[摘要] 第 1章 绪论水体富营养化严重是当今人类面临的重大难题，其主要是
第 1章 绪论
水体富营养化严重是当今人类面临的重大难题，其主要是由于水体中氮磷等营养物质浓度过高造成的。水体富营养化的特征是排入河流的氮和磷引起的藻类及其他水生植物大规模的生长。因此，对水体中氮磷污染物的去除是非常有必要的。世界各国为保护有限的水资源，对氮、磷排放标准越来越严格，目前执行的《城镇污水处理厂排放标准》(GB18918—2002)中的一级 A标准总氮（TN）低于15mg/L、总磷（TP）低于 0.5mg/L，污水生物脱氮工艺中可以投加外碳源使出水中的TN、TP浓度降低，但这势必会增加污水厂的运行成本。对于低碳源污水处理来说，解决污水处理过程中的碳源利用问题是解决问题的根本。优化脱氮除磷工艺可以从提高脱氮除磷效率和降低能耗两点出发。因此有必要研究和开发低碳源污水生物脱氮除磷工艺并将其推广应用到实际工程。
1.1 我国城市污水特征及处理现状
我国不同地区城市污水中氮含量的差异很大，且随着我国人民生活水平的提高，饮食结构的改变，城市生活污水的水质成分有了很大的变化，含氮量增加，出现了低碳氮比的情况。尤其是我国南方城镇污水水质中的生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）和化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）浓度偏低，污水厂进水BOD5常在100 mg/L以下，COD常在100-200 mg/L，属于低浓度污水。工业废水中的氮是由于生产过程中含氮原料和废料与废水接触产生的，其中除了有机氮、氨氮外，也常常含有亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，如焦化废水、如冶金废水、造纸废水、炼焦煤气废水、金属酸洗废水等都是氮含量高的废水。农业生产污水中的氮主要来源于施肥和动物养殖，主要形式为氨氮和有机氮。过多的氮化合物进入天然水体不仅会使水环境质量恶化，影响渔业、旅游业与养殖业的发展，还会对人体健康以及动、植物的生存产生严重的危害，另外，氮含量较高时也容易使污水中的碳氮比例失调，为此类污水的处理增加了难度。因碳源不足，脱氮效率受到限制，过量的氮污染物排放到自然水体中会造成：（1）加速水体富营养化；（2）氨氮消耗水体中的溶解氧，造成鱼类等水生生物的死亡；（3）氮化合物过多会对人和生物有毒害作用。
1.2 生物脱氮原理
水中氮磷浓度过高是造成水体富营养化的主要原因，因此在污水排放到水体前进行脱氮处理是解决问题的根本方法。废水中的氮主要以有机氮、氨氮、硝态氮形式存在，其中又以氨氮、有机氮为主要存在形式，生物脱氮包括三个过程，即氨化作用、硝化作用和反硝化作用：
（1）氨化作用：污水中的有机氮以蛋白质和氨基酸的形式存在，蛋白质先转化为氨基酸，然后再厌氧或好氧状态下再被微生物矿化为氨氮，因此这一过程也被称为矿化作用，参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。
（2）硝化作用：硝化作用是将氨氮在好氧状态下转化为硝酸盐氮的过程。硝化作用是由一群自养型好氧微生物完成的，它包括两个步骤，第一步是由氨氧化菌（Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB）将氨转化为亚硝酸；第二步则是由亚硝酸氧化菌（NitriteOxidizing Bacteria，NOB），包括硝化杆菌属和硝化球菌属，将亚硝酸进一步氧化为硝酸盐。硝化细菌是化能自养菌，生长率低，对环境条件变化较为敏感，温度、溶解氧（DO）、污泥龄（SRT）、pH 和C/N 比等都会对它产生影响。
（3）反硝化作用：生物反硝化作用是指污水中的硝态氮和亚硝态氮在缺氧条件下，被微生物还原转化为N2、N2O、NO的过程。在这一过程中其主要作用的是反硝化细菌，反硝化细菌是异养型兼性细菌，可以在有氧和无氧条件下分解有机物。有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作为最终电子受体。在无分子态氧条件下，它能利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，氧作为受氢体生产H2O 和碱度。反硝化过程中的 NO2-N 和NO3-N的转化，是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。
大多数反硝化细菌是异养型兼性厌氧细菌，它利用有机基质作为反硝化过程中的电子供体（或氢供体、碳源），反硝化所需碳源一般分为三类，即外加碳源、外源碳源（污水中碳源）和内源碳源（细胞内聚物）。外加碳源主要包括甲醇、乙醇、乙酸钠、葡萄糖和蔗糖等，投加适量外加碳源能促进反硝化过程实现完全脱氮。外加碳源反硝化效率一般会优于原污水碳源和内源碳源，但会增加运行费用。同时反硝化反应也受因素pH值、温度、溶解氧等因素的影响。
第 2章 试验材料与研究方法
2.1 试验装置与运行方式
（1）第一阶段采用多级 AO 工艺运行两套有效体积为 6 L 的序批式反应器（SBR），如图 2-1。反应器分别采用高低 SRT，其中低SRT反应器为SBR-L，高SRT反应器为 SBR-H。SBR 每天运行 4个周期，每周期 6 h，水力停留时间为12 h。两套反应器运行方式为缺氧条件下进水 10 min，缺氧 40 min，好氧 30 min，缺氧40min，好氧30 min，缺氧40 min，好氧 30min，缺氧 40min，好氧 40min和1h沉淀（含排水）。反应器进水、出水、曝气及搅拌均由计时器自动控制。曝气采用微孔曝气器实现，温度采用防爆电热保温加热棒控制在 25℃左右。每个周期排出3L 上清液（排泥周期为 2.4L），而在进水阶段采用蠕动泵泵入 3L自配水。SBR-L反应器每天排出好氧末端污泥混合液 600mL，实际SRT为9d；SBR-H 反应器不排泥，由于出水中含有一定浓度的悬浮污泥，所以实际 SRT 为169 d。
（2）第二阶段采用多点进水运行平行的两套SBR 反应器（低污泥龄反应器，SBR-L 和高污泥龄反应器，SBR-H），有效体积为 6 L，如图 2-1。每天运行 4个周期，每周期 6h。两套反应器运行方式为缺氧（进水）50min（5 min），好氧 30 min，缺氧（进水）40 min（3 min），好氧 30 min，缺氧（进水）40 min（2 min），好氧 30 min，缺氧40 min，好氧 40 min 和 1 h沉淀（含排水）。反应器进水、出水、曝气及搅拌均由计时器自动控制。曝气采用微孔曝气器实现，温度采用防爆电热保温加热棒控制在 25℃左右。每个周期排出 3 L 上清液，而在进水阶段采用蠕动泵泵入比例为 5:3:2 的自配水。SBR-L反应器每天在好氧末端排出污泥混合液 600mL，实际污泥龄为 9天；SBR-H 反应器不排泥，由于出水中含有一定浓度的悬浮污泥，所以实际污泥龄为169天。反应器接种污泥为自深圳市某污水处理厂二沉池回流污泥。
2.2 试验用水水质
试验用水采用典型意义上的低碳氮比（C/N=5）人工自配水，三阶段进水COD 控制在 200 mg/L 左右，NH4-N 控制在 40 mg/L 左右。试验三阶段的自配水组分情况见表2-1。
试验分三阶段进行，各阶段实际进水水质如图2-2。
试验三阶段内，反应器进水COD 为200mg/L左右，第一阶段内进水NH4-N均值为36.8mg/L；第二阶段内进水NH4-N均值为39.7mg/L，第三阶段单点进水模式下，进水NH4-N和PO4-P均值分别为44.0mg/L 和8.7mg/L，多点进水模式下进水NH4-N和PO4-P均值分别为 40.8mg/L和9.6mg/L。
第3章 多级AO工艺强化内源反硝化生物脱氮性能研究.........24
3.1 概述.................24
3.2 多级 AO 长期稳定运行结果.............. 24
第4章 多点进水多级AO工艺强化生物脱氮性能研究....................32
4.1 概述........................32
4.2 长期稳定运行..........................32
第5章 多级AO工艺同步除磷脱氮性能研究..................39
5.1 概述...................39
第5 章 多级AO 工艺同步除磷脱氮性能研究
5.1 概述
多级缺氧好氧（AO）工艺采用间歇曝气方式实现硝化反硝化多级串联，可以获得稳定的TN去除率。多点进水模式可以充分利用进水碳源显着提高系统的脱氮效果。在多级AO 工艺前设厌氧区以实现多级AO 的高效除磷。但在多级AO运行模式下，磷可能会在缺氧段内反复释放，且多级AO 属于低污泥负荷范畴，排泥量较小，对磷的去除也会有一定影响。但对低碳源废水，多级AO 工艺不能同时实现高效除磷。对低碳源废水的同步脱氮除磷，关键需高效利用进水碳源进行反硝化和好氧吸磷，解决聚磷菌和反硝化菌竞争碳源的问题。Zhang 等[85]采用低曝气量(1.0L/(m3 s))结合多点进水策略处理猪粪废水，系统可以取得对TN和TP 分别为97.5%和95%的去除率。另外研究表明，在工艺中富集DNPAOs有助于系统整体性能的提升。
根据之前所做研究，将多点进水模式应用到多级 AO 工艺中能显着提高系统的脱氮性能，而当兼顾脱氮除磷时，多级AO工艺中应用多点进水模式，会改变系统内微生物对碳源的利用机制，进而改变系统内的种群结构，可能会表现出不同的脱氮除磷性能。本研究在常规污泥龄下（15天）分两阶段运行多级AO 工艺，第一阶段为单点进水模式，第二阶段为多点进水模式。研究不同进水模式下系统的同步除磷脱氮性能，重点考察系统长期稳定运行、典型周期、硝化反硝化活性和聚磷菌的活性。旨在研究多级AO工艺同步除磷脱氮的有效途径，为多级AO工艺的实际应用提供参考。
结论
本研究基于多级 AO 理论，采用序批式 SBR 反应器，分别研究了多级 AO工艺在不同污泥龄条件下的强化内源反硝化脱氮性能、多点进水多级AO 工艺强化脱氮性能和多级AO工艺在不同进水模式下的同步脱氮除磷性能。得出了以下几点结论：
（1）在高污泥龄（169天）和低污泥龄（9天）下运行多级 AO 工艺，处理城市低C/N比（C/N为5）污水。结果表明，多级 AO 工艺在不同污泥龄下可以取得 63.2%和 64.9%的 TN 去除率。多点进水多级AO 工艺分别可以取得 76.5%和74.2%的TN去除率，污泥龄对工艺的脱氮性能影响均较小；多级AO 同步脱氮除磷时，多点进水模式和单点进水模式TN 去除率分别为79.4%和 64.4%，多点进水模式有利于系统强化脱氮，但两种模式下TP 去除率均较低，表明在兼顾脱氮除磷时系统无法满足对碳源的需求。
（2）在多级 AO 工艺硝化过程中，SRT 主要影响 NOB 的活性，低 SRT 和多点进水模式下更容易使 NO2-N 积累；SRT对反硝化过程中的 NO2-N 积累也有一定影响，其中低 SRT下更容易使 NO2-N积累。兼顾除磷时，多点进水在反硝化过程中NO2-N的积累程度较小，而当磷释放充分后系统中的NO2-N积累增多。
（3）多级 AO 工艺中反硝化菌主要利用外源碳源和内源碳源，而内源呼吸反硝化对工艺脱氮效率贡献较小。多点进水多级AO 工艺中，反硝化菌主要利用外源碳源进行反硝化，利用内源碳源和内源呼吸进行反硝化的作用对系统整体脱氮影响较小。
（4）多点进水模式下运行的多级 AO 工艺更有利于反硝化聚磷菌的富集，但受缺氧时间的限制。
参考文献（略）
