摘要：氮是水生生物生长的营养物质，也是生态循环的重要组成部分，而过量的氮素排放至水体中会导致水体富营养化，不仅造成水体观赏价值降低，还可能破坏生态平衡。高浓度含氨化工废水具有水量大，氨氮浓度含量高（2000-20000 mg L-1）等特点。生物脱氮法由于其低能耗、高效率且无二次污染产生，成为应用最广的脱氮技术。近年来，相继出现了许多以短程硝化为基础的新型生物脱氮工艺。其中，短程硝化-反硝化工艺就是典型的代表。在这些新型生物脱氮工艺中，短程硝化是整个工艺的限速步骤，因此它成了目前生物脱氮领域的研究热点。本设计采用SBR进行短程硝化反硝化处理高浓度含氨化工废水，提高总氮去除效率，使其达到国家废水排放标准并进行经济评估。
关键字：生物脱氮 短程硝化反硝化 SBR技术 高浓度含氨化工废水
引言
由于传统生物脱氮技术产出的水量大、总氮去除率不高、成分复杂、处理难度大，且短程硝化-反硝化工艺可以节省40%的碳源和25%的能耗，符合目前大力提倡的节能减排要求，已经成为污水处理领域的研究热点，国内外学者在高浓度含氨化工废水这一领域进行了广泛的研究。通过本次毕业设计，将自己所学专业理论知识与具体实践相结合，掌握高浓度含氨化工废水短程硝化-反硝化技术的基本设计方法和工艺的选择，降低废水中COD、BOD、氨氮的含量，使出水水质达到相应国家标准。一方面改进高浓度含氨化工废水治理现状，探索研究新工艺、新方法，大力推动清洁生产和可持续发展。另一方面，将高浓度含氨化工废水的处理和利用相结合，充分利用废水中的有用物质，实现资源的回收利用。在处理废水的同时综合考虑经济效益，实现环境和经济的共同发展，最终出水达到《合成氨工业水污染物排放标准》 (GB1345801)及国家《污水综合排放标准》(GB8978—1996)的二级标准化工废水排放标准，且大力实现高效的含氨化工废水的脱氮水平。
- 选题背景
- 水中高浓度含氮量的危害
氮以无机氮和有机氮两种形态存在于水体中。前者指氨氮、亚硝态氮(NO2 -N)和硝态氮(NO3 -N)一一这三种无机氮统称为氮化合物。氨氮在水中是以NH3或NH4两种形式存在；亚硝态氮不稳定，很易被还原成氨氮或被氧化为硝态氮。有机氮有尿素、氨基酸、蛋白质、核酸等含氮有机物。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可通过氨化等作用转化为氨氮水体中的氮的来源是多方面的，主要由城市生活污水、工厂工业废水和农业灌溉三方面带入。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，过多的氮化合物进入天然水体将恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康。因此，水体氮污染问题正日益受到人们关注。氮污染的主要危害为：氨氮要消耗水体的溶解氧、氨氮会与氯作用形成氯胺并被氧化为氮、氮化合物对人和生物有危害作用、加速水体富氧化作用。
- 高浓度含氨废水硝化反硝化处理原理
水体中含有过量氮化合物危害性极大，因此废水脱氮技术一直是研究人员研究的一个热点。废水中氮的去除方法有物理法、化学法和生物法三种，某些化学法或物理化学法可以有效地从废水中脱氮除磷。但一般来说，他们所需的运行费较高。物化脱氮法主要有化学中和法、化学沉淀法、折点加氯法、选择性离子交换法、空气和汽提脱氮法等。废水生物脱氮除磷技术在近20年来取得了飞速的发展，并已在生产实践中应用。高浓度含废水氨氮浓度5000mgN/L。在这个范围内物化法是较适合的。许多垃圾渗滤液处理都采用此法。
废水的物化脱氮工艺的特点是操作简便、除氮效率稳定，适合于工矿企业排出的高含氮废水处理。物化方法最大的缺点是只能去除氨氮，并且运行费用高易产生二次污染。而生物方法合理地利用硝化菌和反硝化菌的生理功能，可将污水中的各种形态的氮素最终转化为气态氮，产生的二次污染的可能性较小、处理成本比较低。因而生物脱氮技术更具有实际使用价值。
废水生物脱氮即将废水中有机氮转化为氨氮，然后通过硝化作用将氨氮转化为硝氮，再通过反硝化反应将硝氮还原成气态形式的氮从水中逸出，从而达到从废水中脱氮的目的。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。
在生物脱氮理论取得新突破的基础上，废水生物脱氮新技术也取得了快速的发展。以短程硝化反硝化技术和厌氧氨氧化技术为标志的诸多新型生物脱氮技术的先后问世，不仅弥补了传统硝化反硝化技术的缺陷，提高了脱氮效率，降低了废水脱氮成本，也填补了高浓度含氮废水没有直接脱氮技术的空白。在我国氮素污染日趋严重以及治污费用不堪重负的双重压力下，借鉴和应用这些科技成果，无疑具有重要的现实意义。
- 国内外研究现状及发展趋势
- 利用污泥发酵物在SBR中实现污水短程硝化反硝化的方法和装置，属于城市污水处理以及污泥生化处理领域。该方法通过投加污泥发酵物对硝化细菌抑制活性的不同，从而达到淘洗NOB的目的。本方法适用于SBR的各种运行方式，以AOA‑SBR运行方式为例，实现了较高的亚硝积累率和总氮去除率，从而达到低C/N比城市生活污水的深度脱氮的目的。本发明通过将剩余污泥发酵物和生活污水混合处理，能够解决生活污水不能稳定实现短程硝化的问题，还可以节省外加碳源成本，提高脱氮效率，同时实现污泥减量化处理。短程硝化反硝化污泥的培养与驯化，短程硝化反硝化污泥的培养和驯化是通过控制溶解氧、pH值、碳源等影响短程硝化反硝化的因素，抑制硝酸菌的增殖，使亚硝酸菌逐渐占据优势，从而实现稳定的亚硝酸盐积累。
- 生物脱氮工艺是在微生物的作用下，将有机氮和NH4 -N通过硝化作用和反硝化作用转化为N2和N2O气体的过程，进而去除水中的氮含量。传统的生物脱氮是将硝化过程和反硝化过程分别放在两个反应器中作为两个阶段去实现。其中，硝化作用主要是在曝气充氧条件下发生氨氧化和亚硝酸盐氧化反应，在AOB和NOB的作用下分别被氧化为NO2-N和NO3-N，反硝化主要是在反硝化菌的作用下将NO2 -N和NO3-N进一步还原成气体。
- 自养脱氮工艺是利用硝酸细菌与亚硝酸细菌的不同生长速率,即在较高温度(30～40℃)下,硝酸细菌的生长速率明显低于亚硝酸细菌的生长速率通过控制温度和污泥龄将硝酸细菌自然淘汰,使反应器中的亚硝酸细菌占绝对优势,从而使氨氧化控制在亚硝酸盐阶段，之后再通过反硝化脱氮。
- OLAND工艺是一种新型生物脱氮工艺该工艺在氧限制条件下,先由亚硝酸细菌将氨氧化为亚硝酸盐,再利用已生成的亚硝酸盐去氧化氨,以达到脱氮的目的，OLAND工艺的技术关键在于严格控制反 应器中的溶解氧浓度,利用了硝酸细菌对氧的亲和力小于亚硝酸细菌的特性,通过将反应器中的溶解氧浓度控制在较低的水平,使硝酸细菌自然淘汰，而亚硝酸细菌不断增殖,由此实现短程硝化以提供下一步反应所需的亚硝酸盐，在溶解氧浓度较低的情况下,由于缺氧 亚硝酸细菌能以亚硝酸盐为电子受体去氧化氨。
- 短程硝化反硝化
1、短程硝化反硝化技术的提出
长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直认为要实现废水生物脱氮就必须使NH4经历典型的硝化和反硝化过程才能被除去。这条途径也可称之为全程(或完全)硝化反硝化生物脱氮。硝化过程是亚硝酸菌和硝酸菌两类自养型细菌将氨氮转化成为NO-2-N和NO-3-N的生化反应过程。反硝化通常是将NO-2-N和NO-3-N在无氧或低氧条件下被异养型兼性反硝化菌还原成分子态氮的生化反应过程。其过程如下：
硝酸菌
亚硝酸菌
硝化过程：NH4 -N NO-2-N NO-3-N
反硝化菌
反硝化菌
反硝化过程：NO-3-N NO-2-N N2
由上可以看出，氨氮被氧化成硝酸盐氮是由两类独立的细菌(亚硝酸菌和硝酸菌)催化完成的两个不同反应，因此这两步反应是可以分开的。这两类细菌的特征也有明显的差异。而反硝化过程中对于反硝化菌，硝酸盐和亚硝酸盐都可以作为电子受体。
2、研究的目的及意义
由于传统生物脱氮技术产出的水量大、总氮去除率不高、成分复杂、处理难度大，且短程硝化-反硝化工艺可以节省40%的碳源和25%的能耗，符合目前大力提倡的节能减排要求，已经成为污水处理领域的研究热点，国内外学者在高浓度含氨化工废水这一领域进行了广泛的研究。通过本次毕业设计，将自己所学专业理论知识与具体实践相结合，掌握高浓度含氨化工废水短程硝化-反硝化技术的基本设计方法和工艺的选择，降低废水中COD、BOD、氨氮的含量，使出水水质达到相应国家标准。一方面改进高浓度含氨化工废水治理现状，探索研究新工艺、新方法，大力推动清洁生产和可持续发展。另一方面，将高浓度含氨化工废水的处理和利用相结合，充分利用废水中的有用物质，实现资源的回收利用。在处理废水的同时综合考虑经济效益，实现环境和经济的共同发展，最终出水达到《合成氨工业水污染物排放标准》(GB1345801)及国家《污水综合排放标准》(GB8978—1996)的二级标准化工废水排放标准，且大力实现高效的含氨化工废水的脱氮水平。
四、参考文献
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资料编号：[279040]
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