（市政工程专业论文）序批式活性污泥法（SBR）同步硝化反硝化脱氮技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着水环境污染和水质富营养化问题的尖锐化以及人们公共环境意识的日益增 强，迫使污水排放标准中对氮的要求越来越严格污水处理技术逐渐地从以单一去 除有机物为目的的阶段进入既要去除有机物，又要脱氮的深度处理阶段。 课题以序批式活性污泥反应器( r ) 为主体，以人工配制的城市污水为处理 对象，研究同步硝化反硝化脱氮新技术对影响同步硝化反硝化的各种因素进行了 详细研究。并对同步硝化反硝化生物脱氮机理进行了探讨，确定了试验条件下实现 同步硝化反硝化的最佳运行工况。 试验结果表明：在s b r 反应器内，通过对活性污泥进行约1 个月的培养和驯 化，使其具有了良好的同步硝化反硝化性能，在最佳运行工况下，即控制反应器内 活性污泥微生物的污泥龄为1 7 - 2 5 天，维持污泥浓度在5 0 0 0 m g l 左右，以啤酒+ 淀 粉混合物为碳源，p h 控制在7 5 娟0 的条件下，控制反应器内1 3 0 在0 5 1 5 m g l 之间，对于进水氨氮浓度在2 2 1 - - 2 8 6 m g l 之间，总氮浓度为3 0 0 m g l 左右，c o d 浓度为z 0 0 m g l 左右的模拟城市污水，曝气运行5 h 后，出水c o d 、氨氮、硝酸盐 氮和亚硝酸盐氮的浓度分别为2 0 0 m g l 、0 5 m g l 、5 0 m g l 和0 3 m g l 以下，出水 c o d 去除率在9 0 以上，总氮去除率在8 1 - 9 4 之间。 本文还对稳定运行中s n d 脱氮性能、d o 、o r p 和p h 的变化规律做以考察。 通过对反应过程的分析，得出本试验发生s n d 的作用机理是微环境理论和生物学 理论。 关键词城市污水；脱氮；s b r ；同步硝化反硝化 厂州大学工学硕士论文 a b s t r a c t 1 1 i es t a n d a r do fn i t r o g e nr e m o v a li nw a s t c w a t 盯d i s c h a r g ew a sc o n t r o l l c dm o r ea n d m o r cs t r i c t l yw i t hs e v e r cw a t e rp o l l u t i o na n de u t r o p h i c a t i o nq u e s t i o no c c u n 蜘a n dt h e s e l l o fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ne n h a n c e d 1 1 l ew a s t e w a t e rt e c h n i q t i c sd e v e l o p e d g r a d i l a | j yf r o mt h ep e r i o do f p u r ec o d r e m o v a lt ot h ep c 酊o do f s i m u l t a n e o u sc o da n d n i t r o g e nr e m o v a l 1 1 1 ee x p e r i m e n ta b o u ts n dw 舔c a r r i e do u to p e r a t e dw i t ha r t i f i c i a lm u n i c i p a l w a s t c w a t c rb ys e q u e n c i n gb a t c hr e a c t e r ( s b r ) s o m ef a c t o r st h a te f f e c ts n dw c 他s t u d i e d p a r t i c u l a r l y t h em e c h a n i s mo fs n d w a ss t u d i e dt o o s i m u l t a n e o u s l yt h eb e s to p e r a t i o n m o d ew i t hs n dw a sf i g u r o do u ti nt h el a b 1 1 地r e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f i c i e n c yo fs n d b ys l u d g ec a l lb ee n h a n c e dc u l t u r e df o r o n em o n t hi ns b r 砀eb e s to p e r a t i o nm o d ei st oc o n t r o l ld oa b o u t0 5 - - i 5 m g l s r t a b o u t1 7 - 2 5 d ，m l s sa b o u t5 0 0 0 m g l ，t h em i x t u r eo f b e a ra n ds t a r c h yi su s e da sc a r b o n s o 埘优o fs n da n dp ha b o u t7 5 - 8 0 u n d e rt h eb e s to p e r a t i o nm o d e t h ea r t i f i c i a l m u n i c i p a lw s s t c w a t a rw i t ha b o u t2 2 1 之8 6 m g 几o fn h 4 + - n , a b o u t3 0 0 m g lo ft n , a b o u t2 0 0 m g lo f c o dw a st r e a t e db ro p e r a t i n ga e r o b i c 删sf b r5 h w i t hc o d , n h 4 + - n 。n 0 3 - na n dn 0 2 - no f2 0 0 m g n 。，0 5 m g l 、5 0 m g la n d0 3 m g lb e l o wi nt h e e f f l u e n t , t h er e m o v a l r a t eo f c o di s9 0 a b o v e t h er e m o v a lr a t eo f l ni s8 l 9 畅 1 1 圮e x p e r i m e n ta l s os t u d i e dt h ec h a r a c t e ro fs n db ys l u d g ea n dt h ev a r i a t i o no f d o , o r pa n dp h b ya n a l y z i n gt h er e a c t i o np r o s so f s n d ，t h em a i nm e c h a n i s mo f s n d i nt h ee x p e r i m e n ti st h et h e o r yo f m i c r o e n v i r o n m e n ta n db i o l o g y k e y w o r d sm u n i c i p a lw a s w w a t e i ；d c n i t r i f i c a t i o ms 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 t i e a t i o n ( s n d ) 广州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，是本人在导师的指 导下，独立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，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。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。 学位论文作者签名。和蔫嗍一7 锥月矿 广州大学学位论文版权使用授权书 本人授权广州大学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 广州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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：和颦 日期：。7 年岁月矽日 导师签名。歹放魂谚 日期：年月日 第- 苹绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 1 1 1 课题来源 国家自然科学基金：亚硝根途径的同步硝化反硝化与除磷过程耦合协同的研究 ( 5 0 5 7 8 0 4 4 ) 1 1 2 研究的目的和意义 进入2 0 世纪9 0 年代以来，尽管各国污水处理厂数量不断增加，污水处理效率 不断提高，但水体“富营养化”问题并没有得到很好的解决，这主要是因为污水中 的有机物虽然得到了控制，但是处理后排放水体中的氮的含量仍然很高。现行污水 生物脱氮工艺的脱氮效率并不是很高，相当一部分的氨氮只是转化成硝酸盐氮，而 并没有从根本上去除。若在一个系统中完成传统的脱氮过程，不可避免地在各反应 过程之间产生矛盾关系：如泥龄、碳源、硝酸盐、硝化和反硝化容量等问题，这使 得传统脱氮工艺存在硝化作用不完全，反硝化作用则几乎不发生的问题，从而导致 总氮的去除率仅在1 0 , - , 3 0 之间。随着经济的快速发展、污水捧放标准不断收 紧，污水处理技术正在从以单一去除有机物为目的的阶段进入了以脱氮除磷为主要 去除对象的深度处理阶段。因此研究开发高效率的污水脱氮处理新工艺就成为各国 今后研究的主要热点和目标 传统上，被公认的生物脱氮途径为：氨氮依次在好氧一缺氧条件下经过氨化一 硝化一反硝化三个反应过程转化为气态氮而被去除近些年来围绕此理论发展并应 用于工程实践的工艺有：a 2 o 、a o 、v i p 、u c t 、s b r 及氧化沟等，在这些脱氮 系统中，有机物好氧氧化、有机氮氨化及氨氮硝化作用等均发生在好氧阶段，而硝 酸盐氮的反硝化则发生在厌( 缺) 氧阶段。一般认为，在脱氮过程中，氨氮必须完 全硝化为硝酸盐氮才能发生反硝化脱氮，且硝化和反硝化只能依次进行而不能同时 进行。这些生物脱氮工艺由于需要在不同反应器内完成硝化及反硝化过程，因而其 处理构筑物较多，基建投资较大；并且这些生物脱氮工艺将氨氮氧化为硝酸盐氮的 过程中，由于曝气需要消耗大量能源，而为顺利地将硝酸盐氮还原成气态氮还需要 补充足够碳源，从而使得整体处理成本居高不下。总之，以传统脱氮理论为基础的 上述工艺普遍存在以下弊端：基质竞争和泥龄不同的矛盾使处理效果相对较 广州大学工学硕士论文 差；c o d 氧化和硝化耗能巨大，且在c o d 氧化中，无形中失去贮存在c o d 内 大量化学能( 每k g c o d 约含1 4 70 7 j 代谢热) ；反硝化过程需消耗c o d ：构 筑物较多，工艺流程长，管理复杂，处理成本高因此，如何解决传统脱氮工艺中 存在的弊端，是目前及今后城市污水脱氮技术研究的热点和必然趋势，具有很好的 市场应用价值和前景。 本课题拟研究的同步硝化反硝化污水脱氮新技术正是在上述背景下提出的，它 可以较好地解决传统工艺中所存在的问题。同步硝化反硝化现象( s 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 l t r i f i c a t i o n ，简称s n d ) 是指硝化和反硝化反应在同一反应器 中、相同操作条件下同时发生的现象。s n d 可使原本独立的硝化和反硝化两个过程 在一个反应器中同时进行，避免了亚硝酸盐氧化成硝酸盐及硝酸盐再还原成亚硝酸 盐这两个多余的反应，从而可节省约2 5 的氧气和4 0 以上的有机碳；另外，微 生物硝化过程中需要消耗氧和碱度。但不需碳源，而反硝化过程则与之相反并互 补：厌氧产生碱度、需消耗大量的碳源，因而，如果在反应器中实现s n d 将大大 简化生物脱氮工艺流程、提高生物脱氮效率，并节省投资。s n d 突破了传统的生物 脱氮理论，简化了脱氮反应发生的条件和顺序，丰富了传统生物脱氮理论，强化了 生物脱氮过程，使传统的生物脱氮理论发生了质的飞跃。 本课题拟在同一装置内实现既去除有机物又高效脱氮过程，在实际应用中具有 如下突出的优点：有效降低污水处理成本，提高经济效益。本研究可简化污水 脱氮处理工艺流程，缩短反应时间、减小构筑物容积，从而降低了污水处理的投 资。同时对曝气量需求的大量减少，可解决长期以来污水处理厂电力消耗过大的问 题，实现污水的节能处理及可持续发展；有效减少有机碳源的消耗，更适合于 碳、氮比例失调的南方地区城市污水的脱氮。对碳氮( c n ) 比较低的南方地区城 市污水脱氮一直存在着碳源不足、效率低或需额外投加碳源，增加污水处理的费用 等难题，通过本课题研究可解决此难题，为碳、氮比例失调的城市污水脱氮开拓一 条新的途径；脱氮效率高，处理水水质好。传统的生物脱氮工艺，只是将氨氮的 形态转化成硝酸盐氮，而并未将其真正去除，采用同步硝化反硝化脱氮技术，可将 氨氮直接转化成气态氮去除，出水总氮浓度较低。 综上所述，本课题拟研究的新技术不仅解决了传统的城市污水脱氮工艺的弊 端，而且开创一种高效节能的可持续城市污水脱氮新工艺，对未来城市污水，尤其 是碳、氮比例失调的南方地区城市污水脱氮有重要的指导意义和现实应用价值。因 第l 苹绪论 此，本研究具有广阔的市场应用价值和发展前景 1 。2 水体中氮的来源及危害 氮是自然界广泛存在的基本元素，是生命有机体中最重要的元素之一微生物 对于氮元素的生物地球化学循环起着重要的作用，人类的生产生活以及动植物的生 长都离不开它。但是，人类的过度开发利用，使氮素在循环过程中加剧了全球三大 环境问题：温室效应、水体富营养化和酸雨m 。氮在水环境中的过量存在会对人类 以及动植物造成危害目前，水环境污染问题已成为世界性的环境问题，并引起人 们的高度重视。2 0 0 4 年度我国长江流域有i o 个湖泊列入了长江水资源公报，参 与评价的淀山湖、太湖、西湖、巢湖、甘棠湖、鄱阳湖、邛海、滇池，泸沽湖、程 海等l o 个湖泊，有1 个湖泊处于贫营养状态，3 个湖泊处于中营养状态，滇池、巢 湖、甘棠湖、太湖、淀山湖、西湖6 个湖泊处于富营养状态。国家重点治理的太 湖、滨池及巢湖等三湖的水质情况依然不乐观其中，太湖仅有6 7 的面积为 三类水，9 8 的湖面为五类水，8 3 5 的湖面劣于五类水，仍处于富营养状态。云 南滇池水质为五类和劣五类，继续处于富营养状态。这些湖泊主要为有机质和氮磷 污染，从而造成了湖泊富营养化的程度也不断加深。2 0 0 5 年底发布的长江流域及 西南诸河水资源公报显示：2 0 0 4 年监测评价长江流域主要盼5 8 个省界断面。3 1 个省界断面水质为一至三类，1 2 个断面水质为四类，6 个断面水质为五类，9 个断 面水质劣于五类，超标断面数占评价断面数的4 6 6 。据监测统计，这些河段主要 超标项目是氨氮、总磷、高锰酸盐指数，五日生化需氧量、石油类和粪大肠菌群 等这些数据表明，我国水体富营养化问题已经非常严重统计数据显示，我国的 水体体积的8 5 已经富营养化因此研究水环境中氮污染、转化机理及过程，并提 出有效的防治措施，是当前亟待解决的问题之一 1 2 1 水中氮的来源 自然形态的惰性氮对生态环境并没有负面影响，但一旦被活化成活化氮，在循 环过程中就会污染环境。自然界中的氮以有机氮和无机氮两种形态存在“，有机氮 包括氨基、胺基和硝基的有机化合物如尿素、胞壁酸、氨基酸、脂肪酸等，而无机 氮则包括氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。含氮物质进入地表水体和地下水中的途径 包括自然过程和人类活动两个方面，其来源和进入水环境的方式归纳于表l - l 。 水体中氮的天然来源主要是各种形式的氮通过大气降尘、降水而进入地面水 广州大学工学硕士论文 体，大气中的氮也可以通过蓝绿藻和某些细菌的生物固氮作用进入地面水体，另外 还包括与某些沉淀物一起沉淀的氮。 袭1 1 氮的来源及进入水环境的方式” t a b l e1 - 1t h es o n g g e so fn i t r o g e na n dt h em e t h o d so f e n t r a n e e 塑! ! ! e 9 1 笠磐! ! ：i 罂! 磐! 型! 氮的来源进入水环境的方式 污水厂出水直接排放和灌溉 工业生产污水捧放，进入地下水或通过降水 未经处理污水直接排放 火山活动降水、大气和重力沉降 农业施肥地表径流 动物废弃物挥发、降水、地表径流和地下水运动 动植物残体腐败地表径流和地下水运动 污水处理厂污泥直接废弃或农田 船舶等交通工具直接排放 非市区径流直接排放 化石燃料降水，大气及重力沉降 天然固氮作用就地 土壤和地壳的变动大气和重力沉降 填埋沥出液地下水运动 化粪池浸滤液 地下水运动 表1 2 城市污水t e n 含量及其比值” t a b l e1 - 2t h ec o n c e n t r a t i o no f t k na n di t = l e r a t t o i ! ! ! ! 磐! ! i ! i e 型! 磐! ! ! ! 塑： 数据来源有机氮( m g l )氨氮( m g l )氨氮t 烈 人为来源主要有以下几个方面： ( 1 ) 未经处理的生活污水和工业废水：城市生活污水是氮的主要污染源之 一。氮的主要存在形态是有机氮( 主要为蛋白质) 和氨氮新鲜的生活污水的主要成 份是氨氦和有机氮，而亚硝酸盐氮和硝酸盐氮含量仅占0 - - 5 m 。表1 - 2 所示为我国 部分城市污水的含氮量测定值。此外，许多工业废水中也存在一定的氮。工业废水 中氮的形态和含量与工业类别、生产工艺等密切相关。如羊毛加工、制革、印染、 食品加工等行业排出的废水主要为有机氮：钢铁、炼油、化肥、无机化工、铁合 金、肉类加工和饲料生产等行业排出的废水主要为氨氮；牲畜饲料厂、家禽加工处 理、军火制造等过程排出的废水则含有较高浓度的硝酸盐氮。通常含高浓度硝酸盐 的废水中也含有部分亚硝酸盐，如硝酸钾生产厂排放的废水中，含硝酸盐为 2 6 4 0 m g l ，含亚硝酸盐6 4 0 m g 几“ 第l 章绪论 综上所述，生活污水和工业废水中都含有较高浓度的含氮化合物，这类废水在 进入江、河、湖、海之前，如不得到有效处理，就会使受纳水体的藻类过度生长繁 殖，这是形成我国近年内陆湖泊富营养化现象的主要因素。表1 3 列举了我国部分 富营养型湖泊物质的来源统计数据，来自城市污水的占湖泊营养物质问题的6 0 以 上，而湖面降水、湖区径流及其他来源尚不足4 0 由此可见，城市污水是导致湖 泊富营养化的主要原因 c 2 ) 污水处理厂出水；采用常规二级处理工艺的污水处理厂( 包括生活污水和 工业废水) ，出水都含有相当数量的氮，这些氮与污水中原有的微生物一起捧入水 体，成为藻类合适的养料这是城市污水经过常规二级处理后但城市河道依然出现 水体富营养化和黑臭的重要原因之一 表1 - 3 我国部分富营养型湖泊营养物质的来源统计” 塑! 熊! 坌! ! ：垒坐g 望! ! ! 坚堡! ! ! ! ! 罂! ! ! e ! 垡! ! ! 竺p ! 鎏! ! ! 壁色! i e ! 竺 湖泊营养物城市污水湖区径流湖面降水其他来源 名称质种类( t a ) ( 呦( t a )( 哟( t a ) 慨)o a )( 呦 1 、( t a ) 、( 蚴是指捧放量和所占比例 2 、其他来源为湖区旅游人群，湖面航行船只、养殖投饵和入湖地下水等 ( 3 ) 农业生产的地面径流：我国农业生产主要使用氮肥，作物的利用率仅占 3 0 ，而7 0 ( 1 8 0 0 万吨年) 的氮肥进入环境w j 。这些农田肥料通过雨水冲淋、农 业排水等地表径流造成大面积的面源性污染。有数据表明，中国的中部和东南沿海 各省市氮肥的使用率超过全国平均使用率的4 0 0 一5 0 0 m ，因此这些地方的水体氮 污染情况也较其它地方严重。同时，由于这些地方化肥使用量不断增加，加上不重 视科学施肥和技术推广，使进入水体的氮量也越来越多，因而造成严重的点源性污 染。 1 2 2 氮对环境的危害 随着人类活动的不断增加，环境资源的不断改变，含氮污水排放急剧增加，废 水中氮营养物质对环境所造成的影响也逐渐引起人们的关注“过多的含氮化合物 排入水体，特别是流动缓慢的湖泊，海湾，容易引起水中藻类及其他微生物的大量 繁殖，形成富营养化污染；大量藻类死亡时会消耗水中的氧，而一些藻类的蛋白类 广州大学工学硕士论文 毒素可富集在水生物体内，并通过食物链使人中毒；会使自来水处理厂运行困难， 除造成饮用水的异味外，严重时会使水中溶解氧下降，鱼类大量死亡，甚至会导致 湖泊的干涸死亡w # 另外还会增加给水消毒和工业循环水杀菌处理过程中氯的投 量，而加大氯的投量会对某些金属，特别是铜产生腐蚀作用；当污水回用时，再生 水中的氨氮可以促进输出管道和用水设备中微生物的繁殖，形成生物污垢，堵塞管 道和用水设备并影响换热效率m ；亚硝酸盐氮和硝酸盐氮对人体有害，水中亚硝酸 盐氮超过l m p l 时，就会使水生生物的血液结合氧的能力降低；超过3 m g ，l 时，可 在2 4 - 9 6 h 内使金鱼、鳊鱼死亡；亚硝酸盐氮与胺作用生成的亚硝酸胺有致癌、致 畸作用w 。 表l - 4城镇污水处理厂污染物捧放标准g b1 8 9 1 8 - 2 0 0 2( 单位：b f l ) d i s c h a r g es t a n d a r d o f p o l l u t a n t s f o r m u n i c i p a l w a s t e w a l e r t r e a t m e n t p l a n t ( g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) ( u n i t ：m g l ) 注；下列情况下按去除率指标执行：当进水c o d 大干3 5 0 m f l 时，去除率应大于6 缸b o d 大于1 6 0 m 邮一 时去除率应大于5 “ 括号外数值为水i 2 0 时的控制指标括号内数值为水薯加时的控制指标 水环境污染和水质富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区制定严格 的污水排放标准。近年来，欧洲各国对废水的脱氮要求越来越严格。我国最新颁布 第l 章绪论 实施的( g b l 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 ) 明确规定了适用于所有捧放单位的较严格的污水排放标 准肼这就意味着今后的大多数城市污水和工业废水处理要考虑脱氮处理，因此， 研究开发经济有效的污水脱氮处理技术已成为水污染控制工程领域的重点与熟点。 1 3 污水生物脱氮技术的现状及研究动态 污水生物处理技术距今已有1 0 0 多年的历史长期以来，污水生物处理技术以 其特有的技术、经济和环境优势，一直是污水处理领域中的主要技术，在城市污 水、工业废水、深度处理、再生利用以及微污染水源水和饮用水的深度处理等各个 方面发挥着越来越重要的作用。除传统的生物处理工艺外，从2 0 世纪6 0 年代起， 创造了氨的气提、选择性离子交换、折点加氯、电渗析、反渗透等物化脱氮方法以 及生物硝化一反硝化脱氮的生物脱氮法。但是，物化脱氮法工艺复杂、成本较高， 难以推广应用因此，生物脱氮法越来越受到人们的青睐。污水生物脱氮技术以其 处理过程可靠，处理成本低，操作管理方便等优点而被广泛使用目前已成为当今 水污染控制领域中的一个重要技术，引起世界各国的普遍关注。 1 3 1 传统的污水生物处理技术 1 9 3 0 年乌赫曼( w u h r m a n n ) 首先提出了“以微生物细胞内物质作为脱氮菌还原 硝酸的供氢体的生物脱氮法”。其后，布林格曼( a r l n g m a n n ) 于1 9 6 0 年前后提出 “利用城市污水中的有机物作为反硝化细菌代谢反应所需要的有机碳源”，开创了 雍林格曼脱氮法。2 0 世纪7 0 年代以来，世界各国都认识至4 控制水中氮、磷含量是 限制藻类生长，遏制水体富营养化的重要因素。因此开展了一系列脱氮除磷机理及 工艺研究。我国从8 0 年代初开始，也开始进行这方面研究。微生物脱氮技术根据 细菌在系统中存在的状态将生物脱氮系统分为悬浮活性污泥法和生物膜法两大类。 每一大类又可再划分成去碳、硝化、反硝化结合的单级污泥系统，以及去碳、硝 化，反硝化相分隔的多级污泥系统。此外，根据脱氮时所用的碳源，还可将其再细 分为两类：内碳源( 原水中的碳和内源性碳) 和外加碳源( 另投加甲醇或含碳丰富的 其他工业废水) 。主要生物脱氮工艺如下： 传统活性污泥法脱氮工艺：如图l - l 所示，该工艺是由巴茨( b a t c h ) 开创的所谓 三级活性污泥法m ，它以氨化、硝化和反硝化三个不同过程为基础建立的。其各级 功能如下：第一级曝气池为传统的二级生物处理反应器，主要功能是去除碳 ( b o d 、c o d ) 和氨化( 转化有机氮为氨氮) ；第二级是硝化曝气池，氨氮在这里氧化 广州大学工学硕士论文 为硝酸盐氮或亚硝酸盐氮，需投碱以防止p h 值下降；第三级为反硝化反应器，采 取厌氧、缺氧交替运行方式，并可投加甲醇作为反硝化过程所需的碳源，或直接引 入生活污水w 在此系统中必须安装搅拌装置( 搅拌桨) ，以保证活性污泥在非充氧 的条件下保持悬浮状态。该系统的优点是使氨化、硝化和反硝化分别在各自的反应 器内进行，各自回流污泥，反应进行速度快且彻底，其缺点是处理设备多，造价 高，管理较烦琐。 田1 - 1 传统活性污泥法脱氮工艺流程 f 喀 - i d e n | t r i f l e a t i o np r o c e uo f t r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g e v i y l j 塑墨篓一一业j 峻登 图i - 2 分建式a 0 工艺流程圈 f 唾t - 2 t h es e h e m i t t eo f a op r o c e s s 缺氧好氧工艺( a 0 ) ：也称前置反硝化生物脱氮工艺，是目前广泛应用的一 种脱氮工艺n 岫。缺氧区、好氧区分别设在同一构筑物中被分隔的两个部分或两个独 立的构筑物中。反硝化反应器在前，反硝化在缺氧条件下完成，含碳有机物的去 除，含氮有机物的氨化和氨氮的硝化反应在反硝化反应器后，此三项反应都在好 氧条件下运行。该工艺的优点是硝化过程中所耗的碱度5 0 可在反硝化中得到补 偿，对城市污水、生活污水类的含氮不高的废水可不必另行投碱，且流程短，勿 需外加碳源，建设运行费用低等。其不足之处在于，需双循环系统；出水中含一 第l 章绪论 定的硝酸盐氮，沉淀池运行不当时易发生二沉池内污泥脱氮而使污泥上浮；欲提 高脱氮率，须加大混合液循环比，导致运行费用增加，同时使反硝化反应器难以 保持理想的缺氧状态，影响反硝化 - 加法工艺：亦称a 2 o ，是由美国的一些专家在厌氧一好氧法脱氮工艺的基 础上开发的一项能够同步脱氮除磷的污水处理工艺嘲。其工艺流程为：废水与沉淀 池回流的污泥同时进入厌氧反应器，主要完成释磷的功能，同时对部分有机物进 行氨化；废水经第一厌氧反应器进入缺氧反应器，完成反硝化过程，此时需回流 好氧反应器内的混合液；最后再进入好氧反应器内完成b o d 的降解、硝化和吸磷 等反应。此工艺流程简单，但回流污泥中挟带的d o 和硝酸盐影响除磷效果，当 混合液回流比较小时，脱氮效果不理想。 氧化沟脱氯工艺：又称连续循环反应器、循环混合式曝气池，是2 0 世纪5 0 年代由荷兰开发出来、属活性污泥法的一种改型和发展m 第一座氧化沟由 p a s v c a r 博士设计，如图所示。它是延时曝气法的一种特殊形式，其曝气设备多采 用曝气转刷和曝气转盘。反应器一般呈封闭的环状沟渠形，池体狭长，池深较 浅通过曝气装置的转动，使混合液在池内循环流动，完成了曝气和搅拌作用 在氧化沟内可以存活污泥龄较长的细菌，有时污泥龄可达到1 5 - - 3 0 天，因此在氧 化沟内可以繁殖世代时间较长、增殖速度慢的微生物，有利于硝化反应，有益于 污水中氨氮的去除。氧化沟工艺流程简单，运行管理方便。 图1 3 氧化沟工艺流程圈 f i g 1 - 3t h es c h e m n t i co f o x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s b a r d e n p h o 工艺：b a r d c n p h o 脱氦工艺是一种由硝化手段和反硝化手段相互交 替组成的工艺。该工艺中的硝化和反硝化可以分别在各个反应器中进行，也可以 将它们组合在一个传统推流式曝气池中不同区域内其中第二种情况则是实际工 程中较多采用的运行方式。此工艺对于城市污水一般脱氮率可达7 0 - 8 0 ，但有 时由于进水中b o d 不足等原因，脱氮率可能仅有5 0 0 一6 0 t 一。 释放鳞)化吸收磷)反硝化脱氟) b 叩硝化)i l i 一一回速垣逼j 盒磷连猩2 一一l 剩余污泥，- - 一 一、 舍磷污泥 圈1 - 4b a r d e n p h o 脱氮除磷工艺流程 f i g 1 4t h es e h e m a t l eo f b s r d e n p h op r o e e m u c t 工艺c m ：该工艺中沉淀池的回流污泥和好氧区的污泥混合液分别回流至缺 氧区，其中携带的硝酸盐氮在缺氧区中经反硝化而去除。为了补偿厌氧区中污泥 的流失，增设了缺氧区至厌氧区的混合液回流。在废水t k n c o d 适当的情况 下，缺氧区中反硝化作用完全，可以使接受缺氧区出水中的硝酸盐氮浓度接近于 零，从而使接受缺氧区混合液回流的厌氧硝酸盐氮亦接近于零，保持较为严格的 厌氧环境。由于增加了缺氧区至厌氧区的混合液回流，运行费用略有增加 圈l - 5u c t 工艺漉程图 i , 1 - st h es c h e m a t i eo f u c tp r o c e s s 生物滤池：生物滤池在国外的二级处理中应用较多，尤其是欧洲。如德国的 s c h l e s ；w i g - h o i s t e i n 地区共有“个污水处理厂，其中3 4 个采用的是生物滤池，其 服务人口达1 5 万。生物滤池具有良好的硝化作用，其反硝化效果与进水中 c o i h n 的比值有关。若要达到完全反硝化，则其值须大于1 扣1 4 。为此提出了 将反硝化生物滤池设在处理系统前端的改进工艺，此工艺的反硝化效果在很大程 度上取决于回流比 1 3 2 生物脱氮新技术研究 传统的硝化一反硝化生物脱氮工艺，如a o 工艺、a 2 ot 艺等，虽然在废水脱 第l 章绪论 氮方面起到了一定的作用，但仍然存在着以下问题l w ： ( 1 ) 硝化菌群增殖速度慢且难以维持较高生物浓度，特别是在低温冬季，因 此造成系统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用； ( 2 ) 硝化过程是在有氧条件下完成的，需要大量能耗，另外在后置反硝化工艺 中，由于曝气过程去除了大量的c o d ，而在反硝化阶段有时又需要另外投加碳源， 由此使得运行费用升高； ( 3 ) 系统为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回 流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用； ( 4 ) 系统抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长； ( 5 ) 为中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，从而增加了处理费用。 然而，近年来随着科技工作者对生物脱氮工艺的进一步研究，发现了一些超出 传统认识的新现象，最近一些研究表明r u t - m ：硝化过程不仅由自养菌完成，异养菌也 可以参与硝化作用；某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用：特别是发现 了氨与亚硝酸盐或硝酸盐在缺氧条件下被同时转化为氮气的生物化学过程。这些新 现象为水处理工作者在研究探索生物脱氮新工艺上提供了新的思路。依据以上发 现，目前研究较多的生物脱氮新工艺主要有同步硝化反硝化脱氮工艺( s i m u l t a n e o u s 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 s n d ) 、短程硝化反硝化脱氮工艺( s h o r t c u tn 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 ) 和厌氧氨氧化脱氮工艺( a n a e r o b i ca m m o n i u mo s i d a t i o n - a n a m m o x ) 等。 1 4 同步硝化反硝化生物脱氮技术 近十几年来，尽管生物脱氮技术有了很大的发展，但是硝化和反硝化两个过程 仍然需要在两个隔离的反应器中进行，或者在时间或空问上造成交替缺氧和好氧环 境的同一个反应器中进行因此，在实际工程应用中，传统生物脱氮工艺存在很多 问题。随着人们对生物脱氮技术的不断研究，近年来开发出很多新型生物脱氮工 艺，其中同步硝化反硝化生物脱氮工艺可以克服传统生物脱氮工艺中存在的一些问 题。好氧反硝化和异养硝化菌的发现以及好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等研 究的进展，奠定了同步硝化反硝化生物脱氮的理论基础，国内外学者都对其展开了 深入的研究。 同步硝化反硝化工艺，就是在反应器内同时存在好氧环境和缺氧环境，则硝化 反应和反硝化反应就有可能在同一反应器内同时发生，从而达到去除含氮化合物的 广州大学工学硕士论文 _ _ i i f 目的。因此与传统生物脱氮工艺相比，同步硝化反硝化工艺具有无可比拟的优越 性：在同一处理系统中实现同步硝化反硝化，硝化反应的产物可直接成为反硝化反 应的底物，避免了硝化过程中硝酸盐氮的积累对硝化反应的抑制，加速了硝化反应 的速度；而且反硝化过程中所释放出的碱度可部分补偿硝化反应所消耗的碱度，能 使系统中的p h 值相对稳定：可以减少反应设备的数量和容积，降低氧气的供给， 从而节省能耗；减少甚至不需要碳源的投加，节省药剂费用等等。 1 4 1 同步硝化反硝化机理 同步硝化反硝化活性污泥系统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可能 性，但对其作用机理还需进一步的研究与探讨，目前初步形成的三个主要的理论 是； l i 宏观环境理论：很早以前，人们就在没有明显的缺氧及厌氧段的活性污泥工 艺中观察到曝气系统中氮的非同化损失，其损失量随控制条件的不同约在 1 0 0 ，2 0 左右一。一般而言，即使在好氧条件为主的活性污泥系统中，特别是采 用点源性曝气装置曝气不均匀时，往往会出现较大范围的局部缺氧的环境，此为生 物反应器的大环境，即宏观环境。例如在生物膜反应器中，生物膜内可以存在缺氧 区，硝化在有氧的膜上发生，反硝化同时在缺氧的膜上发生，类似的如生物转盘 依b c ) 、序批式生物反应器( s b r ) 及氧化沟等。事实上，在生物规模的生物反应器 中，整个反应器处于完全均匀状态的情况并不存在，放s n d 也就有可能发生 2 微环境理论：微环境理论认为，由于微生物个体形态非常微小，一般属于微 米级，影响生物的生存环境也是微小的。而宏观环境的变化往往导致微环境的变化 或不均匀分布，从而影响微生物群体或类型的活动状态，并在某种程度上出现所谓 的表里不一( 即宏观环境与微观环境不一致) 的现象。在活性污泥系统中，微环境理 论考虑各种生态因子( 如d o 、有机物及其它营养物质) 的传递与变化。认为由于 氧的扩散的限制，会形成d o 的梯度，在微生物絮体的外表面，由于d o 浓度相对 较高，以好氧硝化菌及氨化菌为主，深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消 耗，产生缺氧区，反硝化菌占优。这就为硝化反应和反硝化反应的进行分别提供了 有利的环境，即硝化反应在絮体外部进行，而反硝化反应则在絮体内部完成总 之，微环境理论是目前解释s n d 现象最有说服力的理论。 3 生物学理论：通常认为有硝化作用的菌种会在微量分子态氧存在的情况下优 先利用氧作为电子受体，而不是亚硝酸盐或硝酸盐。在纯培养条件下的使用表明， 弟i 覃绪论 当溶解氧浓度大于0 2 m g l 时，反硝化作用就会终止，但好氧反硝化现象的发现表 明，即在溶解氧浓度达到1 0 m g l 时，仍在污水处理工艺中观察到了总氮损失现 象。h o n gwz h a o 等认为s n d 现象发生的主要原因可能在于异养硝化和好氧反 硝化的发生。因为除此之外不能较好的解释有氧区域的反硝化现象，r o b e r t s o n 等发 现有氧区域的反硝化现象，指出了好氧反硝化与异养硝化速率随溶解氧浓度升高而 也降低，并假设t h i o s p h a e r ap a n t o l r o p h a 和其它一些好氧反硝化菌利用硝酸盐氮或 亚硝酸盐氮作为呼吸作用的电子受体，将氨氧化，并将过量能源储存于p h b 中。 可见，异养型硝化与好氧反硝化的存在可以比较好的解释低氧条件下的s n d 现 象，这打破了传统理论认为的硝化反应只能由自养菌完成和反硝化只能在厌氧条件 下进行的观点已知的好氧反硝化菌有p s e u - d o m o n a ss p p ，a i c a l i g e n e sf a c i a l i s ， t h i 0 5 p h a e r ap a n t o t r o p h a ，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，正因为如此，能 够直接把氨氮转化成最终气态产物 1 4 2 同步硝化反硝化工艺 根据同步硝化反硝化的研究成果，开发了一些新型的生物脱氮工艺，主要有以 下几种： 单一反应器通过亚硝酸盐去除氨氮工艺( s h r o n ) ：d e l f t 技术大学在1 9 9 7 年提 出了此工艺w ，其基本原理就是使硝化反应停留在硝酸阶段，为了抑制亚硝酸盐为 硝酸盐，该工艺采用了高温措施，因为在高温条件下硝化杆菌同亚硝化单胞杆菌相 比，增长速度明显降低。这样在完全混合反应器里控制较短的水力停留时间，提供 较高的温度就可以将硝化杆菌筛选掉。该工艺与传统工艺相比，氧气和甲醇分别节 约了2 5 和4 0 0 , 4 。 s 隙滞后期的工艺：该工艺是由韩国科学技术学院的环境研究中心提出的 采用乙酸作为碳源，碳氮比c n 为5 l o ，曝气时间7 2 m i n ，沉淀时间3 0 r a i n ，出水 2 4 m i n ，在曝气初期最小d o 浓度为0 4 m g l ，然后逐渐增大，在后期达到的最大 d o 浓度为2 0 - 2 5m 班该工艺碳的去除率为9 5 以上，总氮去除率也大于 9 0 。 - a n d ( 氧限制自养硝化反硝化) 工艺：该工艺称为o x y g e nl i i n i t e da u t o t r o p h i c n i t r i f i c a t i o nd e n i f r i c a t i o n ，简称o l a n d 工艺，由比利时微生物生态实验室开发 该工艺的关键是控制d o ，使硝化过程仅进行到氨氮氧化为亚硝酸盐氮阶段。d o 广州大学工学硕士论文 浓度是硝化和反硝化过程中的重要因素，研究表明低d o 下亚硝酸菌增殖速度加 快，补偿了由于低氧造成的代谢活动下降，使得整个硝化阶段中氨氧化未受到明显 影响。低氧下，亚硝酸大量积累是由于亚硝酸菌对d o 的亲和力较硝酸菌强。亚硝 酸菌的饱和常数一般为0 2 - 0 4 m g l 。o l a n d 工艺就是利用这两类菌动力学特性的 差异，实现了淘汰硝酸菌，使亚硝酸菌大量积累该工艺是在低氧浓度下实现维持 亚硝酸积累，但是对悬浮系统低氧下活性污泥易解体和发生丝状膨胀，因此处理效 果有待进一步的研究。 厌氧氨氧化工艺( n 柚x ) ：1 9 9 0 年，荷兰d e l i f t 大学生物技术实验室开发出此 工艺m ，该工艺是在缺氧条件下，以亚硝酸盐或硝酸盐作为电子受体，将氨氮转化 为氮气。如果说上述的s h a r o n 工艺还只是将传统的硝化和反硝化工艺通过运行 控制缩短了生物脱氮的途径，a n a m m o x 工艺则是一种全新的生物脱氮工艺，完 全突破了传统生物脱氮工艺中的基本概念。最近研究表明，亚硝酸盐是一个关键的 电子受体由于参与厌氧氨氧化的细菌是自养菌，因此不需要添加有机物来维持反 硝化实验研究发现：厌氧反应器中氨氮浓度的降低与硝酸盐的去除存在一定的 比例关系 微生物固定化技术：微生物的固定化技术是生物技术的一个重要研究领域。硝 化细菌由于生长缓慢，在活性污泥法硝化工艺中需要很大的处理空间，导致处理费 用的升高，影响该工艺在污水处理中的广泛应用。采用菌体固定技术会保留大量菌 体在处理系统中的存在，减少污水的停留时间，缩小所需的处理空问，节省费用， 提高效率利用胶体把硝化菌体固定在移动载体微粒内，应该是硝化处理工艺今后 发展的重要方向。 近年来，国内的水处理研究者对s n d 的研究也日趋活跃。吕锡武等研究了 d o 及活性污泥浓度对s n d 的效率影响研究结果表明，随着反应器内d o 浓度的 降低，总氮去除率呈上升趋势；同时反应器混合液污泥浓度越高，总氮去除率也相 应提高，好氧反硝化现象越明显。邹联沛m 等研究了d o 、c n 、p h 等生态因子对 膜生物反应器同步硝化反硝化的影响。结果表明，只有在各生态因子保持得当的条 件下，s n d 才能顺利的进行。d o 为1m g l 左右、c n 为l o 左右、进水p h 值保 持在7 2 左右时，c o d 、氨氮和总氮去除率分别为9 6 、9 5 和9 2 赵玲m 等采 用内置弹性立体埴料的复合s b r 系统处理模拟废水，试验中发现，在有氧条件 下，存在着反硝化现象，即同步硝化反硝化。当d o 浓度为3 5m g l 左右，总氮 第l 章绪论 去除率达到8