（市政工程专业论文）A2O工艺同步生物脱氮除磷优化研究.pdf

摘要 摘要 随着水体“富营养化”问题的日渐突出，污水排放标准的不断提高，脱氮除磷 已成为当今污水处理领域的研究热点之一。a 2 o 作为最基本的生物脱氮除磷工艺， 存在出水水质不高，尤其难以实现同步脱氮和除磷。为了解决该问题，本课题以生 活污水为处理对象，以5 卜a 2 o 中试设备为基础，通过设置预缺氧池、好氧非曝 气区等区域，采用分段配水方法，系统地考察了各运行工况下的处理效果，以求达 到同步脱氮除磷。 首先分别在厌氧池与缺氧池投加碳源，比较投加后的处理效果，发现缺氧池投 加后处理效果明显优于厌氧池。其后为保证缺氧池处理所需的碳源量，采用分段配 水法，通过中试试验结果证实，分段配水中，t n 、氨氮去除率较高，分别为7 0 1 、 9 3 1 ，较单点配水分别增加了8 4 ，1 1 1 ，出水总氮和氨氮均值分别为1 6 m g 1 和2 8 m g 1 ，能够稳定达到一级b 排放标准。同时磷的去除效果显著，t p 去除效率 为8 9 2 ，s p 去除率为8 9 1 。之后在该流量分配比例下，笔者对四个不同停留 时间h r t 的工况效果进行比较，结果表明：当水力停留时间h r t 在预缺氧池、厌 氧池、缺氧池分别为：l h 、5 h 、5 h 、8 5 h 时，中试同步脱氮除磷的效果好。 其次研究了影响同步脱氮除磷的两大因子污泥龄s r t 与溶解氧d o 。通过对比 间歇排泥和连续排泥试验，发现：在保持污泥浓度恒定的情况下，连续排泥能够有 效地增加系统的排泥量，产泥系数由间歇排泥的0 4 - 0 6 k g d s k g b o d 5 增加到连 续排泥的0 5 0 8 5 k g d s k g b o d 5 ，最大限度地提高除磷效果，达到同步脱氮除磷 标准。溶解氧与硝化反应关系密切，氨氮随d o 增加而减小，后期氨氮逐步稳定在 2 m g 1 左右。当在好氧池设置末端非曝气区，可以降低内回流中的d 0 2 - - 3 m g l ， 使其基本达到o 5 m g l ，保证了反硝化的进行。 最后针对5 f a 2 o 工艺，基于m a t l a b 语言开发运行管理软件，以求对实际操 作起到指导作用。 本课题提出在5 f a 2 o 工艺改造基础上，采用分段配水法，可取得较好的同 步脱氮除磷效果。 关键词：脱氮除磷分段配水污泥龄溶解氧管理软件 北京工业大学t 学硕士学位论文 皇曼皇鲁曼曼曼皇曼曼曼曼曼兰皇曼曼曼曼量曼鼍! 曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼鼍! 鼍曼! 皇! 曼窟曼皇曼曼曼曼i i i i 曼! ! 曼曼曼! 曼曼曼曼蔓皇曼鼍曼皇曼皇 a b s t r a c t w i t hw a t e r ”e u t r o p h i c a t i o n ”i s s u eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n ta n dt h e e f f l u e n ts t a n d a r d si m p r o v i n gc o n s t a n t l y , n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lh a sb e c o m e o n eo ft h ef o c u s e so fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tr e s e a r c h a sb a s i cb i o l o g i c a ln i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s ，t h ee f f l u e n tq u a l i t yo fa 2 oi sn o th i g h ，a n de s p e c i a l l y d i f f i c u l tt oa c h i e v es y m u l a n t a n o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l i no r d e rt os o l v e t h ep r o b l e m ，a u t h o rt o o k d o m e s t i cw a t e ra sr a ww a t e r ，s e tp r e - a n o x i cz o n e 、 n o n a e r a t i o np h a s eo fa e r a t i o nz o n eo nt h eb a s eo f5 f a 2 ot e s te q u i p m e n t ，t o o k s t e p f e e dm e t h o d ，a n di n s p e c t e ds y s t e m l yt r e a t m e n t e f f e c to fv a r i o u so p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，a i m i n gt oa c h i e v es y m u l a n t a n o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l f i r s t l ya u t h o ra d d e dc a r b o n r e s o u r c ei na n a e r o b i cz o n ea n da n o x i cz o n e r e s p e c t i v e l ya n df o u n dt h et r e a t m e n te f f e c to fl a t e rh i g h e rt h a nf o r m e r i no r d e rt om e e t c a r b o nd e m a n do f a n o x i cz o n e ，a u t h o rt o o ks t e p f e e dm e t h o d i ts h o w e dt h a tt n ，n h g n r e m o v a lr a t ew e r e7 0 1 ，9 3 1 r e s p e c t i v e l y ，w h i c hi n c r e a s e db y8 4 ，11 1 c o m p a r i n gt os i n g l ep o i n t ，a n dt h ea v e r a g ee f f l u e n tn i t r o g e na n da m m o n i aw a s16m 酊 a n d2 8m 胡r e s p e c t i v e l y , a n da c h i e v e ds t a b l ef i r s tc l a s s be m i s s i o ns t a n d a r d s f o r p h o s p h o r u sr e m o v a l ，i ta f f e c t e ds i g n i f i c a n t l y , t pr e m o v a le f f i c i e n c yw a s8 9 2 a n ds p r e m o v a le f f i c i e n c yw a s8 9 1 t h e na f t e rc o m p a r i n gf o u rt e s tc o n d i t i o n so fd i f f e r e n t h r t , i tp r e s e n t e dt h a ti tc o u l da c h i e v eb e r e rs y m u l a n t a n o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lu n d e rc o n d i t i o no f p r e - a n o x i c l h 、a n a e r o b i cl h 、a n o x i c5 ha n da e r o b i c8 5h s e c o n d l ya u t h o rd i dr e s e a c ho nt h es r ta n dd oi m p a c t i n gs y m u l a n t a n o u s n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l b yc o m p a r i n gc o n t i n u o u sa n di n t e r m i t t e n ts l u d g e ，i t s h o w e dt h a tc o n t i n u o u ss l u d g ec o u l di n c r e a s es l u d g ed i s c h a r g ea n di m p r o v ep h o s p h o r u s r e m o v a le f f e c t i v e l yu n d e rc o n s t a n ts l u d g ec o n c e n t r a t i o n ，a n ds l u g ep r o d u c ei n d e x i n c r e a s e df r o m0 4 - - 0 6 k g d s k g b o d s t o 0 5 - - 0 8 5 k g d s k g b o d 5 o fc o n t i n u o u s s l u d g e d i s s o l v e do x y g e nr e l a t e dw i mn i t r a t i o nc l o s e l y , a n dn h 4 nd e c r e a s e dw i mt h e i n c r e a s eo fd oa n dg r a d u a l l ys t a b i l i z e da t2m 朗a r o u n d w h e ns e t t i n gn o n - a e r o b i c p h a s ei na e r o b i cz o n e , d oc o n c e n t r a t i o nc o u l db ed i s c r e a s e db y2 - 3 m g l ，a n dr e a c h e d 0 s m g lt oe n s u r et h ed e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s t h i r d l y , a u t h o rd e v e l o p e do p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ts o f t w a r eo nt h eb a s eo f5 卜 a 二op r o c e s s ，w h i c hc a np l a yt h eg u i d i n gr o l ei nt h ea c t u a lo p e r a t i o n t h e p a p e rs u g g e s t s t h a ta u t h o r g e t b e t t e re f f i u e t n t q u a l i t yt h r o u g h s t e p - f e e d ，w h i c hr e a c h e ds y m u l a n t a n o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l k e yw o r d s ：n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l s t e p - f e e d s r td o o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ts o f t w a r e i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：啦日期：碰。丛! 颦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题为国家十五重大科技专项( 2 0 0 4 a 6 0 1 0 1 0 ) “水污染控制技术与治理工 程，专项中，城市污水a 2 o 处理设各成套化研究中的部分研究内容。 1 2 课题目的和意义 水是生命之源，是人类生存和发展的命脉。由于城市的发展和工业化进程的 加快，地球水环境正在逐渐恶化。以我国为例，根据国家环保总局颁布的( 2 0 0 4 年中国环境状况公报显示【l 】：2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水 排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨。化学需氧量排放量为1 3 3 9 2 万吨，其中工业排放量为5 0 9 7 万吨，生活排放量为8 2 9 5 万吨：氨氮排放量为 1 3 3 0 万吨，其中工业排放量为4 2 2 万吨，生活排放量为9 0 8 万吨。 我国水体污染已经相当严重，其中由氮磷营养物质引起的水体富营养化问题 日益突出。城市污水中的氮、磷主要来自生活污水和部分工业废水。氮、磷进入 水体后会产生多种危害，严重制约了城市水环境正常功能的发挥。水体富营养化 引起水中藻类的过量繁殖，降低了水的透明度，使水带有异味，造成水中溶解氧 降低。甚至其中某些藻类产生毒素危害水生生物，影晌人类健康，破坏了水生生 态。因此，自2 0 世纪7 0 年代起，氮、磷污染就引起了世界各国的广泛重视，目 前欧美国家制订了十分严格的氮、磷排放标准，不仅新建城市污水处理厂必须考 虑脱氮、除磷，同时还花大量投资改造无脱氮除磷功能的已建城市污水处理厂使 其具有脱氮除磷功能。2 0 0 2 年颁布实施的国家污水综合排放标准 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 明确规定了城市污水处理厂氮磷的排放标准，要达到这些排放 标准，许多废水处理设施需要考虑脱氮除磷的问题。 a 2 o 工艺是应用最广泛的脱氮除磷工艺，其发展已有3 0 年左右的时间，因 其工艺简单，能兼顾氮、磷的去除并有较好的效果，故发展比较迅速，在城市污 水处理厂、小区生活污水处理站以及工业废水处理设施等系统中均有广泛应用【2 j ， 发展历程中，研究人员对a 2 o 工艺的研究不断深入，基于a 2 o 变形的工艺，如 典型的u c t 、m u c t 、v i p 、o w a s a 、p h o s t r i p 等工艺，虽然在国内应用不多， 但在国外已大量应用在生产中。自二十世纪九十年代以来，发展多元化，代表性 的理论有同步硝化反硝化、短程反硝化、缺氧吸磷、内源反硝化等。对应这些理 论，出现了一些最新的生物脱氮除磷工艺，但这些工艺目前尚未实质性地应用到 北京工业大学工学硕士学位论文 生产实践中。 通过大量的调查研究，发现我国采用a 2 0 工艺进行污水处理的传统水厂较 多，但是处理效果不理想，少数能同时达标的污水处理厂是因为进水总磷浓度较 低，靠微生物的同化作用去除掉了大部分磷。经课题组考察，导致氮磷不能同时 达标的因素主要有： ( 1 ) 污泥龄不能同时满足硝化和除磷的需要。硝化细菌的生长繁殖需要足 够长的泥龄，而除磷则需大量排泥，即需要污泥龄低。 ( 2 ) 溶解氧水平不能同时满足硝化和除磷的需要。硝化需要高溶解氧水 平，而高溶解氧将导致厌氧池及缺氧池氧化还原电位的提高，从而严重影响 释磷及反硝化。 ( 3 ) 污水中碳源不能同时满足反硝化和释磷的需要或不能将有限的碳源 进行合理分配。 ( 4 ) 缺氧池或厌氧池的有效池容不够。缺氧、厌氧、好氧三段的比例分配 不合。 ( 5 ) 内外回流比不恰当。外回流比太高，将使厌氧池氧化还原电位提高影 响释磷，太低将导致聚磷菌在二沉池释磷。内回流比太高，将使缺氧池氧化 还原电位大大提高，内回流比太低，将降低反硝化效率。 以上五大因素，课题组视此为a 2 o 工艺五大因子。作为经调研分析，现有 污水处理厂不能同时高效脱氮除磷的主要原因是五个因子大部分或全部在实际 运行中不可调。如能使五个因子能在一定的范围内同时满足释磷、反硝化、吸磷、 硝化四个生化过程的需要，则在理论上即可实现脱氮除磷可能性；正是基于以上 认识，课题组提出在脱氮除磷工艺设计中，将以上五个因子设计成高度可调，实 现5 f ( f l e x i b l e ) ，在运行中通过对5 f 进行调整，达到同时高效脱氮除磷。 长为三年的时间里，课题组先后对中试五大因子进行考察，针对目前处理效 果，重点考察碳源、溶解氧与泥龄，开展工艺优化。 1 3 生物脱氮除磷的基础理论 1 3 1 生物脱氮基础理论 传统的生物脱氮理论认为，污水中含氮化合物在微生物的作用下，相继产生 氨化、硝化、反硝化三步反应，从而达到脱氮目的 3 。7 1 。 在氨化菌的作用下，有机氮分解转化为氨态氮，这一过程称之为“氨化反应”。 在好氧或厌氧条件下，氨化反应均能进行。一般的异养微生物都能进行高效的氨 化作用，在传统活性污泥工艺中，伴随b o d 5 的去除，9 5 以上的有机氮会被氨 第1 章绪论 暑詈苎鼍量! 詈暑詈皇詈詈詈皇! 曼曼! 詈! 曼! ! 皇鼍詈詈詈詈鲁暑曼曼! ! 詈皇毫詈! 皇! 葛u l i i m ! ! 巴詈! ! 詈皇詈詈皇詈曼皇! 曼! 曼! 詈! 鼍詈曼曼皇鼍詈曼量 化成氨氮。 在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，首先在亚硝化菌的作用下使氨 ( n h 4 + ) 转化为亚硝酸氮( n 0 2 。) ，n 0 2 - 在硝酸菌的作用下进一步转化为硝酸氮 ( n 0 3 ) 。硝化反应的总反应式为： 嬲j + 2 q n o ；+ h 2 0 + 2 h + ( 式1 - 1 ) 硝化作用的程度是生物脱氮的关键。亚硝化菌和硝酸菌统称为硝化菌，硝化 菌是化能自养菌，其生理活动不需要有机性营养物质，从c 0 2 获取碳源，从无机 物的氧化中获取能量。 反硝化反应是指硝酸氮( n 0 3 n ) 和亚硝酸氮( n 0 2 n ) 在反硝化菌的作用 下，被还原为气态氮( n 2 ) 的过程。在溶解氧浓度极低的环境中，这些细菌可利 用硝酸或亚硝酸根离子中的氮作电子受体，有机物则作为碳源及电子供体，使得 约9 6 的硝态氮被还原为n 2 或n 。g v ，4 的硝态氮可被同化结合为细胞物质。 反硝化过程可用以下的方程式表示： n 0 2 + 3 h ( 电子供体有机物) 一1 2 n 2 + h 2 0 + o h( 式1 2 ) n 0 3 + 5 h ( 电子供体有机物) 一1 2 n 2 + h 2 0 + o h 。( 式1 3 ) 通过上式可以计算出： l 、每还原1 克n 0 2 n 或n 0 3 可产约3 5 7 克碱度( 以c a c 0 3 ) 而硝化。 过程中1 克氮彻底氧化需消耗碱度7 1 4 克，因此反硝过程可以回收近5 0 的碱度。前置反硝化正是利用反硝化产生的碱度来弥补硝化过程中碱度的大量消 耗。 2 、反硝化反应可以使有机物得到分解氧化，实际上是利用了硝酸盐中的氧。 每还原1 克氮需要2 8 6 克有机物( 以b o d 计) ，可减少氧量约为2 6 8 克，因 此在前置反硝化工艺中，以污水中的有机物为碳源，既解决了反硝化过程的碳源 问题，又可以减少后续工艺中氧化有机物所需的曝气量。当环境中缺乏有机物时， 微生物还可以通过消耗自身的原生质进行内源反硝化。 1 3 2 生物除磷基础理论 废水中磷的存在形态取决于废水的类型，最常见的是磷酸盐( h 2 p 0 4 ， h p 0 4 3 ，p 0 4 3 ) 、聚磷酸盐和有机磷。在常规二级污水处理中，有机物的生物降 解伴随着微生物菌体的合成，磷作为生物的生长元素也成为生物污泥的组分，从 水中去除。微生物正常生长时，活性污泥含量一般为干重的1 5 2 3 ，通过 剩余污泥排放可获得1 0 3 0 的除磷效果。 污水生物除磷机理可概述如下队： 通过排放富磷的剩余污泥可实现磷的去除。厌氧条件下，聚磷茵消耗糖元， 将胞内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外，并从中获取能量，同时将环境中的有 北京工业大学工学硕士学位论文 机碳源( 挥发性脂肪酸v f a ) 以胞内碳能源存贮物( 主要为p h b ，聚- d 一羟基丁 酸) 的形式贮存。好氧条件下，聚磷菌以0 2 为电子受体，氧化胞内贮存的p h b ， 利用产生的能量过量地从环境中摄取磷，以聚磷酸高能键的形式存贮。 一些学者分别对除磷过程中活性污泥内磷摄取与磷释放之间和磷释放与 p h b 累积之间的关系进行了研究，提出了以下一些关系式【1 2 1 ： 厌氧条件下磷释放与好氧条件下磷摄取的关系：磷摄取量( m g l ) = 1 0 6 8 4 磷释放量( m g l ) + 1 8 9 8 2 ； 厌氧条件下，磷释放与p h b 累积量和被降解的有机物量( c o d ) 的关系：磷 释放量( m g l ) = 0 2 21 ( 4 6 a p h b a c o d ) 一o 2 5 通过分析a 2 o 工艺厌氧池和好氧池中放磷量和吸磷量，发现放磷量愈多， 吸磷量也愈多，总磷的去除效果愈好【l3 1 ，这和上面的关系式相吻合。可以看出， a 2 o 工艺生物除磷过程的关键之一是厌氧池中磷的释放。 1 4 生物脱氮除磷的工艺技术 近来研究表明【1 4 - 16 1 ，在传统理论基础上，出现了厌氧a n a m m o x 工艺、同 步硝化反硝化、短程反硝化等理论。 1 4 1a n a m m o x 工艺 a n a m m o x 工艺由荷兰d e l f t ：技术大学研究开发【l 卜1 9 】，是近年来得到确认的 一种生物化学反应。在厌氧状态下，以亚硝酸盐或硝酸盐为电子受体、以氨为电 子供体自养生物脱氮过程。 与传统的硝化一反硝化脱氮工艺相比，a n a m m o x 工艺具有以下优点：( 1 ) 需氧量低，从而可降低运转费用。在a n a m m o x 过程中，氨是在n 0 2 - 同时存在 的条件下直接转化为n 2 的，其中氨和n 0 2 比例为1 ：1 3 1 。即在a n a m m o x 过 程中，并不需要将氨彻底转化氧化为n 0 3 ，而仅需转化为n 0 2 。，即为部分硝化， 因而所需的供氧量可大大降低；( 2 ) 无需外加碳源，由于实现a n a m m o x 的微 生物为自养菌，因而无需像传统硝化一反硝化工艺中反硝化菌( 异养菌) 所需的必 不可少的碳源；( 3 ) 无需额外投加酸碱中和试剂，故降低了能耗，节约了运行费 用，用时还避免了因投加中和试剂有可能造成的二次污染问题，所以值得深入研 究和开发【z o j ；( 4 ) 厌氧氨氧化是在高氨浓度条件下研究开发的，该工艺适用于高 氨废水和低c o d t k n 废水的处理。因此低氨浓度条件下的有待进一步研究 2 1 - 2 2 】。 一4 一 第1 章绪论 1 4 2 同步硝化与反硝化 近几年许多研究在氧化沟、s b r 工艺、间歇曝气反应器工艺中都发现了硝化 反硝化同时存在的现象。 根据传统的脱氮理论，不可能同时进行硝化反硝化。然而，最近几年国内外 有大量文献报道了同步硝化反硝化现象，尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存 在于各种不同的生物处理系统中【2 孓2 5 】。对于同步硝化反硝化现象，可以从物理学 ( 微环境理论) 和生物学( 存在好氧反硝化菌等) 两方面加以解释【2 昏27 1 。目前普遍为 人们接受的观点是物理学的解释。由于微生物的代谢活动以及氧气泡的搅动，使 得微环境是可变的，甚至是多变的。根据该理论，在好氧状态下，活性污泥的外 部为好氧池，可进行生物硝化，而在部分污泥内部，则可形成缺氧池进行反硝化， 从而在硝化时具有一定的反硝化能力。 如图1 - 1 所示，微生物絮体的外表面溶解氧较高，以好氧菌、硝化菌为主； 深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧池，反硝化菌占优势。 微生物絮体内的缺氧微环境是形成同步硝化反硝化的主要原因，而缺氧微环境的 形成有赖于水中的溶解氧浓度的高低以及微生物的絮体结构。首先，溶解氧浓度 必须足以满足含碳有机物的氧化以及硝化反应的需要，若硝化不充分也难以进行 反硝化；其次，溶解氧浓度又不宜过高，以便在微生物絮体内产生溶解氧梯度， 形成缺氧微环境，同时使系统中有机物不致于过度消耗影响反硝化碳源的需要。 外 界 b o d5 n i l ：- n 0 2 n 旺- n 图卜1 生物絮体内反应区和基质浓度分布示意图 f i g1 - 1r e a c t i o nz o n ei nb i o l o g i c a lf l o ca n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n 1 4 3 短程硝化与反硝化 荷兰d e l f t 技术大学利用硝化菌在较高温度下生长速率明显低于亚硝化菌生 长速率的特点，通过控制温度和停留时间，开发了将硝化控制在n 0 2 阶段的短程 反硝化s h a r o n 工艺【2 8 - 2 9 。实现短程反硝化的关键在于将n i 1 4 + 氧化控制在n 0 2 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 阶段，阻止n 0 2 的进一步氧化。短程反硝化相对于通常的反硝化( 又叫全程反硝 化) 有几方面优点：( 1 ) 硝化阶段减少了2 5 的需氧量；( 2 ) 反硝化阶段减少了 4 0 左右的有机碳源；( 3 ) 反应时间缩短，反应效率提高；反应容器减少了3 0 4 0 。 1 4 4 同步脱氮除磷 要达到同步脱氮除磷的目的，由传统的生物脱氮和除磷机理可知，常规的生 物脱氮除磷工艺应包括厌氧、缺氧、好氧三种状态。各工艺的出发点就是通过优 化三种状念的组合方式和数量分布的时间变化以及回流方式和回流位置等创造 出更适合特定微生物生长的环境，以达到高效脱氮、除磷的目的【3 0 刁3 1 。因此产生 了b a r d e n p h o 、a 2 o 、u c t 等可以实现同步脱氮除磷的工艺，并在此基础上不断 加以改进。 自2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初开始，缺氧条件下的反硝化除磷工艺越来越 多地出现在相关报道中，后荷兰d e l f t 工业大学和日本东京大学研究人员合作研 究确认，并冠名“反硝化除磷”( d e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n ) 。1 9 9 2 年w a n n e r 和 k u b a 捭”】的试验也证实缺氧条件下一些除磷菌具有反硝化能力。 反硝化除磷的机理，主要是围绕反硝化除磷菌展开的。除磷菌可分为2 类： 反硝化除磷菌( 简称d p b ) 与传统生物除磷工艺中无反硝化功能的除磷菌。反硝化 除磷菌不仅可以在好氧的条件下利用0 2 作为电子受体，同时也可以在缺氧条件 下利用硝酸盐作为电子受体，硝酸盐同步被转化为n 2 。 国内的郝晓地【3 6 】、罗固源【3 7 1 、彭永臻、任南琪等人先后对反硝化除磷 工艺进行了研究，均证实某些除磷菌可以在缺氧条件下利用n 0 3 - 代替0 2 作为电 子受体进行超量吸磷。 上述研究成果极大地丰富了生物除磷脱氮理论，使传统在两个独立的反应器 中完成的过程集合在一个反应器中，解决了传统工艺中的碳源问题，强化了除磷 脱氮效果，降低了曝气需求，既节省能耗又增加了设备的处理负荷，系统的设计 和操作也大大简化。这为一体化反应器脱氮除磷的研究提出了新的理论基础。 1 5本课题主要研究内容 本课题以生活污水为处理对象，灵活调控5 f - a 2 o 中试设备，解决a 2 o 工 艺脱氮效果好时除磷效率低下的运行问题，在氮达标的前提强化生物除磷，实现 同步脱氮除磷，拟从以下三个方面开展工作强化生物除磷： ( 1 ) 分段配水对中试脱氮除磷效果的影响研究 通过分段配水方法对原先工艺进行改造研究，考察分段配水前后对脱氮除磷的效 一6 一 第1 章绪论 果。 ( 2 ) 排泥对除磷的影响及解决方法研究 考察不同排泥方式对除磷的影响，寻找最佳排泥方式；考察实现同步脱氮除磷效 果的s r t 。 ( 3 ) 溶解氧对脱氮除磷效果的影响研究 考察溶解氧对同步脱氮除磷的影响，特别考察好氧池非曝气区设置对出水效果的 影响。 ( 4 ) 脱氮除磷优化控制图谱 开发基于5 f _ a 2 o 工艺的运行管理软件，进行理论与经验的对比考察，提出适 合五因子的脱氮除磷优化图谱。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章生物脱氮除磷a 2 0 工艺发展 2 1 生物脱氮除磷a 2 0 工艺发展 2 1 1b ar d e n p h o p h o r e d o x 艺 1 9 3 2 年，w u h r m a n n 工艺诞生。该工艺流程为好氧池、缺氧池。 1 9 6 2 年，l u d z a c k n l e t t i n g e r 4 0 】首次提出利用进水中可生物降解的物质作为脱 氮碳源的前置反硝化工艺，解决碳源不足的问题。 1 9 7 3 年，南非的b 锄矾【4 l 】提出改良型l u d z a c k e t t i n g e r 脱氮工艺，即广泛应 用的a o 工艺。该工艺流程为缺氧池、好氧池。原污水或经过预处理的污水在这 个池内与回流污泥充分混合。 1 9 7 3 年b a r n a r d ，把a o 工艺与w u h r m a n n 工艺结合起来，提出了b a r d e n p h o i 艺【4 2 1 。图2 一l 所示的b a r d e n p h o s e 艺属于早期生物脱氮除磷工艺。 进水 混合液回流 图2 1b a r d e n p h o 工艺 f i g2 1b a r d e n p h op r o c e s s 1 9 7 6 年，b a r n a r d 通过对b a r d e n p h o i 艺进行中试研究后提出：在b a r d e n p h o 工艺的初级缺氧反应器前加一厌氧反应器就能有效除磷【4 3 】( 见图2 2 ) 。该工艺在 南非被称为p h o r e d o x 工艺，在美国称之为改良型b a r d e n p h o i 艺。图2 - 2 所示 p h o r e d o x 工艺与a o 工艺一样，将回流污泥与原污水或经预处理的污水在厌氧池 内完全混合。接下来是两组硝化与反硝化池，在这两组池内将完成彻底的反硝化 作用，这样回流污泥中就不会含有硝酸盐与亚硝酸盐。这种工艺特别适合于低负 荷污水厂的生物除磷脱氮。 一8 一 第2 章生物脱氮除磷a 2 0 工艺发展 皇詈詈詈量暑詈詈詈詈曼! ! ! 鼍詈! 詈詈詈詈詈皇m i i 一 一i 皇詈皇! ! 曼皇! 鼍! 皇曼曼詈皇詈皇鼍曼! 寡曼詈! 皇鼍詈皇寡鼍! 鼍曼皇! 詈詈詈曼 进水 混合液回流 图2 - 2p h o r e d o x 工艺或改良型b a r d e n p h o - i - 艺 f i g2 - 2p h o r e d o xp r o c e s so ri m p r o v e db a r d e n p h op r o c e s s 2 1 2 传统a 2 0 工艺 1 9 8 0 年，r a b i n o w i t z 和m a r a i s 4 4 在对p h o r e d o x t 艺的研究中，提出3 阶段的 p h o r e d o x ：i ：艺，即传统的a 2 o t 艺( 见图2 - 3 ) 。传统的a 2 o - v 艺中，污水首先进 入厌氧池与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下部分易生物降解大分子有 机物被转化为小分子的挥发性脂肪酸( 1 a ) ，聚磷菌吸收这些小分子有机物合 成聚一$ 一羟基丁酸( p h b ) 并储存在细胞内，同时将细胞内的聚磷水解成正磷酸盐， 释放到水中，释放的能量可供专性好氧的聚磷菌在厌氧的压抑环境下维持生存； 随后污水进入缺氧池，反硝化菌利用污水中的有机物和回流混合液中的硝酸盐进 行反硝化，可同时去碳脱氮；当污水进入好氧池时，有机物浓度已很低，聚磷菌 主要是靠分解体内储存的p h b 来获得能量供自身生长繁殖，同时超量吸收水中的 溶解性磷以聚磷酸盐的形式储存在体内，经过沉淀，将含磷高的污泥从水中分离 出来，达到除磷的效果。由于在好氧池中有机物浓度很低，十分有利于自养型硝 化细菌的生长繁殖。 混合液回流 图2 - 3 传统a 0 工艺 f 追2 - 3t r a d i t o n a la 2 op r o c e s s 北京工业大学工学硕十学位论文 2 1 3 倒置a 2 0 工艺 1 9 8 1 至1 9 9 0 年，q a s i m 在美国德州大学阿灵顿分校于间采用倒置a 2 o m 艺进 行了多次脱氮除磷试验【4 5 】。 与常规a 2 o t 艺相比，倒置a 2 o - r 艺省去了混合液内回流，适当加大了污泥 回流比，其工艺流程如图2 - 4 所示。倒置a 2 o - 1 - 艺在厌氧池之前设缺氧反应池， 来自二沉池的回流污泥和进水进入该池，活性污泥利用进水中的有机物和活性污 泥本身的有机物( 内源反硝化) 彻底去除回流污泥中的硝态氮。在倒置的a 2 o 方式下，碳源问题仍然存在，并造成聚磷菌的释磷水平明显低于常规的a 2 o 方式。 但在该方式中，由于硝酸盐在前面的缺氧池已经消耗殆尽，消除了硝态氮对后续 厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性和生物除磷效果。 进水八 k ) 一 、 好氧 来自沉沙池一门r 缺氧厌氧 跨越管 污泥回流 j 图2 4 倒置a 2 0 工艺 f i g2 - 4i n v e r s ea 2 op r o c e s s 2 1 4u c t m u c t v i p 工艺 水 余污泥 1 9 8 3 年，南非开普敦大学( u n i v e r s i t yo f c a p et o w n ) 提出u c t 工艺( 见图2 5 ) 。 a 2 o m 艺中回流污泥中含有硝酸盐及亚硝酸盐，为了彻底排除硝酸盐及亚硝酸盐 的干扰，u c t 工艺将污泥回流反硝化池。 进水 混合液回流 混合液回流 图2 - 5u c t 工艺 f i g2 - 5u c tp r o c e s s 1 0 一 第2 章生物脱氮除磷a 2 0 工艺发展 与a 2 o 工艺相比，u c t i 艺在适当的c o d t k n ：l 例下，缺氧池的反硝化可 使厌氧池回流混合液中硝酸盐含量接近于零。当进水t k n c o d 较高时，缺氧池 无法实现完全的脱氮，仍有部分硝酸盐进入厌氧池，因此又产生改良u c t 工艺 m u c t 工艺( 见图2 - 6 ) 。m u c t i 艺有两个缺氧池，前一个接受二沉池回流 污泥，后一个接受好氧池硝化混合液，使污泥的脱氮与混合液的脱氮完全分开， 进一步减少硝酸盐进入厌氧池的可能。 进水 图2 - 6 删c t 工艺 f i g2 - 6m u c tp r o c e s s 当u c t - v 艺作为阶段反应器在水力停留时间较短和低泥龄下运行时在美国 被称为v i p ( v l r g i n i ai n i t i a t i v ep r o c e s s ，1 9 8 7 ) i 艺【4 6 】。v i p i 艺与u c t - 1 - _ 艺非常类 似，差别在于：v p 工艺反应池由多个完全混合型反应格组成，采用分区方式， 每区由2 4 格组成，泥龄4 1 2 d ，工艺过程的典型水力停留时间为6 7 h ；而u c t 工艺中厌氧、缺氧、好氧池是单个反应器，每个反应区都是完全混合的，泥龄1 3 - 2 5 d ，通常2 0 d ，工艺过程的典型水力停留时间为2 4 h 。 2 1 5j h b 工艺 1 9 9 1 f g ，p i t m a n 等a t 4 7 1 提出j o h a n n e s b u r g ( j i b ) 工艺，该工艺是在a 2 ，o 工 艺到厌氧池污泥回流线路中增加了一个缺氧池( 见图2 7 ) ，来自二沉池的污泥可 利m 3 3 左右进水中的有机物作为反硝化碳源去除硝态氮，以消除硝酸盐对厌氧 池厌氧环境的不利影响。 进水6 7 混合液回流 3 3 堕圈l 匿匦卜避盎p 吨盎蛩叫皿出水 回流污泥 i 剩余污泥 图2 - 7j h b 工艺 f i g2 - 7j h bp r o c e s s 1 1 - 北京丁业大学工学硕十学位论文 2 2 国内传统a 2 0 工艺 a 2 o i 艺是比较简单的同步脱氮除磷工艺，它将脱氮除磷统一在一个系统 中，在国内应用广泛，主要应用此工艺的水厂见下表2 1 。 表2 1 国内a 2 0 r 艺水厂表 t a b l e2 - 1d o m e s t i c w w t po f a 2 op r o c e s s 2 2 1 传统a 2 o 特点 纵观a 2 o ，该工艺主要具有以下特点： ( 1 ) 应用普及率高，以我国为例，在北京、上海、山东、江苏、云南、 河北、福建、四川、重庆、陕西等省市均建有不同处理规模的a 2 o 工艺及 其变形工艺的污水处理厂。 ( 2 )占地多，建设投资大，但随着污水处理厂扩大到一定的规模，其投 资比氧化沟法和s b r 工艺还要省。 ( 3 )设置初沉池，利用物理法降低进入二级处理的有机物和悬浮物负荷。 ( 4 )处理单元多，管理复杂，要求具有较强的技术管理水平。 ( 5 )较适用于中等负荷的大型污水处理厂。 2 2 2 传统a 2 o 存在问题 众多研究者对a 2 o 工艺脱氮除磷性能的研究结果表明，传统a 2 o 工艺在运 行过程中存在如下问题： 一1 2 第2 章生物脱氮除磷a 2 0 工艺发展 ( 1 ) 碳源问题 由于聚磷菌、硝化菌、反硝化菌及其他多种微生物共同生长在一个系统内， 并在整个系统内循环，使得从好氧池回流的污泥中含有大量的硝酸盐，造成厌氧 池中反硝化菌与聚磷菌对底物形成竞争，使得聚磷菌无法得到足够多的短链脂肪 酸( s c f a s ) 进行充分释磷，进而严重影响了磷的吸收而导致系统除磷效率降低 ( 2 ) 泥龄问题 泥龄矛盾的根本原因是不同功能的微生物均不能在各自最佳的生长条件下 生长。 脱氮主体微生物为硝化菌，该菌属于自养型专性好氧菌，其突出的特点是生 长速率慢、世代期长。因此若要保持较高浓度的硝化菌，则需要较长的泥龄条件。 在冬季，硝化菌繁殖所需世代时间可长达3 0 d 以上；在夏季，泥龄小于5 d 的活 性污泥中硝化作用十分微弱。 除磷主体微生物为聚磷菌，该菌为短世代微生物，可在较短的泥龄下正常生 长，因此若要获得较高的除磷效率，应在较短的泥龄下运行。另外，较长的泥龄 会导致系统内糖原积累、聚糖菌的增长而使除磷效率降低。 ( 3 ) 系统硝化和反硝化能力问题 硝化和反硝化是生物除磷脱氮系统密不可分的两个过程。硝化不充分，出水 氨氮必然升高，反硝化能力也发挥不出来；反硝化不充分出水硝酸盐就会上升。 ( 4 ) 释磷与吸磷能力问题 释磷和吸磷是相互关联的两个过程。一般认为，聚磷菌只有经过充分的厌氧 环境并释磷才能更好地吸磷，而且也只有吸磷良好的聚磷菌才会在厌氧或缺氧条 件下大量释磷。对于运行良好的城市污水生物脱氮除磷系统来说，一般夏季的释 磷和吸磷时间分别需要1 5 - - , 2 5 h 和2 3 h ，冬季低温环境下两者所需的时间均 应适当延长。 北京t 业大学工学硕+ 学位论文 兰曼曼曼曼! 曼! ! 曼苎鼍! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼皇曼曼i i 曼鼍曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼鼍曼皇曼曼皇皇曼曼曼鼍曼曼曼曼! 曼曼皇鼍舅 3 1 中试工艺装置 第3 章中试装置与方法 3 1 1 中试设备的设计和制作 课题组为解决a 2 o 工艺目前在运行中存在的种种问题，将现有传统a 2 o 工 艺及其各种变形工艺的优势进行系统集成，创造可调的工艺装置，在系统中实现 脱氮除磷双达标的工艺条件( 简称5 卜a 2 o 工艺) 。 该工艺可以根据需要按照多种方式运行，如按o 、刖o 、倒置刖a o 和 u c t 工艺运行。中试设备采用厌氧池、缺氧池、好氧池分格形式，按流量6 m 3 i l 设计，每一格体积为3 m 3 ，每一格水力停留时间为0 5 h 。厌氧每一格均设有进水 和污泥回流入口，通过阀门控制进水和污泥回流位置。缺氧池各格也均设有进水、 厌氧出水、好氧池末端硝酸盐回流、污泥回流各管入口，通过阀门控制各位置。 好氧池每格设有缺氧出水入口，通过阀门控制各位置。 设备通过闸阀控制进水位置可以实现不同的水力停留时间。厌氧池水力停留 时间范围为o 5 h 3 h ：缺氧池水力停留时间设置范围从1 h 到6 h ，其中最初和最 后各设置两个1 h 的间隔，其余的为o 5 h