生物脱氮除磷新技术及其剩余污泥发酵的研究

水体富营养化日益严重, 控制污水排磷量在国际上是防止水体富营养化的一个重要策略。

生物除磷法可以克服化学法存在的药品费用高、产生大量化学污泥、增加水体的含盐量等缺点, 因而受到广泛重视和研究。

２　生物脱氮除磷新技术
2．1 同时硝化反硝化技术
近几年许多研究者发现存在同时硝化反硝化现象，尤其是有氧条件下的反硝化现象，确实存在于不同的生物处理系统中。

如氧化沟、SBR 工艺、间歇曝气反应器工艺[3]。

SND 具有以下优点：(1)能有效保持反应器中pH 稳定，减少或取消碱度的投加。

(2)减少传统反应器的容积，节省基建费用。

(3)对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲，SND 能够降低实现硝化、反硝化所需时间。

(4)曝气量的节省，能够进一步降低能耗。

对于同时硝化与反硝化的反应机理初步的解释包括：反应器溶解氧分布不均理论，缺氧微环境理论和生物学理论[4]。

2．2 短程硝化反硝化技术
短程硝化反硝化的工艺有SHARON 工艺和CANON(生物膜内自养脱氮工艺)工艺。

SHARON 是一种用来处理高浓度、低碳氮比含氨废水的新型脱氮工艺。

该工艺根据亚硝酸菌和硝酸菌的不同生长条件，通过控制反应器的水力停留时间和pH ，使亚硝酸菌成为反应器的优势菌属，从而将氨氮的氧化控制在亚硝化阶段，随后再进行反硝化。

与传统脱氮工艺相比，SHARON 工艺具有流程简单、脱氮速率快、投资和运行费用低等优点。

CANON 工艺实质上是通过控制生物膜内溶解氧的浓度实现短程硝化反硝化，使生物膜内聚集的亚硝化菌和ANAMMOX 微生物能同时生长，满足生物膜内一体化完全自养脱氮工艺的实现条件。

短程硝化反硝化可节省氧供应量约为25％，降低能耗，节省碳源40％，减少污泥生成量可达50％，减少投碱量，缩短反应时间和减少容积，但短程硝化反硝化的缺点是不能长久稳定地维持NO 2积累。

2．3 厌氧氨氧化(ANAMMOX)
ANAMMOX 工艺由荷兰 Delft 技术大学 Kluyver 生物技术实验室研究开发[5]。

工
生物脱氮除磷新技术及其剩余污泥发酵的研究
陈静 张维佳 黄天寅 苏州科技学院环境科学与工程学院 ２１５０１１
１　前言
随着水体富营养化问题的尖锐化和社会发展对环境要求的提高，污水脱氮技术已经成为污水处理领域的热点和难点。

因此，研究和开发高效、经济的脱氮工艺成为当前城市污水处理的热点。

传统的氮转化方式为，有机氮在水中通过氨化菌分解成无机的氨态氮，再通过硝化菌氧化成亚硝酸和硝酸，完成氮的氧化；随后在反硝化菌作用下，被还原成氮气[1]。

随着城市化进程的加快, 城市生活污水处理行业发展越来越快,产生的污泥量也越来越多。

据1996年对中国29家城市污水处理厂的调查, 每处理1万吨废水,污泥的产生量(干重)为 0.3t ～3.0t [2]。

如何实现污泥的减量化、稳定化、资源化、无害化是城市污水处理厂面临的重大难题；另一方面,
艺在厌氧状态下，以NO 、NO 3-作为电子
受体，将氨转化为氮气。

厌氧氨氧化是自养的微生物过程，不需投加有机物以维持反硝化，且污泥产率低。

此外还可以改善硝化反应产酸、反硝化反应产碱而均需中和的情况，这对控制化学试剂消耗、防止可能出现的二次污染具有重要意义。

该工艺适用于高氨废水和低COD ／TKN 废水的处理。

３　污泥发酵产酸的影响因素
短链脂肪酸 (SCFAs,例如乙酸和丙酸)作为污水生物除磷脱氮微生物的重要有机碳源之一 ,其在污水中的浓度会影响生物处理效果，当污水中的SCFAs 不足时 ,污水厂为了获得较高的生物除磷脱氮效果常常需要补充碳源，解决这一问题可以考虑外加碳源, 但是从废水和污泥处理系统内部, 亦即从污水处理厂本身,鉴于污水生物处理过程中产生大量剩余污泥，这些污泥中含有糖、蛋白质等有机物，它们在一定条件下经水解和酸化作用可转化为短链脂肪酸。

因此，通过微生物的作用在常温常压下将污泥中的有机物生物转化为短链脂肪酸，特别是丙酸，不但为污水生物除磷脱氮微生物提供丰富和优质的碳源，提高了污水生物处理效果，而且减少了污泥的排放量。

水解、酸化和产甲烷是污泥厌氧消化过程的3个步骤，其中水解速率较慢，是整个消化过程的速率控制步骤。

污泥厌氧发酵生产短链脂肪酸的工艺条件影响因素包括以下几个
3.1 停留时间：水力停留时间(HRT)和固体停留时间(SRT)
对于单纯以水解为目的的反应器，HRT 越长,被水解物质与水解微生物接触时间也越长,相应地水解效率也就越高。

P.Elefsiniotis 等采用了两种不同的实验室规模的连续流反应器，一种是上流式厌氧污泥床(UASB)，另一种是完全混合反应器(CMR)，研究了HRT 对初沉污泥产酸发酵的影响，结果表明，无论是UASB 系统,还是CMR 系统，当HRT 逐渐升高到12h 时,单位挥发性固体量(VS)产生的短链脂肪酸的浓度和产率都逐渐升高，并且没有发现产生甲烷；当HRT 为12h ，到最大的产酸率大约为0.12mg/(mg ・d); 当HRT 为15h 时，观察到了污泥的甲烷化；乙酸和丙酸为主要的短链脂肪酸，并且发现UASB 系统和CMR 系统的数值[6]略有些差别。

HRT 和SRT 是两个不同的运行参数,然而，在多数研究厌氧消化水解酸化的文献中，HRT 和SRT 几乎是相同的,原因是他们采用的工艺是传统的没有固体回流的连续流运行系统。

3.2 PH 值
pH 是影响酶活性的主要因素之一，因
对材料微观不均匀性影响最大，因此，精确的取向分析对后续的模拟工作尤为重要。

４　微观组织的有限元分析
由于多晶材料的晶粒都是不规则的多面体，多晶体性能是各个独立的单晶体的平均效应，晶粒尺度的有限元模型依赖于微观试验测定的准确参数。

依据EBSD 得到的晶粒实际尺寸和晶粒的统计个数和每个晶粒的取向，晶粒的形状可以利用Voronoi 方法来建立，图4-图5为采用Voronoi 准则，利用Fortran 程序，在ABAQUS/CAE 中建立的100个晶粒有限元模型。

５　小结
本文对EBSD 制样过程和其在研究材利用EBSD 试验方法，可以准确的获得材料的晶粒尺寸、晶界特征、晶体取向等微观组织性能，从而为后续的晶粒尺度的模拟建模工作提供了可靠的原始输入数据，依此建立的有限元模型可以真实模拟材料的微观力学性能。

图５ 平面晶粒尺寸
图４ 三维晶粒尺寸
对含量较小，pH 的影响不大。

3.3 温度
污泥的厌氧发酵取决于污泥中的水解菌与产酸菌。

细菌的生存温度包括三种：低温(5℃～20℃)、中温(20℃～42℃)、高温(42℃～~75℃)，研究表明，水解菌与产酸菌在三种温度环境下都能很好的生存，但是较高的温度需要外加的加热装置，耗费能量高，因此可以考虑在低温下或者常温下进行。

４　生物脱氮除磷技术的发展趋势
污水排放标准的不断严格是目前世界各国的普遍发展趋势，以控制水体富营养化为目的氮、磷脱除技术开发已成为世界各国主要的奋斗目标。

我国对生物脱氮除磷技术的研究起步较晚，投入的资金也十分有限，研究水平仍处于发展阶段。

目前在生物脱氮除磷技术基础理论没有重大革新之前，充分利用现有的工艺组合，开发技术成熟、经济高效且符合国情的工艺应是今后我国脱氮除磷工艺发展的主要方向，主要体现在：
开展对生物脱氮除磷更深入的基础研究和应用开发，优化生物脱氮除磷组合工艺，开发高效、经济的小型化、商品化脱氮除磷组合工艺。

发展可持续污水处理工艺，朝着节约碳源、降低CO 2释放、减少剩余污泥排放以及实现氮磷回收和处理水回用等方向发展。

大力开发适合现有污水处理厂改造的高效脱氮除磷技术。