（市政工程专业论文）A2N系统污水污染物去除及DPBs污泥特性研究.pdf

杨欢：a 2 n 系统污水污染物去除及d p b s 污泥特性研究 中文摘要 污水生物脱氮除磷工艺中，微生物在反硝化和吸磷时需要消耗一定的有机碳 源。但因城市污水碳源浓度普遍较低，污水生物脱氮除磷工艺难以满足同时高效 脱氮除磷的要求，因此有必要寻求高效的脱氮除磷技术。反硝化聚磷菌( 简称d p b s ) 对碳源的“一碳两用”机理，为污水处理中碳源不足问题提供了新的解决方案。 论文基于反硝化除磷理论，采用连续流厌氧缺氧硝化( a 2 n ) - i - 艺，研究了污 水c o d 及氮磷去除效果、d p b s 吸碳特性和d p b s 污泥特性，分析了系统内碳源 基质转化关系，明确了a 2 n 连续流系统对污染物的去除特性及主要影响因素。 研究历时一年，主要结果有： ( 1 ) a 2 n 连续流系统对污水中有机物、氮磷都能获得稳定的去除效果，c o d 、 总氮、氨氮、总磷的平均去除率分别为8 6 7 、7 0 5 0 、8 3 5 4 和6 9 7 2 。与传 统的a 2 0 工艺相比，a 2 n 工艺具有对污水碳源要求低、节约曝气量等优势。 ( 2 ) 在a 2 n 连续流系统中，反硝化聚磷菌在厌氧阶段吸收污水的有机物量愈 多、则生成的p h b 含量愈多，进而污泥在回流至缺氧阶段被消耗的p h b 愈多， 整体上a 2 n 连续流系统的氮磷去除率愈高。 ( 3 ) a 2 n 连续流系统中，在同一反应时间内，随着污泥浓度的增大，系统的释 磷速率、吸磷速率和反硝化脱氮速率是随之增大的，但单位污泥的释磷速率、吸 磷速率和反硝化脱氮速率却是随之下降的。在同一污泥浓度下，随着反应时间的 增加，系统的释磷速率和吸磷速率是随之降低的。 ( 4 ) 结果表明，a 2 n 连续流系统中d p b s 污泥的近似含磷量在3 2 0 * - 4 1 之间 波动。系统中反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的6 6 2 3 。 ( 5 ) 系统连续运行结果表明，a z n 连续流系统适合处理低碳源污水。在c n 为3 1 1 0 的低碳氮比下能够同时获得稳定有效的氮磷去除率。 关键词：a 2 n 系统，反硝化脱氮除磷，吸碳，低碳污水 i l 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nw a s t e w a t e r b i o l o g i c a ln i t r o g e n a n d p h o s p h a t e r e m o v a l p r o c e s s e s ， m i c r o o r g a n i s m sn e e dt oc o n s u m ec e r t a i no r g a n i cc a r b o ns o u r c e sb o t hi nd e n i t r i f i c m i o na n d p h o s p h o r u su p t a k e b u tm u n i c i p a ls e w a g e sl o wa n di n s u f f i c i e n tc a r b o ns o u r c eo f t e n m a k e si th a r dt os a t i s f yt h er e q u e s to fl l i g he f f i c i e n tp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l i nt h em e a n t i m e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s i t yt ol o o kf o rh i g he f f i c i e n tn i t r o g e na n d p h o s p h a t er e m o v a lt e c h n i q u e t h em e c h a n i s mo f “o n ec a r b o n ，t w ou s e t oc a r b o n s o u r c eo ft h e d e n 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 go r g a n i s m s ( d p b sf o rs h o r t ) p r o v i d e sn e ws o l u t i o nf o r t h ec a r b o ns o u r c es h o r t a g ep r o b l e mi nt h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n t b a s e do nt h e t h e o r y o f d e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n ，t h e c o n t i n u o u s - f l o w a n a e r o b i c a n o x i c n i t r i f i c a t i o np r o c e s s ( a 2 0w a su s e di nt h i si n v e s t i g a t i o n f i r s t ，t h e r e m o v a le f f e c t so fc o d ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，d p b s c h a r a c t e r i s t i co fa b s o r b i n g c a r b o na n dd p b ss l u d g e sc h a r a c t e r i s t i cw e r es t u d i e d t h e nt r a n s l a t i o no fs y s t e m i n t e m a lc e l l d e p o s i t o rm a t t e rw e r er e s e a r c h e d f i n a l l yt h er e m o v a lc h a r a c t e r i s t i co f a 2 nc o n t i n u o u si n f l u e n ts y s t e ma n di t sm a i ni m p a c tf a c t o r sw e r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n so fm o n i t o r i n gf o ray e a ra r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ec o n t i n u o u s f l o wa 2 np r o c e s sh a ss t a b l er e m o v a le f f e c t st oo r g a n i cm a t t e r , n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fc o d ，t n ，n h 4 + - n ，t pa r e 8 6 7 ，7 0 5 0 ，8 3 5 4 ，6 9 7 2 s e p a r a t e l y c o m p a r i n gt oc o n v e n t i o n a la z 0p r o c e s s ， a 2 np r o c e s sh a st h es u p e r i o r i t yo fl o wc a r b o nr e q u i r e m e n t so fs e w a g ea n dl o w a e r a t i o n ( 2 ) i nt h ec o n t i n u o u s - f l o wa 2 ns y s t e m ，d p b sa b s o r bm o r eo r g a n i cm a t t e rf r o m w a s t e w a t e ri nt h ea n a e r o b i cp h a s e ，t h ep h bg e n e r a t e dm o r e ，a n dt h e nt h ep h b c o n s u m e dm o r ew h i c hi sf o l l o w i n gt h es l u d g er e t u r n e dt ot h ea n o x i cp h a s e o nt h e w h o l e ，t h ec o n t i n u o u s - f l o wa 2 ns y s t e mh a sah i g h e rr e m o v a lr a t eo fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s 杨欢：a 2 n 系统污水污染物去除及d p b s 污泥特性研究 i i i ( 3 ) i nt h ec o n t i n u o u s f l o wa 2 ns y s t e m ，a tt h es a m er e a c t i o nt i m e ，勰t h es l u d g e c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s ，s y s t e m sp h o s p h a t er e l e a s er a t e ，p h o s p h a t eu p t a k er a t ea n d d e n i t r i f i c a t i o nr a t ea l ei n c r e a s i n ga l o n g ，b u tt h eu n i ts l u d g ep h o s p h a t er e l e a s er a t e ， p h o s p h a t eu p t a k er a t ea n dd e n i t r i f i c a t i o nr a t ea l ef a l l i n ga l o n g a tt h es a m es l u d g e c o n c e n t r a t i o n , 嬲t h er e a c t i o nt i m ei n c r e a s e s ，s y s t e m sp h o s p h a t er e l e a s er a t ea n d u p t a k er a t ea l es u b s e q u e n t l yr e d u c i n g ( 4 ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，i nt h ec o n t i n u o u s f l o wa 2 ns y s t e m ，t h ea p p r o x i m a t e p h o s p h o r u sc o n t e n to fd p b ss l u d g ef l u c t u a t e sb e t w e e n3 2 - - 4 1 t h ep r o p o r t i o no f d e n 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 go r g a n i s m s t ot o t a l p h o s p h a t e - - a c c u m u l a t i n g o r g a n i s m si s6 6 2 3 ( 5 ) t h er e s u l t s o fc o n t i n u o u s o p e r a t i o no ft h es y s t e ms h o w e dt h a t , t h e c o n t i n u o u s - f l o wa 2 ns y s t e mi sa p p r o p r i a t et ob e u s e dt ot r e a tl o wc a r b o ns o u r c e w a s t e w a t e r i tc a l la l s oo b t a i nas t a b l ea n de f f i c i e n tr e m o v a lr a t e so fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sw h e n t h ec ni s3 16 6 10 k e y w o r d s ：a 2 ns y s t e m ，d e n 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 go r g a n i s m s ，a b s o r b i n g c a r b o n , l o wc a r b o ns o u r c ew a s t e w a t e r 7 0扬州大学硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：柄伙 签字日期：y 细年6 月1 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅。本人授权扬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。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到i ：中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：翻仅久 签字日期： 洳如年占月f 日 导师签名： 何c 吖、兰 一j 签字日期：b f 年岁月刁日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 杨欢：a 2 n 系统污水污染物去除及d p b s 污泥特性研究 1 绪论 1 1 综述 1 1 1 引言 近年来，随着我国经济快速发展和工业化程度的扩大，环境污染问题日益严 重，其受重视程度也在不断加大，尤其是水环境污染和水体富营养化问题最为受 关注。引起水体富营养化主要是由于氮磷等营养元素过度排放，因此控制水体富 营养化的根本途径就是控制污染物的排放、加大污染源的治理和提高污水厂处理 出水的氮磷指标【旧。我国城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 和国家环境保护总局2 0 0 6 年第2 1 号公告中规定，“城镇污水处理厂出水排入国家 和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执行一级标准的a 标 准 ，即出水水质达到t n 1 5m g l ，n h a - n 5m g l ，t p 0 5m g l 。所以今后无 论是新建污水厂还是已有污水厂都面临着污水深度脱氮除磷的要求【3 】。 生物脱氮除磷技术由于同时具有去除碳、氮、磷且处理成本低的优势而得到 广泛应用。但是随着氮、磷排放标准的日益提高，传统生物脱氮除磷技术也显示 出了它的弊端，尤其在处理低碳氮比污水时由于碳源不足使得同时脱氮除磷存在 困难。因此开发经济、高效、低能耗的生物脱氮除磷工艺已经成为各国城市污水 处理研究的难点和热点【4 l 。 1 1 2 传统生物脱氮除磷理论及工艺现状 1 1 2 1 生物脱氮除磷原理 城市生活污水中，氮以有机态氮、氨态氮、亚硝酸氮、硝酸氮以及气态氮存 在，并在一定的条件下可以相互转化。传统的生物脱氮方法已经被证明是一种经 济、可靠的处理方法，完整的生物脱氮过程包括氨化、硝化和反硝化三个过程， 其基本原理是通过生物化学反应将污水中的有机氮转化为氨氮；然后在好氧条件 下通过硝化菌将氨氮氧化为硝酸态的氮或亚硝酸态的氮，最后通过缺氧条件下的 2扬州大学硕士学位论文 反硝化作用将硝化过程产生的硝态氮和亚硝态氮转化为氮气等气体形式产物排入 大气，从而达到废水脱氮的目的，同时部分氨氮通过同化作用合成新细胞并最终 以剩余污泥形式排放，具体反应方程如式1 1 、式1 2 、式1 3 所示 s , 6 l 。 氨化反应 r c h n h 2 c o o h + 0 2 j 坠些l r c d 伽+ c d 2 + n h 3 ( 式1 1 ) 亚硝化硝化反应 n h ；+ 昙d 2j 屿峨+ h 2 0 + 2 h + ，( 式1 2 ) n o ；+ 去d 2 马婀 二 反硝化反应 n o ；一呸专2 0 一2( 式l - 3 ) 生物除磷理论研究至今，国际上普遍认同的是“聚合磷酸盐( p o l y p ) 累积微生 物 一聚磷菌( 简称p a o s ) 的释磷吸磷原理【6 】o 厌氧条件下，p a o s 通过分解体内贮存的聚磷和糖原产生能量，将污水中易 降解有机物( 如挥发性脂肪酸v f a s ) 摄入细胞，并以聚p 羟基烷酸( 简称p h a s ， 它主要包括聚一d 羟基丁酸脂p h b ) 等有机颗粒的形式储存于细胞。聚磷的分解所 产生的多余磷酸盐通过主动扩散的方式排出胞外，从而污水中磷酸盐浓度升高， 厌氧释磷的反应方程式如式1 4 所示。 a t p + h 2 0 _ 4 d p + h 3 p 0 4 + 能量 ( 式1 4 ) 好氧条件下，聚磷菌以溶解氧为电子受体，以厌氧条件下贮存的p h b 为电子 供体，通过氧化产生的能量过量的从污水中摄取磷酸盐并合成高能物质三磷酸腺 苷( 简称a t p ) ，其中一部分合成聚磷作为能量物质储存于细胞内，好氧吸磷的 反应方程式如式1 。5 所示。 彳御+ 皿p d 4 + 能量_ 彳开+ h 2 0 ( 式1 5 ) 一般来说，细菌增殖过程中，好氧条件下摄取的磷比厌氧条件下释放的多， 因此废水生物除磷正是利用排放富磷污泥这一过程来达到高效除磷目的【7 - 9 。 杨欢：a 2 n 系统污水污染物去除及d p b s 污泥特性研究 3 1 1 2 2 生物脱氮除磷工艺现状 目前，废水生物脱氮主要通过硝化反硝化过程来实现，而生物除磷则主要通 过聚磷菌过量摄磷和排泥来实现。最初脱氮和除磷是通过不同的生物处理工艺来 实现的，随着世界各国对氮磷排放标准的日益提高，单独的脱氮或除磷工艺已逐 渐向其组合工艺方向发展。从机理来看，生物脱氮除磷组合工艺均包含了厌氧、 好氧和缺氧三种基本状态【1 0 1 。生物脱氮除磷组合工艺主要包括两大类：第一，能 实现同步脱氮除磷的连续流工艺，如a 2 o 工艺、u c t 及其改良工艺、v i p 工艺、 m u c t 工艺和b a r d e n p h o j h b p h o r e d o x 工艺；第二，通过对曝气方式的控制在时 间或空间上实现厌氧、好氧、缺氧交替的间歇工艺，如s b r 及其改良工艺和氧化 沟工艺【3 4 】。下面一些热点工艺做简要介绍： ( 1 ) 厌氧缺氧好氧( a 2 o ) - - 仁_ 物脱氮除磷工艺 a 2 o 工艺是最简单的同步脱氮除磷工艺，它是1 9 7 2 年b a r n a r d 在厌氧好氧 工艺基础上开发而成的。流程如图1 1 所示。 硝化液回流 污泥回流 水 l 剩余污泥 图1 - 1a 2 o 工艺流程图 该工艺中硝化液回流中携带的溶解氧会对缺氧池的反硝化脱氮造成影响，同 时污泥回流携带的硝酸盐会破坏厌氧环境，影响磷的释放，因此回流比不宜过大， 脱氮除磷效率也受到一定限$ l j 4 6 】。针对a 2 o 工艺的不足，国内外学者开发出了 许多改良的工艺，例如j h b 工艺、u c t 工艺、m u c t 工艺等。 ( 2 ) b a r d e n p h o 工艺 4扬州大学硕士学位论文 i - ：一一 一- - - _ 。- - - _ _ 一- - - - - - - - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - 污泥回流q 剩余污菇、l 水 图1 - 2 b a r d e n p h o 工艺流程图 该工艺由南非首创，可看作两个a o 工艺串联，由缺氧好氧厌氧好氧四段 构成，前半段主要为脱氮，为后面厌氧释磷创造良好条件，流程如图1 2 所示。 主要特点是水力停留时间较长，在不 b a n 碳源条件下脱氮率可高于9 0 ，除磷率 也很高。但因工艺流程较长，运行费用也高【1 1 , 1 2 】。 ( 3 ) j h b 工艺 j h b 工艺是利用前置缺氧开发的工艺，如图1 3 所示。该工艺解决了a 2 o 工 艺里回流污泥携带的硝态氮对厌氧释磷的影响【1 3 1 。 进水 进 -i l ：一一一一一一一一一j - - - - - - - 一一- 一- - 一- 一- 一- - - - 一- - - - - 一- - - 一五 污泥回流q 剩余污妄、 水 图1 - 3j h b 工艺流程图 ( 4 ) u c t 及其改良工艺圳，c t 工艺 u c t 工艺是将a 2 o 工艺中污泥回流方式改进为二次回流而开发出的，它由 南非开普敦大学提出，工艺流程见图1 - 4 。后又针对有时c o d t k n 较低时对u c t 工艺进行了改良，得到m u c t 工艺，见图1 5 所示。u c t 工艺和m u c t 工艺都 是通过减少回流污泥中携带的硝态氮对厌氧释磷的干扰而提高系统的脱氮除磷效 率 11 ，1 4 - 1 7 。 杨欢：a 2 n 系统污水污染物去除及d p b s 污泥特性研究 5 i ：童l - - - - - - - - - - - - - - - - - 工 污泥回流 图l - 4u c t 工艺流程图 水 、剩余污泥 ：一一j !l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一- - 一- 污泥回流 剩余污妄、 水 图l 一5m u c 。i 工艺流程图 ( 5 ) v i p 工艺 v i p 工艺是8 0 年代末美国v i r g i n i a 州h a m p t o nr o a d s 公共卫生区与c h a m h i l l 公司开发的。其工艺流程见图1 - 6 ，与u c t 工艺相似，特点在于：厌氧 池、缺氧池和好氧池的每一部分都由两个以上的池子组成，释磷和摄磷速率都很 快。与u c t 工艺相比其污泥龄较短、负荷较高，因而除磷效率高，反应设备容 积小f 1 8 1 9 1 。 进 - l 污泥回波o 。5 z 】) q 一 水 图1 - 6v i p 工艺流程图 ( 6 ) c a s s ( c a s t ，c a s p ) i 艺 c a s s ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) 是s b r 工艺的变革工艺，它在一个反应 6 扬州大学硕十学位论文 池内通过控制曝气时间实现时间上的厌氧缺氧7 好氧环境交替，为聚磷菌有效释 磷和吸磷创造条件。其工艺构造见图1 7 ，典型的c a s s 反应器由选择器( 用于 防止污泥膨胀和进行反硝化脱氮) 、厌氧区( 释磷) 、好氧曝气主反应区( 去除有 机物和进行硝化反应) 三部分组成。其工艺的特点是：反应器体积小，工艺流程 简单，操作灵活，耐冲 击性强，具有很好的运用前景6 , 2 0 - 2 3 】。 迸水 气系统 污泥回流 图1 7c a s s 工艺构造程图 ( 7 ) 氧化沟工艺 氧化沟工艺是通过控制曝气时间在反应器里实现空间上的厌氧缺氧好氧 环境交替，为除磷创造条件。脱氮除磷氧化沟是常规氧化沟和其他脱氮除磷工艺 的结合。有厌氧池和氧化沟分开的，也有厌氧池和氧化沟合在一起的。该工艺的 特点在于反应流程简单，处理效果稳定，欧洲各国应用较多6 , 2 0 , 2 4 1 。 1 1 2 3 生物脱氮除磷系统存在的矛盾和竞争 由前面所述可知，脱氮除磷组合工艺发展至今在不断的进行改善，然而传统 脱氮除磷组合工艺在实际运行中经常出现无法同时取得良好的脱氮和除磷效果的 现象口5 1 。这种现象表明了传统生物脱氮除磷工艺存在难以协调的矛盾和竞争，这 从脱氮和除磷的机理上可以看出，主要有以下矛盾【2 6 ，2 7 】： ( 1 ) 微生物的混合培养 脱氮和除磷的实现由许多过程构成，需要不同的微生物来参与。其中生物脱 杨欢：a 2 n 系统污水污染物玄除及d p b s 污泥特性研究 7 氮过程本身就是一个矛盾统一体，硝化由自养性好氧细菌完成，反硝化由兼性异 养菌完成。这些不同的细菌对营养物质和环境的需求都不同，而目前生物脱氮除 磷工艺中一般都采用单一的污泥悬浮生长系统，各种微生物很难同时处于最佳生 长条件下，因此各自的功能都受到限制，无法同时达到高效运行【2 7 2 引。 ( 2 ) 泥龄彼此矛盾 硝化菌繁殖速度慢，世代时间长，所需的泥龄较长，反硝化菌则泥龄较短， 同时聚磷菌也是短世代微生物，所需泥龄短。再者，系统中磷的去除是通过剩余 污泥的排放来实现的，为了保证系统的除磷效果必须维持较高的污泥量。若泥龄 太低，硝化反应无法顺利进行，而且由于污泥排放量大使得系统污泥浓度较低， 降低除磷效率；若泥龄太长，会影响聚磷菌对磷的吸收，使得除磷效率下降 2 9 , 3 0 。 因此，硝化菌和聚磷菌在泥龄问题上存在不可协调的矛盾。 ( 3 ) 碳源的竞争 首先硝化菌是自养菌，过多碳源存在会抑制其生长，而反硝化菌则是异养菌， 需要碳源来充当电子供体；其次，聚磷菌厌氧释磷需要消耗水中易降解有机物， 而通常城市污水中所含易降解c o d 很少。因此，释磷和反硝化过程存在对碳源 的竞争。由于反硝化速度快于释磷速度，反硝化会优先利用水中易降解有机物， 如v f a 等，因此聚磷菌在竞争中往往处于劣势。厌氧环境下磷释放的程度和生成 的p h b 量是随后好氧环境下过量摄磷的必要条件和决定性因素，要达到完全脱氮 除磷的目的，城市污水的c n 至少要大于4 5 ，而脱氮除磷工艺中经常面临碳源 不足的问题，尤其在低碳的南方城市更为明显。 ( 4 ) 硝酸盐问题 传统a 2 o 工艺中回流污泥中的硝酸盐会破坏厌氧段的厌氧环境，此时反硝 化菌会和聚磷菌竞争水中的v f a 进行脱氮，使得聚磷菌难以获得充足的有机物， 从而影响其释磷，尤其当进水中v f a 较少、污泥含磷量又不高时，硝酸盐的存在 甚至会诱导聚磷菌直接缺氧吸磷，严重抑制了厌氧释磷过程的进行，从而影响系 统的除磷效果。 尽管前面已叙述了许多改善硝酸盐对厌氧释磷影响的工艺，但是新工艺也只 8 扬州大学硕士学位论文 能在某一时段解决某一局部问题，当从系统角度全面考虑时，新工艺往往又具有 新的缺陷。 综上所述，随着人们对传统脱氮除磷工艺中存在的矛盾认识的更加深入时， 我们得知传统脱氮除磷工艺难以同时取得高效的脱氮除磷效果的缺陷是无法从根 本上进行解决的，因而研究新的生物脱氮除磷方法十分重要。 1 1 3 反硝化脱氮除磷工艺及研究现状 过去人们曾发现有些污水厂的缺氧池内会出现聚磷现象，随着研究的深入， 人们发现了具有反硝化功能的聚磷菌，它能够以硝酸盐为电子受体在进行反硝化 过程的同时过量吸收磷，这类细菌被称之为反硝化聚磷菌( d p b s ) 3 1 - 3 4 】。以d p b s 为基础研究开发的反硝化脱氮除磷工艺由于能够克服传统脱氮除磷工艺中的一些 缺陷而颇受重视，具有重要的应用价值和市场前景。 1 1 3 1 反硝化脱氮除磷理论 反硝化脱氮除磷理论的发展起源于1 9 7 7 年o s b o m 和n i c h o l l s 在硝酸盐异化 还原过程中发现的磷的快速吸收现象，这表明某些反硝化菌也能超量吸磷，此后 越来越多的研究证实了这点1 即5 刁7 】。1 9 9 3 年荷兰d e l f t 大学的k u b a 研究发现， 尽管d p b s 和目前水处理领域中广泛应用的以氧气为最终电子受体的好氧聚磷菌 p a o s 相比，由于最终电子受体不同，对摄磷环境要求也有所区别，但d p b s 作为 聚磷微生物，其释磷机理和p a o s 相似，即在厌氧环境中，d p b s 将细胞中的聚磷 水解成正磷酸盐形式释放出磷，以获得能量，并利用污水中易降解有机碳源，如 挥发性脂肪酸( v f a ) ，合成储能物质聚p 羟基丁酸( p h b ) 存于细胞内；缺氧环境下， d p b s 以n o x ( n 0 3 。或n 0 2 ) 为最终电子受体，进行反硝化和过量摄磷。如此在 厌氧缺氧交替运行条件下，即可实现d p b s 反硝化脱氮除磷效果【3 1 1 。具体释磷、 吸磷机理如图1 8 所示【1 2 】。 杨欢：a 2 n 系统污水污染物去除及d p b s 污泥特性研究 9 v 伤) 0 2 厌辍环境。放磷、靛强叠i ：c 缺氧环境；耗璇擞磷 图1 - 8p a o s 和d p b s 生物释磷、吸磷机理图 近年来，学术上对聚磷菌的研究出现了三种说法：两类菌属假说，即p a o 分为两类，其中一类只能以0 2 为电子受体，另一类既能以0 2 为电子受体又能以 n 0 3 为电子受体，具有同步反硝化吸磷的功能 3 4 , 3 6 , 3 7 ；一类菌属假说，即只存 在一类p a o ，它们在一定程度上都具有反硝化能力，关键在于厌氧缺氧交替运行 的环境条件是否得到了强化【3 8 1 ；三类菌属假说，j y h u 等的试验发现除了上述 两类菌属假说外，还存在一类即能以0 2 和n 0 3 为电子受体又能以n 0 2 - 为电子受 体的聚磷微生物1 3 9 1 。我国的赵璐等研究表明亚硝酸盐在一定程度上可以充当生物 除磷的最终电子受体【加】。蒋轶锋等也分别对0 2 、n 0 3 。、n 0 2 作为生物除磷电子受 体的效能进行了比较，n 0 2 不会对经驯化后d p b s 缺氧吸磷造成抑制，但其作为 电子受体时的除磷效能远低于n 0 3 h 。袁林江等利用厌氧好氧培养出聚磷菌， 在进行静态反硝化聚磷试验中也证明了聚磷菌能以n 0 2 为电子受体 4 2 1 。目前三种 说法各有支持者，仍需要深入的研究来证实。 1 1 3 2 反硝化除磷与好氧除磷的比较 d p b s 和p a o s 厌氧条件释磷的代谢机理相同，主要区别在于吸磷时的电子受 体不同。反硝化除磷技术中d p b s 能够在厌氧释磷的同时，吸收原水中的碳以p h b 形式储存在细胞内，在缺氧条件下以硝酸盐为电子受体，不需提供外碳源而是利 用厌氧段存储于体内的p h b 在反硝化脱氮的同时实现磷的去除，不仅解决反硝化 碳源问题，还解决了除磷所需的碳源，具有“一碳两用 的优势。与好氧除磷相 比，摄磷和脱氮过程的结合提高了碳源利用率，使得c o d 消耗量节省5 0 【4 3 1 ， 1 0 扬州大学硕+ 学位论文 吸磷过程由缺氧环境代替了好氧环境，氧的消耗仅用于硝化过程，节省了曝气量 约3 0 1 4 4 ，相应的污泥产量则减少了约5 0 1 4 4 1 ，同时还可以避免c o d 单一的氧 化稳定至c o ；，使释放到大气的c 0 2 量降低了2 0 左右 4 3 郴】。尽管具有这些明显 优势，但由于反硝化除磷以硝酸盐为最终电子受体，而好氧除磷以氧气为最终电 子受体，两者进行电子传递时氧化磷酸化的水平不同，即产生a t p 不一样多，如 式1 - 6 所示m 。研究表明反硝化吸磷时产生的a t p 量要比好氧吸磷少4 0 ，因此 需要消耗更多的p h b ，从而使缺氧吸磷速率比好氧吸磷速率低4 0 左右【4 7 1 。 a e r o b i c ：n a d h 2 + 0 5 0 2 】8 5 at p + h 2 0 a n o x i c ：n a d h 2 + 0 4 m 3 1 o a t p + 1 2 h 2 0 + 0 2 n 2( 式1 - 6 ) 反硝化除磷技术基于以上诸多优点，尤其是它从根本上解决了传统工艺中除 磷和脱氮过程存在的矛盾，诸如碳源不足，因此该技术被认为是一种可持续、节 能、高效的水处理技术【3 3 舢】。作为水处理领域的热点，各国学者对其开发和运行 效果稳定性的优化展开了长期的系统性研究【4 3 ，4 8 ，4 9 1 。 1 1 3 3 反硝化脱氮除磷影响因素的研究 影响反硝化除磷的因素有很多，诸如溶解氧，硝酸盐浓度，氧化还原电位 ( o r p ) ，p h 值，碳源种类，营养比，s r t ，污泥浓度( m l s s ) 等等。以下就c n 、 硝酸盐浓度、温度、m l s s 、p h 和d o 对其的影响做简要介绍。 ( 1 ) c n 值 c 、n 、p 作为微生物生长的基本营养元素，其比值对水处理中生物反应的效 果有着重要影响1 6 1 。c n 实际上就是控制了反硝化菌和d p b s 的优势生长，对于 反硝化脱氮除磷系统的稳定运行有着重要影响，实际运行中必须合理控制c n 值。 c n 过低，厌氧段因缺乏足够碳源而影响磷的释放，同时缺氧段的硝态氮会 因厌氧段生成的p h b 不足而无法通过反硝化吸磷高效去除，残留的硝态氮随污泥 回流到厌氧段，会使反硝化菌和d p b s 竞争有机底物而抑制厌氧释磷，如此恶性 循环系统会丧失应有的功f l 鲁t s o j ；反之c n 过高，缺氧段会因过多有机物的存在， 使得反硝化菌和d p b s 竞争硝态氮，影响反硝化吸磷的效果，一般反硝化菌在竞 杨欢：a 2 n 系统污水污染物去除及d p b s 污泥特性研究 1 1 争中更有优势，因此会严重破坏系统的反硝化除磷能力【5 1 1 。 对此，各国学者对反硝化除磷系统中的c n 值做了深入研究。k u b a 等研究 a 2 n s b r 工艺中发现最佳c n 值为3 4 ，此时氮和磷都可获得较高的去除率，除 磷率可接近10 0 1 4 引。我国学者李勇智、张杰等对a 2 n s b r 工艺的研究得到最佳 c n 比为5 0 1 5 1 , 5 2 1 。王亚宜等的研究表明d e p h a n o x 工艺适合于处理c o d f f n 为4 7 的生活污水，该比值较为符合我国生活污水的c n 值【4 9 1 。郭海娟等在厌氧缺氧 ( a 2 ) s b r 反应器中对c n 在反硝化除磷中的影响进行研究，得到了系统最佳运行 效果时c o d - n 0 3 。：p 的质量比为2 5 0 ：6 0 ：8 t 5 0 1 。 ( 2 ) n 0 3 。和n 0 2 。 反硝化除磷工艺缺氧段的吸磷量和硝酸盐投加量有关，在碳源充足的前提下， n 0 3 浓度是决定缺氧吸磷能否完全的限制性因素酬。文献报道，硝态氮浓度与磷 的吸收量之间存在线性关系，各国学者对此进行研究所得到的比例关系有所不同 4 5 】。邹华和张洁的研究得到的磷的吸收量与硝酸盐消耗量之比分别为1 5 1 和 1 6 6 1 5 4 5 5 】。李勇智等采用厌氧缺氧s b r 反应器对反硝化除磷过程进行了研究，得 到的线性关系为：p 0 4 3 - - p 吸收= 0 8 9n 0 3 - n 消耗+ 1 4 9 ( r 2 = o 9 9 6 6 ) 5 6 1 。刘建广等研究 结果表明：在缺氧段有充足的n 0 3 电子受体时，d p b s 的缺氧吸磷速率几乎不受 n 0 3 浓度的影响，单位n 0 3 吸收的磷约为1 0 m g 5 刀。 n 0 2 作为反硝化过程的中间产物是否对d p b s 缺氧吸磷产生抑制作用，目前 在学术上并未达到共识【3 9 - 4 3 , 5 8 啦】。有研究表明n 0 2 - 的积累对除磷会起到抑制作用， 但也有报道指出，只要n 0 2 。浓度控制在适宜范围内，不仅不会抑制缺氧吸磷， 还可作为电子受体来吸磷，不过这个浓度范围尚无定论。 ( 3 ) 温度 通过生物反应处理污水的实质是利用微生物细胞内的酶促反应。而细胞酶的 主要成分蛋白质的活性受温度影响很大，因此污水生物处理要想取得良好的处理 效果必须在一定的温度范围内运行【6 3 1 。 各国学者对不同水温下的反硝化除磷系统的脱氮除磷效能进行研究。h a o xd 等研究发现低温( 5 ) 对聚磷菌的生长有抑制作用，与单污泥系统相比，它对a 2 n 1 2扬州大学硕士学位论文 连续流双污泥系统的影响更加明显 6 4 】。王亚宜等研究了正常温度( 2 5 2 6 c ) 和 低温( 8 1 0 c ) 两种水温下d p b s 的反硝化吸磷情况，结果表明低温下厌氧释磷和 缺氧吸磷的速率将降低，但对a 2 n 连续流系统整体来说吸磷效果所受的负面影响 不大【6 5 1 。鲍林林等对连续流反硝化脱氮除磷系统的研究表明：d p b s 属于低温耐 冷菌，低温冲击对缺氧吸磷的影响并不大，这和王亚宜的结果一致，温度为1 0 、 2 0 c 、3 0 时最终吸磷量都很接近，在3 c 低温时缺氧吸磷量仍达到了9 1 2m g l ， 同时试验中反硝化脱氮速率随温度的升高而加快，而除磷率与温度并不成线性关 系 6 6 1 。吉芳英等的研究得出厌氧缺氧好氧s b r 反应器内反硝化除磷的适宜温度 为1 8 3 7 ，在此范围内反硝化吸磷速率随温度升高而加快，且系统内p 0 4 3 。去除 量和n 0 3 - 转化量的比值基本上不受温度变化影响总体趋势接近2 t 6 7 1 。李捷等进 行的温度对a o 工艺反硝化除磷效果的影响表明：在1 4 2 9 1 内，随着温度的 升高，反硝化吸磷和脱氮速率均加快，但消耗单位氮的吸磷量却随之下斛6 引。徐 微等【叫的研究显示在4 - - 4 0 c 内随着温度的升高，厌氧释磷速率随之升高，但释磷 速率与温度之间并不是简单的线性关系，温度的升高明显缩短了释磷时间，可以 减小厌氧反应器的体积。 综上所述，反硝化除磷工艺对温度的适应范围较大，在低温下所受负面影响 也较小。 ( 4 ) m l s s 活性污泥作为污水生物处理的反应主体，其污泥浓度对于工艺运行控制和设 计等有很大影响。通常m l s s 高，污泥中所含的d p b s 也多，厌氧释磷速率随着 d p b s 数量的增长而呈指数增长，最终释磷量也会提高，同时缺氧段反硝化吸磷 速率也随之加快【7 们2 1 。 王亚宜等1 6 0 , 7 3 1 、鲍林林等 6 6 1 、徐微等 6 9 1 的研究都证实了上述观点，同时研究 也表明：污泥浓度并不是越大越好，必须根据实际污水处理中的情况来选择一个 适宜的浓度。虽然较高的m l s s 缩短了厌氧放磷和缺氧吸磷的反应时间，适当减 少了反应器的体积，但是单位污泥的吸磷速率却是下降的，过高的污泥浓度会增 大污泥回流量，不易沉淀分离并加大二沉池的污泥负荷和污泥处理成本，同时缺 杨欢：a 2 n 系统污水污染物去除及d p b s 污泥特性研究 1 3 氧吸磷过程还有可能发生“二次释磷”现象。王亚宜等进行的a 2 n 连续流系统研 究中，厌氧池、缺氧池、后置曝气池中的m l s s 一般维持在39 0 0 50 0 0m g l ， 三个反应器中污泥浓度比值接近1 ：1 ：1 ，此时系统的脱氮除磷效果最佳7 3 1 。 ( 5 ) p h 和d o p h 对d p b 厌氧吸磷影响较大。随着p h 值增大，p c 也随之提高( 即消耗单 位乙酸的所释放的磷会随之提高) ，但当p h 值过高时，由于发生磷酸盐的化学沉 淀因此p c 会开始降低h 5 ，6 3 1 。 王亚宜等利用d p b s 污泥进行的s b r 试验表明：在p h = 6 8 范围内，随着 p h 值的升高则厌氧释磷量也增加，但当p h 值升高到8 以上时发生了磷酸盐沉淀， 影响到了磷的正常释放【6 0 】。任南琪等利用厌氧缺氧s b r 静态反应得出结论：在 缺氧段p h = 7 o - a ：o 1 ，厌氧段p h 在7 0 8 0 时，随着p h 值增大脱氮除磷效果越好 【7 4 】 o 同时，反硝化除磷系统中厌氧段的d o 控制非常重要，研究认为厌氧 d o 0 2 m g l 时不会对释磷造成抑制。当采用o r p 值来定量反映d p b 的生化性 能特征时认为，厌氧段o r p 值控制在2 0 0 。- 3 0 0 m v 为宜【4 5 1 。 1 1 3 4 反硝化脱氮除磷工艺现状 根据反硝化聚磷菌、硝化菌和及非聚磷异养菌等微生物是否共存于同一个反 应器中，反硝化脱氮除磷工艺分为单污泥工艺和双污泥工艺。双污泥工艺能够使 d p b s 和硝化菌在各自适宜的环境下生长，满足不同的泥龄需求，因此双污泥工 艺比单污泥工艺更具优势。单污泥工艺主要有u c t 、m u c t 、b c f s 工艺，双污 泥工艺主要有d e p h a n o x 和a 2 n s b r 工艺。 ( 1 ) u c t