（环境工程专业论文）膜生物硝化反应器运行性能的研究.pdf

浙江大学博十学位论文 膜生物硝化反应器运行性能的研究 摘要 污泥浓度难以提高是制约传统活性污泥法硝化效能的重大瓶颈因子之一， 膜生物反应器能有效持留生物体，可望突破这一瓶颈，大大提高硝化反应器的 效能和稳定性。在膜生物反应器中实施短程硝化，则可充分发挥短程硝化的优 势，为低碳高氮废水的处理提供技术支持。为此，本课题对膜一生物硝化反应 器的运行性能进行了系统的研究，结果总结如下： 1 ) 膜一生物硝化反应器运行性能优良 启动迅速：污泥驯化时间短，驯化1 2 天后，反应器氨氮去除率接近1 0 0 ；硝化细菌富集快，在5 0 天内，反应器中的污泥浓度由5 9 一增大到 1 0 4 9 l - 1 。 效率很高：在保持进水浓度为6 0 m m 0 1 p 的条件下，经过1 5 0 天运行， h r t 从2 4 h 缩短到2 5 h ，容积负荷从o 8k g ( n h 4 + - n ) 科c r l 增大到7 5 k g ( n h 4 * - n ) 科c r l ：反应器内m l v s s 逐渐增加，最后稳定在2 0 9 一左右， 最高污泥氨氮去除负荷达0 3 8 k g ( n h 4 * - n ) k g ( m l s s ) - i 一。各项指标显著优于 传统生物硝化反应器。 运行稳定性好：在h r t 迅速缩短时，氨氮去除率可保持在8 0 以上； 在反应器处理效率急剧恶化的情况下，维持低进水浓度或停止进水可迅速恢复 功能。 2 ) 膜一生物硝化反应器运行性能受溶解氧的影响 在膜生物反应器中，存在临界d o ，其值约为l m g l _ 1 。当d o 控制在 0 5 m g l - 1 时，反应器出水氨氮浓度与亚硝氮浓度之比接近1 ：1 ，适宜作为 摘要 a n n a m o x 工艺的进水。 稳态时，反应器的最大曝气供氧速率为0 3 0 8m 9 0 2 s - l o l - 1 ，硝化需氧速率 为1 9 8 6m 9 0 2 s - 1 l - 1 ，氧传递是进一步提高膜一生物硝化反应器负荷的限制因 子。 在所试条件下，要使反应器进行全程硝化，容积负荷宜控制在 5 0 5 0 9 l - , o d - 1 以下；若需作为厌氧氨氧化的亚硝酸盐供给装置而进行短程硝 化，则容积负荷宜控制在7 2 4 0 9 l - 1 d - 1 左右。 3 ) 分离膜组件工作性能优良 菌体截留性能好：分离膜的孔径小于硝化细菌的尺寸，反应器内菌体 被完全持留，污泥浓度从5g l 1 l 逐渐提高到2 0g l - 1 ；分离膜表面可附着生 物层，对氨氮和亚硝氮具有一定的氧化作用，有利于改善分离膜渗透出水水质。 渗透阻力小：对0 2 2 p m 聚丙烯分离膜的研究表明，液位差为2 0 c m 左 右时，阻力最小( 3 1 4 x 1 0 4m 。1 ) ，膜通量达2 5 1l 舻h - 1 ；液位差低于8 0 c m 时，提高液位差可增大膜渗透通量；超过8 0 c m 后，增大液位差的膜渗透通量 效应很小。与液位差逐渐增大相比，保持低液位差可以获得较高的出水通量， 具有更高的节能效果。 4 ) 分离膜的工效受孔径和材料的影响 孔径的影响：对比o 1 p m 、0 2 2 p m 、0 4 5 p m 的聚丙烯分离膜，渗透 通量与孔径成正比，膜阻力和渗透出水氨氮浓度与孔径大小成反比：0 2 2 9 m 和0 4 5 p , m 的膜分别在液位差为1 9 4 3 c m 和2 3 0 5 c m 时有最小膜阻力。 材料的影响：对比0 2 2 t , m 的聚丙烯、尼龙和聚偏氟乙烯分离膜，聚丙 烯膜对氨氮的去除效果最好，尼龙膜次之，聚偏氟乙烯最差；尼龙膜的通量和 膜阻力接近于聚偏氟乙烯膜，两者的渗透通量高于聚丙烯膜，阻力低于聚丙烯 膜：在液位差增大的过程中，尼龙膜和聚偏氟乙烯膜的阻力与液位差成正比， i i 浙江大学博：仁学位论文 聚丙烯膜的阻力先随液位差增大而减小，后随液位差增大而增大。 对于聚丙稀膜，0 2 2 p m 和0 4 5 p m 膜的表面氨氮负荷高于0 1 m 膜；聚 偏氟乙烯膜稍优于尼龙膜，两者的各种性能都优于聚丙烯膜，可根据废水水质 及处理要求选用。 5 ) 分离膜的总阻力具有一定的分配规律 膜总传质阻力可分为膜本身阻力、膜表面沉积阻力、浓差极化阻力、膜孔 内可恢复污染所致的阻力和不可恢复污染所致的阻力等5 部分，其中膜表面沉 积阻力是总阻力的主体，其次是膜孔内可恢复污染所致的阻力。虽然膜孑l 内污 染在总阻力中所占比例不大，但它决定了膜表面沉积阻力的大小。 6 ) 清洗可恢复被污染分离膜的性能 对比两种清洗方式发现，刷洗对聚丙烯膜阻力的消除不及化学清洗，但两 种清洗方式对尼龙膜和聚偏氟乙烯膜阻力的消除效果相当：两种清洗方式对尼 龙膜和聚偏氟乙烯膜阻力的消除效果优于对聚偏丙稀膜阻力的消除效果：对于 聚丙烯膜，膜孔内堵塞阻力和吸附阻力占总阻力的比例不大，但它们是影响沉 积阻力的主要因素。 关键词：膜一生物硝化反应器；运行性能；d o ；分离膜孔径；分离膜材料：分 离膜阻力 i i i 浙江大学博 学位论文 o p e r a t i o np e r f o r m a n c eo f m e m b r a n e ni t r i f i c a t i o nbi o r e a c t o r a b s t r a c t l o wm l s sc o n c e n t r a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a tl i m i t f u r t h e ri m p r o v e m e n to fb i o l o g i c a ln i t r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi nt r a d i t i o n a la c t i v a t e d s l u d g eb i o r e a c t o r s i n c em e m b r a n en i t r i f i c a t i o nb i o r e a c t o r ( m n b r ) c a nh o l d b i o m a s se f f i c i e n t l y ，t h ed e v e l o p m e n to fm n b rs h o u l d b r e a k t h r o u g ht h e b o t t l e n e c k m o r e o v e r 。c a r r y i n go u ts h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o ni nm n b ri sa b l et o b r i n gt h es h o r t - c u tn i t r i f i c a t i o np r o c e s si n t of u l lp l a ya n dt op r o m o t et h e t r e a t m e n to fs t r o n ga m m o n i aw a s t e w a t e rw i t hl o wo r g a n i cc o n t e n t t h e o p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fm n b r w a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h em a i nr e s u l t sw e r e s u m m a r i z e da sf o i l o w s ： 1 ) m n b rh a v eg o o do p e r a t i o np e r f o r m a n c e s o r a p i ds t a r t - u pt h ea m m o n i a n i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c yr e a c h e d 10 0 a f t e rt h es e e d i n gs l u d g ew a sa c c l i m a t e df o r12d a y s n i t r i f y i n gb a c t e r i a w e r ee n r i c h e dr a p i d l y 。a n dm l v s sw a si n c r e a s e df r o m5 9 l - 1t o10 4 9 l - 1 w i t h i n5 0d a y s ( 窑) h i g he f f i c i e n c yw h e ni n f l u e n ta m m o n i a - n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nw a s k e p ta t6 0 m m o l l - 1 ，v o l u m el o a d i n gr a t e ( 厶y ) w a si n c r e a s e df r o m0 8k g ( n h 4 + - n ) 一c r lt o7 5k g ( n h 4 + - n ) 科d 1w i t h i n15 0d a y s 。h r tw a s s h o r t e n e df 帕m2 4 ht o2 5 h m l v s sw a sa c c u m u l a t e dt o2 0 9 l - 1a n dw a s f i n a l l yk e p t c o n s t a n t t h em a x i m u m s l u d g el o a d i n g r a t ew a s 0 3 8 k g ( n h 4 * - n ) k g ( m l s s ) 1 c r l ( 9 g o o do p e r a t i o n a ls t a b i l i t ya m m o n i a n i t r o g e nr e m o v a lr a t ew a sk e p t a b s t r a c t a th i g h e rt h a n8 0 w h e nh r tw a sr a p i d l ys h o r t e n e d 。a n dad e t e r i o r a t i v e b i o r e a c t o rc a nb er e c o v e r e da s l o n g a st h e i n f l u e n ta m m o n i a - n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o nw a sc u td o w no rf e e d i n gw a s s t o p p e df o ras h o r tt i m e 2 ) t h ei n f l u e n c eo fd oo nt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fmn b r ac r i t i c a ld oo fa b o u tlm g i _ - 1w a sf o u n di nm n b r w h e nd ow a s l a r g e r t h a nt h ev a l u e ，a m m o n i aw a so x i d i z e dt on i t r a t e w h e nd ow a s a d j u s t e da t 0 5 m g l - 1 ，t h er a t i oo fn h 4 * - nt on 0 2 - - ni ne f f l u e n tw a s1 ：1 ，a n dw a ss u i t a b l e t os e r v ea st h el n f l u e n to fa na n n a m o x b i o r e a c t o r u n d e rs t e a d ys t a t e ，t h em a x i m u mo x y g e ns u p p l yr a t ei n m n b rw a s 0 3 0 8m 9 0 2 s - - 1 , l - 1 。a n dt h eo x y g e nc o n s u m p t i o nr a t eo fn i t r i f i c a t i o nw a s 19 8 6m 9 0 2 s - 1 l - 1 o x y g e nt r a n s f e ri so n eo ft h el i m i t i n gf a c t o r st oi n c r e a s e m n b rl o a d i n gr a t e l yc a nb e u s e dt oc o n t r o lt h en i t r i f i c a t i o np r o c e s s a m m o n i aw a s c o m p l e t e l yc o n v e r t e di n t on i t r a t ew h e n 厶yw a sl e s st h a n5 0 5 9 l - 1 d - 1 ，a n d t h er a t i oo fn h 4 + - n ：n 0 2 一一ni ne f f l u e n tw a s1 ：1w h e nl yw a sa b o u t7 2 4 g 一c r l 3 ) g o o dp e r f o r m a n c eo fm e m b r a n em o d u l e ( ) g o o dr e t e n t i o no f b a c t e r i an i t r i f y i n gb a c t e r i ac a nb ea l l k e p ti n m n b rb e c a u s et h es i z eo fm e m b r a n ep o r ei ss m a l l e rt h a nb a c t e r i a t h e m i c r o b i a ll a y e ra t t a c h e dt ot h em e m b r a n ec a no x i d i z en h 4 * - na n dn 0 2 - - n 。 a n di m p r o v et h ee f f l u e n tq u a l i t y ( 虱s m a l lp e r m e a t er e s i s t a n c e ( 尺) f o r0 2 2 p mp pm e m b r a n e 。l o w e s t 尺( 2 6 3 10 。5m 1 、w a sa c h i e v e dw h e nh y d r a u l i cp r e s s u r e ( h ) w a s2 0 c m 。a n d t h ec o r r e s p o n d i n gp e r m e a t ef l u x ( 川w a s2 5 1l 水一al a r g ehv a l u ec a n i i 浙江大学博+ 学位论文 e f f i c i e n t l yi n c r e a s ep e r m e a t ef l u xw h e ni tw a sb e l o w8 0 c m as t e a d yl o wh v a l u ec a nl e a dt oh i g h e rp e r m e a t ef l u xt h a nag r a d u a lhi n c r e a s e 4 ) t h ei n f l u e n c eo fp o r es i z ea n dm a t e r i a lo nm e m b r a n e s e p a r a t i o n t h ei n f l u e n c eo fp o r es i z e t h ep o r es i z ew a sf o u n dt ob ed i r e c t l y p r o p o r t i o n a lt oj 。a n di n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt o 尺a n da m m o n i a - n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o ni ne f f l u e n tf o rp pm e m b r a n ew i t hd i f f e r e n tp o r es i z e so fo 1p m ， 0 2 2 1 上ma n d0 4 5 p r o t h el o w e s t 尺o ft h e0 2 2 p , mm e m b r a n ew a sf o u n dw i t h ha t19 4 3 c m ，a n dt h a t o ft h e0 4 5 1 j mm e m b m n ew a sf o u n dw i t hha t 2 3 0 5 c m t h ei n f l u e n c eo fm e m b r a n em a t e r i a lf o rt h r e em e m b m n e so f d i f f e r e n tm a t e r i a l ( p p ，n y l o n ，p v d f ) a n dt h es a m ep o r es i z e ( 0 2 2 p , m ) ，p p m e m b r a n eh a dt h eh i g h e s ta m m o n i a n i t r o g e nr e m o v a lr a t e ，p v d fh a dt h e l o w e s t ，b u tn y l o na n dp v d fm e m b m n eh a ds i m i l a r 尺，a n dt h ev a l u ew a s l o w e rt h a nt h a tf o rp pm e m b r a n e p pm e m b r a n e so f 0 2 2 p , m a n d 0 4 5 p r oh a v eh i g h e rs u r f a c e a m m o n i a n i t r o g e nl o a dt h a np pm e m b r a n eo f0 1p m t h eo r d e ro fs u r f a c e a m m o n i a - n i t r o g e nl o a df o rm e m b r a n e sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l sw a s ：p v d f n y l o n p p t h eo p t i o no fm e m b r a n ec a nb em a d ea c c o r d i n gt ow a s t e w a t e r q u a l i t ya n dr e q u i r e m e n t 5 ) d i s t r i b u t i o no fm e m b r a n et o t a i 尺 t h et o t a l 尺c a nb ed i v i d e di n t of i v ep a r t s ：p u r em e m b r a n er e s i s t a n c e ( 尺m ) ， d e p o s i t i o nr e s i s t a n c e ( 尺g ) ，c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e ( 尺c p ) ， r e c o v e r a b l er e s i s t a n c ei np o r e ( 尺r ) ，i r r e c o v e r a b l er e s i s t a n c ei np o r e ( 尺：i r ) 尺g c o n t r i b u t e dt ot h el a r g e s tp o r t i o n ，a n dt h en e x tw a s r r d e s p i t eo ft h es m a l l p r o p o r t i o no fr j r ，i tw a st h ec r i t i c a lp o r t i o na n dh a dac r i t i c a le f f e c tt ot h et o t a l i i i r 6 ) c l e a n i n gc a nr e c o v e rt h ef i l t e r a b i l i t yo fp o l l u t e dm e m b r a n e b r u s h i n gi sn o ts og o o da sc h e m i c a lc l e a n i n gf o rp pm e m b r a n e ，b u ti t h a sas i m i l a re f f e c to nn y l o na n dp v d fm e m b r a n e s n y l o na n dp v d f m e m b r a n e sc a nr e c o v e rm o r eja f t e rb o t hk i n d so fc l e a n i n gw e r et a k e nt h a n p pm e m b r a n e k e y w o r d s ：m e m b r a n en i t r i f i c a t i o n b i o r e a c t o r ( m n b r ) ；o p e r a t i o n p e r f o r m a n c e ；d o ；m e m b r a n ep o r es i z e ；m e m b r a n em a t e r i a l ； m e m b r a n er e s i d a n c e 摘要 本论文主要创新点： 1 大大提高了生物硝化工艺的处理能力 利用膜分离技术的优势，实现了对硝化细菌的高效截留，大幅度提升了反 应器的容积负荷，所取得的最高氨氮容积负荷达7 5k g n h 4 + - n m - 3 d - 1 ，它是目 前国内外文献报道的最高水平，揭示了生物硝化工艺的最大潜能。 2 研发了重力流膜一生物硝化反应器 以重力渗透出水为基础，研发了以重力出水式膜一生物硝化反应器，省去了 普通一体式膜生物反应器渗透出水所需的抽吸动力，大大降低了能耗。 3 提出了以氨氮负荷控制硝化反应进程的新方法 提出了一种以氨氮负荷控制硝化反应进程的新方法。由于发酵液中的溶解 氧是耗氧与供氧动态平衡，若保持供氧速率不变，调节容积负荷可影响耗氧速 率，改变发酵液中的溶解氧浓度，并由此实现对反应进程的控制。调控方法简 便实用。 i v 浙江大学博 ：学位论文 1 概述 第一章引论 氮是生命有机体的重要营养元素( 李军，2 0 0 2 ) ，在自然界中的存在形式 包括分子态氮( 氮气) 、无机态氮( 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等) 和有机态 氮( 蛋白质、核酸等) ( l a n c a s t e r ，19 9 1 ) 。在地球形成至今的绝大多数年代 中，氮在各种形态之间的循环保持着相对稳定。然而，随着工农业生产的发展 和人民生活水平的提高，含氮化合物的排放量急剧增加，已成为环境的主要污 染源而引起各界的关注。氨氮是水相环境中氮的主要形态，进入水体可引起水 体缺氧，滋生有害水生生物，导致鱼类中毒。氨转化为硝酸，又可通过饮用水 而诱发婴儿的高铁血红蛋白症，硝酸盐进一步转化为亚硝胺则具有严重的“三 致”作用，直接威胁着人类的健康。 目前氨氮污染来源多，排放量大。除大量的生活污水和动物排泄物外，大 量的工业废水( 如炼油废水、某些制药废水和食品工业废水，以及垃圾填埋场 渗滤液) 也含有氨氮。因此，经济有效地控制氨氮废水污染已经成为当今环境 工作者所面临的重大课题。 对于含氨氮废水，目前国内外主要采用生物处理法，并已形成一些比较成 熟的工艺。这些工艺大多建立在活性污泥法的基础上。由于硝化细菌世代周期 长，容易从系统中淘汰，硝化系统一般泥龄较长，负荷较低。许多研究证明， 分离膜对活性污泥具有良好的截留性能，可实现水力停留时间与污泥停留时间 的完全独立；将分离膜与生物反应器结合，可构成高效的膜生物反应器，并赋 予其启动快、污泥浓度高、负荷率大、运行稳定、出水水质好等优点 ( s t e p h e n s o n ，2 0 0 3 ) ，因此可望成为废水生物脱氮的高效装置。 2 废水生物脱氮 针对废水中氮污染物的去除，人们发展了很多行之有效的处理方法。这些 第一章引论 技术大致可分为物化法和生化法两大类。物化法主要包括吹脱气提法( 胡继峰， 2 0 0 3 ：王有乐，2 0 0 1 ) 、折点加氯法、离子交换法( 李军，2 0 0 2 ) 、化学沉淀 法等。相比于物化法，生化法经济高效，已成为目前应用最广的废水脱氮技术。 经过几十年的研究，生物脱氮法已在传统硝化一反硝化工艺的基础上，逐步发 展了新型短程硝化一反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺等，对氨氮的去除性能有了 很大的提高。 2 1 硝化一反硝化脱氮工艺 2 1 1 工作原理 ( 1 ) 硝化作用 生物硝化是在好氧条件下，通过微生物作用，将氨氧化成亚硝酸盐和硝酸 盐的过程。整个硝化过程可分为两个阶段，首先在亚硝酸细菌的作用下，氨氧 化成亚硝酸盐，然后在硝酸细菌的作用下，亚硝酸盐转化为硝酸盐。硝化过程 的化学计量式见公式( 1 1 ) 和( 1 - 2 ) ，公式( 1 3 ) 是总反应式： n h j + 兰0 2 坞n o ；+ h 2 0 + 2 h + ( 1 - 1 ) n o ；+ 三o ：马n o ( 1 - 2 ) n h ：+ 2 0 2 专n o ；+ 2 h + + h 2 0 ( 1 3 ) 亚硝酸细菌和硝酸细菌统称为硝化细菌。硝化细菌有自养型和异养型两类， 一般认为自养型硝化细菌是硝化作用的主要菌群。亚硝酸细菌的生长利用氨作 为能源，c 0 2 作为碳源。硝酸细菌的生长以亚硝酸盐为能源，以c 0 2 为碳源。 硝酸细菌和亚硝酸细菌多为革兰氏阴性细菌，严格好氧，绝大多数进行无机化 能营养。两种菌的特征见表1 1 。 硝化细菌以c 0 2 为碳源生长时，需要消耗很多能量，因此硝化细菌生长缓 慢，细胞产率较低。据文献报道( 赵旭涛，1 9 9 5 ) ，亚硝酸细菌的细胞产率为 2 浙江大学博十学位论文 0 0 4 0 2 9m g ( v s s ) m g ( n h 4 + - n ) - 1 ，硝酸细菌的细胞产率为0 0 2 - - 0 0 8 4 m g ( v s s ) r n g ( n h 4 + - n ) - 1 。 表1 1 亚硝酸菌和硝酸均的特征( 邓贤山，2 0 0 3 ) t a b l e l - 1c h a r a c t e r i s t i co fn i t r o s o m o n a sa n dm t r o b a c t e r 菌体大小( 世鬈间 储存物p h 范围温度范围( ) n i t r o s o m o n a s0 7 1 5 x ( 1 0 2 4 ) n i t r o s o c c u s 1 5 1 8 x ( 1 7 - 2 5 ) n i t r o s o p i r a0 3 - 0 8 x ( 1 0 8 0 ) n i t r o s o o b u s1 0 1 5 x ( 1 0 2 5 ) n i t r o s o v i b r i o0 3 0 4 x ( 1 1 3 0 ) n i t r o b a c t e r 0 6 0 8 x ( 1 0 2 0 ) n i t r o s p i n a0 3 0 4 x ( 2 7 - 6 5 ) n i t r o c c u s1 5 x 1 8 n i t r o s p i r a 0 3 - 0 4 多聚磷酸5 8 - - 8 55 - - 3 0 ( 2 5 - - 3 0 ) 8 - 1 2肝糖，多聚磷酸6 0 8 0 2 - 3 0 2 46 5 - - 8 515 - - 3 0 ( 2 0 - 3 5 ) 肝糖，多聚磷酸6 0 8 2 1 5 3 0 7 5 7 8 2 5 - 3 0 8 一几天胛瞄朔虢骏和ri b7 5 8 5 5 - 10 肝糖7 5 8 02 5 - 3 0 肝糖和p h b6 8 8 0 1 5 - 3 0 7 5 8 02 5 - 3 0 注：前5 种为亚硝酸细菌，后4 种为硝酸细菌。 ( 2 ) 反硝化作用 反硝化是指污水的硝态氮和亚硝态氮在无氧或低氧的条件下，被微生物还 原转化为氮气的过程。这个过程可以用公式( 1 4 ) 和( 1 5 ) 表示： 1 n o ；+ 3 h + ( 电子供体一有机物) j 去n 2 + 4 h 2 0 + o h ( 1 4 ) - n o ；+ 5 h ( 电子供体一有机物) 专去n 2 + h 2 0 + o h 。 ( 1 5 ) 参加这一生化反应的微生物是反硝化细菌，反硝化细菌可利用氧或硝酸盐 作为最终电子受体。在有氧存在的条件下，反硝化细菌利用氧进行呼吸、氧化 分解有机物；在无分子氧但存在硝酸盐和亚硝酸盐的条件下，它们利用硝酸献 和亚硝酸盐进行呼吸。反硝化细菌可以利用的能源很广，光能、有机质和无机 物质都可以作为能源。它们可利用的碳源也很多，可以是无机物质( 如c 0 2 ) ， 也可以是有机物质。此外，与硝化作用相反，反硝化会使碱度增加。 生物硝化和反硝化反应的过程特性见表1 2 。 3 第一章引论 表1 - 2 生物硝化和反硝化过程的特征 t a b l e l - 2c h a r a c t e r i s t i c so 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 n 生化反 应类型 去除有机物硝化 ( 好氧分解)亚硝化硝化 反硝化 微生物嬲絮雾莒s 能源有机物化学能 。蒜， 。z。z 溶解氧 1 - - 2 m g l 以上 2 m g l 以上 碱度 没有变化誊? 黜 n i t r o a c t e r 兼性菌 自养型细菌异养型细菌 化学能有机物 0 2 n 0 3 一，n 0 2 2 m g l 以上0 , - - - , 0 5 m g l 没有变化还翟9 3 5 7 m g 。篙篆州 生成 的碱厦 分解1 m g 有机物需要n 0 2 氧的消耗分暴君物氧化嚣n 4 3 h m 4 + g - n 需靴1 m 辄g n ，o 钿2 - - n - 需帆- 3 - n 5 m 0 9 5 ，诜巍态 最适p h 值 最适水温 增殖速度 ，d 一1 6 - 8 1 5 - 2 5 0 - - 1 0 - 1 0 4 1 2 - 3 5 7 - 8 5 3 0 o - - 1 1 0 2 1 - 0 1 8 的氧 6 7 56 - 8 3 0 3 4 - 3 7 0 - - - 1 10 - - 1 0 6 - 1 1 5 0 2 8 - 1 4 4 好氧分解的1 ，2 1 ，2 5 2 1 2 硝化一反硝化脱氮工艺 废水中的氨氮通过硝化反硝化转化为氮气，以此为基础形成了许多硝化 反硝化生物脱氮工艺。常见的生物脱氮工艺流程分为三类：( 1 ) 多级污泥系统； ( 2 ) 单级污泥系统：( 3 ) 生物膜系统。 1 传统生物脱氮工艺 图1 - 1 ( a ) 所示的是三级活性污泥系统的生物脱氮流程，分别进行有机物去 除和氨化、硝化、反硝化，每一级都有各自独立的回流污泥系统，前两级维持 好氧条件，第三级不曝气维持缺氧条件。反硝化过程需外加碳源。这种生物脱 氮工艺的除碳和脱氮效果较好，但流程长、基建费用高，需外加碳源、运行费 高，出水中残留外加碳源。 图1 - 1 ( b ) 所示的是以上述流程为基础的改进型，它将前两级好氧处理合并 到一个池中，减少了一套曝气池、沉淀池和回流污泥系统，但仍需外加碳源。 4 浙江人学博十学位论文 图1 1 ( c ) 将部分原废水引入反硝化池中，以废水中的有机污染物代替外加 碳源，节省了运行费用，但由于流程复杂，出水有机物浓度难以保证。 6 毽囊 图1 1 传统生物脱氮工艺流程 f i g 1 - 1t r a d i t i o n a lb i o - d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s 2 前置反硝化生物脱氮工艺a o 工艺 0 ( 缺氧，好氧) 脱氮工艺流程如图1 2 所示。 毒囊 毫纛 图1 2a j o 脱氮： 艺流程 f i g 1 - 1n o b i o d e n i t r m c a t i o np r o c e s s a ，o 工艺的特点是废水先经缺氧池，再进好氧池，并将好氧池的混合液和 沉淀池的污泥同时回流到缺氧池，使缺氧池既从原废水中得到充足的有机物， 又从回流的混合液中得到大量硝酸盐，回流污泥则可保证所需的微生物量。a ，o 法的最大优点是流程简单，大大节省了基建费用；无需外加碳源，以原废水中 的有机物作为碳源；反硝化残留的有机物能得到充分降解；缺氧池设在好氧池 5 第一帝引论 前可减轻好氧池的有机负荷，有利于控制污泥膨胀，反硝化产生的碱度还可以 补偿硝化过程消耗的碱度。 3 同步、间歇和交替式生物脱氮工艺 同步反硝化是通过控制曝气，在反应池中同时形成足够的供氧区和的缺氧 区，从而实现生物脱氮的工艺；间歇式反硝化是通过按时间系列开、闭曝气装 置，在活性污泥池中变化硝化和反硝化条件，从而实现生物脱氮的工艺；交替 式反硝化则是通过改变运行条件，在两个不同的池子中交替进行硝化和反硝化， 从而实现生物脱氮的工艺。 4 生物膜脱氮工艺 在生物膜脱氮工艺中，微生物附着在载体上，较适合世代时间较长的硝化 细菌生长。同悬浮系统一样，承担反硝化的缺氧滤池可以在耗氧滤池的前面， 也可以在后面。这几种系统的反硝化效率可以达到7 0 - 8 0 。生物转盘脱氮 工艺( 如图1 3 所示) 、移动床生物膜脱氮工艺、l i n p o r - c n 脱氮工艺以及生物 电极脱氮工艺等( w i e s m a n n ，1 9 9 4 ) 都是典型的生物膜脱氮工艺。虽然生物 膜法比悬浮活性污泥系统有更大的优势，但外加碳源和调节碱度有一定的困难。 原水 厌氧生物转盘 图1 - 3 生物转盘脱氮丁艺流程 f i g 1 - 3r o t a t i n gd i s cb i o - d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s 2 2 亚硝化一反硝化( s h a r o n ) 工艺 2 2 1 工作原理 传统生物脱氮将氨氮完全氧化成n 0 3 - - n 后再进行反硝化，但从微生物转 6 浙江大学博十学位论文 化过程来看，生物脱氮完全可以通过n h 4 + 一n 专n 0 2 - - n n 2 这样的途径来完 成，即将硝化过程控制在亚硝化阶段( h a n a k i ，1 9 9 0 ；g a r r i d o ，1 9 9 7 ) 。短 程硝化一反硝化的反应如式( 1 书) 。 n h ：+ 要0 2j 屿n o i + h 2 0 + 2 h + n o ；+ 昙c h 3 0 h 马三n 2 - 三c o ：+ 三h ：o + o h 。( 1 - 6 ) 将氨氧化反应控制在亚硝化阶段是实现亚硝化一反硝化型生物脱氮的关 键，控制的基本原理是基于亚硝酸细菌和硝酸细菌在一定环境条件下倍增时间 的差异，通过操作控制，选留生长快的种群，淘汰生长慢的种群。温度、p h 值、溶解氧浓度、氨氮浓度和氮负荷、泥龄都可以作为实现亚硝酸型生物脱氮 的控制参数( n u n e z ，2 0 0 1 ；m o r g e n r o t h ，2 0 0 0 ；z h a n g ，2 0 0 0 ；b a r r a n d e g u y ， 2 0 0 1 ：n i j h o f ，1 9 9 5 ；陈韬，2 0 0 2 ) 。 2 2 2s h a r o n 工艺 进水 图1 4d o k h a v e n 污水处理厂流程 f i g 1 - 4f l o wd i a g r a mo fd o k h a v e nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t 出水 图1 4 是荷兰鹿特丹d o k h a v e n 污水处理厂用于处理厌氧消化污泥分离液 的实际s h a r o n 工艺流程。处理废水水质波动大，氨氮浓度最高达15 3 0 m g l ， 平均12 3 0 m g l ，平均氨氮负荷5 2 0 k g d 。启动运行时进行外源加热，使反应器 内温度达到3 5 ( 3 ，反应器正常运行后无需继续外源加热，反应产生的热量即可 7 第一章引论 维持所需温度。当水力停留时间逐渐缩短到2 5 d 左右，曝气时间相应减少到 1 5 d 时，从实际出水水质情况来看，短程硝化占整个硝化的比例可以达到7 0 。 在曝气时间缩短到1 0 d 后，短程硝化的贡献达到9 0 以上。甲醇投加量也稳 定在2 4 9 g ( c o d n ) ，趋近亚硝酸盐还原的当量值。 在s h a r o n 工艺中，高氨浓度、高操作温度和短泥龄给硝化细菌施加了 巨大的选择压，不但淘汰了不耐氨的菌群，也淘汰了生长较慢的菌群。 l o g e m a n n 等人采用分子生物学的方法证明，在s h a r o n 装置中，亚硝酸细 菌占细菌总数的6 9 ，优势菌为n i t r o s o m o n a se u t r o p h a ，能耐受6 0 0 m m o l l n h 4 c i ，倍增时间约1 2 h ，对氨的饱和常数为0 7 5 m m o l l ( p o l l i c e ，2 0 0 2 ) 。 从现有的研究结果来看，与硝化一反硝化相比，短程硝化一反硝化工艺具有 如下优点：( 1 ) 消化阶段可减少2 5 左右的需氧量，降低了能耗；( 2 ) 反硝化 阶段可减少4 0 左右的有机碳源，降低了运行费用；( 3 ) 反应时间缩短，反应 器容积减小3 0 - 4 0 左右：( 4 ) 具有较高的反硝化速率( n 0 2 - 的反硝化速率 通常比n 0 3 一的高6 3 左右) ；( 5 ) 污泥产量降低( 硝化过程可少产污泥 3 3 - 3 5 左右，反硝化过程可少产污泥5 5 左右) ；( 6 ) 减少了投碱量等。对 于许多低碳氮比的废水( 如焦化和石化废水及垃圾填埋渗滤水等) 的生物脱氮 处理，短程硝化具有重要的现实意义( 周少奇，2 0 0 0 ；u u r k ，1 9 8 9 ；v a nb e n t h e m ， 1 9 9 8 ) 。 2 3 短程硝化一厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 工艺 2 3 1 工作原理 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 ) t 艺于1 9 9 0 年由荷兰d e l f t 技术大学k l u y v e r 生物技术实验室开发。它是在厌氧条件下，以亚硝酸盐为电 子受体，将氨氮氧化成氮气和硝酸盐的过程。g r a f t 等研究表明，厌氧氨氧化反 应按式( 1 7 ) 进行： 8 浙江大学博卜学位论文 n h ：+ n o ；专n 2 + 2 h 2 0( 1 - 7 ) 从反应式可以看出，通过短程硝化一厌氧氨氧化可以实现对氨氮的去除， 而且在短程硝化过程中只需将一半的氨氧化成亚硝酸盐，其出水就可经过厌氧 氨氧化实现对氮的完全去除。参与厌氧氨氧化的细菌是一种自养茵，在厌氧氨 氧化过程中，不需要添加有机物。其氨氧化速率较高，可达5 5 m m o l ( m i n m g 蛋 白) ，但其比生长速率非常低，仅为0 0 0 3 h ，即其倍增时间为1 1 d ，意味着 a n a m m o x 工艺虽有剩余污泥排放少的优点，但同时具有启动时间长和运行不 稳定的缺点。 2 3 2 短程硝化一厌氧氨氧化工艺 从理论上分析和计算，短程硝化一厌氧氨氧化比短程硝化反硝化工艺更具 优势：( 1 ) 短程硝化一反硝化比硝化反硝化节约4 0 的有机碳源，而短程硝化 厌氧氨氧化则不需要有机碳源，可达到节约碳源的目的；( 2 ) 短程硝化反硝 化比硝化一反硝化的需氧量减少2 5 ，而短程硝化一厌氧氨氧化比硝化反硝化的 需氧量减少6 2 5 ，可有效降低充氧消耗；( 3 ) 厌氧氨氧化的产酸量大大下降， 产碱量降至为零，可以节省可观的中和试剂( 周少奇，2 0 0 0 ) 。氨氧化反