1、 本科毕业论文（设计） 论文题目： 基于完全硝化的反硝化除磷系统的启动及关键参数研究 所在学院 生物与环境学院 专业班级 环境工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 日 摘 要 反硝化除磷工艺具有节约碳源，节省曝气量，以及降低污泥产量的优点。 本试验采用序批式活性污泥法 （ SBR） ，以人工配制的模拟城市污水为处理对象 ，在厌氧 /缺氧运行的 SBR反应器内 探讨以 NO3-N为电子受体的反硝化除磷 系统 的驯化过程、去除效果以及关键参数对系统的影响，确定实现 基于完全硝化的反硝化除磷工艺 的最佳运行条件。试验 以二段式培养法对反硝化除磷菌进行了驯化富集，反应器在运行 45d
2、后成功启动。 在系统稳定运行的基础上 ， 探讨了进水有机物浓度 、 缺氧段硝酸盐浓度 等参数对 系统除磷效果的影响 。 试验结果表明 ：系统最佳运行工况为厌氧 1.5h、缺氧 4.5h、 沉淀 排水 1.0h， 在进水 COD浓度为 300mg/L，缺氧段 NO3-N投加量为 30mg/L，反应温度为 25 ， pH在 7.07.5范围时， 系统 具有良 好的反硝化除磷 性能 。 关键字： 反硝化聚磷菌 ； 运行参数； SBR； 反硝化除磷ABSTRACT Denitrifying phosphorus removal process has the advantages of saving
3、carbon source, aeration amount and decreasing the production of sludge. The acclimation process, removal efficiency and the influence of key parameters on the system of denitrifying phosphorus removal system using nitrate as electron acceptor were explored at anaerobic/anoxia (A/A) operation in sequ
4、encing batch reactor (SBR) fed with simulated urban sewage in this paper. The optimum operating condition was determined to achieve the denitrifying phosphorus removal process based on complete nitrification. Denitrifying phosphorus-removing bacteria (DPB) was acclimated and enriched by means of two
5、 phases in sequencing batch reactors, and the reactor was started successfully after 45 days. The influent organic concentration, nitrate concentration in anoxic phase and other parameters on the phosphorus removal effect were systematically studied in this stable operation state of the system. The
6、results showed that the optimal operating condition in this system was 1.5h for anaerobic, 4.5h for anoxic and 1.0h for sedimentation and displacement, the system has good denitrifying phosphorus removal performance under the conditions of temperature 25 , pH 7.07.5, the influent concentration of CO
7、D 300mg/L, anoxic nitrate concentration 30mg/L. Key Words: Denitrifying Phosphorus-removing Bacteria (DPB); Key parameters; SBR; Denitrifying Phosphorus Removal目 录 1. 引言 . 1 1.1 水体富营养化与磷污染 . 1 1.2 生物除磷技术的研究现状 . 2 1.2.1 生物除磷机理 . 2 1.2.2 传统生物除磷工艺 . 3 1.3 反硝化除磷工艺概述 . 6 1.4 本文研究的意义及研究内容 . 6 2. 试验材料与方法 .
8、 7 2.1 试验装置及运行方式 . 7 2.2 试验废水与接种污泥 . 8 2.3 分析项目与方法 . 9 3. 结果与讨论 . 9 3.1 反硝化除磷工艺的启动 . 9 3.1.1 厌氧 /好氧运行方式对好氧聚磷菌（ PAOs）的 快速诱导 . 9 3.1.2 厌氧 /缺氧运行方式对 PAOs 中 DPB 的强化诱导 . 11 3.2 反硝化除磷系统关键参数研究 . 12 3.2.1 运行工 况对反硝化除磷系统的影响 . 13 3.2.2 COD 对反硝化除磷系统的影响 . 14 3.2.3 缺氧段 NO3-N 浓度对反硝化除磷系统的影响 . 16 3.2.4 温度、 pH 对反硝化除磷系
9、统的影响 . 18 4. 结论 . 19 参考文献 . 20 致 谢 . 23 1 1. 引言 随着社会经济的发展，人类对水资源的需求量不断增大。 全球现有 12 亿人面临中度到高度缺水的压力， 80 个国家水源不足， 20 亿人的饮水得不到保证。 中国已成为世界贫水国之一，有三分之二的水源遭到污染，保护水资源已迫在眉睫。目前，我国水资源的污染日益严重， 其中以水体的富营养化现象尤为突出。 磷素污染是造成我国水体富营养化现象的主要原因之一，严重的影响了人们的生活，破坏了生态的平衡，限制了经济的发展 1,2。因此， 研究和开发经济高效的除磷污水处理技术无疑已成为水污染控制 工程领域的重点及热点。
10、反硝化除磷技术的研究是目前污水生物处理领域的一大突破，利用反硝化聚磷菌 （ DPB） 具有反硝化同步除磷的特性，完成对有机物及磷的有效去除。在处理低碳氮比的废水方面 ， 具有广阔的应用前景。 1.1 水体富营养化与磷污染 水体富营养化现象是指过量的植物性营养元素氮、磷进入水体后，在光照和其他环境条件适宜的情况下，使水中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异养微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水生生态结构的破坏。水体的富营养化常表现为“水华”，“赤潮” 等现象，它大大加速了湖泊等水体的退化。水体中氮磷等营养物质主要包括从外部进入水体的氮磷，以及水体内部自身底
11、泥等沉积物释放进入水中的氮磷。 富营养化对水体的主要危害主要表现在以下几个方面 3-5： （ 1） 水质发臭。藻类大量繁殖聚集成块，漂浮于水面，影响水的感观性状。其中有一些藻类能够散发出腥味异臭，这种腥臭，向湖泊四周的空气扩散，直接影响人们的正常生活，给人以不舒适感觉。同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水质质量。 （ 2） 水体溶解氧低。表层密集分布的藻类使阳光难以透射入湖泊深层，而且阳光在穿射过程中被藻 类吸收而衰减，所以深层水体的光合作用明显受到限制而减弱，使溶解氧来源减少，同时由于藻类和异养微生物的代谢活动，很可能耗尽水中的溶解氧，大气中的氧又不易溶于水，易形成厌氧状态。 （ 3）
12、 向水体释放有毒物质。某些藻类能够分泌、释放有毒性的物质，有毒物质2 进入水体后，通过食物链进入畜禽和人体，严重危害人体健康。 （ 4） 对渔业的影响。一定程度的富营养水体对渔业来说，并不是有害的。但不少蓝藻有毒，不适合作鱼的饵料。同时，藻类的大量过度繁殖，将降低水体的溶解氧，进一步影响鱼类的生存，并造成鱼的种群结构发生变化。 在 水体中磷有不同的存在形态，且各种形态可以相互转化，其主要通过雨水、农业排水、城市污水等进入水体。氮、磷的过量排放是造成富营养化的根本原因，藻类是富营养化的主体，它的生长速度直接影响水质的状态。藻类光合作用的总反应式为： 106CO2+16NO3-+HPO42-+12
13、2H2O+18H+能量 +微量元素 C106H236O110N16P（ 藻类原生质 ） +138O2 根据利贝格最小定理：植物的生长取决于外界供给它们的养分中最少的一种。可见，在藻类分子式中所占的重量百分比最小的磷更易成为导致湖泊富营养化的限制 性因素。虽然氮和磷都是生物的重要营养物质，但藻类等水生生物对磷更为敏感。氮可由许多固氮的微生物来补充，而磷则必须由外界提供。因此，控制水体中磷的含量，比控制氮含量更有实际意义 4。 富营养化水体中磷的主要表现有以下几点： （ 1） 水中一部分还未降解的有机磷，因生物降解需要消耗了水中的溶解氧，提高了水体的 BOD。 （ 2） 最终磷以 PO43-的形式
14、存在于水体中，易被藻类吸收从而造成藻类的大量繁殖，由于藻类繁殖迅速，生长周期短，在适宜的环境下藻类就可能爆发性的繁殖而出现 “ 水华 ” 现象。 （ 3） 死亡的水生生物在微生物作 用下分解消耗氧，或在厌氧条件下分解后产生的磷沉积于水体底部，成为磷污染的内源。 （ 4） 富营养湖泊的深层，阳光在穿射过程中被大量的藻类吸收而衰减，光合作用减弱，且深层死亡的藻类消耗大量溶解氧或厌氧状态下产生的 H2S等，可加速促发底泥沉积营养物质的排放，形成富营养化水体磷污染的恶性循环。 1.2 生物除磷技术的研究现状 1.2.1 生物除磷机理 废水中磷的存在形态取决于废水的类型，最常见的 是磷酸盐 （ H2PO
15、4-、 HPO43-、3 PO43-） 、聚磷酸盐和有机磷。生物除磷的基本原理如图 1 所示： 图 1 聚磷菌在厌氧 /好氧条件下生物摄、释磷机理图 在厌氧区内，聚磷菌把细胞中的聚磷酸盐水解 为正磷酸盐 （ PO43-） 释 放到细胞外， 此过程中释放出的能量一部分用于聚磷菌在厌氧压抑环境下存活，另一部分用于磷酸盐主动吸收乙酸等 低分子脂肪酸 （ VFA） 或短链脂肪酸 SCFA，并 以 聚 -羟基丁酸盐 （ PHB） 的形式存储， 这样就形成了厌氧过程的磷释放；在厌氧环境下完成释磷贮碳作用 后 ，被转换到好氧环境，处于 “ 磷饥饿 ” 状态的 聚磷菌消耗内部贮存的 PHB（ 以氧为电子受体
16、） 和外源底物而产生能量，合成新 细胞和高能物质 ATP，进行新陈代谢，过量摄取水体中的磷酸盐，在细胞内完成聚磷过程并作为能量贮存在细胞内 5,6。 PAOs 以循环方式经历厌氧 /好氧环境后，底物环境的磷在好氧环境下以聚磷形式 “ 捆绑 ” 在细胞内 。由于活性污泥在运行中不断增殖，为了系统的稳定运行，必须从系统中排除和增殖量相当的活性污泥，也就是剩余污泥。剩余污泥中包含过量吸收磷的聚磷菌，也就是从污水中去除的含磷物质。这就是厌氧和好氧交替的生物处理系统除磷的本质 。 1.2.2 传统生物除磷工艺 基于生物除磷机理，创造适于除磷微生物生长增殖的环境条件 （ 厌 氧、缺氧和好氧 ） ，通过这
17、3 种状态的不同时空分布、污泥及混合液的回流方式与位置、进水方式等的组合与优化，先后开发出不同的生物除磷工艺。 （ 1） A2O 工艺 糖原质 聚磷酸盐 PHB 糖原质 聚磷酸盐 厌氧段 好氧段 HAc PHB NADH2 ATP P P ATP NADH2 H2O GROWTH 生长 O2 4 A2O 工艺又称为厌氧、缺氧、好氧脱氮系统，废水依次经过厌氧、缺氧、好氧三个阶段，该系统是以去除有机碳、氮和磷为主的废水处理工艺 7。其工艺流程如图 2 所示： 图 2 A2O工艺流程图 该工艺将厌氧、缺氧放在工艺的第一级，充分发挥了厌氧菌群可承受高浓度、高有机负荷能力的优势，处理效果较好， 产生的污
18、泥较一般的生物法少。 具有工艺流程简单、 HRT 短、不易污泥膨胀、无需投药、运行费用低的优点。 同时在进水 C/N比较低时，生物除磷受到限制； 另外，由于混合液回流比不宜过大，该工艺的脱氮也难以进一步提高。 （ 2） Bardenpho 工艺 Bardenpho 工艺由南非人 Barnard 首创，该工艺由四段构成，为缺氧 /好氧 /厌氧 /好氧，与其他工艺相比，其主要特征是水力停留时间较长，剩余污泥中磷的含量为 4%6%，其工艺流程如图 3 所示 ： 图 3 四段 Bardenpho 工艺 厌氧池 缺氧池 好氧池 进水 混合液回流 污泥回流 剩余污泥 出水 沉淀池 缺氧池 好氧池 缺氧池
19、好氧池 二沉池 进水 混合液回流 污泥回流 剩余污泥 出水 5 四段 Bardenpho 工艺的脱氮效率可达 90%以上，但缺氧池内释磷受到抑制 ， 除磷效果不明显。为此，在四段 Bardenpho 工艺前增设厌氧池形成五阶段 Bardenpho工艺 ， 如图 4 所示，该工艺具有良好的脱氮除磷 性 能。污泥回流至厌氧池 ， 混合液回流至第 一 缺氧池 ， 因而厌氧池硝酸盐浓度很低 ， 聚磷菌在此顺利完成释磷。但五段 Bardenpho 具有工艺流程长、构筑物多、管理复杂的缺点 8。 图 4 五段 Bardenpho 工艺 （ 3） UCT 工艺 UCT 工艺是在 A2/O 工艺的基础上对回流
20、方式做出了调整以后提出的工艺，污泥回流至缺氧池而非厌氧池，在缺氧池和厌氧池之间增加缺氧回流这样可以防止硝态氮进入厌氧区，破坏厌氧池的厌氧状态而影响系统的除磷效率，增加了从缺氧池到厌氧池的混合液回流，可以提高系统抗冲击负荷的能力 9。其流程图如 5 所示： 图 5 UCT 工艺 厌氧池 缺氧池 好氧池 二沉池 进水 混合液回流 污泥回流 剩余污泥 出水 混合液回流 缺氧池 好氧池 缺氧池 好氧池 二沉池 进水 混合液回流 污泥回流 剩余污泥 出水 厌氧池 6 1.3 反硝化除磷工艺概述 反硝化除磷 工艺 是生物除磷的最新研究成果，它是由反硝化聚磷菌 （ Denitrifying Phosphor
21、us-removing Bacteria， 简称 DPB） 在厌氧 /缺氧交替环境中，通过它们的代谢作用来同时完成过量吸磷和反硝化过程而达到除磷脱氮双重目的。 1993年荷兰Delft大学的 Kuba在试验中观察到：在厌氧 /缺氧交替的运行条件下，易富集一类兼具 反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物 ， 该微生物能利 用 O2或 NO3-作为电子受体，且其基于细胞内 PHB和糖原质的生物代谢作用与传统工艺中的聚磷 菌 （ PAOs）除磷机理极为相似，只是它们氧化细胞内贮存的 PHB时的电子受体不同而已 10。 反硝化除磷技术作为 一种新型高效低能耗的技术已被广泛接受，而且成为近年来水处理研究领
22、域的热点。 目前 ， 满足 反硝化聚磷菌 所需环境和基质的工艺有单、双两级。在单级工艺中 ， DPB 细菌、硝化细菌及非聚磷异养菌同时存在于悬浮增长的混合液中 ， 依次 经历厌氧 /缺 氧 /好氧三种环境。最具代表性的是 BCFS 工艺。在双级工艺中 ， 硝化细菌独立于 DPB 而单独存在于某一反应器中。双级工艺主要有Dephanox 和 A2NSBR 等 11。 反硝化理论的提出为有效解决传统脱氮除磷工艺中存在的矛盾问题提供了新思路。 现有的反硝化除磷工艺还存在以下不足： （ 1） 反硝化聚磷 菌的利用不足。因为现有反硝化除磷工艺中反硝化聚磷菌的同步除磷脱氮只发生在部分反应器中或是反应器的部
23、分部位。同传统脱氮除磷工艺相比，反硝化除磷工艺在流程上相对比较复杂。 （ 2） 反硝化菌与反硝化聚磷菌的生长存在竞争。聚磷菌 （ PAOs） 会和反硝化聚磷菌争夺 PHB， 传统 反硝化菌会和反硝化聚磷菌争夺合成 PHB 的挥发性脂肪酸（ VFA） 。此外，反硝化聚磷菌的富集程度还不够。 （ 3） 适用范围小。由于有机碳化合物的数量和种类，对于某些组分的废水，不易采用反硝化除磷工艺进行除磷的。 目前提高反硝化除磷工艺性能的主要途径是，在不 增加工艺流程的复杂性的同时，充分富集反硝化聚磷菌，减少聚磷菌 （ PAOs） 和反硝化细菌的竞争，发挥反硝化聚磷菌的作用。 1.4 本文研究的意义及 研究 内容 现有的城市污水脱氮除磷工艺中，都尽可能把脱氮和除磷过程分开，排除硝化
