（环境工程专业论文）orbal氧化沟处理实际生活污水脱氮除磷中试研究.pdf

摘要 水体“富营养化”问题日益突出，氮磷等营养物质过度排放是造成这一现象 的重要原因。如何有效去除有机物以及深度脱氮除磷成为污水处理领域的研究热 点之一。生活污水作为影响水体的重要污染源，具有c ，n 低的特点，严重制约 了污水脱氮除磷的效果，如何在较低运行成本下达到较高的营养物去除效果成为 低c 小生活污水处理的研究重点。o r b a l 氧化沟工艺运行管理简单，在我国广泛 应用于城市污水的处理，但是其处理效果并不尽如人意。针对以上问题，提出了 本课题的研究。 试验采用改进的0 r b a l 氧化沟中试模型以及静态试验，对处理低c n 实际生 活污水，进行强化生物脱氮和同步生物脱氮除磷的研究，对氧化沟中的d o 、p h 值在线参数变化规律进行对比分析，以期为实际污水处理厂提供可靠的运行指 导。 0 r b a l 氧化沟中试模型处理低c n 的实际生活污水，具有如下处理效果：出 水中，c o d c ，浓度低于5 0 m 叽；氨氮浓度低于5 m g n l ：总氮浓度为2 0 3 3 m g n l ，系统不具有强化生物除磷能力，为单纯脱氮系统。为了强化生物脱 氮效率，提出控制系统溶解氧浓度的策略：将氧化沟外、中、内沟的溶解氧浓度 分别控制为o 3 m l 、o 5 m l 和2 ，0 m l 。在系统中可以实现同步硝化反硝化 ( s n d ) ，与未采用此策略时相比，总氮去除率和s n d 率分别提高了1 3 7 和 2 4 3 。s n d 的影响因素有很多，静态试验表明，新型微生物菌种作用微弱，系 统中s n d 的主要成因为局部缺氧区和微环境所致。 实际污水处理厂( 尤其是北方的水厂) 在运行过程中，总会面对冬夏交替、 温度改变的问题，温度较低不利于污水处理效果和污泥的沉淀。控制较高的污泥 龄( s r t ) 可以改善处理效果恶化的情况，增加前置缺氧选择器可以有效防止低 温引起的污泥膨胀。水力停留时间( h i 玎) 是反映生物反应器能力的重要指标， 1 4 8 h 和1 7 2 h 的h r t 对该中试系统来说，较为合理。在研究水力停留时间的过 程中，发现了o r b a i 氧化沟工艺生物除磷的能力和亚硝酸盐积累的现象。分析研 究后，提出通过改善c 尉，在0 r b a l 氧化沟工艺中实现同步脱氮除磷，并对最优 化的c ，n 和碳源投加种类进行研究。c o d c ，t n = 5 ，o 时，磷酸盐去除效果最好， 磷酸盐出水浓度低于1 m g p l ；平均出水t n 浓度小于1 5 m g _ n ，l ，可以达到 g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 一级标准。研究表明，系统总氮去除效果不受碳源种类的影响； 乙酸钠和葡萄糖两种碳源对除磷影响不大，淀粉对除磷的负面影响很大。投加淀 粉时，放磷速率最慢，放磷量最低，这是系统除磷效果恶化的主要原因。内循环 对系统脱氮效果影响显著，适当控制内循环，可以在c o d c ，r n = 5 0 时，得到良 北京工业大学工学硕 学位论文 好的同步脱氮除磷效果。当脱氮效果非常好时，除磷效果会降低，原因为二沉池 污泥放磷，本文对此提出改善措施。在内循环试验过程中发现，系统中存在着反 硝化聚磷菌( d n p a 0 s ) ，其比吸磷速率为1 3 2 m gp ( gv s s h ) 。 在氧化沟系统中实现了较高的亚硝酸盐积累。温度和氨氮负荷并不是导致亚 硝酸盐积累的主要原因。亚硝酸盐积累的根本原因为：污泥龄的缩短、p h 值和 游离氨( f a ) 浓度的增加导致系统中亚硝酸盐氧化菌被部分地淘洗出系统。分 析认为，通过控制s r t 、d 0 和p h 值可以在处理常温生活污水的o r b a l 氧化沟 中试系统中实现短程脱氮。 研究了o r b a l 氧化沟系统中，同步脱氮除磷与单纯脱氮情况下，p h 的在线 变化规律。同步脱氮除磷系统中，微生物放磷结束点、主要吸磷阶段和硝化反应 结束点对p h 值变化趋势均有影响。当曝气过量时，无论放磷在选择器中结束还 是延续到外沟，也无论系统是否具有除磷能力，都会出现硝化在中沟提前结束的 d h 特征点，据此可判断曝气是否过量，实现节能控制。o r b a j 氧化沟系统中，单 纯的p h 在线传感控制并不完善，需要研究更多的参数来实现合理的控制。 关键词生物脱氮除磷；反硝化除磷；同步硝化反硝化( s n d ) ；短程硝化 p h 值；氧化沟工艺 a b s t r a c t a b s t r a c t t h cp r o b l e mo fe u t r o p h i c a t i o n ，w h i c hi sm a i n l yc a u s e db ye x c e s s i v ed i s c h a 唱e s o f n i t r o g e na n dp h o s p h o m s ，i sg r o w i n gb i g g e ra n db i g g e l t h e r e f o r e ，t h ew a s t e w a t e r t c c h n i q u e sf o c u s h o wt or e m o v ec o d ，n 妇。孵蠲dp h o s p h o n l ss i m u h a n e o u s l y ， d o m e s t i cw a s t e w a t e r ，a sm em a i n l yr e s o l l r c eo fw a t c rp o l l u t i o n ，i so fl o wr a t i oo f c a r b o nt on i t r o g e n ( c n ) ，w h i c hr e s m c t st 1 1 e 廿e a t m e mq u a l i t y t h u s ，h o wt or e m o v e n u t r i e mi d e a l l ya tl o wc o s ti ss p o t t e dt ob et | l ep o i mo f1 0 wc ，nw a s t e 、v a t e rn 它a t m e m ， o r b a lo x i 出旺i o nd i t c hi sw i l d l yu s e di nc l l i n a ，b e c a u s eo f “ss i m p l i c i t ya n d c o n v e n i e n i e n c e ，w h i l ei t si m p r o v e m e mi sb a d i yn e e d e d t h i sr e s e a r c hd e f i n e dt o d e a lw i t ht h ep r o b l e m sw 1 1 i c hl l a v eb e e nj u s tm e m i o n e d s o l o n i t m g e nr e m o v a la i l ds i m u l t a n e o u sn “r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw a s i n v e s t i g a t e du s i n gd o m e s t i cw a s t e w a t e rw i ml o wc ，ni nap i i o ts c a l eo r b a lo x i d a t i o n d i t c h ，a s s i s t i n gb a _ c c ha s s a ye x p e r i m e m s a n a l y s i so fd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) a n dp h v a r i a t i o nw a sa l s oi n v o l v e di nm i sd i s s e n a t i o n a l lt h i si st o 口r o v i d ei n s t r u c t i o no f o p t i m i z e do p e r a t i o nt ow a s t e w 乱e rt r e a t m e mp l a n t ( w w t p ) u s i n gp i l o ts c a l eo r b a ls y s t e m ，、v eg e tt h er e s u l ta sf 0 1 l o w ：c o d c ri ne m u e n t l o w e rt h a i l5 0 m l ，a m m o n hi n 锄u e ml o w e rt h a n5 m g n l ，t o t a ln i 扛o g e n ( t n ) i n e m u e ma r o u n d2 0 3 3 m g n lw i t h o u te r 山a n c e db i o p h o s p h o m sr c m o v a l ( e b p r ) s t r a t e g yo fd oc o n c e m r a t i o nc o m r o l l e da to 3 m l ，0 5 m la n d2 o m g li no u t c h a n n e l ，m i dc h 黜e ia 1 1 di 皿e rc h 锄e lr e s p e c t i v e l yw a sp r o l n o t e dt oe 1 1 1 1 a 1 1 c et 1 1 e e 雎c to fn i t r o g e nr e m o v a l s 妇u l t a i l e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n 耐f i c a t i o n ( s n d ) w a s o c c u r r e di nt h i ss y s t e m c o m p a r e dt on o n c o m r o lo p e r a t i o n ，t nr e m o v a le 衔c i e n c y a 1 1 ds n dp e r c e n t a g e 、v 船i m p r o v e d1 3 7 a n d2 4 r 3 r e s p e c t i v e l y i n n u e n c eo f n o v e lm i c r o b e so ns n dw a si n v e s t i g a t e d ，a i l da p p r o v e dt ob eo f l i t ei m p o r c a l l c e i np r a c t i c a l ，w w t pw a sa 虢c t e db y 吐l ev a r i a t i o no fs e a s o n sa n dt e m p e f a t u r e ， l o wt e m p e r a c u r ei so fn e g a t i v ei n n u e n c eo nw a s t e w a t e r 仃e a 协l e n ta n ds l u d g e s e t t i e m e n t h i g h e rs l u d g er c t e n t i o nt i m e ( s r t ) i sh e i p 如lt or e v i s et h ep r o b l e m ，a n d p r e a n a e r o b i cs e l e c t o rc a na v o i ds l u d g eb u l k i n gw h i c hw 越c a u s e db y1 0 wt e m p e m t u r e h y d m u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) i so n eo f t h em o s ti m p o n a n tp a r 帅e t e r so nb i o r e a c t o l h r to f1 4 8 ha 1 1 d1 7 2 hw e r es u i t a b l ef o rt h ep i l o ts c a l e0 r b a ls y s t e m ， e b p ra n d n i 伍t ea c c 啪u l a t i o nh a db e e nt a k i n gp l a c ei n t h i sp i l o ts c a l eo r b a lo x i d a t i o nd i t c h t h u s ，t oa c h i e v es i i n u h a l l e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o m sr e m o v a l ，t h es t r a t e g yo f a d j u s t i n gc 力呵w a sp f o p o s e da n dt h eb e s t c ，na 1 1 dd o s i n gc a r b o ns p e c i e sw e r e i i i 北京工业大学工学硕十学位论文 i n v e s t i g a t e d t h em o s tf a v o r e dc o d c 玎ni s5 。o ，w h e np h o s p h a t er e m o v a l e f r i c i e n c yi sh i 曲e s t ，w i t hl m g p la n d1 5 m g - n lt ni ne m u e n t ，w h i c hg o e sw e l l w i t hm e 胁tl e v e lo fg b l 8 9 1 8 2 0 0 2 a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h ，c a r b o ns p e c i e si s o fl i t t l ei f n p o n a n c eo ni l i t r o g e nr e m o v a le m c i e n c yt h ei m p a c to fa c e t a t es o d i m a 1 1 dg l u c o s eo np h o s p h a t er e m o v a l i sq u i t et h es a m e ，w h i i es t a r c hi so fg r e a tn e g a t i v e e 髓c t t h er a t ea n d 锄o u i l to fp h o s p h a t er e l e a s ei sl o w e s tw h i l ed o s i n gs 协r c h ， w h i c hi st h em a i nr e a s o no fp h o s p h a t er e m o v a id e t e r i o r a c i o n i n n e rr e c i r c u l a t i o n w a ss t i l d i e di n “sd i s s e r t a t i o n ，a i l df o u n dt ob ea ni m p o r t a n tf a c t o ro nn u 晡e m r e m o v a l p r e f e r a b l et f e a t m e n tr e s u l tw a sa c h i e v e dw h e nc o d c r t ni s 5 oa t s u i t a b l er e c i r c u l a t i o nr 砒e p h o s p h a t er e m o v a lw i l ld e t e r i o r a 把 w h i l et h e c o n c e n t r a t i o no f1 ni ne m u e n ti sv e r yl ow b e c a u s eo fp h o s p h a t er e l e a s ei nc l 捌f i e l m e t h o d sw e r ep m m o t e dt or e v i s et 1 1 es i t u a t i o n d e i l i t r i f y i n gp h o s p h a t e - a c c u m u l a t i n g o 唱a n i s m s ( d n p a o s ) ，o fw h i c ht h es p e c i f i cp h o s p h o r u su p t a l ( er a t ei s1 3 2 m gp ( g v s s h kw e r ef o u n dt ob ee x i s t i n gi n l es y s t e m n i t r i t ea c c u m u l a t i o n w i t hh 培hr a t ew a sf b u n di i lo r b a lo x i d a t i o nd i t c h t e m p e r a t u r ea i l d 锄m o n i ai o a di sn o tt h em a i l lr e a s o no ft h i sp h e n o m e n o n s h o r t e r s r t v a r i a t i o no fp ha n di n c r e a s eo ff r e ea m m o n i a ，w h i c hi n d u c e dn o bw a s h e do u t o ft h es y s t e m ，i st h ek e yt on i t r i t ea c c 啪u l a t i o n t h e r e f o r e ，s h 叫c u tn i t r i ：e i c a t i o ni n o r b a ls y s t e mt r e a t i n gd o m e s t i cn 忸s t e w a t e rc o u l db ea c h i e v e db yc o n 仃0 1 l i n gsr t d 0 a 】1 d p h v a l u e t h ev a r i a t i o no fo n l i n ep hv a l u e a t s i n l a l i o n s0 fs i 硼加n e 0 1 1 s n i t r o 萨i l p h o s p h o r u sr c m o v a l 甜as o l o 一正t r o g e n r e m o v a l 证o r b a ls y s t e mw a s i n v e s t i g a t e d 1 1 1 ee n dp o i n to fp h o s p h o m sr c l e a s e ，m a s sp h o s p h o m su p t a k ep e r i o d a n dn i m f i c a t i o nc l o s u r ep o i mm a k e 舒e a ti n n u e n c eo np hv a l u e h o 、v e v e rw h e r e t h ep h o s p h o m sr e l e a s ef i n i s h e so rw h e t l l e rp h o s p h o sr e m o v a lh a p p e n s ，t h ep e c u l i a r p hp o i n t 、v i l l 印p e a ra c c o r d i n gt oi l i m f i c a t i o ne n d i n gu pi nm i dc h a n n e l ，w h i c hc a nb e ah i n to fe x c e s s i v ea e r a t i o n m o r ep a r a m e t e r sa r en e e d e dt o0 r b a ls y s t e mc o n t r o l ， f o rs i m p l ep ho n l i n ec o n t r o l i sn o te n o u g h k e y w o r d s b i o - n u t r i e n tr e m o v a l d e n i t r i f y i n gp h o s p h a t er e m o v a l ；s i m u l t a n e o u s n i t r i 丘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 ) ；s h o tc u tn i 伍f i c a t i o n ；p h ；o x i d a t i o nd i t c h i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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负献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塑丝日期：色匣磋e 曼旦i 】日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 阴旋 导师签名：芝! 里查r 期：丝幽引夙 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 l 。1 。l 课题目的和意义 据统计，2 0 0 4 年中国全国污水排放总量为4 8 2 4 亿吨( 其中c o d 排放量1 4 4 5 万吨) 。工业废水排放总量2 2 1 1 亿吨( c o d 排放量5 0 9 7 万吨，氨氮排放量4 2 2 万吨) ，工业废水排放达标量2 0 0 6 万吨城市生活污水排放量2 6 1 3 亿吨( c o d 排放量8 2 9 5 万吨，氨氮排放量9 0 8 万吨) 。汇总工业企业数7 0 6 3 0 个，废水治 理设施6 6 2 5 2 套。生活污水的排放量超过了工业污水，成为影响水体的主要污染 源。可见，解决生活污水的处理问题，对整体解水体污染问题具有很重要的作 用和意义。 我国解决城市污水的净化问题始于2 0 世纪7 0 年代。从当时的稳定塘到8 0 年代的普通曝气活性污泥工艺和a b 工艺，再到9 0 年代直至现在的氧化沟、s b r 和a o 工艺等，城市污水处理工艺和设备在不断发展。据统计到2 0 0 0 年底，全 国己建成城市污水处理厂4 2 7 座，其中二级处理厂2 8 2 座，二级处理率约为1 5 ， 其中8 0 以上采用的是活性污泥法。随着国家科研投入的加大和借助于外贷城市 污水处理工程i 员目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国。目 前，氧化沟是我国应用广泛的污水处理工艺技术之一，应用较多的有o r b a l 氧化 沟、d e 型氧化沟、三沟式氧化沟和c a 订o u s e l 氧化沟。 0 r b a l 氧化沟由南非的h u i s m a i l 提出，后由e n v i r e x 公司改进加以推广。我 国现在也有自己设计的0 r b a l 氧化沟投入运行使用【1 - 2 】。o r b a l 氧化沟运行管理简 单在降解有机物的同时，可以去除氮磷等营养物，并且剩余污泥已经好氡稳定， 无需再进行污泥消化处理，对污泥的后处理要求简单，特别适合我国国情。它主 要适用于2 0 万立方米以下规模的城市污水处理厂，推荐应用于中小规模的城市 污水处理厂。由于o r b a l 氧化沟抗冲击负荷能力强，它不仅应用于城市污水的处 理，而且还广泛地应用于制革废水和炼油废水等工业废水【3 7 】。 0 r b a l 氧化沟具有许多优点，在国内外应用广泛。但是随着污染物排放标准 越来越严格，对处理效果要求越来越高，原有的o r b a l 氧化沟设计、运行和管理 方式则显得滞后，急需更加深入地进行0 r b a l 氧化沟营养物去除机理的研究，在 此基础上开发节能降耗和优化处理效果的深度控制策略。本文以实际生活污水为 原水，利用中试模型，对o r b a l 氧化沟去除营养物的机理和影响因素进行深入的 研究，旨在通过基础研究为实际工程提供良好的设计、运行和管理的指导依据和 改进方法。 北京工业大学t 学硕士学位论文 1 1 2 课题来源 本课题来源于国家“8 6 3 ”重大科技专项项目( 2 0 0 3 a a 6 0 1 0 1 0 ) “污水高效脱 氮除磷深度处理技术优化集成与示范”，国家自然科学基金一国际( 地区) 重大合 作项目( 5 0 5 2 1 1 4 0 0 7 5 ) “污水脱氮除磷新理论、新工艺及过程控制”。 1 2 生物脱氮理论 1 2 1 传统生物脱氮理论 氮在自然界中主要以分子氮n 2 、有机氮化合物和无机氮化合物等形式存在。 不同氮的存在形式又是通过氨化、硝化、反硝化和固氮作用等途径进行转化，形 成氮在自然界中的循环【引。生活废水中，氮多以凯氏氮( 氨氮和有机氮) 的形式 存在。传统生物脱氮理论认为污水中的氮一部分通过细胞合成的同化作用去除， 一部分通过硝化反硝化的途径转化为n 2 去除，具体包括硝化和反硝化两个反应 步骤。传统生物脱氮理论认为氮的转化途径如图1 2 所示【9 。0 1 。 硝化作用 反硝化作 液相 固氮作用 厂m 7 好氧 缺氧 图l - 1 氮循环示意图 f i g 1 - 1t h es c h e m a t i cd i a 掣a r no f n i t r o g e nc i f c u l a t i o n 氨氮的硝化分为两个过程，由不同的微生物参与反应。第一步，氨氮在氨氧 化细菌又称为亚硝化菌( a m m o n i a o x i d i z i n gb a c t e r i a ，a o b ) 的作用下被氧化为 亚硝酸盐；第二步，亚硝酸盐在亚硝酸盐氧化菌又称硝化菌( n i t r i t eo x i d i z i n g b a c t e r i a ，n o b ) 的作用下被氧化为硝酸盐。a o b 和n o b 为化能自养型微生物， 在好氧条件下进行硝化反应，其生理活动不需要有机物，主要以c 0 2 为碳源， 从无机物的氧化中获缛能量。两类菌的特征如表1 1 所示【1 1 1 。 如式1 1 和l 一2 所示，反硝化反应是反硝化菌在缺氧( 没有分子态氧存在) 第一苹绪论 条件下，以n o 。为电子受体，有机物为电子供体，将n o x - 还原为n 2 。反硝化微 生物( 如变形杆菌、假单胞菌、小球菌、芽孢杆菌、无色杆菌、嗜杆菌和产碱杆 菌) 为异养兼性厌氧微生物，在不存在分子态氧的条件下，利用亚硝酸盐或硝酸 盐中的化合态氧作为电子受体，有机物作为电子供体被氧化提供能量，将硝酸盐 或亚硝酸盐还原为氮气；好氧条件下，以分子态氧为电子受体，有机物为电子供 体。进行呼吸作用。 5 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4 n 0 3 。卜2 n 2 + 4 0 h + 5 c 0 2( 1 1 ) 3 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4 n 0 2 。- 2 n 2 + 4 0 h + 3 c 0 2( 1 - 2 ) 当反应体系中碳源不足时，微生物消耗自身进行内源反硝化【8 1 ，反应可表示 为： c 5 h 7 n 0 2 + 4 n 0 3 。+ 5 c 0 2 + n h 3 + 2 n 2 + 4 0 h 。( 1 3 ) 其中，c 5 h 7 n 0 2 代表微生物的细胞组成。由此可见，内源反硝化的结果是细 胞物质的减少，同时伴有n h 3 的产生。因为内源反硝化速率要比外源反硝化慢 的多，因此，在实际水处理工程中应提供必要的反硝化碳源。目前公认的n 0 3 还原为n 2 的过程如图1 2 所示，即 9 】： n 0 3 i n 0 2 + n 0 + n 2 0 - n 2( 1 3 ) 好氧条件好氧条件 厂1 而广 厂可6 订 图1 - 2 可能的生物脱氮途径 f i g 1 - 2p o s s i b l em e t a b o l l cp a t h w a yf b rn i t r i n c a t i o na n dd e n i t r i n c a t i o n 1 2 2 生物脱氮新技术 随着研究的深入，发现了一些超乎传统脱氮理论的现象。例如，好氧条件下， 好氧反硝化菌进行反硝化反应导致氮的减少，同时这些异养微生物可以进行硝化 反应；反硝化并不需要有机底物来提供电子供体，丽是通过亚硝酸盐与氨氮反应 为n 2 实现脱氮。下面对这些新的脱氮理论和技术进行介绍。 1 - 2 2 1 短程硝化反硝化 如图l 一2 所示，通过控制适当的条件，可以将硝化反应控制在第一阶段，从 i训剥划引1_ m 一 甲000m 一 时 一 佣删 一 r 北京工业大学工学硕士学位论文 面得到硝化产物n 0 2 一，而不是n 0 1 。1 9 7 5 年，v o e t s 等就发现在硝化的过程中 存在着n 0 2 积累现象，并首次提出了短程硝化反硝化脱氮的概念i l “。后来，荷 兰d e l r 大学的学者利用s h a r o n ( s i n g l er e a c t o rf o r h i 卧a c t i v i t ya m m o n i a r e m o v a lo v e rn i 砸t e ) 工艺，第一次成功地将硝化反应产物控制在亚硝酸盐阶段， 从而实现稳定的亚硝酸盐积累【1 3 】。该工艺根据3 5 下，a o b 和n o b 的生长速 率存在着差异，通过在该温度下，对污泥龄进行控制，将n o b 淘洗出系统，从 而得到亚硝酸盐的积累。由于氨氧化菌( a o b ) 和亚硝酸盐氧化菌( n o b ) 之 间存在着如下差异，才可能通过营造利于a o b 生长，抑制n o b 生长的环境， 对菌种进行选择，将硝化反应控制在第一阶段，实现短程硝化，表1 1 对比了 a o b 和n o b 的不同生长特性。 1 ) 不同温度下，二者的生长速率不同，导致污泥龄不同： 2 ) 低溶解氧下，二者的饱和常数k 值不同； 3 ) 其它因素，如p h 、游离氨浓度等影响了二者的反应速率： 表1 1 亚硝化菌和硝化菌的特性 t a b1 1c h a r a c t e r i s t i c so f a o ba n dn o b 1 2 22 厌氧氨氧化 1 9 9 5 年，m u l d e r 等在利用小试规模的反硝化厌氧流化床反应器处理产甲 烷反应器出水时，发现了厌氧氨氧化( a n a m m o x ，a n a e r o b i ca m m o n i u m o x i d a t i o n ) 现象，大量的氨氮在厌氧条件减少，同时伴随着硝酸盐的减少和四氧 化二氮气体的增加，这与传统脱氮理论有所不同。后来。、r 觚d eg r a a f ( 1 5 1 和b o c h 【1 6 1 发现n 0 2 更适合作该反应过程的电子受体，如式所示。 n h ：+ n o ；n 2 + 2 h 2 0 ( 1 4 ) v a nd eg r a a f 等通过对氮进行物料平衡计算，得到该反应过程的方程式： j 第一奄绪论 n h ：+ 1 3 1 n o j + o 0 4 2 5 c 0 2 l 0 4 5 n 2 十0 2 2 n o ；枷7 h 2 0 ( 1 5 ) n h ：+ 1 ，3 1 n o j + o 0 6 6 c 0 ；+ o 1 3 h + 专l 0 2 n 2 + 0 2 6 n o i + 2 0 3 h 2 0 ( 1 6 ) 厌氧氨氧化以硝酸盐为电子受体，但不并需要有机物提供电子，也就无需投 加碳源，c 0 2 是厌氧氨氧化菌生长的主要碳源【1 7 】。其可能的代谢途径如图1 3 所 洲4 + 奄厂州2 。“丁嗽一旧f 礼乡7 f n 2 h 2 】2 【h j ，7 l - - 7 1 2 2 3 同步硝化反硝化 传统的硝化反硝化理论是氨氮在好氧条件下被硝化细菌最终氧化成硝态 氮，然后在缺氧条件下，异养反硝化菌以硝态氮作为电子受体，有机底物作为电 子供体，将硝态氮还原为氮气，从混合夜中溢出，以达到脱氮的目的。按照这种 理论解释，需要构造分离的缺氧好氧区以达到脱氮目的。然而，通过实验现己 证实硝化反硝化可以在一个反应器内实现，不用分区，即同步硝化反硝化 ( s i m u l t a l l e o u sn i t r m c a t i o na n dd e n i 砸f i c t i o n ，简称为s n d ) 生物脱氮。o r b a l 氧 化沟由于其外沟独特的低溶解氧条件和局部的缺氧好氧环境，使得其特别适合 研究同步硝化反硝化。早在1 9 7 3 年，d r e w s 等人就发现在0 r b a l 氧化沟中能够 形成局部的好氧缺氧交替区域，从而出现与传统脱氮方式不同的氮去除【1 8 】。现 在虽然对其研究很多，关于形成原因也有多种解释，但是完全明晰其机理和由此 引发的特殊菌种的分离和工程控制实现等问题还有一段路要走。现在对s n d 成 因公认的解释主要有三个，即：宏观环境解释、微环境理论解释和生物学解释【1 9 】。 北京1 二业大学工学帧士学位论义 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好氧及( 或) 缺氧段，此为生物反应器的宏观环境同时提供 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，曝气装置多为表面曝气设备，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。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，故同时硝化反 硝化反应也就有可能发生，类似的如r b c 【2 0 堀l 反应器等。 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浓 度梯度从而导致微环境内同步硝化反硝化的发生。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，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，即同步硝化反硝化的现象。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 前己被普遍接受。如在生物膜反应器中，生物膜表面为好氧区，而在生物膜内可 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j 。 另外一种对同步硝化反硝化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厌氧 条件下进行的观点，它认为好氧反硝化反应和异养硝化反应的存在在同步硝化反 确化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 心+ 转化为最终气态产物而逸 出，使得同步硝化反硝化生物脱氮也就成为可能。已知的好氧反硝化菌有 p s e u d o m d ss p p 、a l c d l i g e n e s 扣e c 幽s 、t h i o s p h n e r np q n f o 唧h d ”。1 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 等人【2 6 j 还提出了好氧反硝化和异养硝化的工作模型，即砌f d s 口 d p 阳 尸伽幻脚胁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 o i y b - h y d r o x y b u t y r a t e ( p h b ) 。关于好氧反硝 化和异养硝化菌，其反应速率随着d 0 增加而减少的规律，也有类似的报道。与 第一章绪论 缺氧反硝化细菌相比，好氧反硝化菌的一般特征：反硝化速率慢一些，但能较好 适应缺氧好氧周期变化。 近年来对同步硝化反硝化的研究成果来说，产生机理方面主要受4 个因素的 影响：碳源、溶解氧、微生物絮体尺寸【2 。”j 和氧化还原电位( o r p ) 。 碳源对同步硝化反硝化的影响主要表现在两个方面：一方面是进水c 悄比 高低的影响：另一方面为进水中快速易降鼹有机物( r b c o d ) 含量高低的影响。进 水c 小比越高，缺氧反硝化与好氧反硝化的碳源越充足，同步硝化反硝化的作 用越明显，总氮的去除率也就越高，而快速易降解有机物( r b c 0 d ) 含量高低对同 步硝化反硝化的作用，则根据迸水位置、进水量的不同而有不同的影响1 2 “。 溶解氧( d o ) 浓度的影响：溶解氧浓度以各种方式影响着硝化和反硝化， 是影响系统同步硝化反硝化反应的重要参数之一【2 。一般硝化菌的需氧量是控制 性的，原因是它的氧半饱和系数非常大，虽然经常规定硝化系统的溶解氧浓度为 2 m l ，以获得高效的硝化反应，但是如果好氧区的停留时间足够长，就可能在 更低溶解氧浓度下达到完全的硝化，对溶解氧浓度的评价只能是相对的，应当根 据系统性能要求进行调整。 系统中的溶解氧首先应足以满足有机物的氧化及硝化反应的需要，使硝化反 应充分；其次溶解氧的浓度又不能太高，应能在微生物絮体内产生溶解氧浓度梯 度，促进缺氧微环境的形成，同时使系统中有机底物不至于过度消耗而影响了反 硝化对碳源的需求。另外对不同的水质和不同粒径、密实度的污泥絮体，溶解氧 浓度的控制范围也有所不同。 微生物絮体结构特征的影响：微生物絮体的结构特征即活性污泥絮体粒径的 大小及密实度等直接影响了同步硝化反硝化作用。微生物絮体粒径及密实度的大 小一方面直接影响了絮体内部好氧区与缺氧区比例的大小，另一方面还影响了絮 体内部物质的传质效果，从而影响了絮体内部微生物对有机底物及营养物质获取 的难易程度。 氧化还原电位( o l p ) 的影响：氧化还原电位是影响同步硝化反硝化作用的 另一重要因素1 3 。由于多数同步硝化反硝化作用都发生在好氧或低氧环境下，在 好氧条件下，可以用d o 作为控制参数，而在低氧条件下，d 0 仪控制的同步硝 化反硝化除氮率和硝化速度都明显低于o r p 仪控制，溶解氧信号的测定存在着很 大偏差，而氧化还原电位对低溶解氧浓度的响应灵敏，因此o r p 信号对低溶解氧 条件的控制比溶解氧信号更为精确有效，缺氧条件时o r p 信号控制是唯一的选择。 同时氧化还原电位控制易于较好维护同步硝化反硝化微生物所需的低氧环境，通 过控制系统中的o r p 在适当的范围内可以获得较好的同步硝化反硝化效果3 1 1 。 氧化还原电位过高，系统将逐渐处于好氧状态，而过低时，系统又可能处于厌氧 状态。 北京工业大学工学硕t 学位论j 1 3 生物除磷技术理论 1 3 1 传统生物除磷理论 目前为止，国际上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”一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 0 ) 一类的微生物，它能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，达到除磷的效 果【3 2 】。生物除磷过程通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程，其代谢模式如图所 示。 厌氧状态好氧状态 图1 4 p a o 代谢模式示意图 f i g u r e l 4s c h e m a t i cd i 矩r a mo f m e t a b o i i s mo f p a o 厌氧环境下，兼性细菌首先将溶解性有机物转化为v f a ，接着p a o 吸收厌 氧区产生的或原水中的v f a ，并将其合成胞内碳能源储存物( p h a ) ，所需的能量 来源于p o l y - p 的水解和糖原的酵解，同时引起p 0 4 的释放；糖原酵解同时还提 供p h a 合成所需要的还原力n a d h 2 。好氧环境下，p a 0 氧化分解p h a 产生大 量a t p ；a t p 则被用于p 0 4 。的吸收和p 0 1 y p 高能聚合物的合成，同时再生细胞 体内的糖原和细胞增殖。富磷污泥以剩余污泥的形式被排除出系