（市政工程专业论文）污水生物脱氮15N标识实验研究与生产工艺分析.pdf

摘要 摘要 随着工农业的迅速发展，水体污染现象曰益严重。加强污水处理，控制氮、 磷等营养性物质进入水体是防止水体污染的主要途径。生物脱氮技术因其特有的 技术经济优势，受到了人们的普遍重视。但是，目前我国城市污水处理厂多数采 用单纯以去除有机物为目标的传统工艺。此外，现有的工艺还存在运行不稳定， 自动化程度低等不足。为此，本文在借鉴国内外已取得的研究成果的基础上，进 行生物脱氮的理论与实验研究，为污水处理厂分期分批建造设计或改造提供实验 技术参考和理论依据。 实验室研究，采用”n 同位素标识技术对生物反硝化过程进行了研究。结果 表明：在含”n 标识的人工配制硝酸盐培养液中，发生反硝化作用时，溶液中剩 余硝酸盐内仍含有1 5 n 值，生物体内”n 值增大，同时产生含1 5 n 的氮气。研究 成果更正了前人研究的问题，说明”n 在检测反硝化反应的定性、定量关系中是 行之有效的，为污水微生物除氮研究提供了创新的、实用的实验技术和理论方法。 生产性试验研究，是以正在运行的两座污水处理厂为研究现场。结果表明： 两座污水厂都是采用a o 工艺，由于回流系统不同，曝气池的结构不同，导致 总氮去除效果相差很大。溶解氧、污泥的b o d 负荷、污泥回流比对脱氮反应等 影响较明显。增设内回流、降低污泥的有机底物负荷是提高脱氮率的关键。但有 机底物负荷太低，容易发生污泥膨胀。根据进水水质及时对水厂的运行进行调控， 是保障脱氮效果的关键。 此外，本论文还探讨了目前实用的脱氮处理工艺，并简单的进行说明，并预 测今后脱氮工艺发展趋势。 关键词：污水；生物脱氮；1 氐同位素标识 北京工业大学工学硕士学位论文 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，w a t e rb o d yh a sb e e n i n c r e a s i n gp o u u t e d s t r e n g t h e n i n gs e w a g ed i s p o s a l ，c o n t r o l l i n gn i t r o g e n ，p h o s p h o r u s n u t r i t i o nm a t e r i a le n t e rw a t e rb o d yt op r e v e n tm a i n w a y o fw a t e r p o l l u t i o nf r o m t h e b i o l o g i c a ln a n dpr e m o v a l t e c h n o l o g y h a sb e e nu s e d s u c c e s s f u l l yt ot r e a tav a r i e t yo f p o u u t a n t s ，p a r t i c u l a r l ye f f e c t i v ei nn i t r o g e nr e m o v a lf r o m w a s t e w a t e r i nc h i n a , m o s t o ft h em u n i c i p a lw a s t e w a t e ri ss t i l lt r e a t e dw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s w h i c hc a no n l y r e m o v eo r g a n i c s ( c o d ) i na d d i t i o n ，m o s to ft h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rp l a n tr u n s u n s t a b l y ，a n dt h el e v e lo fa u t o m a t i c c o n t r o li ss t i l ll o w e r t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h e m e c h a n i s m sa n d p r o c e s s e so fb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lf r o mm u n i c i p a l w a s t e w a t e r a n dp r e s e n t st h e p l a n te x p e r i m e n tt e c h n i q u er e f e r e n c e a n dt h e o r yi nt h es t a g e d p l a n n i n ga n d r e c o n s t r u c t l a b o r a t o r ye x p e r i m e n tu s e d1 5 ni s o t o p ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yt os t u d yt h e d r o c e s so fm i c r o b i a ld e n i t r i f i c a t i o t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ed t m no fr e s i d u a ln i t r a t e a n dt h eb a c t e r i a lb o d yi n c r e a s e di nm a n u a le o n f i g u r a t i n gn i t r a t ec u l t u r ew h i c h1 5 n i s o t o p ew h e nt h e d e n i t r i f i e a t i o na c t e d a n dg a s ，w h i c hh a d1 5 ni s o t o p e ，h a db e e n i n c r e a s i n gd u r i n gt h ep r o c e s so fd e n i t f i f i c a t i o n t h er e s e a r c hp r o v e dt h a t t h ed 1 5 n v a l u ew a sv e r ye f f e c t i v et od e t e r m i n et h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p ， w h i c ha f f o r d sp r a c t i c ee x p e r i m e n tt e c h n i q u ea n dt h e o r e t i cm e t h o dt ot h er e s e a r c ho n t h ew a s t e w a t e rd e n i t r i f i c a t i o n t w ow a s t e w a t e rp r o c e s s i n gp l a n t si nb e i j i n gw e r es e l e c t e dt od op r o d u c i n g e x p e r i m e n ta n dd e n i t r i f i c a t ea p p l i c a t i o na n a l y s i s t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h et k n r e m o v a le f f i c i e n c yw a sd i f f e r e n tb e t w e e nt w op l a n t s ，a l t h o u g ht h e yh a v et h es a m e a on i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s t h e yh a v ed i f f e r e n tr e t u r ns l u d g es y s t e ma n ds t r u c t u r e o ft h eo x i d a t i o nb a n k t h ed i s s o l v e d o x y g e n a n do r g a n i c l o a d i n g h a v em o r e s i g n i f i c a n te f f e c t so nn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y t h et k n r e m o v a le f f i c i e n c yc a n i n c r e a s eb yi n c r e a s i n gs l u d g er e t u mr a t i o na n dd e c r e a s i n gs l u d g el o a d i n g o n l yb o d l o a d i n gi st o os l o w , o c c u r r e n c ea p ts l u d g ee x p a n d s t op r o t e c tg o o de f f l u e n t ，i t i s n i m p o r t a n t t oa d j u s t o p e r a t i o na c c o r d i n g t oc h a n g eo fi n f l u e n t f u r t h e r m o r e ，t h ed i s s e r t a t i o n d i s c u s s e dp r a c t i c ed e n i t r i f i c a t i o nt e c h n i q u e ，a n d e x p l a i n e ds i m p l y , a n dp r o s p e c t e d t h ef u t u r ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：w a s t e w a t e r ；b i o l o g i c a ld e n i t r i f i c a t i o n ：1 5 ni s o t o p e i d e n t i f i c a t i o n i l 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，除了文中特别加阻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：否遁耄日期：2 0 口鞋：a 0 脱氮工艺( 见图卜1 ) 开发 于8 0 年代初。在l u d z a c k e 蜥n g 钉御工艺的基础上提出得一种改进型的工艺。该 工艺充分利用了硝化、反硝化中碱度的互相补偿，对含氮量不很高的城市污水， 无需外加碳源- 因而运行费用较低。但脱氮率受混合液回流比的影响较大，欲提 高脱氪率，必须加大内循环回流比( r ) 运不仅会导致运行费用提高，而且内 循环液带入大量溶解氧，使反硝化反应器内难以保持理想的缺氧状态，影响反硝 化进程，同时出水中含有一定的硝态氮，若二沉池运行不当，不及时排泥，在池 内有可能进行反稍化，造成污泥上浮，影响出水水质。 内循环( 硝化液回流) 透渥回流上剩余污诳 图卜l “q 工艺 ( 2 ) b a r d e n p h o 工艺b a r d e n p h o 2 1 生物脱氮工艺( 见图卜2 ) 是由南非首先 提出来的。b a r d e n f h e 生物毁氰工艺是三段生糖聪复工艺进行! 9 改避形式，取消 内循环 霉i - 2b a r 如的工艺 第1 章绪论 了取消了中间沉淀池，在流程的前后端分设两个缺氧段，分别利用原水中的有机 碳和内源碳进行反硝化，流程的最后增加了后曝气用于吹脱废水中的氮气，提高 污泥沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮现象。与三段生物脱氮工艺相比，减 少了投资和运行费用。但该工艺复杂，反应器单元多，运行繁琐，运行成本仍然 较高。 ( 3 ) 氧化沟系列氧化沟。1 是推流式活性污泥法的一种改型，它把连续环式 反应池作为生化反应器，混合液在其中连续循环流动。氧化沟工艺可不设初沉池， 处理系统流程简单，生物细胞平均停留时间长达1 5 3 0 天，为传统活性污泥系 统的3 6 倍，并在其中能够存活增殖世代时间长的硝化菌。在氧化沟内划分成好 氧区、缺氧区，适当的运行，能够取得硝化与反硝化的效果，脱氮率可达6 0 9 7 。 、 我国由于经济发展原因对此研究起步较晚。“七五”、“八五”、“九五” 期间污水脱氮除磷被列为国家及省市重大科技攻关项目。1 9 8 1 1 9 8 5 年，华东 师范大学与上海市政工程设计研究院进行了前置反硝化实验。1 9 8 6 1 9 8 7 年， 中国市政华北设计研究院等进行了a 2 o 工艺小试、中试研究，并于8 9 年建成采 用此工艺的广州大坦沙污水厂和天津纪庄子污水厂。另外，北京市环境保护研究 院开展了长泥龄a 2 o 生物除磷脱氮工艺的研究，中国市政工程东北设计研究院 在大连开发区污水处理厂开展了) d o 生物除磷工艺的研究。清华大学、哈尔滨 建筑大学等几十家单位先后开展了污水脱氮除磷技术的研究、开发和工程应用， 并取得了一大批具有实用价值的研究成果和工程经验o ，。 1 2 2 生物脱氮技术的发展趋势 近年来国内外学者加大了对污水脱氮除磷的研究力度，对污水生物脱氮工程 实践中出现的问题和现象进行了大量理论和试验研究，并提出了一些新观点和方 法。下面几个方面是近几年研究的主要趋势： ( 1 ) 缩短脱氮历程，以节约能源和减少占地面积创造最佳环境条件，将生 物脱氮过程控制在某一过程，以缩短脱氮历程。这方面比较典型的例子是短程脱 氮技术”“”。短程生物脱氮方法是将硝化过程控制在亚硝化阶段而终止，随后进 行反硝化。这种方法可节省2 5 的供气量、4 0 的有机碳并减少污泥生成量可达 到5 0 。实现短程生物脱氮的关键是如何控制硝化停止在亚硝化阶段。对于短 程硝化生物脱氮技术，国外有些国家已进行了较深入的研究并形成了新型的工 北京工业丈学工学硕士学位论文 艺：a n a m m o x t 埘、s h a r o n “”“1 和o l a n d “5 3 工艺。国内浙江大学在与荷兰 d e l f t 大学合作的过程中也开展了一些研究工作。清华大学、西安建筑科技大 学等对此技术进行研究。 ( 2 ) 开发经济、简便的工艺对于生活小区、风景区开发出比较经济、简便 的工艺。这方面的一个研究热点是固定化微生物，尤其是在利用生物膜“6 “”或固 定化细胞面。我们国家的许多学者也在这方面做了大量的研究。1 9 9 7 年王磊等 人进行了固定硝化菌去除氨氮的研究1 。近年来将硝化菌与反硝化菌进行混合固 定包埋以实现单级脱氮是研究的热点之一。某些技术方面的研究表明。”，硝化菌 和反硝化菌混合固定的单级生物脱氮技术具有良好的工作应用前景。 ( 3 ) 实现自动化控制通过生物脱氦机理的研究，掌握控制脱氮的关键因 素，建立数学模型，实现污水厂的自动化控制。自从活性污泥问世以来，许多学 者致力于其数学模型的研究，如e e k e n f e l d e r 、l a w r e n c e 、m c c a r t y 、m c k i n n e y 等， 提出了的许多比较实用的数学模型恤”1 。国际水质协会( i a w 0 现改为国际水协 会w a ) 推出的活性污泥数学模型( a s m 系列) 乜4 2 印得到广泛应用。 1 3 本研究的目的和研究内容 虽然国内外对生物脱氮的机理和工艺方面的研究均取得了很大进展，但对一 些机理问题至今还不够准确和深入，微生物脱氮的机理和制约因素还远远没有达 到完全揭示的地步，微生物脱氮的潜力还远远没有充分得到利用。在现实的运行 中发现了新的脱氮现象，形成了了一些新的脱氮理论及新的处理工艺。同时现有 的工艺也存抗负荷能力差、自动化控制率低等缺点。 本课题在国内外已取得研究成果的基础上，通过试验及对现有工艺运行情况 进行分析进一步揭示脱氮作用的机理，分析控制微生物的环境因素，确定污水生 物除氮过程中微生物、含氮化合物转化的量值及其动力学参数，以便更好的控制 和预测脱氮效果，进一步优化脱氮系统的工艺参数与运行控制，对新建、改建污 水厂提供依据。 第2 章污水生物脱氮原理 污水生物脱氮的基本原理是在传统二级生物处理中，将有机氮转化为氨氮的 基础上，通过硝化和反硝化的作用，将氨氮通过硝化转化为亚硝态氮和硝态氮， 再通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气，而达到从污水中脱氮的目的。污水中的 氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等四种形式存在。生福污水中氮 的主要形态是有机氦和氨氮。其中有机氮占生活污水含氮量的4 0 6 0 ，氨氮 占5 0 f i 0 ，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮仅占0 5 o 。”， 污水的生物脱氮处理过程，实际上是将氮在自然界中循环的基本原理应用于 废水生物处理，并借助于不同微生物的共同协调作用以及合理的人为运行控制， 而将生物去碳过程中转化而产生以及原污水中存在的氨氮转化为氮气而从污水 中脱除的过程。首先在好氧条件下，通过好氧硝化菌的作用，将污水中的氨氮氧 化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氨；然后在缺氧条件下，利用反硝化菌( 脱氮菌) 将亚 硝酸盐和硝酸盐还原为氮气而从污水中逸出。还有部分氨氮被污泥吸附而去 除。因而。污水的生物脱氮通常包括氨氮的硝化和亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的反 硝化两个阶段，只有当污水中的氮以亚硝酸盐氮以及亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的 形态存在时仅需反硝化( 脱氮) 一个阶段。 2 1 生物硝化原理 2 ，1 1 生物硝化过程 城市污水中氮的存在形式以有机氮和氨氮为主。氨氮氧化成硝酸盐的硝化反 应是通过硝化菌的作用来完成的。第步先由亚硝酸菌将氨氮( n h 4 + 和n h 3 ) 转化为亚硝酸盐( n 0 2 ) 。第二步再由硝酸菌将硝酸盐氧化成硝酸盐。在这个氧 化过程中，硝化菌获得了生活所需能量。亚硝酸菌将氨氮氧化成驱硝酸盐的反应 和硝酸菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的反应可用式( 2 一】) 和式( 2 2 ) 表示： 2 n h 4 + + 3 0 2 鲤塑曼_ 2 n o i + 2 h 2 0 + 4 h + ( 2 - 1 ) 2 n o ，+ 0 2j 塑塑i 旦2 n o ；( 2 - 2 ) 公式( 2 一! ，( 2 - 2 ) 可以合并为： 北京工业大学工学硕士学位论文 2 n h 4 + + 4 0 2 j 墅，艚一2 n q + 2 h 2 0 + h + ( 2 3 ) 硝化菌细胞的化学组成用c ；h ，n o ：表示。包括氨氮氧化和新细胞合成的反应式 为： 5 5 n h 4 + + 7 6 0 2 + 1 0 9 h c o ；螋吗c s 如n 0 2 + 5 4 n o i + 5 7 h 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 ( 2 - 4 ) 4 0 0 n 0 2 一+ n h ：+ 4 h 2 c 0 3 + h c o i + 1 9 5 0 】吗c s h 7 n 0 2 + 4 0 0 n o ；+ 3 h 2 0 ( 2 5 ) 将式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 合并褥下式： n h 4 + + 1 8 3 0 2 + 1 9 8 h c o i 型丝塑l 0 0 2 c 5 h 7 n 0 2 + 0 9 8 n o i + 1 0 4 h 2 0 + 1 8 8 h 2 c o ，( 2 - 6 ) 如果不考虑硝化过程中硝化菌的增殖，由式( 2 一1 ) 可以计算出。氧化1 9 氨 氮至亚硝酸盐氮耗氧3 4 3 9 ，氧化1 9 亚硝酸盐氮至硝酸盐氮耗氧1 。1 4 9 ，所以硝 化反应共耗氡4 5 7 9 ，如果考虑硝化细菌的增殖，则实际用于硝化过程的氧量为 4 2 7 9 。由公式( 2 6 ) 可计算出每氧化l gn h 4 + - n 为n o j n 可耗碱度7 1 4 9 ( c a c 0 。 计) 。 2 。1 2 硝化细菌及其生物学特性 硝化作用是指氨氮先氧化成n o ，然后再氧化成n 0 3 的过程。硝化作用由 两类细菌参与：亚硝酸细菌( n i 仃o s a m i n e s ) 和硝酸菌( n i l r o b a c t e r i a ) 。亚硝酸细 菌有亚硝酸单胞苗属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌、螺 菌和球菌。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌“。硝化菌属专性好氧菌，它们利 表2 1 硝化菌的特征 项目亚硝酸菌硝酸菌 细胞形状椭球或棒状椭球或撂状 细胞尺寸 l 1 s0 5 l 堇兰氏趣伍 龋蛀 明性 世代期 。由此可计算出p 。，把计算结 果代入反硝化细菌增殖的莫诺特方程式( 2 1 3 ) ，可以计算出 “d 。= 0 3 o 9 d ，一般取0 3 d - 1 ； k d 2 0 0 6 0 2 m g 1 ； k s = 6 1 2 m g i 硝酸盐的去除速率的莫诺特( m o n o d ) 模式 g 。：g l 旦一 ( 3 8 ) 2 9 脚i 再k o + d 式中：n o s 。n 的去除速率，g n 0 3 - - n ( g v s sd ) ； g n 一最大的n 0 3 。n 的去除速率，g n o s - 一n ( g v s s d ) 此外反硝化菌的表观产率与硝酸盐氮的去除速率之间的关系可用公式表式 为： g d = 丝 ( 3 9 ) j d 式中：y 。反硝化菌的表观产率系数，g v s s ( g n o s - - nd ) 由此可计算出： 。= 2 8 m 酣o s 一n ( m g m l s s h ) y d - o 。4 0 ，9 m g v s s ( m g n 0 3 - 1 - n d ) z 2 - 0 0 e + 0 8 冀1 o o e + 0 8 划 帮0 0 0 e + 0 0 0l z2 43 64 86 07 28 49 61 0 8 1 2 0 时间( h ) 图3 - 6 反硝化细菌生长曲线 实验过程中微生物的生长曲线与理论上的细菌生长曲线变化相近( 如图3 6 ) 经历了缓慢生长期，指数生长期、静止期和内源呼吸期。在7 2 小时处达到最大 值为2 1 0 8 个l ，因为监测为间断进行的，所以实际上该值可能更大一些。对微 生物进行镜检，发现细菌形态呈棒状，直径大约为1 5 m 。 3 4 2 4 反硝化过程中环境因素的影响的分析 ( 1 ) 温度实验过程中温度的变化不太大，但温度变化对微生物的生命活动 第3 章污水生物脱氮1 粕标识实验研宠 造成显著的影响。温度变化见图3 - 7 ，在1 2 、6 0 、7 2 、1 0 8 小时，由于温度的降 低，细菌的增长速率变慢。当温度升高时，细菌的增长速率明显增加( 如图3 - 6 ) 。 3 0 v 趟2 5 赠 2 0 1 5 i 0 0 1 2z 43 64 86 07 28 49 61 0 8 1 2 0 对月c h ) 图3 - 7 温度随时间变化曲线图 ( 2 ) p l l 和碱度本实验配制的培养液的p h 为7 2 ，随着反硝化的进行， p h 逐渐升高如图3 8 。当反硝化进行到7 2 小时，p h 已达到7 9 8 ，1 2 0 小时，p h 值为8 2 ，抑制反硝化的进行。 8 5 0 黾8 0 0 7 - 5 0 ? 。0 0 5 0 墨3 0 i o 1 0 3 0 5 0 0 1 22 43 64 86 07 28 49 61 0 81 2 0 时间( h ) 图3 - 8p h 值随时间变化曲线图 01 22 43 64 8 6 07 28 4 9 61 0 81 2 0 时间( h ) 图3 - 9 趼值随时间变化曲线图 ( 3 ) e he h 的变化十分明显，从- 3 5 m y 到+ 5 0 m y ，从还原环境变化至氧佬环境， 北京工业大学工学项士学位论文 这与反硝化生成的碱度有关。碱度越高，明值也越高。e h 值随时间变化情况见 图3 - 9 。 3 5 本章小结 1 实验证明，61 5 n 值在捡测反硝化反应的定性定量关系中行之有效的。用 人工配制的含”n 的硝酸盐培养液进行反硝化实验，反应产生的氮气中6 “n 值大 于自然环境中的6 “n 值，生物体内61 5 n 值随反应的进行逐渐增加，同时溶液中 的硝酸盐氮的鼬的丰度逐渐羿高。 2 温度影响反硝化的反应速率，温度高，反硝化速率也大。反硝化过程产生 碱度。p h 和e h 随着反硝化反应的进行逐渐升高。 第4 章城市污水处理厂脱氮工艺的综合分析 第4 章城市污水处理厂脱氮工艺的综合分析 最近几十年，我国加强了对污水脱氮除磷机理及工艺的研究，并建造了许多 脱氮除磷工艺的污水厂。但许多数污厂存在脱氮效率低、处理效果不够稳定以及 自动化程度较低等不足。另外我国目前还存在一些以单纯去除有枫物为目标的传 统工艺的污水厂。为此，对已运行的污水厂的脱氮除磷工艺进行进一步的研究分 析，为新建或改建适合我国国情的脱氮除磷工艺提供经验，具有现实的意义。 4 1 实验目的和内容 本次实验是以运行中的高碑店污水厂与首都机场污水厂为基础进行的生产 性实验。两座污水厂采用的工艺都是a o 工艺，但曝气池的进水方式与曝气池的 具体设计以及污泥的回流方式不同。通过对两污水厂日常运行数据，确定工艺参 数，为建立污水处理的数学模型，实现污水厂的自动化打下基础；同时对脱氮部 分进行实验研究，分析影响脱氮效果的各种因素，为污水厂的运行提供参考。 4 2 高碑店污水厂脱氮工艺的生产性实验 4 2 1 污水厂工艺简介 高碑店污水处理厂污水来源于北京市城区的大部分生活污水、东郊工业区、 使馆区和化工路的全部污水。其工艺流程如图4 _ l a 图4 - 1 高碑店污水处理厂工艺流程( a o ) 4 2 2 污水厂动力学参数的确定 经过一个月的监测显示，原污水b o d 的平均值为1 9 0 ，9 m g l ，经过初沉浊后 变为1 4 2 i m g l ，出水为1 2 1 m g l ，去除率为9 3 6 ；c o d 的值分别为3 8 3 5 ， 北京工业大学工学硕士学位论文 2 7 2 5 ，4 0 3 r a g 1 ，8 9 5 ；s s 的值分别为2 1 8 ，1 3 3 5 ，1 8 8 m g 1 ，9 1 4 。根据 监测数据，确定参数的值。 表4 - 1 曝气池的运行数据表 池处理入水出水 污泥 排泥回流 去除 v l s s污泥龄 数水量浓度浓度量污泥 负荷 qs os 。m ，1 n r 。1 s e 厶xx vx 。 i 0 。 1 0 3 3 m g 1m g 11 m g m 3 m g 1m g 1 d - 1 1 24 6 5 91 3 51 1 20 2 0 24 9 4 80 0 8 93 8 8 81 4 9 02 3 5 00 0 6 4 1 23 9 3 41 2 39 10 2 3 64 2 3 10 1 12 5 9 29 9 02 4 5 00 0 6 7 1 24 5 5 82 0 81 2 40 ，3 2 33 0 9 3o ，0 8 15 8 3 21 4 4 02 9 8 00 1 2 6 1 24 1 2 91 8 59 40 33 3 2 8o 1 0 65 8 3 21 2 6 01 9 6 00 0 9 5 1 23 9 3 41 4 39 90 2 7 63 6 2 1o 1 0 15 1 8 49 9 02 4 5 0o 1 3 3 61 9 1 31 4 09 t 3o 1 9 95 0 3 6o 1 0 83 0 6 41 3 1 53 0 3 00 0 8 5 62 0 8 41 1 59 60 1 4 96 6 9 20 1 0 43 2 4 01 5 3 52 5 3 00 0 5 6 62 0 31 0 91 0 90 1 4 86 7 5 60 0 9 2 3 2 4 01 4 0 52 5 4 50 0 5 5 62 0 8 31 2 11 3 40 2 0 44 9 1 30 0 7 52 9 1 61 1 5 02 5 2 50 0 6 7 62 0 41 2 72 2 60 2 34 3 3 9o 0 7 9 2 5 4 29 6 52 7 1 00 ，0 7 6 62 2 】31 9 41 6 9o 3 l l2 。0 1 40 0 5 95 1 8 41 2 9 02 0 6 00 1 5 2 62 2 4 41 1 71 5 80 33 3 3 10 0 6 3 3 2 4 07 9 02 1 5 50 0 9 2 1 23 4 7 21 4 41 2 80 1 6 89 6 0 70 0 7 84 3 2 01 5 5 52 4 3 00 0 4 8 1 23 0 2 。11 8 49 ，10 1 9 95 0 2o 1 l3 2 4 01 3 8 51 8 7 00 0 4 6 1 23 5 7 81 6 41 3 10 2 4 74 0 4 40 0 7 63 8 8 81 1 4 02 0 4 5o 0 7 3 1 23 4 4 31 4 41 4 40 2 2 4 4 7 0 0 6 9 3 2 4 01 0 9 52 2 6 00 0 7 1 23 3 2 68 19 10 0 9 31 0 7 8 80 1 11 2 9 61 3 4 7 2 1 5 00 0 2 2 1 23 4 7 51 5 01 1 50 1 8 1 5 5 3 l0 0 8 72 5 9 31 3 9 01 9 2 00 0 3 7 注：排泥量是6 个曝气池的总排泥量。 1 常数值赶、及墨的确定 由莫诺特方程有： v ：v 旦一 ( 4 1 ) 。2 ”一j i 话 。r u v 有机底物的比降解速度，t 一： v 。f 一有机底物的最大比降解速度，t - 1 ； 聪一饱和常数，也称半速度常数，质量容积； 卜有机底物浓度。 物质的比降解速度，按物理意义考虑，下式成立： 第4 章城市污水处理厂脱氮工艺的综合分析 。：一土d s ：d ( s o - s , ) ( 4 - 2 ) x rd tx 潮 岛原污水中有机底物的原始浓度： 卜经t 时反应后混合液中残存的有机底物浓度： 卜一活性污泥反应时间，t ； z 广一混合液中挥发性活性污泥浓度，m g m l v s s l ； 一d s 有机底物降解速率。 由( 4 2 ) 式得： 一塑吨一土曼_ ( 4 - 3 ) 毋一k 。+ s 在低底物浓度条件下，有机底物降解遵循一级反应，即 ”v 一去2 足2 s h q 一百d s = k 2 x v s ( 4 - 5 ) 在曝气池混合系统中，在稳定条件下，由有机底物的物料平衡有： 一d s ：q ( s o - s , ) ( 4 6 ) 衍矿 将( 4 3 ) 、( 4 - 5 ) 式带入( 4 6 ) 式，得； 笋= 等瑙z 耻v 一去 m ， x r yx 一k s s e 将式垡妻专掣= k ：疋按通过原点的直线方程式垆缸的形式考虑。以 垡墨二盟为纵坐标，以为横坐标。将从运行的污水处理厂取得的各项数据整 x 。t v 理分组见表4 - 2 。直线通过坐标原点，其斜率即为k z 。 对于h 。、凰值，也可用图解法确定，存在下式： 丽x v 丽v = c 鲁，s 亡 c 蝴， 一= i 一一j t 一 ， q ( 瓯一r ) 、v 一一。v 。 北京工业大学工学硕士学位论文 l 强= 型( k 曲o d ，k g m l v s sd ) 咒矿 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 05l o1 5 2 02 5 图4 - 2 图解法确定常数值正 可以将上式按直线方程式尸戤+ b 考虑，夏芒暑项是随专项变化的线形 函数。以西器项为纵坐标，以击为横坐标a 同样将取得的数据加以整理， 如表4 - 1 。 赢一s s 邶 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 。d d 5 0 0 0 0 0 o 图4 - 3 图解法确定常数值v m 。t ! o m g b o d ) 直线的斜率为堕，在纵坐标上的截距为上，在横坐标上的截距为一士。 v v 五s 通过这些数据求定出常数值： 第4 章城市污永处理厂脱氮工艺的综合分析 v m a x = o 7 8 6 5 d 1 k s = 3 4 0 3 2 2 m g 1 岛= 0 0 1 7 2 l ( m g d ) 2 常数值，及彪的求定 活性污泥微生物增殖的基本方程式为： ( i d g ) 。= y ( d 讲s ) 。一k 。z ， ( 4 9 ) ( d x ) ，活性污泥的净增殖速率； a c t 。 f d _ s ) 。活性污泥微生物对有机底物的降解速率； a t y _ 一产率系数，即微生物每代谢l k g b o d 所合成的m l v s s 数； 杨一活性污泥微生物的自身氧化率，d - 1 ，亦称衰减系数。 活性污泥微生物每天在曝气池内的净增殖量为： 硝= r ( s o t ) q k d v x v ( 4 1 0 ) 4 静每天增长( 排放) 的挥发性污泥量( v s s ) ，k g d ： ( s o s 。) q 每日的有机底物降解量，k g d l p 两，- 一曝气池内混合液中挥发性悬浮固体总量k g ，x v = m l v s s 。 将( 4 1 0 ) 式改为： 等：y 笔吨 ( 4 1 1 ) z r 矿x r 矿 。 式中 要= n ，一泥负荷率，k g b o d s ( k g 札v s s d ) 姜参= 万1 ；口广污泥龄( 生物固体平均停留时间) ，d 。 根据( 4 儿) 式，以图解法确定】，及肠。即将此式按直线方程式尸a 胁b 考虑， 以劳为纵轴，以笋为横轴，将数据肌数据如私l ，作图4 _ 4 ， 得出的值为： y = o 4 6 2 1 k 札v s s k g b o d 北京工业大学工学硕士学位论文 = o 0 5 6 7 d 。1 尘蔓( d - 1 ) x 。y 0 2 0 0 1 5 o t1 0 0 0 5 0 0 0 笋c 螂灿v s s a ， x ，y 图4 - 4 图解法确定l 凰值 4 2 3 曝气池内的硝化与反硝化作用及影响因素 高碑店污水厂曝气池的设计是以脱氮除磷为目的，除磷不在讨论范围内，本 文主要讨论除氮的情况。每座曝气池有三个廊道，每个廊道长9 5 米。污水流程 总长2 8 5 米。曝气池在其污水流程上的取样点分为四个区，沿流程长度上0 1 5 米为缺氧区，1 6 3 2 米为强化吸附区，3 2 6 3 米为厌氧区，6 3 2 8 5 米为好氧 区。 2 0 0 1 年1 2 月在污水处理厂的曝气池内取样进行分析。沿污水的流程上在曝 气池水面以下1 米( 称上部) ，取样点分布如图4 5 ；另外也对初沉池出水和回 流污泥取样，在下面的曲线图中分别对应0 米和3 0 0 米处的值，这里3 0 0 米不具 有实际的流程意义，仅只表示污泥的一个取样点。同时分析缺氧区、强化吸附区、 厌氧区的深部污水( 曝气池水面以下4 米) 和上部污水的关系，对5 6 0 米间的 水样的深层部位各取了一个样。针对这些水样，分析了以下指标：n o a - - n 、n o z - - n 、 n 地+ - n 、c o d 、d o 、p h 、e h 、s s 、s v 、s v i 。由此确定曝气池内污水硝化和反硝化 的情况，并对污水处理厂的运行提出建议。 第4 章城市污水处理厂脱氪工艺的综合分析 ( 1 ) 缺氧区( 2 ) 强化吸附区( 3 ) 厌氧区( 4 ) 好氧区 图4 5 曝气池取样点分布图 4 2 3 1n 0 卜n 、n 0 2 - 一n 、n h 卜n 初沉池出水的n h 4 + - n 浓度很高为5 7 6 1 r a g l ，回流污泥的n h 4 + n 浓度 较低，为1 4 2 8 m g l 。在缺氧区，因为回流污泥的稀释作用使n h 4 + - n 浓度随流 程增长而降低。在强化吸附区，因为高浓度的初沉池出水的流入与缺氧区流入的 污承混合致使n h 4 * - n 浓度随流程增长而升高。在厌氧区，污水中n 凰+ n 变 化不大。好氧区，n i - h + n 浓度总体趋势是随流程的增长而降低。因为p h 值不 大，n i - h + - n 挥发而减少的可能性非常小，只能是发生了硝化反应，使氨氮转化 为硝态氮。在好氧区前段，因为好氧池内有机物充足，降解有机物的异养菌竞争 力较强，硝化反应进行的较慢，故而n h 4 + - n 下降得慢；而在好氧区后段，因为 有机物浓度很低，异养菌活性变弱，硝化菌生长较快，硝化速率高。污水流经曝 气池后，氨氮的去除去除率为7 2 2 1 。 懿 垂t 。 舌2 ： 05 01 0 01 5 02 0 0 图4 6n h 4 + - n 浓度随流程变化曲线图 2 5 03 0 0 流程( 皿) 深部缺氧区的n 地n 的浓度较高，5 米处的n i 池n 商达5 0 2 0 m g i ，明显 北京工业大学工学颈士学位论文 高于上部，这可能是深部有搅拌器，污水和微生物充分混合反硝化反应中的n 0 3 有部分转化为n h 4 + - n 。吸附区和厌氧区内的n h 4 + - n 均低于上部。同一取样点 不同深度n h 4 + - n 浓度差别可能是污水混合不均造成的。在吸附区，虽然新鲜污 水从下方进入，由于污泥吸附的作用，n h + - n 的浓度迅速降低。在厌氧区，被 吸附的n h 4 + - n 部分回到污水中，导致n h d + n 浓度升高。n h 4 + - n 浓度随流程变 化情况见图4 _ 6 。 初沉池出水n 0 3 - n 的浓度为3 3 9 m g 1 ，缺氧区和吸附区n 0 3 - n 的浓度较低， 在1 0 r a g 1 左右，因为在缺氧区反硝化作用很强，污水中的硝酸盐迅速转化为氮 气而脱氮，至缺氧区末端硝酸盐氮几乎消耗殆尽为1 4 0 r a g 1 。在吸附区与厌氧区 由于硝酸盐氮的浓度很低，硝化作用受到抑制，硝酸盐氮随流程变化不大。在好氧 区前段，即7 0 1 7 5 米间的各取样点的n o ， - n 值保持在1 4 m g 1 左右，这是因为 污水对好氧区内的微生物的冲击作用，微生物处于适应期，硝化反应不明显；在 好氧区的后段，n 0 3 - n 随着流程增长而急剧升高，在曝气池出水处达到最高值， 为4 2 ，4 3 m g , q 。这说明硝化反应进行程度较深，随着流程的增长曲线斜率很大， 即硝化速率也大，如图4 7 。也说明硝化反应在曝气池后段进行得更为强烈， 更多的n t h + _ r , r 转化为n 0 3 。- n 。污水流经曝气池后，硝酸盐氮为2 5 7m g 1 。回流 污泥中的n 0 3 - n 浓度较，为2 3 ，3 7 m g 1 。表明与好氧区内污水的相同特征。 0 2 5 03 0 0 流程( 曲 图4 - - - 7n 0 3 - n 浓度随流程变化曲线图 深部除缺氡区内的n 0 3 - n 浓度比上部高以外，其余的均比上部低，这可能 是搅拌不均而造成的。在缺氧区由于发生反硝化反应，n 0 3 - - n 浓度随流程增长 而迅速降低。而在吸附区由于新鲜污水的稀释作用使n 0 3 - n 浓度持续降低；污 水是从下方进入，所以深部的n 晚- n 浓度低于上部。在厌氧区基本保持不变。 第4 章城市污水处理厂脱氮工艺的综合分析 n 0 2 - n 的浓度很低，在o 3 2 o m 酊之间变动。浓度高的地方出现n 0 2 1 - n 积累，因为氧的浓度减少而使硝酸菌被抑制的缘故。低的地方n 0 2 - n 转化为其 它的含氮物质。深部的n 0 2 - n 浓度明显低于上部，具体原因还还有待迸一步探 讨。( 如图仁8 ) 05 0i 0 015 0 2 0 0 2 5 03 0 0 流程( m ) 雷4 8n 0 2 - - n 浓度度随流程变讫曲线圉 4 2 3 2 化学需氧量( c o d ) 初沉浊出水的c o d 为2 6 5 ，5 3 m g l ，污水经初沉池沉淀去跺了一部分有机物， 在缺氧区由于回流污泥的稀释作用，c o d 浓度较低，另一方面是由于反硝化反应 消耗一定量的有机物。强化吸附区及厌氧区的g o d 接近于零，另外厌氧区聚磷 菌释磷也消耗了一定量灼有机物。好氧区内的c 0 1 ) 在5 0 - - - 1 9 ) m g 之间变化， 回流污泥的c o d 为3 4 3 4 m g l ，比好氧区的c o d 低。好氧区内污水c o d 的不稳 定变化是由于细菌进行生命活动时，所吸附的一部分c o d 又被重新带回到污水 中，使水孛d 增高：当绍菌大量降解有机物】时，c o d 变小，细胞死亡叉使水中 有机