（环境工程专业论文）后置好氧生物膜双泥反硝化除磷的研究.pdf

1 l 荆燃 苏州科技学院硕士学位论文 后置好氧生物膜双泥反硝化除磷的研究 硕士研究生：徐婷 指导教师：沈耀良教授 学科专业：环境工程 苏州科技学院环境科学与工程学院 二o o 年六月 m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o u u n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y3 c l e n c ea n nle c n n o l o g v s t u d y o nd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u si nt w o s l u d g e sr e a c t o r m a s t e rc a n d i d a t e ：x ut i n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a o l i a n gs h e n m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u z h o uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e p 矾m e n to fe n v 衲n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 0 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 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研究成果。对本文的研究作出重要贡献 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。 论文作者签名： 学位论文使用授权书 2 坐年上月上日 苏州科技学院、国家图书馆、中国科学技术信息研究所的中国学位论 文全文数据库等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复印件和 电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、 保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览 服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文； 同意学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的 部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 孟孟! 刍日期：出年上月卫日 指导教师签名：雄同期：迎年上一眨日 苏州科技一院硕i ，节化论艾摘璎 摘要 c n 比偏低是我国城市生活污水的主要特征，随着生物脱氮除磷技术的发展，反 硝化除磷菌的高效、低能耗、低污泥生成量及适用低c n 比的生活污水等特征，受 到越来越广泛的关注。如今大多数对反硝化除磷的研究大多在s b r 反应器中进行。 本研究首先在s b r 中培养反硝化除磷菌，同时培养好氧生物膜；折流板反应器 因其工艺构造设计简单，运转费用低，并且该工艺连续运行。因此，本研究选用折流 板反应器作为反应器形式，将培养好的反硝化除磷菌及好氧生物膜投入至a b r 反应 器中的不同隔室内，组成双泥系统，连续进水，运行该工艺。本文研究了以反硝化除 磷菌作为主体的后置好氧生物膜反硝化除磷的工艺参数，考察了不同运行参数对反硝 化除磷效果的影响。 结果表明，反硝化除磷的正常运行建立在厌氧段释磷正常以及将可降解有机物合 成生物体内能量物质p h b ，此外，电子受体的量对反硝化除磷菌的影响也较为重要。 水力停留时间、硝化液回流比、c n 比、m 比等因素都会影响反硝化除磷的效果。 当硝化液回流比为2 8 0 ，水力停留时间为1 1 7 3 h ，c n 比在6 5 7 8 之间，m 比在8 1 0 之间，系统的处理效果较佳。当总氮浓度为3 1 3 4 2 7 m g l ，氨氮浓度为 2 l 3 6 6 m g l ，c o d 为1 6 3 9 2 7 1 8 m g l ，正磷浓度为4 3 5 7 m g l 时，反应器对 总氮的去除率达“9 ，氨氮去除率达9 9 9 ，c o d 去除率达8 8 7 ，正磷去除率达 9 2 3 9 ，出水浓度分别为1 4 2 m g l ，o 0 4 m g l ，2 2 7 m g l ，0 3 7 m g l 。 关键词：后置好氧生物膜，反硝化除磷，反硝化除磷菌，双泥，影响因素 苏州利技学院硕j j 学f 论文a b s l r a c t a b s t r a c t l o wr a t i o no fca n dni st h em a i nf e a t u r eo f c i t yw a s t ew a t e r i no u rc 叫n t r y a s t h ed e v e i o p m e n to f b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n 锄dp h o s p h o m sr e m o v a lt e c h n o l o g y t h e d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a ，w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s ，h i g h e m c i e n c y l o we n e 唱yc o n s u m p t i o n ，l o wp r o d u c t i o no fs l u d g ea n ds u i t a b l ef o r l o wc a n dnr a t i o nc i t y 1 i f ew a s t ew a t e r i sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nn o w n 0 w a d a y s ， m o s tr e s e a r c h e sa r eb a s e do ns b rr e a c t o r i i lt h i ss t u d y d e n i t r i f y i n gp h o s p h o m sr e m o v i n gb a c t e r i ai sc u l t i v a t e di ns b ra t f i i i s t 柚da e r o b i cb i o m e m b r a n ei sc u l t i v a t e da tt 1 1 es a m et i m e t l l l eb a f f l er 鼢c t o rh a s f e a t u r e sl i k ei t ss i m p l es 仇l c t u r e ，c o s t sl o ww h i l er u n l l i n g 锄di tc 肌n l nc o n s e c u t i v e l y a ss om a n ya d v a n t a g e s ，b a m er e a c t o ri su s e di nm i ss t u d y i i l o c u l a t i n gd e n i t r i f y i n g p h o s p h o m sr e m o v i n gb a c t e r i aa i l da e r o b i cb i o m e m b r a n ei n t od i f 俺r e n tc 锄e r a eo f a b rr e a c t o r ，t 1 1 e ni t s t l l e 押o _ s l u d g es y s t e m 1 1 1 i s p r o c e s si s0 p e r a t e db y c o n t i 肌o u s l yi n p u t t i n gw a t 既p a r a m e t e r so ft h ep r o c e s sa r es t u d i e di nt h i ss t u d ya i l d t h ee f | t i o no fd e i l i t r i f y i n gp h o s p h o m sr e m o v i n gc a u s e du n d e rd i 疏r e n tc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm en o r m a lo p e r a t i o ni sb a s e d0 nr i g h tr e l e 硒i n go f p h o s p h o m s 锄dp h bw h i c hc 卸p r 0 v i d ee n e 略yb yd e 伊a d i n go 唱撕c s b e s i d e s ，t 1 1 e 锄o u n to fe l e c t r o na c c e p t o 璐a f f t sa1 0 t0 nd e i l i t r i f y i n gp h o s p h o m sr e m o v i n g b a c t e r i a h r t t l l ep e r c e n to fr e n o wa n dc n ，n pc a na l s oi n f l u e n tt l l ee 缗e c t o f d i n j t r i f i c a t i 彻柚dr e m o v a lo fp h o s p h o m s t h e s t u d ys h o w e dt 1 1 a tw h e nt h ec o n d i t i o ni sc o n t r o l l e du n d e rm i s ：t h ep e r c e n t0 f l l i 仃a t i o nr e n o wi s2 8 0 ，h r ti s1 1 7 3h o u r s ，o ，ni s6 5 7 8 ，l 、i pi s8 l o ，w ec 觚 g e tt l l eb e s te f i e c t w h e nt l l ec o n c e n t r a t i o no ft o t a li l i t r o g e ni sc o n d u e da t31 3 4 2 7 m g l ，锄m o i l i al l i t r o g e na t2 l 3 6 6 m g l ，c o di s1 6 3 9 2 7 1 8 m g la n dt i l e c o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r i l si s4 3 5 6 m g l ，t h er 隐c t o rc 锄r e m o v ea b o u t “9 t o t a li l i t r o g e n ，9 9 9 a m m o n i ai l i t r o g e n ，8 8 7 c o d ，9 2 3 9 p h o s p h o l l l sa n dt h e c o n c e n 仃a t i o no fe f n u e n t1 4 2 m g l ，0 0 4 m g l ，2 2 7 m g l ，o 3 7 m g lr e s p e c t i v e l y k e y w o r d ：a e r o b i cb i o m e m b r a n e ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h o m sr e m o v i n g ，d e i l i t r i f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t c r i a ，t w o - s l u d g es y s t e m ，i n n u e n c ef 缸t o r s 苏州科 之一院硕卜学化论史h 录 目录 摘要l a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 课题背景。l 1 1 1 水体富营养化l 1 1 2 课题来源与意义2 1 1 3 课题的目的与意义2 1 2 传统污水生物脱氮除磷原理2 1 2 1 生物脱氮原理、基本流程及影响因素2 1 2 2 生物除磷原理5 1 3 反硝化除磷原理及工艺7 1 3 1 反硝化除磷的原理7 1 3 2 反硝化除磷的驯化8 1 3 3 反硝化除磷的影响因素9 1 3 4 反硝化除磷工艺1 l 1 4 研究思路与内容1 4 1 5 技术路线1 6 第二章s b r 反应器中的试验研究1 7 2 1 试验材料与方法1 7 2 1 1 试验装置：1 7 2 1 2 试验污泥及试验用水小1 7 2 1 3 试验运行参数1 7 2 1 4 检测项目及分析方法1 8 2 2 试验结果与讨论1 8 2 3 不同浓度电子受体对两种驯化方式下的反硝化除磷菌的影响。2 l 2 4 结j 沦2 3 第三章后置好氧生物膜双泥反硝化除磷启动运行的2 4 试验研究2 4 3 1 试验材料与方法2 4 3 1 1 试验装置及仪器2 4 3 1 2 试验用水及接种污泥2 5 3 1 3 检测项目及分析方法2 6 3 2 后置好氧生物膜双泥反硝化除磷的启动。2 6 3 2 1 好氧硝化膜的培养2 6 3 2 2 反硝化除磷菌的培养3 2 3 2 3 好氧生物膜系统与反硝化除磷系统的联合运行的启动3 2 历：卅lf 技i 玩何! f j 7 7 f 节论艾n 录 3 3 本章小结3 8 第四章后置好氧生物膜双泥反硝化除磷的影响因素3 9 4 1 水力停留时间对双泥反硝化除磷的影响3 9 4 1 1 水力停留时问对正磷的影响3 9 4 1 2 水力停留时间对c o d 的影响4 0 4 1 3 水力停留时间对氨氮的影响4 l 4 1 4 水力停留时间对总氮的影响4 l 4 1 5 水力停留时间对n 0 3 。喇的影响4 2 4 2 硝化液回流比对双泥反硝化除磷的影响。4 3 4 2 1 硝化液回流比对正磷的影响4 3 4 2 2 硝化液回流比对c o d 的影响4 4 4 2 3 硝化液回流比对t n 的影响4 5 4 2 4 硝化液回流比对n h 4 + 制的影响4 6 4 2 5 硝化液回流比对n 0 3 的影响4 6 4 3 c n 比对反硝化除磷的影响4 7 4 4 n p 比对反硝化除磷的影响4 8 4 5 本章小结4 9 第五章结论与建议5 l 5 1 结论一5 1 5 2 建议5 2 参考文献5 3 致谢。5 6 作者简历：5 7 苏州科技学院预卜z f 论史第帝绪论 1 1 课题背景 1 1 1 水体富营养化 第一章绪论 随着国民经济的迅速发展以及城市化水平的不断提高，工业废水和生活污水 排放量日益增加，使得我国的湖泊富营养化问题也日趋严重。有关研究资料表明， 目前我国五大淡水湖中的营养盐均大大超过氮磷富营养化的发生浓度，五大淡水 湖都存在着不同程度的水体富营养化问题。水体富营养化，是指水体接纳过量的 氮、磷等营养物质，使藻类以及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变 化，给饮用、工农业供水，水产养殖，旅游以及水上运输等带来巨大损失，并对 人体健康构成危害【i 一。 水体富营养化形成条件主要有：一、营养元素。特别是氮和磷元素，是形成 水体富营养化的重要条件。通过藻类原生质组成的分析，因此，藻类生长繁殖主 要决定于氮和磷，特别是磷，在富营养化水体中磷含量的高低决定着藻类繁殖速 度和富营养化的程度。二、光照。光照是决定水体中绿色植物分布，生长的主要 条件，它决定于水的透明度。水体中的光照强弱，水生植物光合强度的强弱直接 影响水体的富营养化。三、温度。水体温度的时间变化主要为季节、昼夜引起的 温度变化，形成水体的运动，是影响水中氧和营养物质的垂直运动和在各层分布 的重要因素。 水体富营养化对人类的生活造成很大的影响，容易引起水质恶化，影响水场 供水，影响水产养殖，影响旅游业的发展，影响作物生长。由于富营养化，水体 中蓝藻和绿藻大量繁殖，浮游植物个数增加：水体中悬浮物增加，产生有异味的 有机物质。水体的p h 上升，深层溶解氧降低。“水华”、“赤潮”现象频频发生。 水体富营养化的最大危害之一是影响水场的供水系统和水质。作为自来水水 源的湖泊水库由于藻类的繁殖造成自来水过滤池的堵塞和过滤效率降低。同时， 随着富营养化的发展，产生一种富含铁的自来水称为“红水”。此外，藻类的大量 繁殖引起水中缺氧，鱼类等水生动物面临死亡的威胁。 富营养化给旅游业也带来极大的负面影响。湖泊水库都是人们的理想去 处一旦发生富营养化就会因藻类大量繁殖而发生水体浑浊，臭味弥漫而大煞风 景使旅游观光的价值大减，甚至丧失旅游功能。此外，如果以富营养化的水作灌 溉用水，会使土壤产生大量的h 2 s ，甲烷和有机酸，造成作物生理障碍影响养分 吸收。 苏州科技院顾l j 一 f 论丈 第。市绪论 水体富营养化已经成为全球性的水污染问题。富营养化不仅使水体丧失应有 功能。而且使水体生态环境向不利于人类的方向演变。最终影响经济建设和社会 发展。因此，湖泊富营养化治理受到国际社会和众多国家的关注和重视【3 期。 1 1 2 课题来源与意义 本课题为国家自然科学基金项目( 5 0 6 7 8 1 0 7 ) 和江苏省高校重大基础研究项 目( 0 6 a 6 1 0 2 0 ) 中的部分研究内容。 1 1 3 课题的目的与意义 引起水体富营养化的关键元素是氮和磷的过量排放，氮、磷过量排放而引起 的水体富营养化是当前最为关注的环境问题之一。防止水体富营养化污染的最根 本途径就是对污染源进行治理，控制污染物的排放量，使污水处理厂出水中的氮、 磷达到一定的标准。随着污水排放标准的日趋严格，污水生物脱氮除磷新技术与 工艺已成为国内外研究的热点。我国最新颁布的污水排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 要求所有排污单位最后出水氮磷的含量，依据接纳水体的等级分别为t p 小于1 m g l ，氨氮小于5 m g l ，总氮小于1 5 m g l ( 一级标准) o 由此可见脱氮除磷成为污 水处理的发展趋势。 城市污水中n 、p 主要来自生活污水以及部分含n 、p 的工业废水。废水中的 氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐氮等四种形态存在。生活污水中氮的 主要存在形态是有机氮和氨氮。废水中的磷主要来源于各种洗涤剂、工业原料、 农业肥料的生产及人体的排泄物。根据废水来源和类型不同，磷有不同的存在形 态，最常见的有磷酸盐( h 2 p 0 4 、肿0 4 、p 0 4 ) 、聚磷酸盐和有机磷。在传统的 废水生物处理工艺中，n 、p 作为微生物正常生长所必需的营养元素而用于自身 合成外，由于缺乏良好的具有脱氮除磷功能的微生物的生长和繁殖条件，因而其 对n 、p 的去除效果往往较低，常难以达到处理出水的水质要求。 1 2 传统污水生物脱氮除磷原理 1 2 1 生物脱氮原理、基本流程及影响因素 l 、生物脱氮的原理 废水的生物脱氮过程，实际上是将氮在自然界中循环的基本原理应用于废水 生物处理，并借助于不同微生物的共同协调作用以及合理的人为运行控制，而将 生物去碳过程中转化而产生及原废水中存在的氨氮转化为氮气而废水中脱除过 2 劭：州科于上院硕f 学f 移论艾第一章绪论 程。 生物脱氮法从反应类型分类，可分为氨的硝化( 或亚硝酸) 作用和反硝化作用 两种。硝化作用是在需氧条件下，以氨为电子供体，以分子氧为电子受体，使氨 从负三价( n h 4 + ) 转变为正三价( n 0 2 。) 和正五价( n 0 3 。) 。硝化作用只是改 变了氮在水中的化合态，并没有降低水中氮的含量，真正能够防止水体富营养化 还需一个反硝化过程。反硝化过程是以硝酸盐为电子受体，以其它有机物为电子 受体，使硝酸盐中的氮逐渐从正五价降到零价，形成氮气从废水中释放出来。其 还原途径如图1 。 + 4 h + 4 h 2 h n 0 3 叫2 h n 0 2 一【h o n = - 2 h 2 0 - 2 h 2 0h 2 0 一一 2 n h 2 0 h 一2 n h 3 n 2 q-n 2 h 2 0 - 2 h 2 0 图卜l 硝酸还原及脱氮的代谢途径 f i g u r el - 1l m t a b o u s mw a yo fi l i 缸a t e 心s t o 他a n dd e i l i 仃i f i c a t i o n 图卜l 中的n 2 、n 2 0 均可作为最终气体产物释放，但在废水处理中，n 2 是 主要气体产物。从图中可以看出，脱氮过程不需要分子氧，但需要供给反应过程 所需要的氢。因此，反硝化过程是在外加有机物以提供氢的缺氧反应器中进行的。 反硝化过程反应器的运行机理与通常废水处理系统正好相反，在通常的反硝化除 磷中，废水中需要去除的有机物( 包括硝化系统去除的氨) 是电子供体，电子受 体是外加的分子氧( 需氧系统) 或反应过程中产生的二氧化碳( 厌氧系统) 。在 反硝化废水处理系统中，需要去除的硝酸盐氮是电子受体，电子供体是外加的有 机物。所以，通常的废水处理系统是为了去除电子供体，而反硝化废水处理系统 是为了去除电子受体归删。 2 、常见生物脱氮系统 常见脱氮除磷系统为，o 脱氮系统，由缺氧反应器和需氧反应器串联的系 统，缺氧和需氧的反应器既可以采用活性污泥法，也可采用生物膜法。缺氧反应 器是脱氮的主体，细菌在这里以外加的有机物作为电子受体，以硝酸盐氮作为电 子受体将氮去除。需氧反应器的作用有三：一是吹脱水中氮气，以防沉淀池污泥 上浮；二是在需氧条件下去除水中剩余的有机物，以提高出水水质：三是提高水 中溶解氧含量，以防止在沉淀池中产生脱氮作用。从需氧反应器回流混合液是为 提高脱氮效率和出水水质，这种回流设备不是非设不可的，沉淀池的作用及污泥 3 苏州科技。院硕f 学化论文第。章绪论 回流设备的作用和通常的废水生物系统一样，在活性污泥法的脱氮系统是必需 的，在生物膜法的脱氮系统，则并非是必需的。有机物投加设备是脱氮系统中特 有的，目的是提供足够的电子受体n 舶。 有机物 投觚 竺一患 一1 1 同流混合液 图l - 2 生物脱氮系统基本流程 f i g u 他l - 2t i l ep r o c e s so fb i o l o g i c a li l i 仃o g e nr e m o v a ls y s t e m 3 生物脱氮的影响因素 由于生物脱氮和除磷都是通过微生物的生命活动实现的，所以影响这些微生 物活性的参数，如温度、p h 值、溶解氧、毒物浓度等，都对其去除效率产生重 要影响。 ( 1 ) 温度 生物活性与温度密切相关，温度过低，生物处于休眠状态，过高则使之变性 失活。温度对硝化与反硝化速率的影响遵从a 盯h m i u s 方程，但温度对反硝化的 影响与反应器类别及硝酸盐负荷有关，附着生长型反应器和负荷低的系统受温度 的影响较小。 ( 2 ) p h 值与碱度 硝酸菌、亚硝酸菌和反硝化菌的最适宜p h 值分别为是6 o 7 5 、7 0 8 5 和7 0 7 5 ，超出这些范围其活性迅速下降，特别是硝化菌对p h 值的变化十分 敏感，因此生物脱氮系统最好是在6 o 8 o 之间运行。在硝化反应过程中，理论 上每氧化l g 氨氮需消耗减度7 1 4 9 ( 以c a c 0 3 计) ，对于一般的废水，硝化所 需碱度往往不够，必须补充，以防止p h 值降低。在反硝化过程中，理论上每还 原1g 的n 0 3 产生3 5 9 ( 以c a c 0 3 计) 的碱度，这可以补充硝化过程的部分 碱度。 ( 3 ) 溶解氧 硝化反应必须在需氧条件下进行，一般建议硝化反应时的环境溶解氧为 4 苏州科技院硕f ：学f 论丈 第章绪论 2 o m g l 。溶解氧的浓度不仅影响硝化反应速率，而且影响代谢产物。在低溶解 氧条件下，亚硝酸化毛杆菌将大量产生n 2 0 等代谢产物。反硝化过程需要较为 严格的缺氧条件，溶解氧含量不宜大于o 5 m g l ，因为分子态氧不仅与硝酸盐竞 争电子供体，而且抑制硝酸盐还原酶的合成与活性。 ( 4 ) c n 和c p 比 生物脱氮是利用生物生长过程的生化作用，因此必须有足够的碳源，所需碳 源一般以废水的c o d 或b o d 5 与碳、磷的比值表示。通常认为，为了保证脱氮 除磷效果，脱氮系统的b o d 5 厂r k n 应在4 6 之以上。 ( 5 ) 污泥龄( s r t ) 为使脱氮过程中的硝化细菌能在反应器中存活并维持一定的数量，微生物在 反应器中的停留时间，即污泥龄必须大于硝化细菌的最小世代时间。硝化细菌的 能量利用能力较差，一般只能利用氧化n h 4 + 制和n 0 2 。剞所产能量的5 1 4 ， 因此其生长率比异样型细菌低一个数量级。理论上，污泥龄大于3 d 就可以得到 满意的硝化效果，但实际脱氮系统所需的污泥龄比3 d 大得多，通常需要l o 2 5 d ， 脱氮率才不受污泥龄的影响。 ( 6 ) 其他影响因素 废水中是否含有有毒有害物质，关系着脱氮效果的好坏。另外，系统中厌氧 区及缺氧区不需供氧，但使污泥处于悬浮态的搅拌是必须的。 1 2 2 生物除磷原理 1 、生物除磷原理 生物除磷主要是利用聚磷菌( 属于不动杆菌、气单胞菌属和假单胞菌属等) 在厌氧状态下释放磷和在需氧状态下蓄积磷的作用。根据h o l m e f s 提出的活性污 泥化学组成经验式c 6 0 h 8 7 0 2 3 n 1 2 p 估算，磷在活性污泥中的含量为2 左右，但 在厌氧孺氧活性污泥中，污泥含磷量达3 8 。磷在活性污泥中的吸收的原 因，迄今尚无定论。b a r g m 觚等人认为主要在细菌细胞内形成了磷酸钙晶体沉淀； l e i l i n 等人认为主要是生物学原因，是聚磷菌的代谢特性决定的。 在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内聚磷酸盐的同时产生三聚酸腺苷( a t p ) ， 聚磷菌利用a t p 以主动运输方式将胞外的有机物摄入细胞内，以聚p 掘基丁酸 ( p h b ) 及糖原等有机颗粒的形式储存在细胞内。聚磷酸在厌氧条件下释放出的 磷，是利用a t p 时的水解产物，反应式如下： a t p + h 2 0 a d p + h 2 p 0 4 应当说明，这里所谓的厌氧条件是指既无分子氧也无氧化态氮( n o 。) ，以区别 于只无分子氧的缺氧条件。 5 功：州 ： 上学院硕f 号：化论丈 币币绪论 在需氧条件下，储存有机物的聚磷菌在有溶解氧和氧化态氮的条件下进行有 机代谢，同时产生大量的a t p ，产生的a t p 大部分是供给细菌合成和维持生命 活动，一部分则用于合成磷酸盐积蓄在细菌细胞内。释放磷和过量吸收磷的过程， 可通过图2 形象描述。e 。为主动运输能量，e m 维持生命活动能量，e 。 合成能量，e 口为合成聚合磷的能量【1 4 1 。 厌氧状态 有机物颗粒 聚磷颗粒 c 0 2 h 2 0 p 0 4 3 。 e p 图l - 3 聚磷菌释放和吸收磷的代谢过程 f i g u 他l - 3t l l ep r o c e s so f 陀l e a s ea n da b s 唧t i o no fp 2 、常见生物除磷系统 活性污泥除磷的基本流程主要如图4 所示。在厌氧池中，依靠聚磷菌的代谢 而释放出磷，同时废水中的b o d 也减少。在需氧反应器中，聚磷菌进行需氧呼 吸，在氧化b o d 的同时将磷以聚合磷酸盐的形式蓄积在聚磷菌体内。根据f u h s 和b u c h a i l 的研究，在厌氧需氧活性污泥法除磷中，异养菌的4 8 6 3 为聚磷 菌，这说明厌氧池对细菌起了筛选作用。 进 图l _ 4 活性污泥除磷过程基本流程 f i g u 他l 一4m ep r o c e s s0 f r e m 0 v a l0 f p b ys l u d g e 3 、生物除磷的影响因素 6 苏州科技。院珂! l 学f 口论文第4 市绪论 ( 1 ) 温度 有资料认为，除磷菌是嗜冷细菌，所以除磷速率在一定范围内对温度增加而 降低，朱还兰等人在s b r 反应器中对污泥厌氧放磷速率进行研究，在1 7 2 7 范围内，温度每增加l o ，放磷速率增加一倍左右，这表明在低温下，系统的 厌氧区停留时间应当成一些更有利。一般地说，生物脱氮除磷系统在5 4 0 温 度范围内都能成功地运彳亍【1 卯。 ( 2 ) p h 值与碱度 生物法除磷的适宜p h 值大致是6 o 8 o 。p h 值的升高会引起吸磷量的少量 增加，p h 值的降低会引起释磷的大量增加。 ( 3 ) 溶解氧 控制生物脱磷系统中厌氧段的溶解氧浓度极为重要，因为这不仅影响聚磷菌 的释磷能力及其利用有机底物合成p h b 的能力，而且由于氧的存在，促成了非 聚磷菌的需氧生长消耗有机底物，使发酵产酸菌得不到足够的营养来产生短链脂 肪酸供聚磷菌使用，造成聚磷菌的生长受抑制。所以厌氧段的溶解氧浓度应控制 在o 2 m g l 以下。在需氧段，为供给足够的溶解氧以维持聚磷菌的需氧呼吸，一 般溶解氧浓度应控制在1 5 2 5 m g l 。 ( 4 ) c n 和c p 比 脱磷系统中进水的b o d 5 门r p 至少应在1 5 以上，一般在2 0 3 0 。 ( 5 ) 污泥龄( s r t ) 除磷污泥的污泥龄较短，当泥龄从3 0 d 降到5 d 时，脱磷率从4 0 上升到8 7 。 一般建议以脱磷为主要目标的系统的污泥龄宜控制在3 5 7 d 。 ( 6 ) 废水水质的组成 废水中有机底物的组成成分，特别是生物可降解性的成分， 脱磷系统中存在“气单胞菌属_ 发酵产酸嘲磷”的连锁关系。但气单 胞菌属能否充分发挥这种发酵产酸的能力，取决于废水的水质情况。气单胞菌也 是一类能利用n 0 3 制作为电子受体的兼性反硝化菌，只要存在n 0 3 ，气单胞 菌属对有机物的发酵产酸作用就会受到抑制，从而影响聚磷菌的释磷和p h b 的 合成，使脱磷系统的除磷效果下降甚至遭到破坏。因此，应控制厌氧区的n 0 3 州 含量。 1 3 反硝化除磷原理及工艺 1 3 1 反硝化除磷的原理 反硝化除磷技术是指利用反硝化聚磷菌在缺氧条件下，以硝酸盐为电子受 7 苏州科 f ：院硕f j 学f 口论文 第市绪论 体，同步完成反硝化( 脱氮) 和过量摄磷( 除磷) 过程的一种处理技术。 在缺氧条件下，聚磷菌体内的p h b ，是细菌细胞内贮存能量的脂质内含物。 它可以分解成乙酰c o a ，一部分用于细胞合成，大部分进入三羧酸循环和乙醛 酸循环，产生氢离子和电子；从p h b 分解过程中也产生氢离子和电子，这两部 分氢离子和电子经过电子传递产生能量，同时消耗n 0 3 。中的氧。产生的能量一 部分供聚磷菌j 下常的生长繁殖，另一部分供其主动吸收环境中的磷，并合成聚磷， 使能量储存在聚磷的高能磷酸键中，这就导致菌体从外界吸收可溶性的磷酸盐和 金属阳离子进入体内【1 6 删。 厌氧过程中，聚磷的分解将引起细胞内磷的积累，细胞内不能用于合成作用 的磷酸盐将被p h 敏感载体蛋白传感。载体蛋白通过主动扩散将过剩的磷排到胞 外，同时，金属阳离子也被协同运输到细胞外，其宏观现象就是液相中磷浓度升 高。 在厌氧状态下，细菌储存的多聚磷酸盐水解为a t p ，提供所需的能量，并使 细胞内的乙酸活化产生乙酰c o a 。一部分乙酰辅酶a 可以转化为p h b 。在厌氧 条件下，活性污泥聚磷菌细内有大量p h b 迅速合成。m i n 0 ( 1 9 8 7 ) 提出内源糖通 过e m p 途径( 酵解途径) 降解，获得的能量来吸收醋酸以合成p h b ，反硝化聚磷 菌在厌氧段降解内源糖的反应式为： c h 2 0 + 0 0 8 3 c 6 h l 0 0 5 ( c h ) + o 4 4 h p 0 3 。- + o 0 2 3 h 2 0 = 1 3 3 c h i 5 0 0 5 ( p h b ) + 0 1 7 c 0 2 + o 4 4 h 3 p 0 4 进入缺氧区后，反硝化聚磷菌消耗大量内含物p h b 颗粒和外源机质，产生质子 移动力。为了维持质子移动力的恒定，聚磷菌通过消耗质子移动力，把胞外的磷 以中性或电阳性的形式主动运输到细胞内合成a 1 嘈，合成聚磷酸盐。在好氧状态 下，细菌储存的p h b 降解代谢为生物合成提供碳，并通过t c a 循环产生a 1 限， 为合成细胞物质及细胞活动和聚磷酸盐的大量合成提供能量【2 1 ，2 2 1 。 1 3 2 反硝化除磷菌的驯化 最近新加坡的j y h u 等的研究中提出了有3 种聚磷菌：( 1 ) 一种只能利用氧 作为电子受体的聚磷菌，记为p o ；( 2 ) 另一种是既可以利用氧又利用硝酸盐作为电 子受体的聚磷菌，记为p o n ：( 3 ) 还存在一种利用氧、硝酸、亚硝酸盐作为电子受 体的聚磷菌，记为p o n n 【2 3 。2 5 】。 反硝化除磷菌的驯化一般都在s b r 反应器中进行，且通常通过两种方式： 一种为厌氧好氧模式转化为厌氧嗽氧模式，另一种为直接厌氧锨氧模式培养反 硝化除磷菌啪】。 8 苏州科技。院硕l 。学化论文第一帝绪论 1 3 3 反硝化除磷的影响因素 1 碳源类型及碳源浓度 在厌氧条件下，p a 0 s 以乙酸钠或丙酸钠为碳源释放磷速率很快，利用葡萄 糖、乙醇和甲醇释放磷速率较低。在缺氧条件下，p a o s 以乙酸钠或丙酸钠为碳 源释放磷速率与厌氧状态下释放磷速率相差不大；而葡萄糖、乙醇和甲醇作为碳 源作用下，p a o s 并不释放磷。n 0 3 - 过高时，p a o s 在释放磷结束后能够利用n 0 3 作为电子受体进行反硝化吸收磷。正常反硝化1 9n 0 3 需要5 2 9c o d ，而反硝化 吸收磷过程中，每还原1 9n 0 3 反硝化仅消耗3 9 9c o d ，反硝化吸收磷能够使碳 源重复利用，节省碳源。 原水中v f a 含量较高时，厌氧释放磷受回流污泥的n 0 3 - 影响较小，可采用 厌氧一缺氧一好氧工艺，能够实现反硝化除磷，使碳源二次利用；若原水中易降 解c o d 中主要成分为糖类和醇类，宜采用缺氧一厌氧一好氧工艺，为释放磷提 供一个严格的厌氧环境【2 刀。 2 c 厂r n 值和c 厂r p 值 碳源存在于缺氧段或者硝酸盐存在于厌氧段都会导致反硝化菌与d p b 对电 子受体硝态氮或对碳源的竞争，从而降低d p b 的选择性优势，影响除磷效果， 这就要求进水的碳氮质量比达到一个合适的范围。但a h nj 等的研究表明在厌氧 好氧( a ，o ) 条件下，碳源和少量硝酸盐一起进入厌氧段的长期驯化结果是促进 d p b 的富集，而且d p b 在a ，o 条件下可以保持其缺氧吸磷的能力。从微生物学 角度有两种解释，。一是d p b 通过三羧酸循环( t c a ) 直接利用碳源在厌氧段生长： 二是d p b 在厌氧期通过t c a 循环氧化碳源得到还原力和能源来积累聚羟基烷 酸，并在好氧期生存团】。 d p b 同步反硝化和过分吸磷的前提是合理的p h b 和硝酸盐。因此，进水c o d 较低，无法保证合成充足的p h b ：进水过高的c o d 将在合成p h b 后有大量的 剩余，剩余的有机物在缺氧池被反硝化菌反硝化而未被用来吸磷，处理效果都会 受到影响。同样，回流至缺氧池中较少的硝酸盐，表明出水的t n 质量浓度较低， 但不利于d p b 反硝化吸磷；过高的硝酸盐使得反硝化吸磷进行较彻底，但出水 t n 质量浓度较高。因此，保证较好的出水水质必须要求进水合理的c 、t n 和 t p 的比值。 3 电子受体类型及浓度对反硝化除磷的影响 除磷的电子受体有三种：氧气、硝酸盐、亚硝酸盐。对于氧气与硝酸盐，均 可作为除磷的电子受体，而对于亚硝酸盐能否作为除磷菌的电子受体，学术界有 不同的观点：一部分人认为亚硝酸盐可以作为电子受体，只是去磷效果没有前两 者好，而另一部分人认为亚硝酸盐的存在会抑制磷的摄取。 9 苏州科技院硕y ：f 口论艾第一章绪论 n 0 3 w 作为反硝化除磷菌的电子受体在学术界已经得到了公认，而作为硝 化和反硝化的中间产物n o ：斟，能否作为反硝化除磷菌的电子受体，在学术界 有一定的分歧。一些学者认为n 0 2 - n 的积累会导致缺氧吸磷能力的降低，甚至 不会发生缺氧吸磷现象。还有一些学者通过试验得出结论：低浓度n 0 2 可以 作为电子受体，浓度较高时反硝化除磷现象不会发生，过高浓度时反硝化除磷菌 不仅不吸磷，还会释磷并影响除磷菌的活性。也有研究认为高浓度n 0 2 不会 对缺氧吸磷产生不利影响，n 0 2 w 可以和n 0 3 w 、0 2 一样作为电子受体。王亚 宜等试验表明当亚硝氮的质量浓度超过1 5m g l 时，吸磷反应受到抑制，m e i l l l l o l d j 等试验表明临界亚硝氮的质量浓度是5 8m g l 。利用经过反硝化除磷驯化的 污泥做研究对象，结果则与上述情况不同。h uj y - 的试验表明除了被广泛认可的 聚磷菌和d p b 还存在第三族聚磷菌，它可以利用亚硝酸根做电子受体吸磷，另 外试验还表明当亚硝氮起始质量浓度小于1 1 5m g l 时没有明显的吸磷抑制作 用，而在生活污水处理厂的亚硝酸根浓度显然远远低于此临界浓度，所以不会对 生物除磷产生不利影响【2 9 。3 2 1 。 4 m l s s 和s r t 一般情况系统中的m l s s 越大，含有的d p b 的量就越多，越有助于系统的 稳定和高效。但是过大的m l s s 给系统末端的沉淀分离带来不利影响，而且有 文献提出污泥负荷过低容易产生膨胀，进而破坏系统的稳定。 s l 玎对反硝化除磷的影响是至关重要的。s r t 过大，老化衰退的微生物仍然 存在于系统中，影响污泥的活性，而且将导致系统m l s s 逐渐增大，进而导致 污泥负荷变低。由于反应器容积不大，过高的m l s s 还会发生反应器堵管，造 成跑泥的现象。污泥龄长短对连续流籼工艺中反硝化除磷性能的影响较大， 同时还会影响去除单位氮和磷所需的c o d 数量。在短污泥龄时( 8d ) 几乎没有反 硝化除磷作用，随着污泥龄的延长，缺氧吸磷在系统除磷中所起的作用也越来越 大，但污泥龄过长时会降低除磷效率3 3 弓5 1 。 5 d 0 和p h 值 有研究表明，d o 过高或过低都会影响污泥膨胀和处理效果。厌氧池d o 质 量浓度在o 2m 叽以上，则对释磷有不利的影响。好氧池d o 质量浓度过低， 氨氮去除率和磷的去除率都会降低； p h 值对厌氧释磷也有较大影响。d p b 实际利用的有机物是乙酸，因此，随 着p h b 的量的增多，大量的乙酸钠以乙酸的形式被利用，进水p h 值有明显的 升高。但当