生物脫氮除磷工藝中的絲狀菌

1、生物脫氮除磷工藝中的絲狀菌自從活性污泥法問世以來，污泥膨脹一直是運(yùn)行管理中的 一個(gè)難題。污泥膨脹有 3 個(gè)明顯的特征：（ 1）發(fā)生率比較高，在歐 洲大約有 50%的污水處理廠都存在污泥膨脹現(xiàn)象；（ 2）具有普遍性， 幾乎所有的活性污泥工藝都有污泥膨脹問題；（ 3）后果嚴(yán)重，當(dāng)污 泥膨脹發(fā)生時(shí)，大量的污泥隨水流失，導(dǎo)致出水懸浮物增高，水質(zhì)達(dá) 不到排放標(biāo)準(zhǔn)， 直至整個(gè)工藝運(yùn)轉(zhuǎn)失效， 而再恢復(fù)到正常狀態(tài)又需要 很長的周期。近幾十年來，國內(nèi)外研究者對(duì)污泥膨脹問題進(jìn)行了大量的研 究，并取得了一些進(jìn)展， 但到目前為止還沒有一個(gè)滿意的理論解釋或 有效的污泥膨脹控制措施 1 。隨著人們對(duì)環(huán)境的要求日益提高，對(duì)

2、磷 和氮的排放標(biāo)準(zhǔn)要求日趨嚴(yán)格。 生物脫氮除磷工藝要求較長的泥齡以 滿足硝化菌的生長 2 ，相應(yīng)長泥齡污泥膨脹問題仍是運(yùn)行管理中的一 個(gè)難題。為了解絲狀菌在脫氮除磷工藝中的生長規(guī)律，本文用 21 個(gè) 月的時(shí)間，對(duì)芬蘭索門諾亞污水處理實(shí)驗(yàn)廠的生物脫磷脫氮工藝進(jìn)行 了絲狀菌的種類和長度的檢測(cè)。2 工藝的特征和實(shí)驗(yàn)方法索門諾亞污水處理實(shí)驗(yàn)廠的生物脫氮除磷工藝采用UCT工藝，為比較脫氮除磷的效果，污水廠設(shè)有 2 條并行的流程， 1#流程在 曝氣池內(nèi)裝有 20%（體積比）的懸浮填料； 2 流程在曝氣池內(nèi)不裝設(shè)懸浮填料。處理污水來自愛斯堡城市的市政污水，其中大約有10%勺小規(guī)模工業(yè)廢水，運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)如表

3、 1和表2表1實(shí)驗(yàn)工藝的運(yùn)行參數(shù)參數(shù)（單位）范圍平均值水溫(° C)7129.5F/Mkg0.08 0.1(BOD)/kg( MLSS) d0.12水力停留時(shí)間（h）7.3 8.17.7MLSS（曝氣池）（g/L）3.8 4.44.1MLVS（曝氣池）（g/L）2.5 2.862.68DO （曝氣池）（g/L）2.5 4.93.7泥齡（d）12 1815進(jìn)水流量（m3/h）5.2 5.85.5污泥回流率（%）90 130110消化污泥回流率（）50 11080缺氧污泥回流率（）100 140120表2實(shí)驗(yàn)工藝的出水水質(zhì)參數(shù)單位1#流程2#流程總磷(PO-P)Mg(P)/L1.443.

4、0溶解性磷(PO4-P)Mg(P)/L0.812.0總氮Mg(P)/L21.015CODmg/L4951BODmg/L1620磷的去除率%8078氮的去除率%5066COD的去除率mg/L8685BOD的去除率mg/L88863 結(jié)果與討論3.1絲狀菌的長度在1#流程厭氧階段，絲狀菌的平均長度比好氧階段低19.26 %，在2#流程厭氧階段，絲狀菌的平均長度比好氧階段低7%這表明厭氧階段有一定的抑制絲狀菌生長的功能。由于1#曝氣池內(nèi)填設(shè)懸浮填料，1#流程絲狀菌的平均長度比2#流程低66.02%;僅在曝氣階段，1#曝氣池絲狀菌群的平均長度比2#曝氣池低62.52%。在運(yùn)行期間，泥齡一直保持在15d

5、左右，運(yùn)行處在穩(wěn)定階段， 并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的絲狀菌污泥膨脹情況。 在第7個(gè)月期間，為提高脫 磷脫氮的去除效率把泥齡增加到 30d,絲狀菌長度明顯增大并導(dǎo)致了 污泥膨脹。后來又不得不把泥齡降低到15d左右，才使運(yùn)行又趨于穩(wěn)定O3.2絲狀菌的種類絲狀菌的種類如表3和表4。數(shù)據(jù)表明主要絲狀菌為微絲菌,其次為0675型和0914型，Nocardia III型菌只在生物泡沫中才出現(xiàn)。表31#流程的絲狀菌種類絲狀菌種類厭氧污泥缺氧污泥好氧污泥泡沫出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢(shì)度(%)出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢(shì)度(% )出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢(shì)度(%)出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢(shì)度(%)微絲菌4098.214098.434098.141499.

6、290675 型171.6461.5120.790914 型30.0730.21NocardiaII型30.0730.0730.0720.50取樣分析次數(shù)40404014表42#流程的絲狀菌種類絲狀菌種類厭氧污泥缺氧污泥好氧污泥泡沫出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢(shì)度(%)出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢(shì)度(% )出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢(shì)度(%)出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢(shì)度(% )微絲菌2994.792995.432993.141493.140675 型213.43121.29172.2172.290914 型81.43102.93214.6473.07NocardiaII型20.0720.0741.290041 型20.3640.29

7、諾卡氏菌屬.10.28取樣分析次數(shù)292929143.3 分析討論大量的鏡檢觀察發(fā)現(xiàn)，在正常穩(wěn)定條件下，絲狀菌和菌膠團(tuán) 菌組成一個(gè)互相依賴相互促進(jìn)的共生關(guān)系。絲狀菌位于菌膠團(tuán)的內(nèi) 部，當(dāng)絲狀菌生長伸出菌膠團(tuán)， 大量新生的菌膠團(tuán)菌又吸附和依附在 絲狀菌的表面。正常情況下絲狀菌和菌膠團(tuán)菌的生長達(dá)到相對(duì)的平 衡，絲狀菌始終被菌膠團(tuán)菌包裹在里面。在污泥膨脹階段，主要是菌 膠團(tuán)菌的生長速度變慢， 致使絲狀菌生長伸出菌膠團(tuán)外面造成污泥膨 脹。分析其原因，造成菌膠團(tuán)菌生長速度變慢的原因有：（1）外界條件不能滿足正常生長繁殖 3 ，如食物缺乏、溶解氧不足、pH偏低、或微量元素比例不恰當(dāng)。（2）微環(huán)境因素，尚若

8、大量的生物殘?jiān)荒鼙患皶r(shí)分離或分 解，會(huì)惡化微環(huán)境造成菌膠團(tuán)菌大量死亡。 而絲狀菌大多是腐生菌 4 食料來源來自死亡的菌膠團(tuán)菌， 菌膠團(tuán)菌大量死亡又為絲狀菌提供了 充足的食物源， 又促進(jìn)了絲狀菌的過剩生長導(dǎo)致污泥膨脹。 在厭氧 缺氧好氧工藝中， 當(dāng)回流污泥通過厭氧階段時(shí)， 厭氧菌有分解部分 生物殘?jiān)墓δ堋? 結(jié)語生物營養(yǎng)素去除工藝中， 主要的絲狀菌為微絲菌，其次為 0675 型和 0914 型。泥齡的增加會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹，生物殘?jiān)臐舛仁窃斐?長泥齡污泥膨脹的原因之一。 曝氣池內(nèi)裝填懸浮填料對(duì)絲狀菌的生長 有抑制作用。 厭氧階段有分解生物殘?jiān)墓δ埽?可改善菌膠團(tuán)菌的微 環(huán)境。生物脫氮基本原理

9、及影響因素 廢水中存在著有機(jī)氮、氨氮、硝態(tài)氮等形式的氮，而其中以氨氮 和有機(jī)氮為主要形式。 在生物處理過程中， 有機(jī)氮被異養(yǎng)微生物氧化 分解，即通過氨化作用轉(zhuǎn)化為成氨氮， 而后經(jīng)硝化過程轉(zhuǎn)化變?yōu)?NO3-N 和 NO2-N ，最后通過反硝化作用使硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)?，而逸入大氣。由此可見，進(jìn)行生物脫氮可分為氨化硝化反硝化三個(gè)步驟。 由于氨化反應(yīng)速度很快。 在一般廢水處理設(shè)施中均能完成， 故生物脫 氮的關(guān)鍵在于硝化和反硝化。1 氨化作用1.1 概念氨化作用是指將有機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的過程， 也稱為礦化 作用。1.2 細(xì)菌參與氨化作用的細(xì)菌成為氨化細(xì)菌。 在自然界中， 它們的種類很 多，主要有好氧

10、性的熒光假單胞菌和靈桿菌， 兼性的變形桿菌和厭氧 的腐敗梭菌等。1.3 降解方式（分好氧和厭氧）在好氧條件下， 主要有兩種降解方式， 一是氧化酶催化下的氧化 脫氨。另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解脫氮反應(yīng)。在厭氧條件或缺氧的條件下， 厭氧微生物和兼性厭氧微生物對(duì)有 機(jī)氮化合物進(jìn)行還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種途徑的氨化反 應(yīng)。2 硝化作用2.1 概念硝化作用是指將氨氮氧化為亞硝酸氮和硝態(tài)氮的生物化學(xué)反應(yīng)，2.2 細(xì)菌這個(gè)過程由亞硝酸菌和硝酸菌共同完成。亞硝化菌有亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸螺桿菌屬和亞硝酸球菌屬。 硝酸菌有硝化桿菌屬、 硝化球菌屬。亞硝酸菌和硝化菌統(tǒng)稱為硝化菌。2.3

11、反應(yīng)過程包括亞硝化反應(yīng)和硝化反應(yīng)兩個(gè)步驟。該反應(yīng)歷程為：亞硝化反應(yīng)硝化反應(yīng)總反應(yīng)式發(fā)生硝化反應(yīng)時(shí)細(xì)菌分別從氧化 NH和NO的過程中獲得能量， 碳源來自無機(jī)碳化合物，如 C、HCO、CO等。假定細(xì)胞的組成為 C5 H7 N O2 ，則硝化菌合成的化學(xué)計(jì)量關(guān)系可表示為：亞硝化反應(yīng)硝化反應(yīng)2.4 特點(diǎn)從上式可以看出硝化過程的三個(gè)重要特點(diǎn)：NH的生物氧化需要大量的氧，大約每去除 1g的NMN需要 4.2gO2；硝化過程細(xì)胞產(chǎn)率非常低， 且難以維持較高勝物濃度， 特別是 在低溫的冬季；硝化過程中產(chǎn)生大量的的質(zhì)子（H）,為了使反應(yīng)能順利進(jìn)行， 需要大量的堿中和，其理論上大約為每氧化1g的NHkN需要堿度5

12、.57g（以 NaCC計(jì)）。2.5 硝化反應(yīng)影響因素 溫度在生物硝化系統(tǒng)中，硝化細(xì)菌對(duì)溫度的變化非常敏感，在535C 的范圍內(nèi)，硝化菌能進(jìn)行正常的生理代謝活動(dòng)。當(dāng)廢水溫度低于15C 時(shí)，硝化速率會(huì)明顯下降，當(dāng)溫度低于 10C時(shí)已啟動(dòng)的硝化系統(tǒng)可 以勉強(qiáng)維持，硝化速率只有30C時(shí)的硝化硝化速率的25%。盡管溫 度的升高，生物活性增大， 硝化速率也升高，但溫度過高將使硝化菌 大量死亡，實(shí)際運(yùn)行中要求硝化反應(yīng)溫度低于3 8C 2。 pH 值硝化菌對(duì)pH值變化非常敏感，最佳pH值是8.08.4，在這一 最佳 pH 值條件下，硝化速度，硝化菌最大的比值速度可達(dá)最大值。 Anthonison認(rèn)為pH對(duì)硝化

13、反應(yīng)的影響只是表觀現(xiàn)象，實(shí)際起作用是 兩個(gè)平衡 H+NH 二 NH+禾口 H+NO二 HNO中的 NH （ FA 禾口 HNO （FNA , pH通過這兩個(gè)平衡影響FA和FNA的濃度起作用的。 溶解氧氧是硝化反應(yīng)過程中的電子受體， 反應(yīng)器內(nèi)溶解氧高低， 必將影 響硝化反應(yīng)得進(jìn)程。 在活性污泥法系統(tǒng)中， 大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為溶解氧應(yīng) 該控制在1.52.0mg/L內(nèi)，低于0.5mg/L則硝化作用趨于停止。當(dāng) 前，有許多學(xué)者認(rèn)為在低 D0（1.5mg/L ）下可出現(xiàn)SND現(xiàn)象。在DO> 2.0mg/L，溶解氧濃度對(duì)硝化過程影響可不予考慮。但DC濃度不宜太高，因?yàn)槿芙庋踹^高能夠?qū)е掠袡C(jī)物分解過快， 從

14、而使微生物缺乏 營養(yǎng)，活性污泥易于老化，結(jié)構(gòu)松散。此外溶解氧過高，過量能耗， 在經(jīng)濟(jì)上也是不適宜的。 生物固體平均停留時(shí)間（污泥齡）為了使硝化菌群能夠在連續(xù)流反應(yīng)器系統(tǒng)存活， 微生物在反應(yīng)器 內(nèi)的停留時(shí)間（B c） n必須大于自養(yǎng)型硝化菌最小的世代時(shí)間（B c） minN,否則硝化菌的流失率將大于凈增率，將使硝化菌從系統(tǒng)中流失殆 盡。一般對(duì)（B c） n的取值，至少應(yīng)為硝化菌最小世代時(shí)間的 2倍以 上，即安全系數(shù)應(yīng)大于 2。 重金屬及有毒物質(zhì)除了重金屬外， 對(duì)硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用的物質(zhì)還有： 高濃度氨 氮、高濃度硝酸鹽有機(jī)物及絡(luò)合陽離子等。3. 反硝化作用3.1 概念反硝化作用是指在厭氧或缺氧

15、(DO<0.3-0.5mg/L)條件下，硝態(tài) 氮、亞硝態(tài)氮及其其它氮氧化物被用作電子受體而還原為氮?dú)饣虻?其它氣態(tài)氧化物的生物學(xué)反應(yīng)。3.2 細(xì)菌這個(gè)過程反硝化菌完成。進(jìn)行這類反應(yīng)的細(xì)菌主要有變形桿菌屬、 微球菌屬、假單胞菌屬、 芽胞桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、 黃桿菌屬等兼性細(xì)菌，它們?cè)谧匀唤缰袕V 泛存在。有分子氧存在時(shí)，利用 O2 作為最終電子受體，氧化有機(jī)物， 進(jìn)行呼吸；無分子氧存在時(shí)，利用NO或者NO進(jìn)行呼吸。研究表明， 這種利用分子氧和NO之間的轉(zhuǎn)換很易進(jìn)行，即使頻繁交換也不抑制 其反硝化的進(jìn)行。大多數(shù)反硝化菌能進(jìn)行反硝化的同時(shí)將 NQ同化為NH+而供給細(xì) 胞合成之用，這也就是所謂同

16、化反硝化。只有當(dāng)NOT作為反硝化菌唯 一可利用的氨源時(shí)Ne同化代謝才能發(fā)生。如果廢水中同時(shí)存在NH+, 反硝化菌有限利用氨態(tài)氮進(jìn)行合成。3.3 反硝化過程3.4 反硝化反應(yīng)影響因素1. 溫度反硝化細(xì)菌對(duì)溫度變化雖不如硝化細(xì)菌那樣敏感， 但反硝化效果 也會(huì)隨溫度變化而變化。溫度越高，硝化速率也越高，在3035C時(shí)，DNR增至最大。當(dāng)?shù)陀?5C時(shí)，反硝化速率將明顯降低；至 5C 時(shí)，反硝化將趨于停止。2. pH值pH值是反硝化反應(yīng)的重要影響因素，對(duì)反硝化最適宜的 pH值是 6.57.5，在這個(gè)pH值的條件下，反硝化速率最高，當(dāng) pH值高于8 或者低于 6 時(shí)，反硝化速率將大為下降。3. 外加碳源反硝化菌是屬于異養(yǎng)型兼性厭氧菌，在厭氧的條件下以 NOx-N 為 電子受體，以有機(jī)物（有機(jī)碳）為電子供體。由此可見，碳源是反硝 化過程中不可少的一種物質(zhì)，進(jìn)水的C/N直接影響生物脫氮除氮效果 的重要因素。一般BOD/TK*34,有機(jī)物越充分，反應(yīng)速度越快， 當(dāng)廢水中BOD/TK小于3時(shí),需要外加碳源才能達(dá)到理想的脫氮目的。 因此碳源對(duì)反硝化效果影響很大。 反硝化的碳源來源主要分三類： 一 是廢水本身的組成物,如各種有機(jī)酸、淀粉、碳水化合物等；二是廢 水處理過程中添加碳源, 一般可以添加附近一些工業(yè)副