（市政工程专业论文）生活污水经AO除磷后亚硝化试验研究.pdf

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= | e 宝王些太堂或其它教育机构 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贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 鼢填嗍 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕塞王些太堂有关保留、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) 叛极新虢褪晰螋伽夕日 摘要 摘要 随着水环境污染的同益严重，人们开始追求高效绿色的污水处理技术。厌氧 氨氧化技术是近年来出现的一项新型脱氮技术，它克服原有生物脱氮技术的高能 耗、低效率、c 0 2 排放量大等劣势，满足可持续发展的国策要求。此工艺已经在 国外的高氨氮、高温废水领域得到工程应用，但是对于低温、低氨氮的城市生活 污水不曾涉及，主要原因是环境温度下的亚硝酸盐稳定积累问题难以解决，所以 本文对于亚硝化技术的研究也都是以此为目的的。 本文采用活性污泥法，分别通过连续流及s b r 方式，以o 除磷工艺的二 级出水作为亚硝化的研究对象。在低氧条件下成功启动了亚硝化反应器，实现了 其长期的稳定运行，为厌氧氨氧化工艺在城市污水领域的应用提供了数据支持。 亚硝化反应器的启动研究表明：采用s b r 方式，在高氨氮( 约为2 0 0 m g l - 1 ) 、 低溶解氧( 0 2m g l 1 ) 条件下强化培养亚硝化菌，可以实现亚硝化反应器的快 速启动；而后的试验结果表明：低溶解氧是实现亚硝酸积累持续的控制因子，其 他环境条件对亚硝酸积累影响不明显，其中氨氧化菌虽对温降敏感，但短期低温 不会对其造成伤害性影响，升温后硝化性能可立即恢复，而且亚硝化性能可以在 1 5 时保持稳定。 低溶解氧下系统的稳定性研究表明：c o d 会影响系统的表观亚硝化率， c o d 在5 0m g l - 1 时，表观亚硝化率会随之降低，c o d 5 0m g l - 1 时，表观亚硝 化率会相应增加；水力停留时间对稳定亚硝化存在正负两方面影响，应根据实际 情况进行动态控制；提高回流比可以增强亚硝化性能，但会面临向全程硝化转化 的风险，优化的回流比为o 5 ；而且低氧导致的污泥上浮数量较少，不会降低亚 硝化性能；氨氮去除效率也不会因低氧而下降。 对连续流亚硝化过程的控制参数探究表明：在低碱度条件下，d 0 、o r p 、 p h 值不适于做作为全程亚硝化的控制参数，低氨氮污水应采用部分亚硝化工艺 为宜。 关键词：常温；低氨氮；亚硝化；低溶解氧；氨氧化菌 北京工、i k 大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n 酉ys 甜o u sw a t e rp o l l u t i o n ，a 伊e e na 1 1 de 衔c i e n tw a s t e w a t e r t r e a t n l c n tt e c h n o l o g yb e c 锄et h ei n t e r e s t a n a e r o b i c 锄m o n i u mo x i d a t i o nt e c h n o l o g y i san e wn i t r o g e nr e i n o v a lt e c h i l o l o g yi nr e c e n ty e a r st h a tc o u l do v e r c o m et h eh i 曲 e n e 昭yc o n s u m p t i o n ，l o we 瓶c i e n c y ，c 0 2e i n i s s i o n s 觚do t h e r1 a r g ed i s a d v a n t a g e a n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t l h ep r o c e s sh a sb e e na p p l i e d i n t h e h i g hn i t r o g e n ，h i g ht 锄p e r a t u r ew a s t e w a t e r ， b u tn e v e rd o n ei n l o w - t e m p e r a t u r e ，l o w - n i t r o g e nw a s t e w a t e r ， m a i n l yd u e t oa m b i e n t t e m p e r a t u r e s t a b i l i t ya n da c c u m u l a t i o no fn i t r i t e ，s ot h er e s e a r c ho fn i t r i f i c a t i o na r ea l s of o rt h i s p u 巾o s e i i lm ep a p 盯，c o n t i n u o u sn o wa 1 1 dt h es b rm e t h o dw 嬲r e s p e c t i v e l ya d o p t e d w i lt l l ea c t i v a t e ds l u d g em e m o d ，w i t ha op h o s p h o m s 崩n o v a lt e c _ i l l l o l o g ya sm e r e s e a r c ho b j e c t i v e so fn i t r o s a t i o n 1 1 11 0 wo x y g e nc 0 n c e i 】l 仃a t i o n ，n l ei l i t r o s a t i o nr e a c t o r w 嬲s e t e du ps u c c e s s 如1 1 ya n d a 枷e v c dl o n 争t 锄s t a b l eo p 酬i o n ，、池i c hc o n t r i b u t et o m ea p p l i c a t i o no fa n a e r o b i c 锄m o i l i 啪o x i d a 廿o np r o c 骼si nm u n i c i p a lw a s t e w a t e f r h er e s e a r c ho fs t a r to fn i 仃o s a t i o ns h o w e dt l l a t ：t h es b rm e t h o d a m m o n i a o x i d 娩i n gb a c t 谢a ( a o b ) c 嬲b ec u l t i v a t e di n t e i l s i v e l yu n d e rm ec o n d i t i o no fh i g l l 锄m 砌a ( a b o u t2 0 0 1 1 1 9 l 1 ) 舳dl o wd i s s o l v e do x y g ( 0 2 m g l - 1 ) ，s 0t 0a 咖e v e l l i 缸d s a t i o nr a p i ds t a r t u p a n o m e rt e s t s h o w o dm a t ：l o wd i s s o l v l o x y g e nw 邪t 0m e k e yf a c t o r t 0a c i l i c v es u s t a i n c di l i t r i t ea c c 咖帆l a t i o n 锄do m e r 锄讥r o n m 铋t a l c o n d i t i o n sh a dn os i g n i f i c 锄td 董融o nn i t r i t ea c c u m l l l a t i o n a o bw 嬲s e n s i t i v et ot h e t e i i l p e r a t i l r e ， b u ts h o r t - t e n i l t e m p e r a t u r ed 1 o pd i d n oh a m lt 0 i t ， n i t r o s a t i o n p e r f i o 锄觚c ec a l lb er e s u m c d 溉哪e d i a t e l ya r e rt h et 锄p 蹦m 聃i i l c r e a s e d ，n i n 0 s a t i o n p e 舳锄c cc a n 蚴a i l ls t a b l ea t1 5 t h es t u d yo fm es y s t e ms t a b i l n yu l l d e rl o wd i s s o l v e ds h o w e dt l l a t ：m es y s t e m s a p p a r e n ti l i t r o s a t i o nr a t ew a sa f r e c t i 。db yc o d m e nc o d55 0m g l - 1 ，t l l ea p p a r e n t n i t r i f i c a t i o nr a t ew a sr e d u c 础w h 锄c o d 5 0 l l l g l 1 ，t h ea p p a r e n tn i 仃o s a t i o nr a t e w i i li n c r e a s e h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m eh a db o t hp o s i t i v e 柚dn e g a t i v ce f f e c t so nt h e s 讪i l i t ) ro fm t i o s a t i o n ，s on l ed y l l a i i l i cc o r l t r o ls h o u l db et a l ( e i la c c o r d i n gt l l ea c t u a l s i t u a t i o n t h en i t r o s a t i o np e r f 0 1 1 1 1 a n c ec a nb ee n h a n c e db yt l l ei n c r e a s i n gr e n u xr a t i o ， b u tw h i c hc o u l df a c em er i s ko fc o n v e r s i o nt on i t r i f i c a t i o n ，s ot h eo p t i m a lr e n u xr a t i o o f0 5w a s s u g g e s t e d s m a l ln u m b e ro fn o a t i n gs l u d g ea p p e a r e du n d e rl o wd o ，s ot h e l o s so fn i t r o s a t i o np 豇f o h n a n c ew a sn o tb er e d u c e d a m 瑚o n i ar e m o v a le 伍c i e n c yw a s n o td e c l i n e dd u et ol o wd o t h es t u d yf - o rt l l ec o n 缸d lp 啪e t e ro fm ec o m 劬o u sn o wo fi l i t r o s a t i o n m a i l i f ；略t e dt h a t ：d o ，0 r pa n dp hw e r en o ts u i t a b l ef o rm ec o n 缸0 lp a r 锄e t e r so fa 如ni l i 缸d s a t i o np r o c e s si nl o wa l l ( a l i i l i t yc o n d i t i o 嬲，a n dp a r to fi l i 缸d s a t i o np r o c e s s 1 1 1 北京工业大学工学硕士学位论文 w 弱w e l lf o rl o wa m m o m ae m u e n t k e yw o r d s ： n o n n a lt e n l p e r a m r e ，l o w 赳i u l l o n i ac o n c e n t r a t i o n ，n i t r o s a t i o n ， a 皿m o n i ao x i d i z i n gb a c t 耐a i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 我国水资源现状1 1 2 水环境中氮素污染及危害2 1 3 脱氮技术的发展2 1 3 1 传统生物脱氮技术2 1 3 2 新型生物脱氮技术一厌氧氨氧化3 1 4 亚硝化脱氮技术的发展5 1 4 1 亚硝化脱氮技术概述5 1 4 2 亚硝化技术的研究进展。5 1 4 3 亚硝化技术面临的问题7 1 5 课题来源、研究目的和意义8 1 6 研究内容8 第2 章试验方案设计与优选9 2 1 试验方案设计9 2 1 1 亚硝化的影响因子浅析9 2 1 2 实现亚硝酸积累的关键因子识别1 1 2 2 试验方法与反应器的设计1 l 2 2 1 连续流试验。1 1 2 2 2s b r 试验1 4 2 2 3 烧杯试验1 4 ： 。 2 3 水质分析及监测方法；15 2 4 本章小结1 6 第3 章亚硝化反应器的启动研究1 7 3 1 亚硝化反应器的三阶段启动1 7 3 1 1 连续流亚硝化反应器的接种与诱导1 7 3 1 2 低氧、高氨氮亚硝化菌的强化培养1 8 3 1 3 常温、低氨氮亚硝酸盐的稳定积累。1 9 3 2 亚硝酸盐稳定积累因子调控2 0 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 1 游离氨( f a ) 和p h 值2 0 3 2 2 温度2 1 3 2 3 污泥停留时间( s r t ) 2 1 3 2 4 溶解氧( d o ) 2 2 3 3 本章小结2 3 第4 章亚硝化反应器低氧稳定性研究2 5 4 1 亚硝化反应器内的总氮损失2 5 4 2 低氧稳定亚硝化影响因子2 5 4 2 1c o d 对稳定亚硝化的影响。2 5 4 2 2 水力停留时间对稳定亚硝化的影响2 7 4 2 3 回流比对稳定亚硝化的影响2 8 4 2 4 污泥性状及其对稳定亚硝化的影响3 0 4 3 反应器稳定亚硝化的性能分析3 4 4 4 本章小结3 4 第5 章连续流亚硝化指示参数及进程优化初探3 7 5 1 连续流亚硝化反应过程中的参数变化3 7 5 1 1d o 变化3 7 5 1 2o r p 变化3 8 5 1 3p h 变化3 9 5 2 亚硝化反应进程的优化4 0 5 2 1s b r 烧杯试验4 0 5 2 2 高碱度对比验证烧杯试验4 2 5 3 本章小结4 4 结论4 5 参考文献，4 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文5 1 致谢5 3 第1 章绪论 1 1 我国水资源现状 第1 章绪论 水是生命的源泉，是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之 一。然而人们使用“水资源”一词，却只是近一二十年的事。关于水资源的定义， 有几十种之多，较普遍的说法是指“可以供人们经常取用、逐年可以恢复的水量”， 也就是通常所指的淡水资源。地球上水的总储量约1 3 8 1 0 8 k m 3 ，其中9 7 为海 水。人类真正可利用的淡水资源只有河水、淡水湖水和浅层地下水，其量估计约 3 1 0 6 k i l l 3 ，占地球总水量的o 2 左右【1 1 。我国河川、湖泊众多，淡水资源总量 为2 8 0 0 0 1 0 8 m 3 ，占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界 第4 位。但是，人均占有水资源量只有2 3 0 0 m 3 ，仅为世界平均水平的1 4 、美国 的l 5 ，在世界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。扣除 难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利用的淡水 资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 x1 0 8 m 3 左右，人均可利用水资源量约为9 0 0m 3 ，并 且其分布极不均衡。长江流域及其以南地区人口占了中国的5 4 ，但是水资源却 占了8 l ；而北方人口占4 6 ，水资源只有1 9 【2 1 。目前水体污染也加剧了水资 源短缺。2 0 0 8 年，对约1 5 l o 的河流水质进行了监测评价，i 类水河长占 评价河长的3 5 ，i i 类水河长占3 1 8 ，类水河长占2 5 9 ，类水河长占 1 1 4 ，v 类水河长占6 8 ，劣v 类水河长占2 0 6 。对4 4 个湖泊的营养状态 进行评价，贫营养湖泊1 个，中营养湖泊2 2 个，轻度富营养湖泊1 0 个，中度富 营养湖泊1 1 个【3 】。据2 0 0 8 年中国水质量资源年报显示，河流以有机污染为 主，超标的主要污染指标是氨氮、生化需氧量、高锰酸盐指数和挥发酚等；湖泊 以富营养化为特征，主要污染指数为总磷、总氮化学需氧量和高锰酸盐指数等； 近岸海域主要污染指标为无机氮、活性磷酸盐和重金属【4 】。综上可以看出氮素污 染已成为我国水环境的主要问题，并且正在甚至已经成为水污染的首要的问题。 此外，由于我国社会经济发展水平、生产力水平的限制，水资源利用率较低，万 元g d p 耗水量为2 0 9 3 m 3 ，是欧美发达国家平均水平的5 倍左右1 5 j 。水资源先天 性不足，再加上严重的污染和巨大的浪费( 低处理效率) ，可以说我国面临着十 分严峻的水短缺和水污染问题。 北京工业大学工学硕十学位论文 1 2 水环境中氮素污染及危害 水环境中氮素污染的来源广泛，如城镇生活污水中、工业废水、农业污水等。 含氮废水对自然环境、生物等有极大的危害，过多的氮化合物进入天然水体将会 恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康。氮污染的主要危害表现在以下方 面【6 】： ( 1 ) 消耗水体的溶解氧，加速底泥中营养物质的释放。 ( 2 ) 影响给水水源，增加制水成本。 ( 3 ) 氮化合物对人体和生物有毒害作用。 ( 4 ) 出现水体富营养化。 随着氮污染问题的尖锐化以及公众环境意识的加强，近二十年来，提高废水 的氮去除能力己成为污水处理领域研究开发和应用的热点。一些国家、地区氮排 放标准的内容和数值指标也在不断改进，考核标准越来越严格，允许排放的数量 和浓度也越来越低，氮的考核内容由单一的氨氮发展到总氮( 氨氮、硝态氮、有 机氮) 。我国最新颁布的城镇生活污水综合排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 则提 出更为严格的氨氮排放标准( 8 m g l 一，若回用5 m g l 1 ) 。因此，解决氮素污 染己成为环保科技工作的首要任务。 1 3 脱氮技术的发展 现阶段含氮废水的主要处理方法包括生物处理法、吹脱法、气提法、离子交 换法、折点加氯法等，其中生物脱氮因使用范围广、投资及运转成本低、操作简 单、无二次污染，废水达标排放可靠性强，而成为应用较为广泛和关注的脱氮方 式。 1 3 1 传统生物脱氮技术 1 3 1 1 传统脱氮技术概述 传统生物脱氮技术的基本原理是利用硝化和反硝化作用，其反应流程为： n h 4 + 一n 0 2 。一n 0 3 。一n 0 2 一n 2 。传统生物脱氮工艺流程主要有三种基本类型： 三相法、两相法和单相法【7 1 2 】。 ( 1 ) 三相法生物脱氮工艺 三相法生物脱氮工艺是将b o d 的降解、硝化和反硝化三种生物反应过程在 三个各自独立的反应器内依次完成。如a 2 o 工艺、u c t 工艺、改良型u c t 工 艺、v 口工艺、b 莉e i l p h o 工艺。 第1 幸绪论 ( 2 ) 两相生物脱氮工艺 两相法生物脱氮工艺是将b o d 的降解、硝化和反硝化三种生物反应过程中 某两种合在一个反应器中进行。两相生物脱氮工艺代表是l u d z a c k e t t i n g e r 工艺。 ( 3 ) 单相法生物脱氮工艺 单相法生物脱氮工艺是将b o d 的降解、硝化和反硝化三种生物反应过程在 一个反应器中进行的工艺。有序批式活性污泥法( s b r ) 工艺，二池间歇曝气工 艺，其代表如：如循环式活性污泥法( c a s t ) 工艺、氧化沟工艺。 1 3 1 2 传统生物脱氮工艺存在的问题 以上这些传统硝化反硝化工艺在废水脱氮方面起到了一定作用，但仍然存在 着许多问题： ( 1 ) 反硝化时往往要另外加碳源，增加运行费用。 ( 2 ) 需要中和硝化过程中产生的碱度，增加处理成本。 ( 3 ) 氨氮完全硝化需要大量的氧、进行污泥回流和硝化液回流，都使动力 费用增加。 4 ( 4 ) 运行控制相对较为复杂等。 传统的生物脱氮过程是基于硝化一反硝化作用理论，曾在废水脱氮领域起到 了积极的作用，但其缺点却也是不可避免的，因此，废水脱氮处理需要新思路、 新技术来改变现状。 1 3 2 新型生物脱氮技术一厌氧氨氧化 1 3 2 1 厌氧氨氧化技术概述 厌氧氨氧化( a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ，简称a n a m m o x ) 是近几年内 发展起来的高效的生物脱氮技术，是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以n h 4 + 作为电子供体，以n 0 2 。或n 0 3 作为电子受体，将n h 4 + 、n 0 2 。或n 0 3 转变成n 2 的生物氧化过程。s 仃0 u s 等根据化学计量和物料衡算估计厌氧氨氧化总的反应方 程式【1 3 】： 1n h 4 + + 1 3 2n 0 2 。+ 0 0 6 6 h c 0 3 。+ h + 1 0 2 n 2 + o 2 6 n 0 3 。+ o 0 6 6 c h 2 0 0 5 n o 15 + 2 0 3 h 2 0 ( 1 1 ) 与传统的硝化反硝化工艺相比，它不需要外加有机碳源进行反硝化，节省能 量；完全不需要氧气，节省了大量的运行费用；不需要酸碱中和剂，避免二次污 染；污泥产量和c 0 2 排放量可减少9 0 ，因而具有可持续发展意义。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 2 厌氧氨氧化技术的应用 根据厌氧氨氧化反应机理可知，此厌氧氨氧化须与亚硝化相耦合而形成新型 生物脱氮技术：即亚硝酸厌氧氨氧化脱氮技术，其几种代表性工艺如下1 1 抛8 】： ( 1 ) s h a r o n a n a m m o x 工艺 该工艺把厌氧氨氧化与一个前置的硝化结合在一起，只需将部分氨氮氧化为 亚硝酸氮，这样的短程硝化与全程硝化相比，可节省6 2 5 的供氧量和5 0 的耗 碱量，而且该方法无需外加碳源，产生的污泥量也很少，在较低的温度下( 2 2 3 0 ) 下即获得很好的脱氮效果。 ( 2 ) c a n n o n 工艺 由于厌氧氨氧化菌在低溶解氧下受到抑制的活性是可恢复的，因而可以通过 控制供氧量，使好氧氨氧化菌部分氧化氨生成亚硝酸根，并在这一过程中消耗掉 残余溶解氧，创造出适合厌氧氨氧化菌代谢的环境，以实现在单一反应器中亚硝 化与厌氧氨氧化的同步进行，从而达到除氨的目的。 ( 3 ) o l a n d 工艺 该工艺分两个过程进行：第一步是在限氧条件下将废水中的部分氨氮氧化为 亚硝酸盐氮；第二步是在厌氧条件下亚硝酸盐氮与剩余氨氮发生厌氧氨氧化反应， 从而去除含氮污染物。该工艺的核心技术是在限氧亚硝化阶段通过严格控制溶解 氧水平，将近5 0 的n h 4 + 转化为n 0 2 ，实现硝化阶段稳定的出水比例时h 4 + n 0 2 - 1 ：( 1 2 o 2 ) 】，从而为厌氧氨氧化阶段提供理想的进水。 1 3 2 3 厌氧氨氧化脱氮工艺对比分析 由a n a m m o x 理论衍生的几种脱氮工艺虽反应机理相同，但因实现形式有 很大不同，c 舢州o n 工艺属于单一反应器自养脱氮，而s h 舢i n a n a m m o x 和o l n d 属于与亚硝化与a n a m m o x 耦合工艺，所以在控制途径和脱氮效率 上有很大差别。 ( 1 ) 控制途径 c a n o n 工艺中好氧亚硝化菌和厌氧氨氧化菌共生在一个反应器里，d o 过 高可能会激发硝酸菌活性，过低则无法完成亚硝化过程。耦合工艺中，氨氧化菌 和厌氧氨氧化菌分别生长在不同反应器，可以对他们分别进行控制，易于在各自 最适宜生长条件下繁殖，与c a n n o n 工艺相比，耦合工艺相对容易进行控制。 从操作温度看，s h a r o n 、c a n o n 工艺为了实现从反应器中筛除硝酸菌， 要求进水必须在3 0 以上，而o l a n d 则可在较低温度下进行，这是o l a n d 工艺的一个优势。 ( 2 ) 脱氮效率 第1 章绪论 c a n n o n 脱氮效率较低，总氮去除率般不超过6 0 。相比之下耦合工艺 的处理效果要优越得多，尤其对于高氨氮废水，总氮去除率一般都在8 0 以上， 当进水氨氮为6 0 0 m g l 。1 左右时，甚至可以达到9 5 以上的去除率。这种差异是 因为两种细菌适宜的生长环境不同，c a n o n 工艺很难对好氧、厌氧两个过程同 时优化，从这方面考虑，如果需要实现较完全的氮素去除，耦合工艺无疑效率更 高。根据实际工程经验，当反应器总体积相同时，单一反应器的投资运行费用总 要低于复数反应器，因此与耦合工艺相比，降低投资成本是c a n o n 的主要优势。 综上可以看出，无论在控制方式和脱氮效率上，耦合工艺的优势远大于 c a n n o n 工艺，因此作为耦合a n a m m o x 工艺的必要前提一亚硝化过程，成 为实现a n a m m o x 工艺的关键。 1 4 亚硝化脱氮技术的发展 1 4 1 亚硝化脱氮技术概述 随着人们重新审视传统生物脱氮过程，认识到硝化过程是由两种独立的细菌 完成，为寻求更为短程的脱氮途径，对亚硝化细菌的研究不断深入，并取得了丰 富的成果，这些研究为耦合厌氧氨氧化工艺的亚硝化出水水质提供了宝贵的科学 依据。 长期以来，一直认为要实现废水生物脱氮就必须使n h 4 + - n 经历反硝化反应， 以n 0 3 为电子受体的硝化和反硝化过程才能完全被去除。但实际上从氮的微生 物转化过程来看，氨被氧化成硝酸是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应， 应该可以分开，也就是说生物脱氮可经历反硝化反应以n 0 2 。为电子受体的过程 【2 9 】【3 0 】，该过程称短程( 或简捷) 硝化反硝化，脱氮途径见图1 1 。 n h 4 十二n ，n 0 2 n，n 2 一 一 j o 图1 1 亚硝酸型硝化反硝化技术 f i g 1 - ln i t r i t e t ) ，p ei l 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 nt e c l l i l o l o g y 1 4 2 亚硝化技术的研究进展 最先控制硝化过程在亚硝化阶段上取得突破性进展的是荷兰d e r 大学，他 们在无污泥回流的完全混合反应器( c s t r ) 中，利用n h 4 + n 浓度8 0 啦! o o o m g l - 1 的厌氧污泥消化上清液，在3 7 左右、s r l 2 d 的条件下，成功实现了 l o o 的h n 0 2 积累的s h a r o n 工艺，并将其应用于荷兰鹿特丹d o l ( 1 l a v e n 污水 北京工业大学工学硕士学位论文 厂，用以处理该厂的污泥消化液。 近年来国内学者在亚硝化方向上的研究，也取得了很多出色的成果，在此选 取了代表性的研究列于表1 1 【3 2 4 1 1 。 表1 1 代表性研究 f i g 1 - 1r - e p r e s e n t a t i v e0 f r e s e a r c h 研究者采用一f ：艺亚硝化率研究特色与结论 p h = 8 0 8 5 、t = 2 5 3 0 、c 小= 1 9 6 、 叶剑锋等 s b r5 0 d o 7 0 ； 高氨氮= 1 2 0 m g l - 1 时，亚硝化率8 0 高温( 3 0 1 ) 下，p h 控制在 邓嫔等s b b r9 5 7 7 8 2 高氨氮= 1 5 0m g l - 1 实现生物 膜法亚硝化 遇光逯等s b r5 0 高温、高氨氮的s h a r o n 工艺 高温、高氨氮垃圾渗滤液采用 徐不元等 s b r9 5 s h a r o n 工艺，最佳控制温度3 5 刘超翔等q9 0 高氨氮、高温焦化废水 利用碱度控制：当初始碱度为理论值 张子键等s b r5 0 一半左右时恰好约有5 0 哆扣6 0 的 氨氮被亚硝化 低d o 控制，0 3 0 m g l - 1 是实现稳定亚 硝化最理想浓度；d o 、p h 和o r p 曲 田智勇等 s b r9 0 线特征点可表征稳定的亚硝化过程 的转折点 曝气生物陶 低d o ( 气：水= 5 ：1 ) 下，2 0 2 5 、 王弘字等 9 l 9 9 低氨氮4 0 7 0 m g l - 1 、在生物陶粒反应 粒反应器 器中实现亚硝化积累 序批式生物 在2 7 2 9 、p h7 0 0 5 条件下，控制 张可方等9 8 d o ( 2 0 3 o m g l - 1 ) 和好氧时间可 膜反应器 以实现稳定的弧硝酸盐积累 在常温、正常d o ( 2 2 5 m g l 1 ) 下， 通过分段进水交替缺氧，好氧的运行 杨庆等 s b r9 5 方式结合精确的在线实时控制，实现 稳定亚硝化 可以看出目前亚硝化技术的研究进展如下： 第1 章绪论 在控制方法上，国内外学者对短程硝化的研究主要集中在三个方面游离氨 抑制造成的h n 0 2 积累；通过巧妙控制反应器温度和泥龄，淘汰硝酸菌实现 h n 0 2 积累( s h a r o n ) ；降低反应器内的溶解氧浓度实现h n 0 2 积累。 在工艺上，多数采用s b r 法或其变形形式，以活性污泥法居多，生物膜法 相对较少。 在规模上，除了荷兰d e l f 的s h a r o n 工艺实现工厂化运行外，其他尚处于 实验室研究阶段。 1 4 3 亚硝化技术面临的问题 ( 1 ) 可采用亚硝化工艺的水质类型受限。当前对亚硝化的研究多数集中在 高温、高氨氮废水，如污泥消化液、垃圾渗滤液、高氨氮的工业废水等。少数对 低氨氮废水的亚硝化研究也是通过控制温度、p h 、碱度实现的，但对于大规模 低氨氮的城市生活污水，采取升温、增加碱度提高p h 来实现亚硝化过程是不经 济不现实的，所以有必要对常温低氨氮城市生活污水的亚硝化进行研究。 ( 2 ) 亚硝化反应器启动较难。亚硝酸盐细菌世代周期较长，增殖速度慢， 加之其控制条件苛刻以及亚硝化易向硝酸化转化等缺点，亚硝化反应器不容启动， 探求一种快速启动亚硝化反应器的方法，可以为亚硝化过程的其他方面研究节约 时间。 ( 3 ) d o 认识存在分歧。在众多不同研究角度中，存在较大纷争是对溶解 氧的认识，有两种相悖的观点：一种说法基于两种细菌的氧饱和常数不同，通过 对底物的不同竞争能力淘汰亚硝酸盐氧化菌( n o b ) ，很多文献都认为控制d o 位于氨氧化菌( a o b ) 和n o b 细菌的氧饱和常数之间能够抑制n o b 细菌的生 长，使硝化反应过程终止于亚硝化过程；另一种相反的观点却认为，在其他限制 因子存在的条件下，d o 对亚硝化过程没有太大的影响，此种观点支持的人虽少， 但却有人已在正常d o ( 2 2 5 m g l d ) 下实现了亚氮积累，所以我们应对d o 予 以仔细研究。 ( 4 ) 常规条件下不稳定。目前常用的实现稳定亚硝化的手段多为升温、高 碱度、高f a 控制，但在常规条件下实现稳定亚硝化过程不多，还有待于进一步 研究。 ( 5 ) 不同工艺亚硝化控制条件研究。s b r 中亚硝化过程的参数变化有规律 可循，采用s b r 及其变形工艺可控性较高，但是运行方式繁琐，不易于工作人员 进行操控，所以对不同工艺的亚硝化的控制条件还有待进一步的研究。 ( 6 ) 适合厌氧氨氧化工艺的水质要求是：n h 4 + n 0 2 名1 3 2 ，但实际工程中 要达到如此精确很有难度，需根据实际水质探求适合的出水比例。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 5 课题来源、研究目的和意义 课题来源于国家自然科学基金：高效低耗城市污水再生全流程机理与关键技 术研究。此基金项目的核心是的以a n a m m o x 工艺为脱氮单元的城市污水处理 全流程新思路，其具体工艺流程图如下( 图1 2 ) ： 图1 2 污水再生全流程 f i g 1 - 2s c h e i l l a t i cd i a g r 锄o fw a s t e w a t e rr e u s ep m c e s s 本课题是该流程中的关键点，以a o 除磷二级出水为原水进行亚硝化性能 研究，其目的在于实现常温低氨氮污水的亚硝酸盐的稳定积累，以期为后续的厌 氧氨氧化工艺提供适宜水质，促进高效、低耗的新型污水脱氮技术工程化。 1 6 研究内容 本课题的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 探索常温条件下亚硝化反应器的快速启动方法； ( 2 ) 分析各种因素对亚硝化过程的影响，并筛选其控制因子； ( 3 ) 对亚硝化过程的低氧稳定性进行研究。分别从c o d 、水力停留时间、 回流比三方面，考察他们对稳定亚硝化的影响，确定在实现稳定亚硝化积累的过 程中的作用：同时需要针对低氧条件，考察污泥沉淀性能如何? 亚硝化效率是否 受低氧影响? ( 4 ) 对连续流亚硝化过程的参数变化进行考察，探讨其是否适于作为控制 参数； ( 5 ) 根据实验情况，探索适合厌氧氨氧化工艺的出水比例，以优化亚硝化 进程。 第2 章试验方案选择论证与设计 第2 章试验方案设计与优选 2 1 试验方案设计 2 1 1 亚硝化的影响因子浅析 硝化过程是由两类独立的细菌( a o b 和n o b ) 催化完成的两个不同反应， 即n h 4 + n n 0 2 n n 0 3 n ，通常认为这个硝化过程是“不可分割”的， 那么怎样控制反应n h 4 + n n 0 2 。n 到此为止而不继续向n 0 3 。n 转化呢? 只 能从两类细菌的生理及动力学特征的差异上寻找突破点，找某些能够抑制n o b 细菌生长，同时又不影响或较小影响a o b 细菌的因素，然后通过人工强化，扩 大此特征的差异，从而彻底的淘汰系统中n o b 细菌。实现亚硝化的关键：就是 控制能对a o b 和n o b 两种硝化菌产生不同作用的因素，根据前人的研究成果， 这些因素主要有温度、p h 值、溶解氧、游离氨、h i 玎、m l s s 、有机质和污泥龄 等。 ( 1 ) 温度 关于温度对亚硝化、硝化影响的说法很不一致。袁林江等【4 2 】认为生物硝化反 应在纠5 内均可进行，适宜温度为2 0 3 0 ，一般低于1 5 硝化速率降低。 郑兴灿【4 3 】认为1 2 1 4 下活性污泥中n o b 活性受到严重的抑制，出现h n 0 2 积 累。f o r d 【4 q 认为，温度低于1 8 和高于3 5 时，硝化速率会快速下降，温度在 1 7 时的硝化速率下降到只有3 0 的一半。f d z - p o l 锄c 0 等人【4 5 】的实验结果表 明，n o b 的活性在2 8 2 9 达到最大值。虽然各家看法不同，但有一种比较统 一的观点：a o b 的温度系数比n o b 的小，也就是说a o b 对温度的变化影响比 n o b 更加敏感。 从游离氨( f a ) 在水溶液中的平衡方程来看，f a 浓度会随着温度的变化 而变化，温度升高，f a 浓度升高，温度下隋f a 浓度也会相应地下降。因此， 温度对生物脱氮系统中a o b 和n o b 的影响是双重的，既影响微生物的生理活 性，又影响微生物的底物( f a ) 在水溶液中的形态。 ( 2 ) 溶解氧浓度 很多研究者都认为，低溶解氧是亚硝念氮积累的主要原因。一般认为至少应 使d o 在o 5 m g l - 1 以上时才能很好地进行硝化作用，否则硝化作用会受到抑制。 有人认为亚硝化系统最佳的溶解氧浓度在1 1 5 m g l 1 ，最大溶解氧浓度不应超 过2 5 3 m g l 1 ，此外，溶解氧与游离氨的比值不应超过5 ，否则对亚硝酸盐积累 不利。 o 北京工业大学丁学硕士学位论文 k e i s u l ( e 【4 6 j 根据测出的a o b 的底物利用速率指出在低溶解氧的情况下，a o b 的产率成倍提高抵消了低溶解氧对氨氮氧化速率降低的影响；而在此环境下， n o b 的产率和氨氮氧化的速率并未因溶解氧的降低而提高，综合作用的结果导 致了反应器中亚硝态氮的累积；而提高溶解氧的浓度n o b 氧化亚硝态氮的速率 提高，反应器中不再出现亚硝态氮的积累。与此相反，y 眦9 4 7 】和b a l m e l l e 【4 8 】的 研究中都证实，溶解氧浓度的高低对硝化系统中亚硝态氮的积累没有决定性的作 用。 目前对低d o 情况下a o b 和n o b 的生长变化尚难以定论，但有一点可以 肯定：低d o 有利于亚硝化现象的出现【4 9 】【5 0 1 。 ( 3 ) 游离氨浓度( f a ) 废水中氮随p h 值不同分别以分子态和离子态形式存在。分子态游离氨( f a ) 对硝化作用有明显的抑制作用。另外，氨氮负荷过高时，在系统运行初期有利于 繁殖较快的a o b 生长，使亚硝酸产生量大于氧化量而出现积累。 a n t l l o i l i s e i l 等人【5 1 】认为当溶液中f a 达l 。o m g l - 1 时就已经对n o b 有抑制 作用了，f a 的浓度大于l5 0 m g l 1 ，a o b 的活性完全受到抑制。m a u r e t 和a b e l i n g 等人【5 2 】在试验中发现，f a 在1 0 m g l 1 以上才会抑制a o b 的活性，他们认为 亚硝态氮的积累是由于f a 对n o b 的抑制所致。徐冬梅【5 3 】和方士【删的研究表明， 间接接触高含量f a ( 5 m g l - 1 ) 会造成亚硝酸盐的积累，然而，亚硝酸盐积累不 稳定，因为硝化菌属对游离氨产生了适应性。综上所述，尽管众多国外学者在游 离氨对亚硝酸化的抑制浓度上得出的结论不一致，但有一点是达成共识的，硝酸 菌对游离氨的敏感性要低于亚硝酸菌。 ( 4 ) p h 值 p h 值对短程硝化反应的影响有两方面：一方面是a o b 生长要求有合适的 p h 值环境