膜生物反应器中同步硝化反硝化技术的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 920.44KB 61 页 15积分
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第一章 绪 论
1
第一章 绪论
§1.1 水体中氮的来源、存在形态及危害
§1.1.1 水体中氮的来源
水体中的氮的来源是多方面的，主要有城市生活污水、工厂工业废水和农业
排水三个方面带入。此外，自然界的天然固氮也是一个方面，通过雷电固定大气
中的氮占天然固氮的15%。大气中的氮化物，通过降雨进入水体，水体本身尚有许
多固氮微生物如某些固氮菌和蓝绿菌，在光照充足的情况下能将大气中的氮固定
下来并进入水体。
(1) 城市生活污水中的氮
城市生活污水中含有有机氮和氨氮，主要来自厨房洗涤、厕所冲洗、淋浴、
洗衣等。采用生物法处理城市生活污水，二级处理如果没有硝化作用，排放污水
中的氮的主要形式是氨氮。
(2) 工业废水中的氮
产生含氮废水的工厂主要分成两类，一类是含氮产品的生产厂，另一类是含
氮产品的使用厂和加工厂。这些工厂主要有合成氨厂及氮肥厂、复合肥厂、硝酸
生产厂、炼焦厂、己内酰胺厂、玻璃及玻璃制品厂，半导体印刷电路板生产厂、
石化厂、炼油厂、屠宰厂、肉制品加工厂、酒厂等。
(3) 农业排水中的氮
农业生产过程的氮污染主要来自化肥和农药的使用。目前我国化肥消费及需
求数量上位居世界第一。每年农业生产需要大量的化肥。氮肥施入土壤以后并不
是全部被植物所吸收，一般认为当季作物所吸收的量不超过50%；剩下残留于土壤
之中，后季作物利用的量达到25%～35%；而损失到大气或水中的部分可达总量的
20%以上。我国目前平均使用农药量为10.8 kg/hm2,仅有10%～20%的农药吸附在农
作物上，而40%～80%的农药会流失在土壤里，会随着雨水冲淋、农业排水进入河
流。此外，农村家禽的废弃物和排泄物也是农业废水中氮的一个来源。
§1.1.2 水体中氮的存在形态
氮在水体中的主要存在形式有分子态氮、有机氮和无机氮。无机氮包括氨氮、
亚硝酸盐氮和硝酸盐氮以及硫化物和氰化物；有机氮包括尿素、氨基酸、蛋白质、
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核酸、尿酸、脂肪酸、有机碱、氨基糖等含氮有机物。可溶性有机氮主要以尿素
和蛋白质形式存在，在好氧或厌氧的条件下通过氨化等作用转化为氨氮。
在天然水体中，从含氮有机物的生物化学净化过程（见图1-1）可以看出氮化
合物存在的种类和基本形态。
4 3
2 3
2 2
NH NH NO NO
H O CO
 
  
亚硝酸菌作用 硝酸菌作用好氧菌作用
河流 含氮有机物
4 2
NH CH H S  
3
缺氧条件下
厌氧作用
有机底泥 ， ， 等
图1-1 天然水体中含氮有机物的生物化学净化示意[1]
废水中氮的存在形态有四种，在一定条件下各种形式的氮可以相互转化。在
未处理的原废水中，有机氮和氨氮是氮的主要存在形式；经二级生化处理后出水
中的氨氮和硝酸盐氮是氮的主要存在形式。
① 有机氮(N) (C2H5)xNHy、H2NC2H4NH2、N(C2H5OH)3、谷氨酸、蛋氨酸等。
② 有机氨氮(R4H+-N) 如十二烷基氯化铵、萨帕明MS、十二烷基二甲基甜菜
碱等。
③ 氨氮(NH4+-N)，实际上是无机氨氮(NH4+)2CO3、NH4Cl、NH3等。
④ 亚硝酸盐氮(NO2
--N)、硝酸盐氮(NO3
--N)。
在生活污水中，有机氮占40%～60%、NH4+-N占50%～60%、NO2
--N和NO3
--N占
0～5%。
§1.1.3 水体中氮的危害
大量未经处理或未经适当处理的含氮的各种废水(包括生活污水及某些工业废
水)排入江河，会给环境造成严重危害，主要表现为如下几个方面。
(1) 造成水体的富营养化现象
当水体水滞缓、滞留时间相对较长时，十分适于氮、磷等营养素的积累和水
生植物的生长繁殖。当水体中的氮、磷等营养素积累到一定水平，即会促使水生
植物旺盛生长，形成富营养化( eutrphication )污染。富营养化主要发生在湖泊、近
海海湾及其他缓流水体中，其本质为：
第一章 绪 论
3
- 2- +
2 3 4 2 106 263 110 16 2
ATP
106CO +16NO +HPO +122H O+18H C H O N P 138O
，微量元素
(1-1)
上述反应体系中C106H263O110N16P代表藻类物质。
一般认为水体富营养化的指标是：水体中含氮量大于0.2～0.3mg/L、含磷量
大于0.01～0.02mg/L、生物需氧量( bio-chemical oxygen demand，BOD5)大于
10mg/L。当水体发生富营养化时，伴随藻类的疯狂生长，形成水华现象，此时水
体中藻类的种类减少，而个别种类的个体数量猛增。如淡水域富营养化时，测得
水 华 铜 锈 微 囊 藻 ( Microeystis aeruginosa ) 及 水 华 束 丝 藻 ( Aphanizomenon
flosaquae )的数量可达到13.6×105个/L，由于占优势的浮游藻类所含色素不同，使
水体呈现蓝、红、绿、棕、乳白色等不同的颜色。在阳光和水温达到最适合藻类
繁殖的季节，大片水面会被藻类覆盖，出现水华和赤潮现象，不仅使水体带有恶
臭，并会遮蔽阳光，隔绝氧向水中的溶解。枯死的藻类沉积水底，又是新生的污
染源，它们进行厌氧发酵，使溶解氧消耗殆尽，并不断释放出氮磷，供水生植物
作为营养物，如此周而复始的恶性循环，最终造成水体水质恶化。水体因带霉臭
味，因此丧失其游泳价值和观赏价值；同时，水体中的大片藻类还会造成运输的
困难。表1-1显示了湖泊、水库营养性质对各种用途(使用功能)的危害程度。
表1-1 湖泊、水库营养性质对使用功能的危害程度[2]
湖泊、水库特性
贫营养
中营养
一般生产力水平
低
中
生物量
低
中
绿藻/蓝-绿藻之比值
低
是个变数
下层水中溶解氧
高
是个变数
对湖泊、水库综合利用之危害
小
是个变数
(2) 增加给水处理的困难
被氮素严重污染的水体，会给水的净化处理带来许多困难，进而严重影响饮
用水水质。
① 由于水体的富营养化，大量藻类和水生微生物的滋生繁殖使滤池堵塞，破
坏其正常运行。而且，微生物还会穿透滤池在配水系统中繁殖，造成配水系统水
流不畅或阻塞。
② 藻类分泌出的有机物会妨碍絮凝作用，导致出水浑浊，并影响加氯消毒过
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程。
③ 藻类分泌出的有机物经分解生成难以降解的腐殖质，即为“三卤甲烷前驱
物”( THM的前驱物)，如用氯消毒即生成具有致癌、致畸和致突变作用的总三卤
甲烷(TTHM),使水质更加恶化，不宜饮用。
④ 水体底部沉积物的厌氧发酵，会使水中Fe2+、Mn2+浓度因还原作用而增加，
同时发酵产生的甲烷等气体，也会干扰水的处理过程。
⑤ 在水厂加氯消毒时，水体中少量氨会使加氯量成倍增加；此外，脱色、除
臭、除味的化学药剂投加量亦会增加。
(3) 消耗水体中的氧气
藻类大量过度繁殖，死亡后藻类有机体被异养微生物分解，消耗了水中的大
量溶解氧，使水中溶解氧含量急剧下降。同时，由于水面被藻类覆盖，使阳光难
以透射水体深层，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，影响大气的复氧作用，使水中缺氧，甚至造成厌氧
状态。此外，还原态氮排入水体会因硝化作用而耗去水体中大量的氧，1mol NH3
氧化成1 mol NO3
-需消耗2 mol O2。例如在普通曝气法二级处理出水中，氮需氧量
将占需氧量的较大比例，如果受纳水体对流扩散能力不强，将耗尽水体中的溶解
氧(见表1-2)。这些因素将导致鱼类等水生生物因缺氧而窒息死亡，亦使水体因处
于厌氧状态而产生H2S等臭气。
表1-2 硝化处理对二级出水总需氧量的影响举例[3]
参数
污水
二级出水处理
硝化处理出水
有机物(BOD5)/(mg/L)
250
25
20
总凯氏氮(TKN) /(mg/L)
25
20
1.5
氮需氧量(NOD) /(mg/L)
115
92
7
总需氧量(TOD) /(mg/L)
490
129
37
(NOD/TOD)%
23.5
71.3
18.9
(4)对人和生物具有毒害作用
氮素对人和生物的毒害作用包括直接因素和诱发因素两个方面。
① 直接因素
饮用水中的含氮物主要为硝酸盐，一般含量很少超过1 mg/L。根据世界卫生组
织规定，NO3
-含量不能超过10 mg/L。出生4～6个月的婴儿，对硝酸盐的耐受力比
第一章 绪 论
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较低，当饮用水内NO3
-含量为90～140 mg/L时，即可造成婴儿高铁血红蛋白，使红
细胞不能带氧而导致婴儿窒息死亡。
许多水生生物(如鱼类等)对NH4+-N较敏感，一般均有一定的耐受限度。如水中
NH4+-N超过3 mg/L时，可使金鱼、鳊鱼在24～96 h内死亡。
此外，天然水体中亚硝酸盐可以与胺作用生成亚硝胺[4]，而亚硝胺对人有致癌
和致畸作用。
② 诱发因素
许多产生水华和赤潮的藻类能产生毒素，不仅危害水生动物，而且对人类、
牲畜和禽类等也会产生严重的毒害作用。如蓝细菌中的丝状藻类微囊藻属
(Microcystis )、鱼腥藻属( Anabaena )和束丝藻属( Aphanizomenon )等过度繁
殖后，产生内毒素经饮用进入人体，可使人体出现肠胃炎和严重的变态反应。褐
沟藻( Gonyaulax )产生的毒素对多种动物的神经和肌肉都有毒害作用，尤其是能
引起鱼类的呼吸中枢系统障碍，在几分钟内就能使实验鱼体窒息死亡。有一种裸
甲藻毒素对心肌、呼吸中枢和神经中枢均能产生有害的影响。
还有一些藻类产生的毒素并不能排出体外，当这些藻类被鱼、贝类所食后，
毒素可贮存在鱼、贝类的卵中，这些毒素对鱼、贝类等可能不呈现明显的中毒现
象，但人吃了这种鱼、贝之后，却有中毒的危险。
§1.2 传统生物脱氮的基本原理及存在问题
§1.2.1 传统生物脱氮的基本原理
废水中有机氮转化为氨氮，然后通过硝化作用将氨氮转化硝酸盐氮，再通过
反硝化反应将硝酸盐氮还原成气态形式的氮从水中逸出，从而达到从废水中去除
氮的目的。生物脱氮原理见图1-2[5]。污水生物处理过程中氮的转化除氨化、硝化
和反硝化作用外还包括生物的同化作用。同化作用是指在生物处理过程中，污水
的一部分氮(氨氮或有机氮)被同化合成为微生物细胞的组成部分。按细胞干重计
算，微生物细胞中氮的含量约为细胞干重的12.3%。
- - -
4 2 3 2 2
DO DO
NH -N NO -N NO -N NO -N N
   

碱度 有机物 碱度 有机物 碱度
亚硝酸菌 硝酸菌 脱氮菌 脱氮菌
好氧硝化过程 厌氧反硝化过程
图1-2 生物脱氮作用示意图
与硝化反硝化作用相比，同化作用对氮的去除率很低。所以下面重点讨论氨
化、硝化和反硝化的作用原理。
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(l) 氨化作用
废水中的有机氮化合物在微生物(氨化菌)的作用下，分解产生氨的过程，称
为氨化反应。下面以蛋白质为例，简要地介绍蛋白质的氨化过程:
3
NH  
蛋白酶 肽酶 脱氨基酶
蛋白质 多肽（二肽） 氨基酸 有机酸
蛋白质的氨化过程首先是在微生物产生的蛋白酶作用下进行水解，生成多肽
与二肽，然后在肽酶的作用下进一步水解生成氨基酸，氨基酸脱氨基的方式很多，
脱氨基酶的作用可通过氧化脱氨基、或水解脱氨基、或还原脱氨基作用，生成相
应的有机酸，并释放出氨。氨化作用不论是在好氧条件还是在厌氧条件下，中性、
碱性还是酸性环境中都能进行，只是作用的微生物种类不同，作用强弱不一。但
当环境中存在一定浓度的酚，或木质素－蛋白质复合物时，会阻碍氨化作用的进
行。
(2) 硝化作用
硝化作用是首先将NH4+氧化成NO2
-，然后再将NO2
-氧化成NO3
-的过程。硝化
作用有两类细菌参与，一类是亚硝酸菌参与，将氨氮氧化为亚硝酸盐的反应，另
一类是硝酸菌参与，将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。两个过程的反应式可表示如下:
4 2 2 2
NH 1.5O N O 2H H O
 
  
亚硝酸菌
(1-2)
2 2 3
NO 0.5O NO
 
 
硝酸菌
(1-3)
总反应式:
4 2 2 2
NH 0.5O 0.5N H O 2H
 
  
(1-4)
亚硝酸菌代表菌属有亚硝酸单胞菌属（Nitrosomonas)、亚硝酸球菌属
(Nitrosococcus)、亚硝酸螺菌属(Nitrosospira)等；硝酸菌代表菌属有硝化杆菌属
(Nitrobacter)、硝化球菌属（Nitrococcus)，二者合称硝化菌，它们都是专性好氧、
化能性自养菌，能够利用式(1-2)和(1-3)氧化过程释放的能量，以无机物CO32-、
HCO3
-和CO2为碳源，以NH4+和NO2
-为电子供体，O2为电子受体，使氨氮氧化并合
成细胞物质。同时考虑氮氧化和新细胞合成的反应式如下:
4 2 3 5 7 2 2 2
2 3
55NH 76O 109HCO C H NO 54NO 57H O
+104H CO
 
  
亚硝酸菌
(1-5)
2 4 2 3 3 2 5 7 2 3
2
NH400NO + +4H CO HCO 195O C H NO 400NO
3H O
 
 
硝酸菌
(1-6)
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1水体中氮的来源、存在形态及危害§1.1.1水体中氮的来源水体中的氮的来源是多方面的，主要有城市生活污水、工厂工业废水和农业排水三个方面带入。此外，自然界的天然固氮也是一个方面，通过雷电固定大气中的氮占天然固氮的15%。大气中的氮化物，通过降雨进入水体，水体本身尚有许多固氮微生物如某些固氮菌和蓝绿菌，在光照充足的情况下能将大气中的氮固定下来并进入水体。(1)城市生活污水中的氮城市生活污水中含有有机氮和氨氮，主要来自厨房洗涤、厕所冲洗、淋浴、洗衣等。采用生物法处理城市生活污水，二级处理如果没有硝化作用，排放污水中的氮的主要形式是氨氮。(2)工业废水中的氮产生含氮废水的...

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