（环境工程专业论文）缺氧好氧膜生物反应器处理高浓度氨氮废水的研究.pdf

中文摘要 水体中氮污染引起的问题，严重的影响着水体生态系统和人类的健康生活。 研究高效、经济的脱氮方法已经成为当前环境工作者一项重要的研究课题。 基于传统硝化反硝化的脱氛原理以及膜生物反应器的优点，采用前置缺氧一 好氧膜生物反应器作为本次试验的主要工艺，处理高浓度氨氮废水。希望通过运 行特性及试验结果来说明此方法的可行性并依据其不足之处，加以改进和完善。 试验主要分为两个阶段：第一阶段采用配水的方法来模拟高氨氮废水。进水 平均c o d 为2 6 9 m g l ，平均去除率为8 5 ，进水平均氨氨浓度为6 3 r r i g l ，去除 率仅为4 9 。试验中出现以丝状菌得过量生长导致的活性污泥膨胀现象，s v i 平均为2 0 3 m l g ，最高达到4 0 1 m l g 。丝状菌的大量滋生导致系统内的微生物生 长受抑制，影响总氮的去除。此外，氨氮污泥负荷、c n 比、p h 值以及污泥活 性等都对脱氮效果有影响。 第二阶段采用稀释后的生活污水添加硫酸铵的方法来模拟高氨氮废水。由于 生活污水中的微生物以及微量元素的补给，活性污泥性状良好，s v i 平均为 1 0 4 m l g ，没有发生丝状菌过量生长的现象。c o d 的去除效果较好，平均去除率 达到8 6 ，而且对于进水出现的c o d 冲击负荷，m b r 系统显现了其抗冲击负 荷的能力，出水c o d 满足污水回用要求。由于膜的截留作用，使得有机物在反 应器内积累，混合液c o d 增高，造成膜堵塞现象异常严重，需要频繁的进行膜 清洗以保证系统的稳定运行。进水氨氮平均值为4 3 6 n _ ! l g l ，去除率达到为8 9 ， 但是由于原水中c n 值过低、停留时间比较短等原因造成亚硝酸盐严重积累， 影响反硝化效果，使得总氮的去除率最高仅为5 0 。 从整个试验结果来看，此组合工艺对于有机物和氨氮的确有较高的去除效 果，系统具有抗冲击负荷的能力。但是混合液内有机物浓度的增高引起膜污染现 象严重，必需采取有效的物理、化学或生物等方法来解决；同时亚硝酸盐过量积 累造成脱氮效果不佳的状况也要加以解决。论文结尾提出了短程硝化反硝化工艺 的设想以及系统相应的改进方法。 关键词：硝化反硝化膜生物反应器氨氮去除有机物去除亚硝酸盐 a b s t r a c t n i t r o g e np o l l u t i o nh a sb e c o m e a b i gp r o b l e m t ot h eh e a l t ha n ds u r v i v a lo f a q u a t i c o r g a n i s m sa n dh u m a nb e i n g s i t i sa l la r d u o u st a s kf o re n v i r o n m e n t a le n g i n e e r st o d e v e l o pm o r ea n d m o r e e f f i c i e n t ，e c o n o m i cp r o c e s s e s t os o l v et h i sp r o b l e m o nt h eb a s i so fe x i s t e dn i t r o g e nt r e a t m e n tp r o c e s s e s ，a na n o x i c o x i em b rw a s c h o s e nt ot r e a tt h eh i g h s t r e n g t hs y n t h e t i ca m m o n i aw a s t e w a t e r i tm e a n e dt om a k e f u l lu s eo fn 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 na sw e l la s a d v a n t a g e s o fm e m b r a n e b i o r e a c t o r ( m b r ) d u r i n g t h et r e a t m e n t t h e e x p e r i m e n t w a sd i v i d e di n l ot w o p a r t sa c c o r d i n g t os o u r c e so fr a w w a s t e w a t e r a tt h ef i r s t p a r t ，t h ei n f l u e n tw a ss y n t h e t i cw a s t e w a t e r i nt h i sp a r to f e x p e r i m e n tt h ea v e r a g ec o d c o n c e n t r a t i o na n dr e m o v a le f f i c i e n c yw e r e2 6 9 m g la n d 8 5 a n dt h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o na n dr e m o v a le f f i c i e n c yw e r e6 3 m g la n d4 9 s e p a r a t e l y h o w e v e gt h eq u a l i t yo fi n f l u e n tc a u s e ds e v i o u sf i l a m e n t o u sb u l g i n go f a c t i v a t e ds l u d g ea n dt h em a x i m u ms v lw a sa sh i g ha s4 0 1 m l g ，w h i c hr e s t r a i n e dt h e g r o w t ho f n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，a n db r o u g h t b a de f f e c t so n n i t r o g e nr e m o v a l i na d d i t i o n ， t h es l u d g el o a d i n g ，c nr a t i o ，p hv a l u ea n da c t i v i t yo f s l u d g ew e r em a i ni n f l u c i n g f a c t o r sf o r n i t r o g e nr e m o v a l i nt h es e c o n dp a r t ，t h ei n f l u e n tw a sm a d e b y d i l u t e dd o m e s t i cs e w a g ea d d e dw i t h a m m o n i u ms u l f a t e d u et om u l t i p l em i c r o o r g a n i s m sa n dt r a c ee l e m e n t ss u p p l i e df r o m d o m e s t i cs e w a g e ，t h es l u d g ew a sa c t i v ea n da v e r a g es v lw a so n l y10 4 m l g t h e c o dr e m o v a lw a sw e l la n dm b rs h o w e da na b i l i t yt or e s i s ti m p a c tl o a d s , w h i c h p r o m i s e dt h ec o d e f f l u e n tt ob el o w e rt h a nt h er e u s ew a t e rs t a n d a r d b e c a u s eo f m e m b r a n es e p e r a t i o n ，t h ec o dv a l u ei nm i x e dl i q u o rw a ss oh i 曲t h a tm e m b r a n e f o u l i n gh a p p e n e ds e r i o u s l y i no r d e rt oi n s u r en o r m a lo p e r a t i o n ，i tw a sn e c e s s a r yt o m a k em e m b r a n e c l e a n i n gf r e q u e n t l y t h ea v e r a g e a m m o n i ac o n c e n t r a t i o nw a s 4 3 6 m g la n di t sr e m o v a le f f i c i e n c yw a sa sh i 。曲a s8 9 h o w e v e r , c nr a t i oa n d s h o r th y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ec a u s e dn i t r i t ea c c u m u l a t i o ni nt h er e a c t o ra n dr e j e c t e d n i t r o g e nr e m o v a l ，t h em a x i m u me f f i c i e n c yo f w h i c hw a so n l y5 0 i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fm e m b r a n e f o u l i n g ，i tw a sn e c e s s a r yt oa p p l y t h e p h y s i c a l ，c h e m i c a lo rb i o l o g i c a lp r o c e s s e st od e c r e a s et h ec o n c e n t r a t i o no fo r g a n i c m a t t e r si nm i x e dl i q u o r b e s i d e s ，f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，i tw a sf e a s i b l et ok e e p o nt h ee x p e r i m e r i tw i t hs h o r tn 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 np r o c e s si nf u t u r e 。o nt h e c o n d i t i o no fs o m em o d i f i c a t i o ns u c ha sa d d i n gc a r b o ns o n r c e ，t h en i t r o g e nr e m o v a l e f f i c i e n c yw o u l dl i k e l yb e i n e r e a s e d k e yw o r d s ：n i t r i f i c a t i o n , d e n i t f i f l e a t i o n ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r , a m m o n i a r e m o v a l ，o r g a n i cm a t t e r sr e m o v a l ，n i t r i t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蓥盘堂或其他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。 学位论文作者签名：匆，1 争复签字日期：血一4 年f 月f 口r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁注叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毒1 希奇- k导师签名：确车 签字日期：孙4 年1 月1 2 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 脱氮概况 第一章绪论 随着工农业生产的迅速发展，城市人口的大量增加，水体遭受氮污染的问 题日益严重，给水体生态系统和人民健康造成了极大的危害，脱氨问题到了不可 忽视的地步。 1 1 1 水体中氨的来源 含氮物质主要通过自然过程和人类活动两个途径方面进入水体环境。 自然过程主要包括大气降水降尘、非市区径流和生物固氮作用等，例如闪电 和火山活动中产生氮氧化物，动植物残体腐败释放出氨等；生物固氮主要是通过 地面水体中的蓝绿藻和固氮细菌发生的光合作用【“。 人类活动是水环境中氮的重要来源，主要有以下几个方面： 1 ) 工业废水和生活污水未经处理直接进入河道或水体：生括污水及某些工 业废水( 如羊毛加工、制革、印染、食品加工等) 含有大量的有机氮，新鲜的生 活污水中有机氮可占总氮量的6 0 ，这些有机氮经过微生物分解，转化成为无 机氮，同时冶金工业的炼焦车间、化肥厂等的废水也含有大量的无机氮，这类废 水中含氮量高，如果进入江、湖和海洋等水体环境，将会造成藻类的过度生长， 从而引发更大的水环境的危害。 2 ) 污水处理厂出水：采用常规处理工艺的污水处理厂( 包括生活污水和工 业废水) ，其排放出水中均含有相当数量的氮。这是因为含氮化合物除了被微生 物的生长所利用，构成微生物细胞的组分外，剩余部分被微生物氧化分解产生氨 氮、硝酸盐等都随出水排入河道，成为藻类适合的营养基质，这也是城市污水经 过常规二级处理但城市河道依然出现水质富营养化和黑臭的重要原因之一。 3 1 面源性的农业污染源，包括肥料、农业和动物粪便等。人工合成的化学 肥料和农药是水体中氮元素的主要来源，未被农作物吸收的氮肥超过施入农田氮 肥的5 0 ，有的甚至超过8 0 。畜禽养殖的固体废物和水中野生动物的排泄物， 氮含量相当高，也会大量进入水体。 4 1 各种浸滤液的流入：垃圾渗滤液中含有高浓度的氮氮，如果不妥善处理 或者出现事故会经过地表径流进入地表水体或造成地下水的污染。 天津大学硕士位论文第一章绪论 1 , 1 2 氮污染给水体造成的危害 氮污染对受纳水体的主要危害表现在以下几个方面： 1 ) 出现水体富营养化现象：氮是藻类生长所需的关键性元素，当水体( 特 别是缓慢流动的湖泊、水库、内海等水域) 中含氮和其他营养物质过多时，将促 进藻类等浮游生物的大量繁殖，致使水面上形成致密的水华或赤潮。藻类的代谢， 使得水体具有颜色和异味，影响感官性状，使水质下降。而且藻类的死亡和腐败 将引起水体中溶解氧的大量减少，导致水生生物特别是鱼类得大量死亡。另外， 水体富营养化后，大量藻类遗体的堆积使得湖泊等水体变浅，水流变缓，最终造 成水体消亡，变成沼泽地。水体富营养化后，需要相当长的时间才能得到恢复。 如美国的伊利湖是最典型的富营养湖，有报导说要恢复需要1 0 0 年1 2 j 。 2 ) 氨氮消耗水体的溶解氧：一般的城市污水经过二级处理后，含氮化合物 主要以氨氮形式存在于污水中。污水排入水体后，氨氮可以被硝化细菌氧化，成 为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，完全氧化l m g 的氨氮要消耗水体的溶解氧4 5 7 m g 。 如果排入水体中的氨氮越高，那么消耗掉水体中的氧也就越高，这对水体质量的 改善和保证，以及鱼类的生存是十分不利的。 3 ) 影响给水水源，增加给水处理的成本。水厂在加氯消毒时，少量氨氮会 与氯作用形成氯氨，明显降低氯的消毒效率，使加氯量大为增加。而为了脱色、 除臭和除味会耗用大量化学药剂，而由于富营养化问题引起的水中藻类大量滋生 也会使滤池的反冲洗用水增加。 4 ) 氮化合物对人和生物有毒害的作用 3 1 ：水中的亚硝酸盐超过l m g l 时， 将使水生生物的血液结合氧的能力降低，而当超过3 m 【g l 时，可在2 4 9 6 h 内 使金鱼、鳊鱼死亡。亚硝酸盐与胺作用生成的亚硝胺是“三致”( 即致癌、致突 变和致畸) 物质。饮用水中硝酸盐氮超过l o m g l 时，可引起婴儿高铁血红蛋白 症。 1 1 3 脱氮的意义 随着社会经济的发展和人口的增长，水资源短缺己经成为一个全球化的问 题，而我国的缺水形势尤其严峻。根据有关报道，我国人均水资源量仅为世界人 均占有量的1 4 ，是世界人均水资源极少的1 3 个缺水国家之一1 4 j 。 掘( ( 2 0 0 2 年中国环境状况公报统计，全国废水排放总量为4 3 9 5 亿n l j ， 比上年增加1 5 ，其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，占废水排放总量的4 7 1 ； 城镇生活污水排放量2 3 2 3 亿吨，占废水排放总量的5 2 9 。大约8 0 的污水未 经有效处理就排入江河湖海，导致我国水体营养化问题日趋严重，据全国2 6 个 天津大学硕士学位论文第一章绪论 主要湖泊水库富营养的调查表明：贫营养的1 个，中营养的9 个，富营养的1 6 个，在1 6 个富营养化湖泊中有6 个的总氮、总磷的负荷量极高，已进入异常营 养型阶段【5 j 。2 0 0 2 年全国海域共发现赤潮7 9 次，累计面积超过1 0 0 0 0 平方公卑。 水资源短缺和水污染严重已经成为制约我国国民经济持续发展，危害环境生 态的重要因素，同时也成为影响人民生活和身体健康的突出问题，尤其是近年来 水资源短缺危机日益严重，如何合理配置现有水资源、在最大程度上减少水资源 的污染已经成为亟待解决的重大问题。 由于氮源污染造成诸多问题，有关排放标准的内容和数值指标也在相应地 不断改进，人们越来越关注于脱氮技术的应用及发展。目前，在国内已经有几 十个单位先后开展了脱氮技术的研究，约有2 6 个城市的污水处理厂采用了脱氮 技术。我国自1 9 9 8 年1 月1 臼实施的污水综合排放标准对脱氮处理提出了更高 的要求，因此废水脱氮技术在我舀的发展前景将更加广阔。 1 2 脱氮工艺概述 目前，国内外普遍采用物理法、化学法和生物法来解决氮污染的问题。这些 方法虽各有特点，但也有一定的局限性，或是不同程度的存在着设备投资大、能 耗多、运行费用高、或是废水中的氨氮不能回收利用，排放到空气中造成大气污 染等问题。在国内三种方法均被采用，而国外多以化学法和生物法为主【6 1 。 物理、化学方法脱氮不包括有机氮转化为氨氮和氨氮氧化为硝酸赫的过程， 通常只能去除氨氮。而生物法脱氮，不仅能够去除有机物，还能将有机氮和氨氮 通过硝化一反硝化过程转化为氮气，最终从废水中去除。对于城市污水而言，一 般来说生物脱氮的可行性和经济性要优于其他脱氮工艺。 1 2 1 物理脱氮方法 物理脱氮方法主要以氨欧脱法为主。 氨吹脱法包括蒸汽吹脱法和空气吹脱法i _ 卜9 1 ，其机理是将废水调至碱性，然 后在吹脱塔中通入空气或蒸汽，经过气液接触将废水牛的游离氨欢脱出来。如果 吹出的氨氮直排到大气中，需要考虑排放游离氨总量应符合氨的大气排放标准， 以免造成二次污染。在炼钢、化肥、石油化工等行业产生的高浓度氨氮废水多采 用蒸汽吹脱法处理。蒸汽吹脱法效率较高，氨氮去除率能达到9 0 以上，但能 耗较大，不仅需要蒸汽锅炉，而且维护工作量大，所以要对欧脱出的氨回收利用 来降低运行成本，一般经吹脱处理后可回收3 0 以上的氨。空气吹脱法虽然效 率比前者低，但能耗低，设备简单，操作方便，在出水氨氮总量不高的情况下， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 采用空气吹脱比较经济。对于吹脱的氨氮也可以用硫酸做吸收剂，将生成的硫酸 铵制成化肥。有研究利用烟道气处理焦化剩余氨水，把生成的硫酸铵以及废水中 的有机物和烟尘一起经收尘器收集后，用来制砖或作锅炉燃烧的助燃添加剂f ”l 。 1 2 2 化学脱氦方法 研究表明某些高浓度氨氮废水因为含有大量对微生物有害的物质，不宜采用 生物法处理，所以人们考虑用化学法去除高浓度氨氮，方法有：化学沉淀法、折点 加氯法、选择性离子交换法等，其中化学沉淀法研究的比较多。 1 ) 化学沉淀法 化学沉淀法的基本原理：向含氨氮废水中投力【i m g c l 2 和n a 2 h p 0 4 ，三者反应 生成鸟粪石一m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0 ( m a g n e s i u m a m m o n i u mp h o s p h a t e 简称m a p ) 沉淀，沉淀物m a p 具有比较高的肥效性，可用于苗圃施肥。 旧；+ m g c l 2 + 胛d ：一+ 6 h 2 0 _ a 删4 p 0 4 6 h 2 0 + 2 c 一+ h + ( 1 - 1 ) 虽然此方法效果比较好，但同时也引入大量c 1 一和h + ，p h 值降低会对后面的 生化过程产生负面影响1 垤】。但是如果改用m g o 与h 3 p 0 4 ，不但可以避免带入有害 离子，j g i j m g o 还可以中和部分h + ，节约碱的用量i ”l 。有研究表明，镁离子浓 度对m a p 的形成有很大关系，p h 值也是去除氨氮的重要因素1 4 ，”1 。 3 ) 折点加氯法 折点加氯法脱氮是将足量的氯气( 生产上用加氯机将氯气变成氯水) 或次氯 酸钠投入废水，将废水中n h 4 + 一n 氧化成n 2 的化学脱氮工艺。 氯投加于水中后与水中的氨氮发生如下反应： h 2 0 + c 1 2 h o c + h c i ( 1 - 2 ) n h ；+ h o c l _ n h 2 c l + h 2 0 + h + ( 1 - 3 ) 2 m ：+ 3 肋c ，2 + 3 h 2 0 + 5 日+ + 3 6 1 一 ( 1 - 4 ) 折点加氯方法既可作为一单独脱氮工艺来采用，也可以对生物脱氮工艺出水 进行补充处理，以进一步提高脱氮效率。为了保证反应完全，加氯量应该略微过 量，一般为8 ：1 1 0 ：1 。城市污水用此方法试验表明，废水中9 5 9 9 的氨氮 转化为氮气，不存在n 2 0 、n o 、以及n 0 2 等产物。 由于氯气略过量，所以必须脱除余氯，否则多余的氯气排放到水体中造成对 鱼贝类等水生生物以及人类的毒害作用，通常用s o ：还原或活性炭吸附的方法进 行脱氯。此外氯气在氧化氨的同时，还可能会和水中的有机物反应生成有霉性的 天泮大学硕士学位论文第一章绪论 卤代物，如三氯甲烷、四氯化碳等，严重危害水生动植物和人类的健康和生命， 所以该方法存在不完善之处。 4 ) 选择性离子交换法 选择性离子交换法是利用离子交换树脂对各种离子所表现的不同的亲和力 或选择性而进行的。将废水流经离子交换树脂，树脂对氨离子的选择性大于对废 水中其它阳离子的选择性，从而使氨离子被截流达到去除的目的。通常以沸石为 离子交换物质，去除水中的离子态氨。阳离子交换树脂的离子交换反应可用下式 表示： r 一爿+ + b 肿r 。一口”+ + ，“一 ( 1 5 ) 此方法用于废水处理时，进入吸附柱的污水中悬浮物浓度( s s ) 不能超过 3 5 m g l ，否则容易阻塞装填柱，增加水头损失。另外，废水的成分比较复杂， 碱土金属元素极易造成离子交换树脂中毒，废水中其它阳离子的存在也会影响氨 离子的交换能力。 另外用电化学问接氧化法去除氨氮的效果也很显著。有研究表明，该方法氨 氮去除率可达1 0 0 1 1 6 l ，但是该方法的耗电量太大，不经济。 1 2 3 生物脱氮方法 1 ) 概述 废水生物脱氮技术是2 0 世纪7 0 年代美国和南非等国的水处理专家们在对化 学、催化和生物处理方法研究的基础上，提出的种经济有效地处理技术。目前， 欧洲各国对废水的脱氮要求越来越高，如德国1 9 9 9 年要求污水厂出水每2 h 取样 的混和水样中至少有8 0 满足总无机氮5 m 班，否则就需交纳排污引”】。 我国在8 0 年代也开始了废水脱氮的研究工作，并取得了一定的进展。近2 0 多年来，废水生物脱氮技术得到了较快的发展，许多研究者提出了一系列的脱氮 工艺，并在实际工程中得到应用，有关废水脱氮的理论也日臻成熟。 2 ) 废水生物脱氮机理 废水生物脱氮的基本原理是在传统二级生物处理中，将氨氮通过硝化反应转 化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气，从而达到从废 水中脱氮的目的。生物脱氮过程主要包括三个反应：氢化反应、硝化反应、反硝 化反应，此外还包括生物同化作用。 同化作用：部分含氮化合物被微生物吸收利用成为生物体的组成成分。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 氨化反应：一般生物反应器内的微生物都能降解蛋白质、多肽、氨基酸以及 尿素等含氮化合物，从而获得生命活动所需的能量和其他小分子物质，这个过程 称为氨化反应。蛋白质的分解过程如下【”i ： 蛋白质型煎斗蛋白胨墅! b 多肽骂氨基酸 在蛋白质酶的催化作用下，废水中的蛋白质被水解为氨基酸。氨基酸被吸收 进入微生物细胞后，有的转化为另一种氨基酸用于菌体蛋白质或某些含氮化合物 的合成：另一部分氨基酸通过脱氨基酶的作用发生脱氨基作用，降解成为无机小 分子氨氮。 硝化反应：硝化反应是由一类自养好氧微生物完成的，包括两个步骤：第一 步为亚硝化过程，是由亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 将氨氮转化为亚硝酸盐，亚硝 酸菌中有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和硝化球菌属；第二步称为硝化过程， 由硝酸菌( n i l r o b a c t e r ) 将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，亚硝酸菌和硝酸菌统 称为硝化菌，都利用无机碳化合物如c 0 3 2 - 、h c 0 3 - 和c 0 2 作为碳源，从n h 3 、 n h 4 + 或n 0 2 - 的氧化反应中获取能量，反应式如下： 5 5 n h ；4 - 7 6 0 24 - 1 0 9 h c o ；_ c 5 h 7 n 0 2 + 5 4 n 0 ；+ 5 7 h 2 04 - 1 0 4 h 2 c 0 3 ( 1 - 6 ) 4 0 0 n o ；+ n h 4 4 - 4 h 2 c d 3 + h c o ；4 - 1 9 5 0 2 一c 5 h 7 n 0 2 4 - 3 h 2 04 - 4 0 0 n o ；- ( 1 7 ) 亚硝酸菌和硝酸菌的特性大致相似，但是前者的世代期较短、比生长速率较 快，因此较能适应冲击负荷和不利的环境条件，当硝酸菌受到抑制时，有可能出 现n 0 2 - 积累的情况。 反硝化反应：反硝化反应是由一群异养型兼性菌完成的，它的主要作用是利 用硝酸盐或亚硝酸盐氧化有机物提供给细菌能量，同时将硝酸盐或亚硝酸盐还原 成气态氮或n 2 0 ，反应在无氧的条件下进行。其过程如下1 1 9 j ： n o ；壁! | 墼垫堡壁_ n 0 2 型型骂d 丛屿，d 丛垩茎吗m 反硝化细菌在自然界很普遍，多数是兼性的，在溶解氧浓度极低的环境中可 利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物则作为碳源及电子供体提供能量。 由于从反硝化获得的能量低于利用氧气所获得的能量，所以反硝化被认为近 似在缺氧条件下发生。从n i - h + 至n 0 2 一的转化，经历了三个步骤，六个电子的转 移，可见亚硝酸盐的酶系统十分复杂，而硝化过程则相对简单些，只经历了一步 反应，两个电子的转移。反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体。当环境中 缺乏有机物时，无机盐如n a 2 s 等也可作为反硝化反应的电子供体，微生物还可 以消耗自身的原生质，进行所谓的内源反硝化。 大津人学硕士学位论文第一章绪论 c 5 h 7 0 1 n + 4 o ；_ 5 c 0 2 + n 1 1 + 2 n 2 + 4 0 h 一 ( 1 _ 8 ) 可见内源反硝化的结果是细胞原生质的减少，并会有氨氮生成，因此废水处 理巾均不蕹望此种反应占主导地位，而应提供必要的碳源。硝化和反硝化反应的 进行是受到一定制约的。一方面，自养硝化菌在大量有机物存在的条件下，对氧 气和营养物质的竞争不如好氧异养菌，从而导致异养菌占优势；另一方面，反硝 化需要提供适当的电子供体，通常为有机物。 3 ) 传统生物脱氮工艺 上述硝化菌和反硝化茵的不同要求导致了生物脱氮反应器的不同工艺形式。 根据废水处理系统分类的不周可将生物脱氮系统分为悬浮污泥脱氮系统和生物 膜脱氮系统，其分别采用悬浮污泥反应器和生物膜反应器作为好氧一缺氧反应 器，以达到脱氮的目的。 悬浮污泥脱氮系统按含碳有机物的氧化、硝化、反硝化完成的时段和空间不 同，将工艺划分为多级( 段) 悬浮污泥脱氮系统、单级( 段) 悬浮污泥脱氮系统。 前者微生物能在不同的环境中各自发挥，脱氮效率高，但是系统复杂，而且有时 需要外加碳源，增加了运行费用；后者流程简单，占地少，不需外加碳源，但脱 氮效率不高，抗有毒物质冲击负荷能力不强。目前，应用较多的污水处理工艺属 于单级活性污泥脱氮系统的有a j o 工艺、a 2 o 工艺、氧化沟工艺、s b r 工艺等。 下面简要的介绍一下a o 工艺的情况： a o ( a n o x i e o x i c ) 脱氮工艺是于2 0 世纪7 0 年代由美国、南非等国家_ 丌发 的具有去除废水中的碳、氮污染物的新工艺，是一种前置反硝化工艺，其流程如 图l l 所示，废水依次经过缺氧反硝化、好氧去碳和硝化的阶段，所以人们通 常称其为缺氧、好氧脱氮工艺。这是目前研究和实际工程中应用较多、较为简单 实用的一种生物脱氮工艺。 图1 1 a o 生物脱氮工艺 天津大学硕士学位论文第一章绪论 与传统的生物脱氮工艺相比，a o 脱氮工艺具有流程简单、工程造价及运行 费用低等优点。该工艺主要特征是：反硝化反应器置于去碳硝化过程的前部，脱 氮过程既能直接利用废水中的有机碳源，省去外加碳源，又可以通过硝化池混合 液的回流而使硝态氮在缺氧反应器中迸行反硝化脱氮；反硝化反应产生的碱可以 补偿硝化过程中p h 值的降低：工艺中只有一个污泥回流系统，好氧异氧菌、反 硝化菌和硝化菌都处于缺氧和好氧及有机物浓度高和低状态交替的环境中，这样 构成的一种混合菌群系统，可使不同菌属在不同的条件充分发挥他们的优势，从 而有利于改善污泥的沉降性能及控制污泥膨胀。 - - - - - d 、 、n h 4 一n | n o j n 、一、：) 、一 二 p h 值自动控制。在设定的p h 值范围内，由加碱泵自动加碱，调节反应 器内的碱度。 鼓风机与电磁阀的联动控制。这一功能实现在不曝气时出水电磁阀自动 关闭，避免出现停曝气时继续出水而造成膜严重堵塞的情况。 6 ) 计量系统：包括空气流量计和液体流量计。 天津大学硕士学位论文第二章实验装置及分析方法 7 ) 其它设备：见表2 - 1 表2 一l 设备列表 2 1 3 膜组件 本嫩验采用天津工业大学膜天膜技术工程公司生产的聚偏氟乙烯( p v d f ) 中空纤维微滤膜，其单体结构为c h 2 = c f 2 ，膜材料化学性质稳定，温度适应范围 大，但抗拉伸强度不佳。中空纤维式的膜组件因其较大的装填密度，组件体积比 板式膜或管式膜更小，其它参数见如下表。 表2 2 膜组件参数 制造商 材料 表面性质 温度范围 膜孔径 内径外径 膜面积 膜丝长度 天津工业大学膜天膜技术工程公司 聚偏氟乙烯( p v d f , 单体结构c h 2 = c f 2 ) 材料本身为疏水性，改性为亲水性 5 0 1 5 0 0 2 2 u m 0 5m m 0 8n l n l o 5 3 m 2 8 8 c m 膜比通量是指单位操作压力单位时间以及单位膜面积透过溶剂的量，是反映 膜性能的一个重要参数。膜比通量( s f ) 的定义如下： 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置及分析方法 即：卫 ( 2 1 ) a 日 式中：s f 一膜比通量( l m 2 h + m ) q 一出水流量( l h ) a 一膜面积( m 2 ) h 一水位差( m ) 新膜的比通量一般以纯水做标准，出于试验条件所限我们采用自来水代替纯 水，在水温2 2 c ，曝气量为0 7 m 3 h 的试验条件下，清水通量试验结果见图2 2 。 4 0 3 5 2 哇3 0 己 日2 5 嘲 毯2 0 1 5 0 7 51 0 0 1 2 51 5 01 7 5 2 0 0 水位差( 巾) 图2 2 膜清水实验 厂家提供的新膜清水比通量值为3 0 l ( m 2 h - m ) ，而由上图可以看出，新膜的 比通量为2 0 5 0 l ( m 2 h m ) ，与厂家提供的参数值有一定的差距。 2 2 运行参数与原水水质 2 2 1 运行参数 这里的运行参数均为设计值，运行参数选取主要依据该装置的实际运行经验 值。 1 ) 试验中依靠反应器内液位与出水恒位水槽位差提供膜的工作压力，不仅 可以节约能耗，还可以简化设备而增加系统运行的可靠性。 2 1 水力停留时间( h r t ) ：缺氧段停留时间1 5 h ，好氧阶段停留时间为4 7 h ， 总停留时间约为6 2 h 。 3 1 污泥停留时间( s r t ) ：控制污泥泥龄为3 0 d ，每日排泥在1 4 l 左右。 4 ) 曝气量：处理一般生活污水时，m b r 内的气水比明显高于传统处理工艺， 天津大学硕士学位论文第二章实验装置及分析方法 曝气的作用除了为微生物供氧以外，还在上升的气泡、水流与膜滤饼层间产生较 大的剪切力，以减少活性污泥在膜表面的沉积。通常在好氧膜生物反应器中气水 比在3 0 ：l 以上，这样大的曝气量对于微生物的生长来说是充足且过量的，但又 是维持膜通量所必须的。依据前面的试验经验，本次试验采用气水比为1 0 0 ：1 ， 曝气量控制为o 7 m j h 。 5 ) 膜通量：设计工作流量为7 0 l h ，出水时膜的通量为3 0 9 l ( m 2 h ) 。 6 ) 混合液回流比：在运行过程中，回流比的控制是比较重要的。有研究表 明1 5 1 ，对a o 工艺而言，要保证8 5 的脱氮率，总回流比需要达到6 0 0 ；但同 时随着回流比的继续增加，氮的去除率增加速度减缓。为此，混合液的回流比不 能太高。一方面可以避免回流比过高引起缺氧池中的溶解氧过高，影响反硝化作 用顺利进行：另一方面过高的回流比将增加系统的运行费用，造成不经济性。所 以，鉴于本次试验的氨氮浓度，选取混合液回流比为2 1 0 。 7 ) 在线酸度计及自动调节p h 值加碱装置：依据硝化细菌的适宜p h 值范围 为7 0 80 ，使用在线酸度计监测好氧反应器内的酸碱度，当混合液的p h 值小 于7 0 时，加碱泵开始启动，向好氧反应器内自动加碱，直到p h 值到达8 0 时， 加碱自动停止。 2 2 2 原水水质 现在许多工厂如煤气厂、化工厂、化肥厂等的废水以及垃圾填埋场的渗透 液都属于高氨氮废水，氨氮浓度可高达2 0 0 0 r a g l 。由于高浓度氨氮废水对于环境 的危害作用极大，所以这类废水的处理受到越来越多的重视。由于处理此类废水 需要外加碳源量太高，造成处理费用大幅度的增加，所以采用生活污水稀释的方 法来降低氨氮浓度，不仅可以减少碱量和外加碳源的投加，同时还有利于反应器 的稳定运行。氨氮废水与生活污水以l ：4 的比例进行稀释，稀释后的原水氨氮 浓度大约在4 0 0 5 0 0 m g l 左右，原水中c o d 。( 化学需氧量) 与普通生活污水 相似或略有降低。 试验初期，受s a r s 疫情的影响，不能够取得实际的生活污水，故采用人工 配制合成生活污水的方法。模拟生活污水的主要设计指标是依据天津市纪庄子污 水处理厂平均进水水质而确定的。b o d 5 与c o d 。的换算比例按1 ：0 7 计算1 4 ”。 人工配水组成如下： 天津大学硕士学位论文 第二章实验装置及分析方法 表2 3 试验初期人工配水的组成 l成分 c 6 h 1 2 0 6m h 4 ) 2 s 0 4n a h 2 p 0 4f e s 0 4c u s 0 4m g s 0 4c a c l 2 f 浓度( m g l ) 2 5 12 9 51 0 4o 0 2o 0 20 0 20 0 2 然而，试验期间发现人工配水存在明显的不足，所以改用实际生活污水添加 硫酸铵的方法来模拟高氨氮废水。该生活污水取自于天津大学污水泵站，每天早 晨六点取水。由于有些单位不定期的排放污水，导致污水中的c o d 值变化较大。 污水在进入储水箱之前，用细筛网过滤以去除大颗粒以及悬浮物质。在经过稀释 的生活污水中，添加硫酸铵以提高氨氮的含量，具体的水质情况见下表。 表2 4 改进后的原水水质组成 水质参数浊度( n t u )c o d ( m g l )氨氮( r a g l )p h 值水温( ) l范围 4 1 2 1 7 6 26 3 5 - 3 2 9 15 9 7 8 5 9 77 2 7 9 1o o 一2 9 7 i均值8 3 ，7 1 7 1 14 3 5 77 52 3 7 2 3 主要分析项目和监测方法 2 , 3 。1e l 常监测项目 b o d ；去除率是衡量生物反应器处理效果的重要尺度，但是b o d 5 的测定十 分繁琐，所以一般采用c o d 。，( 以下简称c o d ) 代替b o d 5 来评价生物法的处理 效果。 每天监测的项目有：进出水浊度、s v 、p h 值、化学需氧量( c o d ) 、氨氮、 硝态氮、溶解性磷酸盐、出水流量以及膜比通量的变化等等；每周三次监测污泥 浓度( m l s s ) 、溶解氧( d o ) ；根据需要不定期的监测混合液p h 值的变化规律。 进水取自储水箱的出口，出水取自出水管排放1 2 1 ，混合液以及污泥泥样均取自反 应器的中上部。 2 3 2 水质分析方法 测定项目、方法及仪器如表2 5 所示，均依照国家环保局颁布的标准方法 进行测定。 天津大学硕士学位论文第二章实验装置及分析方法 表2 5 分析方法及使用的仪器 2 4 污泥的培养与驯化 本试验中的接种污泥取自于天津市纪庄子污水处理厂污泥回流泵房，弃去上 清液，将污泥移入好氧和缺氧两个反应柱内。污泥呈灰褐色，沉降性能较差，混 合液3 0 分钟体积沉降比s v 达到7 5 ，s v i 在1 1 6 m l g 左右，m l s s 维持在 6 0 0 0 m g l 左右：镜检时发现长颈虫、轮虫以及线虫等原生和后生动物，污泥处 于成熟期活性较好。在污泥驯化的初期，按照c ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 的组分来配制原 水水质，一周之后逐渐提高氮元素的比例，降低c n 比例，使污泥渐渐适应高 浓度氨氮废水的水质环境。同时，开始监测试验中各项水质指标。 2 5 试验阶段的划分 本试验是继前一阶段单纯氨氮硝化试验的深入研究，主要是依据硝化细菌在 好氧状态下把氨氮转化为硝酸盐氮，反硝化细菌在缺氧状态下再把硝酸盐氮转化 为氮气这一原理，实现活性污泥系统的脱氮功能。试验依据配水组成的不同，划 分为两个主要的研究阶段。第一阶段是利用葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钠等化学 药剂人工配制高浓度氨氮废水做为原水的研究过程；第二阶段是采用将稀释后的 生活污水添加硫酸铵的方式来模拟高氨氮废水。在第二个试验阶段，又可以根据 天泮大学硕士学位论文第二章实验装置及分析方法 是否应用缺氧段，分为单独好氧硝化工艺以及缺氧好氧两阶段工艺这两个试验周 期。以下分别阐述每一阶段的运行情况以及试验结果。 天津大学硕士学位论文第三章应用化学药剂配制高浓度氨氮废水的处理阶段 第三章应用化学药剂配制高浓度氨氨废水的试验阶段 将一定配比的化学药剂投加到自来水中，作为模拟的高浓度氨氮废水进行处 理。该阶段从3 月2 7 日开始运行至7 月1 1 日结束，历时1 1 7 天。采用前置缺氧 一好氧工艺进行处理，重点研究有机物、氨氮的去除效果以及膜污染的状况。 3 1 主要运行参数 在运行期间，污泥浓度( m l s s ) 在3 5 0 0 9 0 0 0 m g l 区间变化，平均m l s s 为5 0 8 7 m g l ；水温在1 3 2 8 0 * c 内变动，平均温度为2 1 2 c ；由于葡萄糖是小分 子易降解物质，随着气温的升高，在储水箱内发生厌氧水解酸化现象，导致进水 p h 值偏低，在4 2 7 77 3 范围内变化，平均进水p h 值仅为5 6 8 。 3 , 2 试验结果与讨论 3 2 1c o d 的去除效果 m b r 对有机物的去除效果来自两个方面：一方面是生物反应器对有机物的 降解，由于膜的截留作用，膜生物反应器内形成高浓度的生物种群，使得m b r 系统中生物降解作用增强；另一方面是膜对大分子有机物质的截留作用，大分子 物质可以被截留在好氧反应器内，获得比传统活性污泥法更多的与微生物接触反 应时间，并有助于某些专性微生物的培养，提高有机物的去除效率【4 1 。 1 ) 进出水c o d 的变化 在膜生物反应器中可以在比传统活性污泥系统更短的水力停留时间内达至 更好的去除效果。在此阶段整个运行期间，有机物的平均体积负荷为 0 1 4 k g c o d ( m 3 d ) ，最大体积负荷为1 1 7k g c o d ( m 3 d ) ，是传统活性污泥法 0 4 0 8k g c o d ( m 3 t d ) 1 的2 - - 3 倍h i 。 从图3 一l 可以看出，在此阶段整个运行期间进水