（环境科学专业论文）泥水自循环型阶式a2o工艺优化研究.pdf

东南大学硕士学位论文 s t u d yo no p t i m i z a t i o no fs l u d g ea n d m i x e d l i q u i d a u t o m a t i cr e c i r c u l a t i o na 2 op r o c e s s g u a n x u e s u p e r v i s o r ：l ix i a n - n i n g d e p a r t m e n to f e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e & e n g i n e e r i n g , c o l l e g eo f e n e r g y e n v i r o n m e n t , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s 仃a c t c a c a d ea 2 0p r o c e s sw i t hs e l f - r e c i r c u l a t i o no fs l u d g ea n dm i x e dl i q u i di san e ww a s t e w a t e r t r e a t m e n ts y s t e md e v e l o p e dw i t ht h ef u n c t i o no fb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l ( b p n r ) u s i n g t h es t r o n g p o i n to fu n i t a n ka n da z op r o c e s s e s t h i sp r o c e s si sc o m p o s e do ff i v eh y d r a u l i c a l l y c o n n e c t e dr e c t a n g l et a n k s t h ea l t e r n a t i o no fa n a e r o b i c ，a n o x i c ，a e r o b i ca n ds e t t l i n gs t a t ei sr e a l i z e db y t i m e l ya n ds p a t i a lc o n t r o lc h a n g et ot h e s ef i v et a n k s s l u d g ea n dm i x e dl i q u i da r er e c i r c u l a t e d a u t o m a t i c a l l yb yl o c a t i o nt r a n s i t i o no fi n l e ta n do u t l e tw i t h o u ta d d i t i o n a ls l u d g eo rm i x e dl i q u i d r e c i r c u l a t i o n t h i sp r o c e s sr u n sw i t hc o n s t a n tw a t e rl e v e la n dh i g hn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lm e c h a n i s mo fc a c a d ea z op r o c e s sw i t hs e l f - r e c i r c u l a t i o no fs l u d g ea n dm i x e dl i q u i dw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h ef e a s i b i l i t yt ou s eo r p ，d oa n dp h a sc o n t r o lp a r a m e t e r sf o rp h a s ec h a n g ew a sa l s od i s c u s s e d o nt h eb a s i so fa b o v es t u d y , t h er e a l t i m e c o n t r o lt e c h n o l o g yo f p h a s e c h a n g ew a se s t a b l i s h e da n dc o n f l r m e d 1 、n eo p e r a t i o nc o n d i t i o no fc a c a d ea 2 op r o c e s sw i t hs e l f - r e c i r c u l a t i o no fs l u d g ea n dm i x e dl i q u i d w a si nf a v o ro f t h eg r o w t ho f p a o s ，n i t r o b a c t e r i aa n dd e n i t d f i e r t h ee f f i c i e n c yo f d e n i t r o g e na n d d e p h o s p h o r u sw a sh i g ha f t e r3 0d a y so fi n c u b a d o n ，a n dt h ea v e r a g er e m o v a le f i i c i e n c i e so fc o d 、n i - h + - n 、 t n 、t pc o u l dr e a c ha b o u t8 0 9 、8 7 7 、5 5 2 a n d7 2 2 r e s p e c t i v e l y ( w a t e rt e m p e r a t u r e ：5 0 c 10 。c ) a f t e rt h ew a t e rt e m p e r a t u r ew e n tu pt o12 。c 18 。c ，b e a e rr e m o v a lr a t eo fc o d 、n r h + - 1 , 4 、t n 、 t pw a sr e a c h e d a n dt h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f c o d 、n h 4 + - n 、t n 、t pw a s8 5 2 、9 1 1 、6 7 o a n d 8 2 7 2 、as e r i e so fd e n i t r o g e na n dd e p h o s p h o r u sr e a c t i o n sw e r eo b s e r v e di i lt h ep r o c e s s ，a n dt h et r a d i t i o n a l r e a c t i o n ( i e t r a d i t i o n a ln i t r i f i c a t i o n d e n i t d f i c a t i o na n da n a e r o b i cp h o s p h o n 塔r e l e a s e a e r o b i cp h o s p h o r u s u p t a k e ) w a st h em a i nr e a c t i o n i na d d i t i o n , o t h e rr e a c t i o n ss u c ha ss i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) ，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 nw e r ea l s od i s c o v e r e di nt h i sp r o c e s s i ns y s t e m ，o r p 、 d oa n dp hc o r r e l a t e dt ot h ec h a n g eo fc o n t a m i n a t i o nc o n c e n t r a t i o n i nc a c a d ea 2 op r o c e s sw i t hs e l f - r e c i r c u l a t i o no fs l u d g ea n dm i x e dl i q u i d ，o r p 、d oa n dp hc o u l d b eu s e dt oc o n t r o lp h a s ec h a n g e 3 、o nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h , t h er e a l t i m ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fp h a s ec h a n g ew a se s t a b l i s h e d t h i st e c h n o l o g yc o u l dc o n t r o la e r a t i o na n dm i x i n gt i m ea c c u r a t e l ya c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i cp o i n t so f o r p , d oa n dp h d u r i n gt h ee x p e r i m e n t a lp e r i o d ，t h er e m o v a lr a t eo ft na n dt pu n d e rr e a l t i m ec o n t r o l t e c h n o l o g yw e r e6 7 0 、8 2 7 r e s p e c t i v e l y , b e t t e rt h a nt h er e m o v a lr a t eu n d e rf i x e dt i m ec o n t r o l t e c h n o l o g y ( 7 5 4 、8 9 5 1 4 、t h er e l i a b i l i t yo f o r p 、d oa n dp ha sc o n t r o lp a r a m e t e r so f t h er e a l - t i m ec o n t r o lt e c h n o l o g yw a s s t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a td u r i n gm i x i n gp h a s e s ，o r pw a sam o r er e l i a b l ec o n t r o lp a r a m e t e r , w h i l e p hw a sm o r er e l i a b l ed u r i n ga e r a t i o np h a s e s k e yw o r d s ：c a c a d ea 2 op r o c e s sw i t hs e l f - r e c i r c u l a t i o no fs l u d g ea n dm i x e dl i q u i d ，n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l ，c o n t r o lp a r a m e t e r s ，r e a l - t i m ec o n t r o l i i 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：肇垂 导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 我国是世界上1 3 个贫水国之一，人均淡水资源量仅为世界人均量的1 4 ，这有限的淡水资源不 仅在时空分布上不均匀、浪费现象严重，而且随着工农业生产的迅速发展以及城市化进程的加快， 水环境污染也日益严重，已经严重影响了国民经济的发展和社会生活的正常进行。 据( 2 0 0 7 年中国环境状况公报i lj 显示，2 0 0 7 年我国七大水系中v 类和劣v 类水质的断面比 例达到5 0 1 ，主要污染指标为氨氮、石油类、高锰酸盐指数和五日生化需氧量；在2 0 0 7 年监测的 2 8 个重点湖库中，满足类水质的湖库2 个，类水质的6 个，类水质的4 个，v 类水质湖库5 个，劣v 类水质湖库1 1 个，主要污染指标为总氮和总磷。在监测的2 6 个湖库中，重度富营养的2 个，占7 7 ，中度富营养的3 个，占1 1 5 ，轻度富营养的9 个，占3 4 6 ，张维理等人指出【2 】， 中国水污染的核心问题是水体的氮、磷富营养化。 水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指，富含氮、磷等营养物质的水体，在适宜的环境条件下，造成 水生植物和藻类过度生长，在之后的藻类死亡和异氧微生物代谢活动中，水体中的溶解氧很可能被 耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏的现象。水体富营养化破坏了水体的自净能力，使 水体丧失抵御干扰的能力，难以成为一个自我维持的稳定系统，并会破坏水体的食物链结构，改变 水生植物的栖息环境，严重时会导致一些物种的灭绝；富营养化引起的水体生态系统变化、景观变 化、水体霉臭等会带来很多麻烦，导致巨大的经济损失；水体富营养化对人体最直接的危害是水质 下降引起的健康威胁，某些藻类可能会含有难以去除的藻毒素。据统计，由于水环境污染和水体富 营养化，现已有l 3 的水体不适宜于鱼类等生物的生存；有1 4 的水体不适宜农作物灌溉；有1 2 城 镇的饮用水源不符合标准，7 9 居民所饮用的水是受污染的水1 3 。 根据中国国家环保总局在太湖、巢湖、滇池、三峡库区等流域的调查，工业废水对总氮、总磷 的贡献率仅占1 0 0 o - 1 6 ，而生活污水和农田的氮、磷流失是水体富营养化的主要原因【4 】。滇池由生 活污水排入的氮磷负荷占水体总氮磷负荷的5 5 1 和6 8 6 【5 1 ，太湖由生活污水带来的氮磷负荷分别 占水体总氮磷负荷的3 5 3 5 和5 9 6 5 1 6 】。生活污水中氮、磷的排放已成为导致我国水体富营养化 的重要原因。 近年来，尽管国家和地方每年都投入巨资( “十五”期间用于包括水污染治理的环境整治的投资 规划为7 0 0 0 亿元，已达到中国g d p 的1 t7 】) ，但到目前为止水体富营养化的程度仍然有增无减。 随着氮、磷污染问题的尖锐化及公众环境意识的增强，污水氮、磷排放标准不断修订与提高。 从我国1 9 9 6 年和2 0 0 2 年两次制定污水氮磷排放标准的变化情况( 见表1 1 ) 可以看出，氮、磷的考 核内容由单一的氨氮和磷酸盐发展到总氮和总磷，氮、磷的允许排放浓度也越来越低。按照城镇 污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 要求对我国新建的城市污水处理厂都需要采取脱氮 除磷措施，出于保护水源的需要，一些老的城市污水处理厂也要采取脱氮除磷工艺进行改造。另外， 我国城市污水处理及污染防治技术政策规定，我国污水处理应坚持集中与分散结合，在加强城 市污水集中处理的同时，应重视分散污水的处理，为防治富营养化，对于排入封闭或半封闭水体的 污水进行脱氮除磷处理。 目前我国城市污水处理厂采用的具有较好脱氮除磷效果的工艺主要有a 2 o 、u c t 、氧化沟和 s b r 及其改良工艺等。应该说大型城市污水处理厂已经形成较为成熟的脱氮除磷工艺，但在实际应 用中脱氮除磷效果不稳定，特别是出水总氮难以稳定在2 0 m g l 以下【1 0 1 ，且污水处理的成本与能源 消耗较高。而对于中小规模的分散污水大多没有进行处理，已有的处理大都停留在一级处理水平上， 极少采取脱氮除磷措施。 常规的生物脱氮除磷工艺特别是a 2 ot 艺及其改良形式，都需要大量污泥回流和混和液回流， 东南大学硕士学位论文 这两部分能耗较大，一般占污水处理部分总能耗的2 7 - - 3 9 ，其中污泥回流部分为1 4 左右【1 1 1 ； 而且增加了设备投资和日常的维护管理费用。而s b r 及其改良工艺则普遍存在滗水水头损失的缺点。 此外，大多数工艺都是尽可能将除磷和脱氮过程分开以排除相互干扰，虽然有些工艺几乎完全解决 了两者之间的主要矛盾，但工艺变得复杂了，增加了构筑物以及处理成本。因此，a 2 o 、s b r 及其 改良工艺都需较高的基建和运行费用，才能保证良好的脱氮除磷效率。目前我国城市污水处理厂存 在着三高问题，即投资高、电耗高和运行费用高i l 川。 我国是能源消耗大国，不合理的能源消耗已影响到经济可持续发展战略目标的实现，能源短缺 将制约社会经济的发展。城市污水处理是高能耗行业之一，2 0 0 4 年城市污水处理率4 5 6 ，处理污 水耗电量为4 0 5 亿k w h ( 以0 2 5 k w h m 3 计) ，占2 0 0 4 年全年发电量的1 9 。根据全国环境保护“十 一五”规划，到2 0 1 0 年底，全国城镇污水处理率平均需达到6 0 以上，污水集中处理能力达到1 0 0 0 0 万1 1 1 3 d 左右，届时污水处理对能源的需求将进一步加大。污水处理的高能耗抬升了污水处理设施的 运营成本，影响到设施的正常运行，也在一定程度上加剧了我国现阶段的能源危机。 开发适应污水低c n 值、运行稳定、且具有节能效应的新型脱氮除磷工艺具有迫切的需要，对 控制水体富营养化、促进污水处理事业的发展、提高水环境质量具有重大意义。 表1 1我国污水氮磷排放标斛8 1 【9 】 排放标准( m g l ) 制定时间备注 氮( 以氮计) 。磷( 以磷计) 1 9 9 6 年氨氮5 1 5磷酸盐郢5一级排放标准 总氮s 1 5总磷曼1 0 氨氮( 8 )总磷9 5 一级a 排放标准 2 0 0 2 年 总氮5 2 0总磷s 1 5 。 氨氮璺( 1 5 )总磷- 1 2 c 时的控制指标；括号内数值为水温s 1 2 的控制指标 适用于2 0 0 5 年1 2 月3 1 日前建设的污水处理厂 适用于2 0 0 6 年1 月1 日后建设的污水处理厂 1 2 活性污泥脱氮除磷工艺现状 1 2 1 生物法脱氮除磷原理 1 2 1 1 生物脱氮机理 生物法脱氮由有机氨氧化、硝化、反硝化和微生物的同化作用来完成。 氨化指含氮有机物被生物降解释放氨的过程。多种异养微生物可以进行有机氮的水解发应，因 此水解很少会限制氮的氧化速度。 生物硝化是由两组自养型好氧硝化细菌亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 和硝酸菌( n i t r o b a c t e r i a ) ，将 氨氮转化为硝态氮的生化反应过程。氨氮首先在亚硝酸菌作用下转化为亚硝酸盐，然后，在硝酸菌 作用下亚硝酸盐进一步转化为硝酸盐，反应用下式表示，过程中需大量氧。 2 朋：+ 3 d ，堕型马2 n o ；+ 2 h ，o + 4 h + ( 1 1 ) 然而，硝化作用只是改变了氮在水中的化合态，并没有降低水中氮的含量，这对于防止水体富 营养化，并没有解决根本问题。反硝化作用是在没有分子氧时，反硝化菌以硝态氮为电子受体，有 机物作为碳源和电子供体，通过反硝化菌的同化作用( 合成代谢) 与异化作用( 分解代谢) 完成。反硝 化由异养兼性微生物完成，可以由式1 3 、1 4 表示： 2 第一章绪论 n o ；+ 3 日( 电子供体) 专1 2 n 2 + h 2 0 + o h n o ；+ 5 劈值子供体) _ 1 2 n 2 + 皿d + o h 一 同化作用是n o f 和n 0 3 一被还原为氨用以新细胞的合成， n 0 2 一和n 0 3 一被还原为n 2 或n 2 0 、n o 等气态物，主要为n 2 ， 7 0 7 5 。 1 2 1 2 生物除磷机理 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 氮成为细胞质的成分。异化作用是 异化作用去除的氮约占去除总量的 生物除磷是一个由聚磷菌( p a o s ) 生长进行的复杂过程，它在厌氧条件下释放磷和在好氧条件下 蓄积磷。 在厌氧条件下，兼性异养微生物通过发酵作用将溶解性有机物转化为v f a s ( 低分子挥发性脂肪 酸) 。聚磷菌吸收v f a s 合成p h b ( 胞内碳能源储存物) 储存于细胞内，所需的能量来源于聚磷的水解以 及细胞内糖的酵解，同时胞内无机磷酸盐( p i ) 的浓度增加，p i 与阳离子一起被释放到主体溶液中， 使液相中的磷浓度升高。 聚磷菌在好氧条件下可超出其生理需要而从废水中过量摄取磷。当废水进入好氧区时，废水中 的溶解性有机物减少，但p a o s 含有大量p h b 储存物。废水中无机磷酸盐丰富，而p a o s 的聚磷酸盐 含量低。p a o s 为了生长，以储存的p h b 作为碳源和能源，进行好氧代谢，吸收在厌氧区释放的全 部磷酸盐和废水中含有的初始磷酸盐，形成高磷污泥。通过排放剩余污泥使废水中的磷得到高效去 除。 p a o s 通过厌氧与好氧环境的交替循环去除废水中的磷。生物除磷系统中的厌氧、好氧交替池 如同除磷菌的选择器，使p a o s 能够成为优占菌属。 1 2 1 3 生物脱氮除磷理论进展 1 ) 同步硝化反硝化 国内外有较多研究表明有氧条件下在不同的生物处理系统中有同步硝化反硝化现象 ( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd c n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 发生。同步硝化反硝化( s n d ) 理论认为在宏观为 好氧型的处理系统中，在生物絮体内部存在微氧、缺氧或厌氧等状态的微环境。也有研究者发现好 氧反硝化菌如p s e u d o m o n a ss p 、a l c a l i g e n e sf a e c a l i s 、t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 等，在作为好氧反硝 化菌的同时也是异养硝化菌，可以在好氧条件下直接把氨氮转化为气态产物 1 3 1 4 1 。因而在同一个反 应器内部通过优化曝气量控制可以同时出现硝化反硝化现象。 2 ) 短程硝化反硝化 短程硝化反硝化是将硝化过程控制在n 0 2 阶段而终止，随后进行反硝化。亚硝酸菌世代周期比 硝酸菌世代周期短，泥龄短，控制在亚硝酸阶段可以提高微生物浓度和硝化反应速度，缩短硝化反 应时间，节省曝气量，减少反应器容积和基建投资。亚硝酸型生物脱氮过程需要严格控制温度、d o 、 p h 和泥龄等参数，以保证亚硝酸菌在竞争中优势生长，对环境条件要求严格，实际应用中难以控 制。 3 ) 反硝化除磷 在传统除磷理论基础上，许多研究者发现经过厌氧释磷后，聚磷菌可以n 0 3 作为电子受体吸收 磷并脱氮，即存在缺氧反硝化除磷现象，利用共同的有机基质在除磷的同时完成脱氮过程。由此缓 和了脱氮和除磷对有机物基质的竞争，降低了污泥产率和曝气量需求。 4 ) 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化工艺( a n a m m o x ) 是在厌氧条件下，以硝酸盐氮或亚硝酸盐氮作为电子受体，将 氨氮氧化成氮气脱除。参与厌氧氨氧化的细菌是自养菌，因此不需要添加有机物维持反硝化。厌氧 氨氧化的主要反应如下： 5 删：+ 3 n o ；专4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 h + ( 1 5 ) 删：+ n o ；专n 2 + 2 h 2 0 3 ( 1 6 ) 东南大学硕士学位论文 厌氧氨氧化菌生长缓慢，需要在特定的条件下才能进行富集，实际应用中难以控制其合适的生 长条件，目前的研究仅限于小试阶段。 1 2 2 同步脱氮除磷工艺的发展 目前大多数实际工程中的脱氮除磷工艺都是基于生物法脱氮除磷机理，创造适于脱氮、除磷微 生物生长增殖的环境条件，即交替的厌氧、缺氧、好氧三种状态，通过这三种状态的不同时空分布、 污泥及混合液的回流方式与位置、进水方式等的组合与优化，形成不同的脱氮除磷处理工艺，达到 高效去除氮、磷的目的。 1 ) a 2 o 工艺 a 2 o 工艺是国内众多污水处理厂采用的脱氮除磷工艺。厌氧、缺氧和好氧组合有利于不同微生 物菌群生长，能同时去除有机物、氮磷营养盐等污染物，工艺流程较为简单，总的水力停留时间较 短。由于脱氮效果受混合液回流比大小影响，除磷效果则受回流污泥中携带溶解氧和硝态氮的影响， 难以同时取得较好的脱氮除磷效果。 图1 1a 2 o 工艺 针对a 2 o 工艺的不足，对a 2 o 工艺进行改良【15 】【1 6 】【1 7 】，如在厌氧池前设置厌氧好氧调节池， 部分进水与污泥在此汇合，减少回流污泥中硝氮以及d o 对厌氧池的不利影响；对缺氧池和厌氧池 采用分点进水方式，使缺氧池中的反硝化和厌氧池的生物除磷效果达到最佳；回流污泥分两部分分 别进入厌氧池与缺氧池，以减少回流污泥带入硝态氮和溶解氧对厌氧段的影响；将厌氧区和缺氧区 交换位置即倒置a 2 o 工艺，将部分进水和回流污泥首先在缺氧区混合，然后大部分进水及反硝化后 的污泥混合液进入厌氧区反应。各种改良工艺都部分地协调了脱氮除磷的矛盾，在实际工程中也得 到较好的应用。 2 ) 五阶段b a r d e n p h o 工艺 l 厌氧池b一缺氧池h 好氧池山缺氧池u 好氧池h 沉淀池心 il j 污泥回流剩余污泥 图1 - 2 五阶段b a r d e n p h o 工艺 最初的b a r d e n p h o 工艺是为脱氮目的设计，有四个反应区，共两级缺氧好氧。后来经过改进， 将脱氮与除磷结合起来，成为五阶段b a r d e n p h o 。污泥回流与混合液回流均进入缺氧池，因此，厌氧 池中硝氮浓度低，聚磷菌能够顺利完成释磷。第一缺氧池中碳源与硝酸盐都比较丰富，硝化菌利用 外碳源进行反硝化过程，然后进入好氧池，完成降解有机物与硝化过程，同时吹脱氮气。第二缺氧 池中，碳源较低，硝化菌主要利用内源代谢物进一步进行反硝化作用。五阶段b a r d e n p h o 工艺脱氮 效果非常好，过程控制简单，但是反应器体积大，而且除磷效果不理想。 3 ) 氧化沟工艺 氧化沟以其特有的工艺特性与经济优势，根据污水处理要求，调整运行方式，增加构型，可以 产生一系列具有脱氮除磷功能的氧化沟工艺。比较典型的是厌氧池加氧化沟；还有三沟式氧化沟， 4 第一章绪论 是一种交替进水工艺，周期运行，两个边沟交替作为出水池与反应池。 4 ) s b r2 1 1 艺系列 s b r 在同一个反应器完成脱氮除磷的全部过程，单池中通过时序控制实现进水、曝气、沉淀、 排水、排泥的过程，工艺通过曝气与非曝气时间的控制，实现脱氮处理所需的缺氧一厌氧一好氧交 替的环境。工艺构型简单，基建投资低，应用广泛并根据不同的处理要求出现许多改良工艺，较常 用的有c a s t ，还有d a t - i a t 、s b h r 、m s b r 等。 c a s t 是一种循环式s b r 工艺，较为常用。c a s t 反应器部分包括：选择器、厌氧区、主反应 区，在选择器中进水与来自主反应区的回流混合液充分混合，利用进水中的有机物完成反硝化，随 后污水流入厌氧区，聚磷菌释放磷，在好氧区中完成硝化和磷吸收过程。为实现处理功能，需要采 取连续的污泥回流措施【1 8 1 。c a s t 周期运行，一周期包括：曝气阶段，池子同时进水与曝气；沉淀 阶段，停止曝气，在池子中形成有利于沉淀的条件，污泥絮体在池中沉淀下来，形成污泥层；撇水 阶段，关闭进水，撇水装置下降撇水；闲置阶段，可进行充水( 不曝气) 或其它反应过程。 5 ) 双泥法脱氮除磷工艺 常规的脱氮除磷工艺中聚磷菌、硝化菌和反硝化菌共存于同一个污泥系统中，由于硝化菌是自 养型好氧微生物，聚磷菌和反硝化菌是异养型兼性菌，在同一工艺内难以协调脱氮除磷的矛盾。双 泥法主要是通过两段法设置，将聚磷菌和反硝化菌在同一段内优势生长，硝化菌在另一段内优势生 长，前段采用活性污泥法，后段采用活性污泥法或生物膜法。两段之间只存在上清液交换，生物相 完全独立，较好的解决了硝化菌和聚磷菌泥龄控制的矛盾，同时较好地促进了反硝化聚磷菌生长， 反硝化除磷效果较为明显【1 9 1 1 2 0 1 2 。典型的双泥工艺有a 2 n1 2 2 】等。 6 ) u n l l a n k 工艺 进水进水 图1 - 3u n i t a n k 工艺 u n i t a n k i 艺外形是一个矩形体里面被分割成三个相等的矩形单元体，相邻的单元池之间以开 孔的公共墙相隔。彼此水力贯通，每个池中均设供氧及搅拌设备，外侧两池设固定的出水堰及剩余 污泥排放口，他们既可做曝气池又可做沉淀池，中间一池只做曝气池。运行过程中，污水从一侧进 入，进水侧有两池处于曝气状态，另一侧边池处于沉淀状态，处理后出水从堰口排出，剩余污泥从 池底排出。运行一段时间后改从另一侧进水，污水流向相反，上一时间段内用于沉淀的边池曝气， 曝气的边池沉淀，这样完成一个运行周期，周而复始，污水达到净化。 u n i t a n k 工艺的特点主要表现在：( 1 ) 集合了s b r 、三沟式氧化沟、传统活性污泥法的优点， 克服了间歇进水、三沟式氧化沟占地面积大、传统活性污泥法构筑物多的缺点，使系统采用近似三 沟式氧化沟的运行工况而能连续进水，又采用传统活性污泥法的曝气装置使占地面积减小。( 2 ) 不 设单独的专用沉淀池及污泥回流设备，通过进水方向的周期性改变达到污泥回流的效果，动力节省， 容积利用率高于s b r 法，同时全部采用计算机管理，自动化程度高因而管理简化，出水水质好。( 3 ) 5 东南大学硕士学位论文 固定堰出水，省去了撇水设备。 u n i t a n k 工艺可以通过对系统进行灵活的时间和空间控制适当增大水力停留时间，可以实现污 水的脱氮除磷。污水交替进入左侧池和中间池，在左侧池进行缺氧搅拌，以污水中的有机物作为电 子供体，将在前一个运行阶段的硝态氮通过兼性菌的反硝化作用实现脱氮，并释放上一阶段运行时 沉淀的含磷污泥中的磷。中间池在曝气运行时，进行有机物去除、硝化和吸磷，在进水搅拌时进行 反硝化脱氮，并自左向右推进污泥右侧池作为沉淀池进行泥水分离，上清液作为出水溢出，含磷污 泥的一部分作为剩余污泥排放。在进入第二个主体运行阶段前污水只进入中间池，使左侧池中尽可 能完成硝化作用。其后左侧池停止曝气，作为沉淀池。然后进入第二个主体运行阶段，污水流向相 反，由右向左，运行过程相同。 u n i t a n k 在脱氮除磷的条件下运行时与其他脱氮除磷工艺相比更显出其动力设施少、投资节 省、管理方便、处理效果稳定的优势。我国已有南京城北污水处理厂、石家庄经济开发区污水处理 厂等多座污水处理厂采用该工艺。 但是u n l t a n k 工艺在运行过程中尤其是要求脱氮除磷时也存在一些不足之处：( 1 ) 工艺主体运 行阶段后期会由于混合液的单向流动造成进水方向的上游污泥浓度降低，尤其是运行周期较长时。 ( 2 ) 反应池交替进行好氧曝气和缺氧搅拌，缺氧搅拌时间不够长时会使除磷效果不理想：如果缺氧 时间足够长，则运行周期必然很长，则上游污泥浓度很低。( 3 ) u n i t a n k 难以形成理想的厌氧状 态，除磷效果不佳【2 3 j 。此外，在非曝气区，水中大量的硝酸盐会消耗溶解性b o d ，降低有效b o d 磷比值，除磷菌可摄取的b o d 减少，在厌氧段磷释放不彻底，生物除磷功能很难保证。( 4 ) 过渡段 如果时间短，则边池的硝化作用完成程度低，如果时间长则进水不能经过缺氧、厌氧、好氧过程的 交替，脱氮效果差。( 5 ) 用于出水的固定堰由于在曝气过程中进入了混合液，在用于出水时需要冲 洗设备，增加了投资。 1 3 活性污泥工艺实时控制研究现状 污水处理系统运行费用庞大，因此通过工艺的过程控制，在满足出水达标的前提下达到降低能 耗的研究具有重要意义。目前，国内外9 5 以上的城市污水处理厂采用活性污泥工艺，活性污泥工 艺是多输入多输出的动态非线形系统，为达到出水水质稳定达标、节省费用、抗负荷冲击等目的， 希望在尽量了解处理系统过程的基础上，对工艺过程进行控制。因此，随着实时控制系统在其它领 域的成功应用，越来越多的水处理工作者开始探索研究污水处理实时控制策略。污水处理中的实时 控制是通过对在线仪表检测信号如o r p 、d o 、p h 及污染物浓度等进行分析，建立模糊控制函数， 通过非模糊量化处理后，得到精确的数字模拟信号，实现对污水处理系统的在线控制。通过实时控 制可以优化污水处理系统的控制方式，以更好的适应水质、水量及温度等参数变化，提高污水处理 系统自动化管理水平，保证处理系统可靠运行，充分发挥其处理能力【2 引。近年来实时控制在美国、 欧洲和日本的污水生物处理和生物化学处理中都有典型的成功应用，正在研究与开发的更是不胜枚 举。 污水处理过程控制的一个主要特点是进水的水质水量具有随机性与时变性，目前对于污水处理 中的生物化学过程还没有清晰的理解，许多知识还只是定性的、经验的，在应用经典控制方法时存 在局限性与难度。因此，控制方法的选择与控制参数的确定是污水处理过程控制的两个关键问题， 需要根据所研究工艺的特性确定操作变量，选择相应的控制参数。 1 3 1 控制参数 选择适宜的实时控制参数，建立这些参数与反应进程的关系，是进行污水处理实时控制的基础。 对于活性污泥法脱氮除磷工艺，控制参数可以分为两类：通过c o d 与营养盐的在线检测仪直接在 线检测污染物浓度，包括c o d 、氨氮、磷酸盐、硝酸氮等控制工艺过程。第二类是研究环境变量o r p 、 6 第一章绪论 d o 、p h 与水处理生化过程的关系，采用o r p 、d o 、p h 作为控制参数。目前，在污水生物处理实 时控制研究中普遍采用的控制参数为o r p 、d o 和p h 。 1 3 1 1d o 作为实时控制参数的理论依据 构成活性污泥法有3 个基本要素，一是引起吸附和氧化分解作用的微生物，也就是活性污泥；二 是废水中的有机物，它是处理对象，也是微生物的食料；三是溶解氧o ) ，没有充足的溶解氧，好 氧微生物既不能生存也不能发挥氧化分解作用1 2 5 1 。微生物降解有机物所需的氧气是通过曝气设备传 递到溶液中的，然后才被微生物利用。 在污水生物处理系统中，氧是难溶的气体，它的传递速率通常正比于溶液中的饱和浓度差，而 溶液中溶解氧的变化速率又与氧传递速率密切相关。污水生物处理过程中，根据污水中溶解氧浓度 的变化，可以把供氧方式分为恒定曝气量和恒定d o ，目前绝大部分污水厂采用的是恒定曝气，污水 中的溶解氧随时间变化。由于污水中的微生物要耗氧，因而氧的传递方程变为： d d o d t = 础乙( d 一d o ) 一y 或d d o d t = a i c ( p d o s d o ) 一， ( 1 6 ) 式中：dd o d 卜一污水中氧的变化速率，m g l ： k i 广氧的总转移系数，l s ： d o s w 一污水中的溶解氧饱和浓度，r a g l ； d o s 清水中的溶解氧饱和浓度，r a g l ； d i 卜污水中的实际溶解氧浓度，m g l ： a - k i 。的修正系数； b 哪s 的修正系数； y 微生物的需氧速率，m g ( l h ) 当曝气量和k t a 不变时，反应器内混合液的实际溶解氧浓度越小，单位容积内氧的转移速率越大， 转移的氧均被微生物利用降解污染物，说明耗氧速率增大，间接地反映出污染物降解速率的增大。 微生物对氧的需求不仅仅在降解污染物时，同时，微生物为了维持自身的生命及生长繁殖而进行的 新陈代谢活动也需要氧，即内源呼吸。因此，可以看到，d o 在整个生物处理过程中，起着非常重要 的作用，它的变化必将对生物反应的进程产生影响。 综上，可以通过污水处理过程中d o 的变化，预测反应器内污染物的降解情况，从而控制曝气 量和曝气时间。因此，应用d o 作为污水处理实时控制参数在理论上是可行的。应用溶解氧d o 对 污水处理过程进行控制，在满足有机物降解以及硝化的需求上，控制d o 以得到缺氧或厌氧环境， 满足反硝化与厌氧释磷的要求，将既可节省能耗，又能保证出水水质。 1 3 1 2o r p 作为实时控制参数的理论依据 对生物处理系统而言，o r p 已不再是一个热力学平衡概念，也不能作为某种氧化物和还原物的 浓度指标，但它可以对整个系统的氧化还原状态给出一个综合指标，这为讨论o r p 与生化反应进程 的相关关系提供了理论依据，其在污水处理过程中的变化规律，能够反映出微生物降解污染物的情 况，可以作为污水处理的实时控制参数。 j o s e p hc h a r p e n t i e r 等人的研究结果表明，在污水处理系统中，只有有机物、硫化物和氮的化合 物会发生氧化还原发应，经历氧化还原电位的转变。其中有机物的还原性最强，因此也最容易被氧 化；而含氮化合物最难被氧化，氧化氨氮需要较高的氧化还原电位。 从微生物角度看，在硝化过程中，氧化还原电位不断升高；在反硝化过程中，氧化还原电位不 7 东南大学硕士学位论文 断降低。在电位的升高与降低中，微生物完成电子的传递。 含磷化合物( 指h 2 p 0 4 、h p 0 4 2 - 、p 0 4 弘) 不会发生氧化还原发应，但是含磷化合物的状态会影 响o r p 的高低。在厌氧条件下，随着p 0 4 的释放，o r p 降低，含p 0 4 3 p 越多，则o r p 越负，反之 亦然。随着污水中可利用的有机酸的消耗，p 0 4 3 - p 浓度达到最大值，o r p 值达到最小值。在好氧 段进行的磷吸收中，p 0 4 3 p 浓度逐渐减小，o r p 曲线上升，达到稳定状态后，当t p 图3 - 1 驯化阶段c o d 变化趋势 l3 581 0 1 2 1 5 1 71 92 22 42 62 93 13 3 培养时间( d ) 图3 - 3 驯化阶段t n 变化趋势 1 8 0 3 加6 0 喜耋 麟 2 0 0 1 邑 糌 4 0 鬟 2 0 o l 358l o l 2 1 5 1 7 1 92 2 2 42 6 2 93 13 3 培养时间( d 图3 - 2 驯化阶段t p 变化趋势 1 芭 镁 4 0 嚣 2 0 0 l 3581 01 2 1 51 7 1 92 22 42 62 03 l3 3 培养时间( d ) 图3 4 驯化阶段n i - h + - n 变化趋势 由上面四组变化趋势图可以看出，驯化初期，各污染物的去除率不高，c o d 去除率在7 5 左 右，t p 去除率为2 0 ，t n 去除率2 5 ，n h 4 + - n 去除率6 5 ，这主要有两方面的原因：第一，原 曝气池污泥中的微生物对泥水自循环型阶式a 2 o 工艺运行方式的适应要有一个过程，所以可能在 接种驯化初期表现为不适应而导致效果不理想；第二，驯化初期的污泥浓度比较低，m l s s 只有2 5 0 0 m g l 左右，微生物较少。 1 5 o o o 0 0 o 5 4 3 2 1 o (165趟翟卜 一零一哥笾求 伽 柏 加 o (1，b山)毯艇ooo 帖；巧加侣伯5 o 诣：5j；筋寻侣竹5 o 东南大学硕士学位论文 随着污泥培养的进行，泥水自循环型阶式a 刁f o 工艺装置的处理效果不断提高。驯化后期，c o d 、 t p 、t n 、n h 4 + - n 的去除率分别在8 5 、7 5 、5 0 、9 0 左右。出水c o d 在5 0 m g l 以下， n i - h + - n 低于5 m g l ，这两个指标达到城镇污水处理厂污染物排放标准( g b 18 9 18 2 0 0 2 ) 一级a 标准要求。出水1 1 p 在l m g l 以下，t n 在2 0m g l 左右，基本达到城镇污水处理厂污染物排放 标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级b 标准要求。且出水效果趋于稳定。这表明接种污泥已经适应了反应 器状态的变化和运行方式，即为驯化阶段结束，开始下面的试验。 污泥培养驯化过程中，反应器内污泥量逐渐增加，污泥沉降比相应提高。至驯化后期，装置l # 池内活性污泥浓度在4 0 0 0 m g l 左右( 上半周期内各个池子的m l s s 变化情况见图3 5 ) ，污泥沉 降比达到2 2 左右，污泥指数s v i 基本稳定在5 5 左右，活性污泥絮体密实，沉降性