 4 0 ) 、p h ( 6 0 ) 、 低d o ( 7 4 时亚硝态氮积累率 高于9 0 。此外，p h 还决定着氨氮和f a 之间的平衡，废水中氨氮随p h 值不同 分别以分子态游离氨( f a ) 和离子态n h 4 + 存在，f a 对硝化过程有明显的抑制 作用【3 0 3 1 1 ，0 6 m g l 的f a 几乎就可以完全硝酸菌的活性，而达到4 0m g l 时 才会严重抑制亚硝酸菌的活性。 ( 3 ) 关于温度的研究 亚硝酸菌与硝酸菌生长的最适温度各不相同，袁林江等【3 2 】的研究结果表明 硝酸菌活性在1 2 - - 1 4 和3 0 以上受到抑制，将出现n 0 2 的积累；b a l l m e l l e 【2 3 】 则认为实现短程硝化的最佳温度为2 5 ：h y u n g s e o ky o o 3 3 】的研究表明，将温 度控制在2 2 - - 2 7 能够实现稳定的短程硝化。 利用温度这一影响因素，荷兰的d e l i t 工业大学在应用短程硝化反硝化技术 处理污泥消化上清液的试验研究中，开发了s h a r o n 工岩3 4 】，其核心是利用高 温下( 3 0 - - 3 5 ) 亚硝酸菌的生长优势，通过控制水力停留时间，使h r t 大于亚 硝酸菌而小于硝酸菌的世代周期，从而逐渐将硝酸菌“淘洗 出反应器，使亚 硝酸菌在反应器微生物中占据数量优势实现短程硝化。 ( 4 ) 关于过程控制的研究 一些研究者【3 5 ，3 6 】提出，硝化过程结束时，不再消耗d o 同时不再产生新的 氧化态物质，因此会出现d o 的跳跃以及表征氧化物质含量和还原物质含量比值 的o r p 的平台，又因为硝化过程需要消耗碱度，硝化结束时继续曝气会吹脱 c 0 2 ，从而使p h 值上升。利用这些参数的变化特点，可以及时了解硝化反应的 进程从而加以控制。 1 3 2 短程硝化反硝化工艺存在的问题 虽然目前对短程硝化反硝化的研究较多，但仍然存在一些问题： ( 1 ) 一般认为控制d o 较低有利于实现短程硝化，但是低d o 不仅会降低 反应速率还易导致丝状菌膨胀，不利于对其他有机污染物的去除。 ( 2 ) 亚硝酸菌和硝酸菌的最适p h 范围非常接近，而且p h 变化还会引起例 如f a 变化等一系列错综复杂的反应，因此，单纯的控制p h 实现短程硝化难度 较大，而且维持较高p h 需要投加的碱度增加了运行费用。 1 0 1 绪论 ( 3 ) 关于实现短程硝化反硝化的最佳温度，目前尚没有统一的定论，而且 对于水量较大的城市污水来说，控制温度也比较难以实现。 ( 4 ) 从选择性抑制来说，硝酸菌对抑制剂有一定的适应性，难以达到稳定 的短程硝化。 ( 5 ) o r p 、p h 、d o 等的沿程控制在短程硝化方面的应用尚需进一步研究。 1 4 课题研究内容 1 4 1 课题来源 本课题为河南省重点科技攻关项目“低碳源污水脱氮除磷处理新工艺与应 用研究 ( 0 8 2 1 0 2 3 5 0 0 4 ) 中的部分研究内容。 1 4 2 课题背景及研究意义 随着我国工农业生产的发展及各种化工产品的广泛应用，含氮废水排放量 不断增加，导致一些废水中的有机物如c o d 、b o d 等指标与氨氮或总氮的比值 较低，仅有1 2 ，这些低碳源污水给氨氮的去除带来了更大的困难，于是探索研 究适宜处理低c n 比废水的新型技术，成为迫在眉睫的研究课题。我国于1 9 8 8 年首次将氨氮列入控制指标，氨氮的去除主要有硝化反硝化、以及新发展起来 的适宜处理低碳源废水的短程硝化反硝化等，但短程硝化反硝化尚处于起步阶 段，实际应用中还存在着一些问题，为了使该工艺更好的应用于工业化设施， 需要对其实现条件及影响因素做进一步的研究。 安阳化工有限公司主要生产合成氨及后续加工产品，生产废水中含有大量 的氨氮及难降解有机物，水质复杂且碳源较低，公司污水处理站采用9 2 0 2 工艺 ( a n o x i c a n a e r o b i c m i c r o a e r o b i c a e r o b i c ) 处理生产废水。课题以该公司生产废水 及工艺为研究对象，进行氮肥废水短程硝化反硝化脱氮处理的研究，探索了 a 2 0 2 工艺中短程硝化反硝化的实现条件及运行效果，并分析了各种影响因素对 处理效果的影响，为工业化设施稳定达标运行提供依据，为低碳源废水脱氮提 供新的思路。 1 4 3 课题研究主要内容 ( 1 ) a 2 0 2 工艺中短程硝化反硝化反应器的启动 1 绪论 ( 2 ) a 2 0 2 工艺中短程硝化反硝化的实现及稳定运行 ( 3 ) a 2 0 2 工艺中短程硝化反硝化影响因素研究 1 4 4 课题研究创新之处 课题以氮肥生产企业的实际生产废水为研究对象，废水中含有较多难降解 物质，水质变化较大，在此条件下得出的试验结论能更好的指导实践。 课题以新型低碳源脱氮工艺a 2 0 2 工艺为研究对象，考察了在该工艺中实现 短程硝化反硝化的条件及实现厌氧氨氧化的可能性，并对影响因素如d o 、p h 及温度加以研究，分析了氨氮降解规律以及o r p 的变化规律，对短程硝化反硝 化技术走向工程化应用有极大的指导意义。 1 2 2 试验材料与方法 2 试验材料与方法 2 1 试验工艺、装置及仪器设备 2 1 1 试验工艺 河南某化工集团采用缺氧厌氧微氧好氧( a 2 0 2 ) t 艺处理氮肥废水，a 2 0 2 工艺生物处理单元由四个反应池组成，分别为缺氧池、厌氧池、微氧池和好氧 池，各池的设计h r t 分别为5 h 、6 h 、2 2 5 h 和9 h 。a ：0 2 工艺流程如图2 1 所示， 其中厌氧池内装配高效弹性丝组合填料，以利于厌氧氨氧化菌的附着，从而有 利于实现厌氧氨氧化。 进水 缺 氧 池 硝化液回流 亚硝化液回流 厌 氧 池 微 氧 池 好 氧 池 沉 池 出水 污泥回流：剩余污泥 “一一- 图2 1槲工艺流程图 f i g 2 1 f l o wc h a r to f a 2 0 2p r o c e s s 经过预处理的废水首先进入缺氧池，在此与来自好氧池的混合液及来自二 沉池的回流污泥进行混合，发生全程反硝化，实现t n 的去除。随后废水进入厌 氧池，厌氧池中附着的填料有利于厌氧氨氧化菌的生存，在该池中厌氧氨氧化 菌利用从微氧池回流的亚硝化液和缺氧池出水中剩余的氨氮进行厌氧氨氧化反 应，从而达到氨氮和亚硝酸氮的同时去除。随后，经过厌氧池处理的废水进入 微氧池，在该池中，氨氧化菌利用氨氮进行亚硝化，低d o ( 0 5 m g l 左右) 有 效地抑制了全程硝化的进行【2 7 7 1 。最后废水流入好氧池，对微氧池出水中剩余 的氨氮进一步氧化，保证了出水氨氮的达标，并且提供了回流至反硝化池的硝 化液。 1 3 2 试验材料与方法 2 1 2 试验装置 图2 2a 2 0 2 工艺试验装置图 f i g2 2e x p e r i m e n te q u i p m e n to f 0 2p r o c e s s 试验装置主要由三部分组成：恒流水箱、模拟试验反应器、污泥沉淀柱。 污水由恒流水箱经过流量计控制流量进入反应器，反应后进入沉淀柱，泥水分 离后出水排放；反应器由聚乙烯材料制作，工作容积共1 3 4 4 l ，分为四个格室， 依次为缺氧区( 1 6 0 l ) 、厌氧区( 1 9 2 l ) 、微氧区( 7 2 0 l ) 、好氧区( 2 7 2 l ) ：竖 流式沉淀柱由有机玻璃制作，体积为7 0 l ；通过蠕动泵控制污泥回流，通过时间 继电器控制磁力泵工作时间调节混合液回流量；厌氧区和微氧区分别装有加热 器，通过加热器调节温度分别处于适宜厌氧氨氧化菌和亚硝酸菌生存的范围。 2 1 3 试验主要仪器设备 表2 1 试验所用的主要仪器与设备 t a b l e2 1 e x p e r i m e n ta p p a r a t u sa n de q u i p m e n t s 1 4 2 试验材料与方法 续表 2 2 试验用水 试验废水为河南某化工集团生产废水【3 引，该公司主要生产合成氨、尿素、 精甲醇、甲胺和二甲基甲酰胺( d m f ) 等产品，废水中含有大量氨氮及部分有 机氮，氨氮最高浓度5 9 3 m g l ，c o d 最高浓度1 3 5 0 m g l ，氰化物最高浓度 2 2 6 m g l ，这是造成企业总排水污染物浓度超标的主要原因之一。试验过程中废 水进水水质如表2 3 ，可知c o d t n 的比值在1 2 之间，属于典型的低c n 比废 水。 表2 2 试验期间废水进水水质 t a b l e2 2 l n f l u e n tq u a l i t yd u r i n ge x p e r i m e n t 1 5 2 试验材料与方法 2 3 分析项目与方法 试验中项目分析及测定均按照国家标准方法执行，见表2 3 。 表2 3 试验测定项目与方法 3 9 1 t a b l e2 3t h e p r o j e c t sa n dw a y so fe x p e r i m e n t a lt e s t s 1 6 3a 2 0 2 工艺中短程硝化反硝化的启动及运行 3a 2 0 2 工艺中短程硝化反硝化的启动及运行 3 1 研究目标与内容 在以a 2 舻工艺运行的试验装置中，以实际运行的污水处理站中回流污泥为 接种污泥，完成短程硝化反硝化的启动：通过控制各种运行参数在试验装置中 实现短程硝化的稳定运行。 3 2 试验方法 3 2 1 试验装置及废水 试验装置见2 1 2 。 试验废水水质见2 2 。 3 2 2 接种污泥 接种污泥取自以a 2 0 2 工艺处理试验废水的污水处理站的二沉池回流污泥， 由于该污水处理站运行工艺及处理废水均与本课题所研究相同，因此污泥有较 好的适应性，能够在短时间内开始试验。将所取污泥投加到试验装置各反应区 内，同时打开高位水箱出水阀门，调节流量计使进水流量控制在3 5 l h ，待反应 器内的水位高过缺氧区和厌氧区中的搅拌器的叶轮时，打开搅拌器电源进行搅 拌，使泥水充分混合防止污泥沉淀。 3 2 3 反应器启动 在污泥接种完成之后，控制进水流量为3 5 l h ，打开加热器电源控制微氧区 温度为2 4 2 8 。打开气泵分别向微氧区和好氧区内供气，调节气体流量计使微 氧区d o 维持在1 o m g l ，好氧区d o 维持在3 0 删l 。待反应器内水位高度达 到设计运行水位后，打开硝化液回流泵，由时间继电器控制回流泵的开关来调 节混合液回流量，使好氧区混合液回流比维持在2 0 0 ( 7 0 l h ) ，微氧区混合液回 流比维持在1 5 0 ( 5 2 5 l h ) ，好氧区出水进入沉淀柱内泥水分离，待沉淀柱底部 的污泥层达到1 5 e r a 后，打开污泥回流泵开始污泥回流以维持反应器内的污泥浓 1 7 3a 2 0 2 工艺中短程硝化反硝化的启动及运行 度，防止污泥流失，调节蠕动泵控制污泥回流比为8 0 ( 2 8 讹) 左右。 试验装置按照上述状态连续运行3 0 d 后，进水流量增至4 0 l h ，调节微氧区 气体流量计使d o 降为0 5 m g l ，好氧区d o 不变。同时通过手动排泥控制污泥 龄为1 5 d ，调节污泥浓度为3 0 0 0 3 5 0 0m g l ，控制好氧区混合液回流比为2 0 0 ( 8 0m ) ，微氧区混合液回流比为1 5 0 ( 6 0 m ) ，污泥回流比8 0 ( 3 2 m ) 。 污泥接种与反应器启动运行完毕，即开始污泥驯化。驯化及试验过程中由于进 水p h 较高，微氧区p h 大部分时间能稳定在8 o 左右，在p h 低于该范围时，在 微氧区进水口投加n a e c 0 3 调节p h 为7 5 8 0 左右，以利于亚硝酸菌的生存。 表3 1 试验装置内的控制条件 t a b l e3 1 c o n t r o l l i n gc o n d i t i o n si ne x p e r i m e n te q u i p m e n t 时间 萎 茎怒焉蘸p h 。骠耋慧 搿p l l l a v f d l区 o 3 0 d1 03 0