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，污泥膨脹一直是運行管理中的 一個難題。污泥膨脹有 3 個明顯的特征：（ 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）后果嚴重，當污 泥膨脹發(fā)生時，大量的污泥隨水流失，導致出水懸浮物增高，水質達 不到排放標準， 直至整個工藝運轉失效， 而再恢復到正常狀態(tài)又需要 很長的周期。近幾十年來，國內外研究者對污泥膨脹問題進行了大量的研 究，并取得了一些進展， 但到目前為止還沒有一個滿意的理論解釋或 有效的污泥膨脹控制措施 1 。隨著人們對環(huán)境的要求日益提高，對

2、磷 和氮的排放標準要求日趨嚴格。 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 ，相應長泥齡污泥膨脹問題仍是運行管理中的一 個難題。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 月的時間，對芬蘭索門諾亞污水處理實驗廠的生物脫磷脫氮工藝進行 了絲狀菌的種類和長度的檢測。2 工藝的特征和實驗方法索門諾亞污水處理實驗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，污水廠設有 2 條并行的流程， 1#流程在 曝氣池內裝有 20%（體積比）的懸浮填料； 2 流程在曝氣池內不裝設懸浮填料。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，運行參數(shù)和數(shù)據(jù)如表

3、 1和表2表1實驗工藝的運行參數(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實驗工藝的出水水質參數(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#曝氣池內填設懸浮填料，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%。在運行期間，泥齡一直保持在15d

5、左右，運行處在穩(wěn)定階段， 并沒有出現(xiàn)嚴重的絲狀菌污泥膨脹情況。 在第7個月期間，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致了 污泥膨脹。后來又不得不把泥齡降低到15d左右，才使運行又趨于穩(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)勢度(%)出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢度(% )出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢度(%)出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢度(%)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)勢度(%)出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢度(% )出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢度(%)出現(xiàn)次數(shù)(次)優(yōu)勢度(% )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 菌組成一個互相依賴相互促進的共生關系。絲狀菌位于菌膠團的內 部，當絲狀菌生長伸出菌膠團， 大量新生的菌膠團菌又吸附和依附在 絲狀菌的表面。正常情況下絲狀菌和菌膠團菌的生長達到相對的平 衡，絲狀菌始終被菌膠團菌包裹在里面。在污泥膨脹階段，主要是菌 膠團菌的生長速度變慢， 致使絲狀菌生長伸出菌膠團外面造成污泥膨 脹。分析其原因，造成菌膠團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。（2）微環(huán)境因素，尚若

8、大量的生物殘渣不能被及時分離或分 解，會惡化微環(huán)境造成菌膠團菌大量死亡。 而絲狀菌大多是腐生菌 4 食料來源來自死亡的菌膠團菌， 菌膠團菌大量死亡又為絲狀菌提供了 充足的食物源， 又促進了絲狀菌的過剩生長導致污泥膨脹。 在厭氧 缺氧好氧工藝中， 當回流污泥通過厭氧階段時， 厭氧菌有分解部分 生物殘渣的功能。4 結語生物營養(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。泥齡的增加會導致污泥膨脹，生物殘渣的濃度是造成 長泥齡污泥膨脹的原因之一。 曝氣池內裝填懸浮填料對絲狀菌的生長 有抑制作用。 厭氧階段有分解生物殘渣的功能， 可改善菌膠團菌的微 環(huán)境。生物脫氮基本原理

9、及影響因素 廢水中存在著有機氮、氨氮、硝態(tài)氮等形式的氮，而其中以氨氮 和有機氮為主要形式。 在生物處理過程中， 有機氮被異養(yǎng)微生物氧化 分解，即通過氨化作用轉化為成氨氮， 而后經硝化過程轉化變?yōu)?NO3-N 和 NO2-N ，最后通過反硝化作用使硝態(tài)氮轉化成氮氣，而逸入大氣。由此可見，進行生物脫氮可分為氨化硝化反硝化三個步驟。 由于氨化反應速度很快。 在一般廢水處理設施中均能完成， 故生物脫 氮的關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氮化合物轉化為氨態(tài)氮的過程， 也稱為礦化 作用。1.2 細菌參與氨化作用的細菌成為氨化細菌。 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。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有 機氮化合物進行還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種途徑的氨化反 應。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)氮的生物化學反應，2.2 細菌這個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、反應過程包括亞硝化反應和硝化反應兩個步驟。該反應歷程為：亞硝化反應硝化反應總反應式發(fā)生硝化反應時細菌分別從氧化 NH和NO的過程中獲得能量， 碳源來自無機碳化合物，如 C、HCO、CO等。假定細胞的組成為 C5 H7 N O2 ，則硝化菌合成的化學計量關系可表示為：亞硝化反應硝化反應2.4 特點從上式可以看出硝化過程的三個重要特點：NH的生物氧化需要大量的氧，大約每去除 1g的NMN需要 4.2gO2；硝化過程細胞產率非常低， 且難以維持較高勝物濃度， 特別是 在低溫的冬季；硝化過程中產生大量的的質子（H）,為了使反應能順利進行， 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）。2.5 硝化反應影響因素 溫度在生物硝化系統(tǒng)中，硝化細菌對溫度的變化非常敏感，在535C 的范圍內，硝化菌能進行正常的生理代謝活動。當廢水溫度低于15C 時，硝化速率會明顯下降，當溫度低于 10C時已啟動的硝化系統(tǒng)可 以勉強維持，硝化速率只有30C時的硝化硝化速率的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，實際運行中要求硝化反應溫度低于3 8C 2。 pH 值硝化菌對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最大值。 Anthonison認為pH對硝化

13、反應的影響只是表觀現(xiàn)象，實際起作用是 兩個平衡 H+NH 二 NH+禾口 H+NO二 HNO中的 NH （ FA 禾口 HNO （FNA , pH通過這兩個平衡影響FA和FNA的濃度起作用的。 溶解氧氧是硝化反應過程中的電子受體， 反應器內溶解氧高低， 必將影 響硝化反應得進程。 在活性污泥法系統(tǒng)中， 大多數(shù)學者認為溶解氧應 該控制在1.52.0mg/L內，低于0.5mg/L則硝化作用趨于停止。當 前，有許多學者認為在低 D0（1.5mg/L ）下可出現(xiàn)SND現(xiàn)象。在DO> 2.0mg/L，溶解氧濃度對硝化過程影響可不予考慮。但DC濃度不宜太高，因為溶解氧過高能夠導致有機物分解過快， 從

14、而使微生物缺乏 營養(yǎng)，活性污泥易于老化，結構松散。此外溶解氧過高，過量能耗， 在經濟上也是不適宜的。 生物固體平均停留時間（污泥齡）為了使硝化菌群能夠在連續(xù)流反應器系統(tǒng)存活， 微生物在反應器 內的停留時間（B c） n必須大于自養(yǎng)型硝化菌最小的世代時間（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（B c） n的取值，至少應為硝化菌最小世代時間的 2倍以 上，即安全系數(shù)應大于 2。 重金屬及有毒物質除了重金屬外， 對硝化反應產生抑制作用的物質還有： 高濃度氨 氮、高濃度硝酸鹽有機物及絡合陽離子等。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氣或氮的 其它氣態(tài)氧化物的生物學反應。3.2 細菌這個過程反硝化菌完成。進行這類反應的細菌主要有變形桿菌屬、 微球菌屬、假單胞菌屬、 芽胞桿菌屬、產堿桿菌屬、 黃桿菌屬等兼性細菌，它們在自然界中廣 泛存在。有分子氧存在時，利用 O2 作為最終電子受體，氧化有機物， 進行呼吸；無分子氧存在時，利用NO或者NO進行呼吸。研究表明， 這種利用分子氧和NO之間的轉換很易進行，即使頻繁交換也不抑制 其反硝化的進行。大多數(shù)反硝化菌能進行反硝化的同時將 NQ同化為NH+而供給細 胞合成之用，這也就是所謂同

16、化反硝化。只有當NOT作為反硝化菌唯 一可利用的氨源時Ne同化代謝才能發(fā)生。如果廢水中同時存在NH+, 反硝化菌有限利用氨態(tài)氮進行合成。3.3 反硝化過程3.4 反硝化反應影響因素1. 溫度反硝化細菌對溫度變化雖不如硝化細菌那樣敏感， 但反硝化效果 也會隨溫度變化而變化。溫度越高，硝化速率也越高，在3035C時，DNR增至最大。當?shù)陀?5C時，反硝化速率將明顯降低；至 5C 時，反硝化將趨于停止。2. pH值pH值是反硝化反應的重要影響因素，對反硝化最適宜的 pH值是 6.57.5，在這個pH值的條件下，反硝化速率最高，當 pH值高于8 或者低于 6 時，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，以有機物（有機碳）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，進水的C/N直接影響生物脫氮除氮效果 的重要因素。一般BOD/TK*34,有機物越充分，反應速度越快， 當廢水中BOD/TK小于3時,需要外加碳源才能達到理想的脫氮目的。 因此碳源對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