（环境工程专业论文）厌氧折流板反应器脱氮除磷性能研究.pdf

厌氧折流板反应器脱氮除磷性能研究 摘要 厌氧折流板反应器( a b r ) 是一种新型高效的厌氧生物反应器。目 前国内对于a b r 处理高浓度有机废水的研究已经有不少，但是对其在脱 氮除磷处理效果的研究却较少。 本论文在总结前人研究成果的基础上，研究了a b r 反应器的启动稳 定运行各运行参数特性，着重研究了a b r 反应器的脱氮除磷效果，并于 增加好氧后处理的脱氮除磷效果进行了对比。 实验结果表明，a b r 反应器在低负荷条件下启动，在整个启动及稳 定运行阶段都应严格监控各格室的p h 值变化，及时调节p h 值至6 5 7 5 ，以防止反应器的酸化：a b r 反应器在3 0 时运行良好；在a b r 的 稳定运行阶段，当进水c o d 为3 0 0 0 m g l ，h r t 为2 4 h ，温度为3 0 时， c o d 的去除率可高达9 9 1 ：a b r 反应器的第2 格室的产气量最大，平 均为1 1 8 8 l d ；a b r 反应器对污泥的截留能力较强。在脱氮方面，由于 a b r 反应器中厌氧颗粒污泥存在，氨氮的去除率一般在7 0 8 0 ，当加 入尿素时，氨氮去除率明显下降，甚至出现负值；增加好氧后处理，此 时氨氮的去除率稳定在9 5 左右。在除磷方面，由于聚磷菌厌氧放磷的 特性，a b r 反应器的总磷去除率为负值；增加好氧后处理，总磷的去除 率可达8 0 8 5 。 关键词：脱氨除磷：厌氧折流板反应器；颗粒污泥；格室；好氧后处理 s t u d yo nn 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 na n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r a b s t r a c t a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) i san e wk i n do fh i g hr a t ea n a e r o b i c b i o l o g i c a lr e a t e r t h e r eh a v e b e e nm a n yr e s e a r c h e so nt r e a t m e n to fh i g h s t r e n g t ho r g a n i cw a s t e w a t e ri na b ri nd o m e s t i c ，b u tf e wr e a s e a r c h e so n n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a li na b r o nt h eb a s i co fp r e v i o u sr e s e a r c h e s ，w es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s t a r t - u pa n ds t e a d y s t a t e h i g h l ys t u d yn 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 na b ra n da f t e ra e r o b i cp o s t - t r e a t m e n t t h ee x p e r i m e n g t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ta b rs h o u l db es t a r t e du n d e rl o wl o a d i n g a tt h es a m et i m e ，p hs h o u l db e s u p e r v is e ds t r i c t l ya n ds h o u l db ea d j u s t e d b e t w e e n6 5a n d7 5i no r d e rt oa v o i dt h ea c i d i f i c a t i o nt o o c c u r a b r o p e r a t e dw e l lo n3 0 d u r i n gt h es t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c e ，w h e nt h ec o d a n dh r t ，t e m p e r a t u r ea r e3 0 0 0 m g l ，2 4 h ，3 0 t h ee f f i c i e n c yo fc o d r e m o v a lc a nr e a c h9 9 1 t h eg a sp r o d u c t i o ni s v e r yh i g hi nt h es e c o n d c h a m b e ro fa b r ，c a nr e a c h11 8 8 l da v e r a g e a b rh a st h ea b i l i t yt ol o w g r a n u l a rs l u g d ew a s ho u t o nn i t r o g e nr e m o v a l ，t h er a t eo fn i t r o g e nr e m o v a l r e a c hb e t w e e n7 0 a n d8 0 i na b rb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fg r a n u l a r s l u g d e w h e nw oa d d e dc a r b a m l d e ，t h er a t eo fn i t r o g e nr e m o v a lq i c k l yf a l l ， e v e nu n d e r0 ；a f t e ra er o b i cp o s t - t r e a t m e n ，t h er a t eo fn i t r o g e nr e m o v a la b o u t 9 5 o np h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h er a t eo fp h o s p h o r u sr e m o v a lu n d e rz e r o ； a f t e ra e r o b i cp o s t t r e a t m e n ，t h er a t eo fp h o s p h o r u sr e m o v a lc a nr e a c hb e t w e e n 8 0 a n d8 5 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 ；a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ；g r a n u l a r s l u g d e ：c h a m b e r ；a e r o b i cp o s t t r e a t m e n t 插图清单 图1 1 厌氧微生物处理过程中有机物转化示意图 图1 2a b r 反应器结构示意图 图i 3 各种类型的a b r 反应器 图2 1 生物除磷机理图解 图3 1a b r 的实验装置图 图3 2 厌氧颗粒污泥及内部菌丝电镜照片 图3 3 甲烷气量测定装置 图4 一l 实验配水c o d 浓度变化曲线 图4 2 启动阶段进水c o d 浓度和c o d 去除率的变化曲线 图4 3 启动阶段反应器出水c o d 浓度变化曲线 图4 - 4 启动阶段h r t 对c o d 去除率影响的变化曲线 图4 5 启动阶段温度对c o d 去除率影响的变化曲线 图4 - 6 稳定运行阶段的进水c o d 浓度和c o d 去除率的变化曲线 图4 7 稳定运行阶段反应器出水c o d 浓度变化曲线 图4 8 稳定运行阶段h r t 对c o d 去除率影响的变化曲线 图4 - 9 稳定运行阶段温度对c o d 去除率影响的变化曲线 图4 1 0 稳定运行阶段a b r 进、出水氨氮浓度的变化曲线 图4 。1 1 稳定运行阶段a b r 氨氮去除率变化曲线 图4 1 2 稳定运行阶段a b r 总磷去除率变化曲线 图4 13 好氧曝气阶段c o d 去除率的变化曲线 图4 1 4 好氧曝气阶段系统进、出水氨氮浓度的变化曲线 图4 1 5 好氧曝气阶段系统出水氨氮去除率的变化曲线 图4 1 6 好氧曝气阶段系统好氧后总磷去除率变化曲线 图4 1 7 a b r 系统中p h 值的变化曲线 图4 18 第一格室中的酸化污泥( 1 0 4 0 ) 图4 1 9 第一格室中的颗粒污泥( 1 1 0 ) 图4 2 0 第一格室中颗粒污泥的灰白色外膜( 1 0 x 4 0 ) 图4 2 1 第二格室中的颗粒污泥( 1 1 0 ) 图4 2 2 第二格室中的颗粒污泥( 1 0 1 0 ) 图4 2 3 第二格室中的颗粒污泥( 1 0 4 0 ) 图4 2 4 第三格室中的颗粒污泥( 1x1 0 ) 图4 2 5 第三格室中的颗粒污泥( 1 0 1 0 ) 图4 2 6 第三格室中的颗粒污泥( 1 0 4 0 ) 图4 。2 7 第四格室中的颗粒污泥( 1 1 0 ) 一 一 一 一 一 = | ， 一 一 一 一 一 一 一 一 o“md筋拍嬲如如儿轮”拍弘粥弛”如钉铊们们钙甜帖钙们 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 第四格室中的颗粒污泥( 1 0 1 0 ) 第四格室中的颗粒污泥( 1 0 4 0 ) 第五格室中的颗粒污泥( 1 1 0 ) 第五格室中的颗粒污泥( 1 0 1 0 ) 第五格室中的颗粒污泥( 1 0 4 0 ) 稳定运行各格室产气量的变化曲线 4 6 4 6 4 6 4 7 4 7 4 8 表3 表3 一 表3 表4 一 表格清单 人工合成葡萄糖废水营养母液配方 人工合成葡萄糖废水微量元素母液配方 所投加厌氧颗粒污泥的性能 a b r 反应器运行条件 2 1 2 1 2 2 2 8 独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 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， 也不包含为获得盒胆业厶堂或其他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谢意。 学位论文作者签名：与沪t w 签字时间：矿；年钿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g b 些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权金日b 些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保留的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名毒勉 签字时间：形2 年占月 日 学位论文作者毕业后去向 上作单位： 通讯地址： 导师签名 签字时间 电话 邮编 日鳓l 加 允 年 1 n g 一。 致谢 在本论文完成之际，首先要衷心感谢导师周元祥副教授! 周老师崇高的敬 业精神、严谨的治学态度、求实的工作作风和渊博的学识都令我深感钦佩，并 将受益终生。整个研究生的求学生涯中，在导师周元祥副教授的教导下，使我 对环境工程的整个研究领域有一个比较深刻的认识和了解，特别是我在进入论 文阶段，周老师一直不辞辛苦地给予我指导和讲解，使我对水污染控制技术有 了更为深入而全面的认识。在周老师的悉心指导和关心下，我的毕业论文才能 得以顺利的完成。在此谨向导师致以深深的谢意，感谢导师为本文所倾注的心 血和三年来对我的辛勤培养、学业上悉心的指导以及生活上无微不至的关怀! 特别感谢崔康平、许为义老师在论文课题研究过程中对我的指导和帮助， 感谢孙世群、钱家钟和彭书传老师在论文开题和研究过程中给予我的建议和指 导i 感谢师妹江涛同学及同窗好友曲春风、刘建平同学，在他们的帮助下，我 的学习和研究少走了很多弯路，并最终使毕业论文得以顺利完成。 感谢施晶俊、方玲玲、童晓庆、刘俊、陈凯及好友于鹏同学，他们在学习 和生活学习中给予了我极大的帮助，使我度过了许多的快乐时光。 感谢父母亲人多年来支持和鼓励我的学业以及为此付出的劳动和心血! 感谢在我攻读硕士学位期间在学业和生活上支持和关心过我的老师和同 学! 感谢所有关心和帮助过我的人! 作者：席颖 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 氮、磷污染是引起水体富营养化的主导因素，进入水体的氮磷主要来自于 入和家禽、家畜的排泄甥，二 竖废求，农鹫缀流造成的氮、辚滚失等。睫着工 农遂生产熬发震帮久叠豹溪长，表照氮、磷瓣辩豹麓强量增宓瑟，及工篷帮民雳 的含磷洗涤剂的耗用量i 琏遵的上升，造戚避年来内陆河流、湖泊和近海水域发 生水华、赤潮现象，引起水体的溶解氧下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量 死亡。死亡的水生生物在微生物的作用下腐烂、分解，营养素又释放水中，形 成氮、磷营养物的循环和积羼。水体一旦富营养化后便难以治理，已成为当今 承繇凌污漆懿突塞彝蘧，黼诧，对污东款麟氮涂磷楚理裁显缮笼为重要，国家 制定了耱应靛撵敖标准，对氮、磷污染实藏严疆的控裁和管攥。 污水中去除氮磷的方法，大致可分为生物法和物理化学法两类，其中典型 的生物法有a 2 o 法、s b r 法等。近年来脱氮除磷的方法以a 2 o 法甚为流行， 并产生了许多以a 2 0 法为核心的衍生工艺。但是a 2 o 法也存猩一定的缺陷， 由于冀嬲滚毙较大，以致造成水力停留时闻斡缝短，系统中水滚速度搬快，茨 氧污澹在东浚懿渖鹾下漉失严重，生镑污落簸整经戆差，获蠢影稚了a 2 0 工 艺系统的正常运行。出于此原因，很多脱氮除磷的a 2 ，o 工黻没有达到预期的 处理效果，甚至有的地方无法运行而而闲置。 为了能够更好的防止水体的富营养化，脱除水体中的氮、磷，各国的科学 家进行了大量的实验，研究器种厌氧工艺与虫孑氧工艺的组合，如接触厌氧反应 器法、获氧溪瞧污淀法，稳这些方法在毫嚣滚毙戆 毒援下，郝不舞罄疫夔存在 污泥流失爨大，生拐截留秣筏差豹缺点。邈j 玩，在水俸豹鹣氮除磷成为熬点静 今天，离散脱氮除磷新工范的研究开发也就成了当务之急。 1 1 生物脱氮除磷研究概况 对于食氮痰水静磅究从上整纪裙藏已经开始了，当嚣蓬漆癸含氮凌承静楚 理方法蠢缀多，主要有生物处理法、欢魏法、气提法、离予交换法、新点热戴 法等。而叉以生物脱氮法黢为经济有效。在翮内，华东理工大学的曹国民”l 对 碳源循环单级生物脱氮技术进行了研究，实现单级生物脱氮和碳源的循环利用。 青岛建筑工程学院的张波睇j 对a 2 0 工艺进行了倒置，由常规的a 1 a 2 o 工艺 变化为a 2 a 1 1 0 工艺，经研究表明将缺氧段放嚣予厌氧段之前，脱氮除磷效果 爨予攀簇豹a 2 ，o 工艺。 謦辨污隶生物除磷研究始于6 0 年代，在7 0 年代逐步开发成一系弼的生物 除磷工蕊，并于8 0 年代发展成为污水处理领域竟相研究和推广应用的热点。但 当前发展的趋势，都以生物学处理法以及生化举和物理化学法相互结合，以达 到高度脱氮除磷的目的口】。生物法是利用聚磷荫等微生物的生理活动来实现除 磷的，目前流行的舆有一定代表性的脱氮除磷方法为a 2 o 工艺( 改良的 p h o r e d o x 工艺) ，厌戴、遗将圆滚污泥中磷释塞，在好氧段合戏遴入含磷缨照； 循环水为硝化液在缺氧段脱氮。聚磷微生物有效释磷水平的充分与否，对于提 高系统的除磷能力其有极端重要的意义钔。但这类方法也存在出水水成不稳定 的问题，后来又发震了如p h o s t r i p 法的生物化学处理工艺。此外还有s b r 法等 一些工艺方法。 1 2 厌氧生物处理技术发展简介 入们将获氧生秘韪理技术矮子废永处理并对箕进行系统静耱究始予i 9 世 纪下半叶，至今己有一百多年的历史 4 4 。近3 0 年来，随着人们对厌氧技术原 理谈识懿瀑入帮生物科学按零豹发矮，获氧生物菠应器技术褥淤飞速发浸，势 高浓度工业有机废水和生活污水的工业化处理提供了重要手段。厌氧反应器的 发展缀历了以下几个除段j 。 ( 1 ) 第代厌氧反应器 上世纪来，人们已经认识至i 沼气的产生是一个微生物学过程。1 8 9 6 年英国 出现了第一虞用于处理生活污水的厌氧消化池，所产生的沼气用于街道照明r ”。 至1 9 1 4 年，美国有1 4 座城市建立了厌氧消化池。二战结束后，厌氧处理技术 的发震又掀越了一个高潮，1 9 1 0 年至1 9 5 0 年高效的、可加温和搅拌的消化池 得到了发展 8 】。4 0 年代在澳大利亚出现了逑续搅拌的厌氧消化浊，改善了厌氧 污混每废东韵混台，疆离了处理效率。僵在本质上，反应器中徽生物与废水或 废料魁完全混合再一起的，污泥在反应器熙的停留时间( s i u ) 与废水的停留 霾寸闯( h r t ) 是耀嗣靛，困诧污淀在反瘟嚣里浓霾较蕉，处理效采差。滚永在 反应器中停留几天到十几天之久。此时的厌氧处理技术主蹑用污泥与粪肥的消 纯，它滏不戆经济黪兵l 予工渡废本处理。5 0 年钱中麓疆究拜发了沃氧接懿反应 器。该反应器是在连续搅拌的基础上于出水沉淀池中增设了污泥阐流装溉，使 部分厌氧污淀又重瑟返厦反应嚣中，鼓恧蜷大了反应器中厌氧污淀夔浓度，镬 厌氧污泥在反应器中的停留时间s r t 第一次大于水力停留时间h r t ，因此其处 理效率和负荷显著提褒。这是厌氧处理技术啦一个重要发展。就反应爨中污淀 浓度通过固液分离，阐流而提高这一点来说，厌氧接触工艺与好氧活性污泥工 艺颇为类似。标志着现代废水厌氧处理技术的诞生。这些反应器称之为传统厌 氧反澎器或第一代获氧反应嚣。 ( 2 ) 第二代厌氧反应器 生物工程中露定纯技术静发矮使天翻认识到掇离反应器肉污混浓度的重要 性，于是基于微生物固定化原理的第二代厌氧反应器即高效厌氧反应器彳罨以发 震，这一时蘩瓣爱氧获应器以获氧生耪滤澈( a n a e r o b i cf i l t e r ，麓拣a f ) 帮上 流式厌氧污泥床反应器( u p - f l o wa n a e r o b i cs l u d g e b l a n k e t ，简称u a s b ) 为代表。 1 9 6 9 年j 。e 。y o n g 帮p l m c c a 牲y 开发磷究豫了瘸子生产瀚茨氧生物滤洼a f ， 首次开发了厌氧生物膜法，增大了污混龄，提高了处理效率，这慰现代厌氧生 物处理技术发展的一个里程碑，开创了在常温下对中等浓度有机废水的厌氧生 秘齄理，大大撩震了厌氧生麓处理技术在工韭袋永处理帮城市污水处理的应麓 范闯。l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年代末开发上流式厌氧污泥床反应器u a s b ， 生物固体斡颗粒让开鼹了全毅憋生物固定佑途径，放而大大提高了茨氧生甥爱 应器的有枫负荷，极大地推动了厌氧生物处理技术的工业应用。a f 和u a s b 都能够保持大量的厌氰污泥并且将h 蹦和s r t 分离，s r t 可延长至几十天甚 至上吾天，弱瑟童镬厌鬣处瑾毫浓度废东静 l 勰献过去熬a 卡天或尼天缩短至凡 天麓至几小时。这一时期还开发出了一魑其它类型的厌氧反应器，2 0 世纪7 0 年代中期p r e t o e r i o u s 和m c c a r t y 开发出了厌氧生物转盘：之后m c c a r t y 又在此 基蚕窭主子1 9 8 1 年袭避开发密了厌氧叛流蔽爱应嚣( a n a e r o b i cb a 壤e dr e a c t o r ， 简称a b r ) ，由于种种原因，这些厌氧反应器在实际工程中的应用不如a f 和 u a s b 反应器那样广泛，尤其怒a b r 反应器，到髓翦为止很少有关予生产性瓣 研究报导。人们将上逑几种葳应器厌氧馘定膜膨胀床反应器 a a f e b ) 、厌氧 生物转盘、厌氧垂直折流式反应器、下行式固定膜反应器( d s f f ) 、上流式厌 氧污淀痣过滤器积厌媛滚讫廉反应器( a f b r ) 统称为第二l 弋菠襞空凌处理反 应器，第二代厌氧生物反应器驹开发关键是尽量提高反应器中的生物量，并强 化传质作用，以加速基质从废水向微生物细胞内的传递过程，保持进水与厌辍 污淀润黥竟分接霆垂。出子匿土特点，第二：二饩厌氧空耱反寝器褥到了逡速发震， 并广泛应用于中温条件下处理满浓度有机废水及常温下处理中、低浓度工业废 水和生活污水l 9 - 3 6 j 。 f 3 ) 第三彳弋厌氧菠应器 为满足厌氧反应器的高效运行就必须使进水和反应器内的污泥之间保持良 好接触。为此，首先碰该保证反应器毒承敕均匀性。这样可以最大蔽度遗避凫 疆流。由予新型高厌氰反应器内不用机械搅拌，反应器内的混合彳乍用由进水混 合和产气扰勘来完成。当进水无法采用高的水力年h 有机负荷时，比如低温下只 毙袋鼹低受麓，霞雩导承滚露产气瓣援动作翔溅小、污泥藤囊装混台强发凭、短 流效应加剧，正是对遮一问题的研究才开发出了第三代厌氧反应器。荷兰农业 大学的l e t t i n g a 教授又开始研究队微生物固定化和废水混合效率为熬础的第三 俄凝型毫效厌氧生糖反应鑫，第三伐厌氧反应嚣瞄彩敝鬏粒污淀褒e g s b ( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e d ，简称e g s b ) 、厌氯升流式流化床( a n a e r o b i cu p f l o wb i o b e d ) 謦t l 厌氧虑循环反应( i n t e r n a lc i r c u l a t i o na n a e r o b i cr e a c t o r ，简称 i c ) 为代表，镳们都是在u a s b 的基穑上开发出来的。e g s b 反应器仅仅是在遮 行方式上与u a s b 不同，它是在高的上升流速( 一般可达5 - 6 m h ，有时更高达 1 0 r u t h ) 下使颗粒污泥处予悬浮状态露保持了进承与鬏粒污淀瓣充分皴：i c 反旋 器则是由2 个u a s b 反应器单元重叠而成，底部单元处于极端高负荷，上部单 元处于低负荷，在反应器内部能够形成流体循环，使得有机物与颗粒污泥之间 的传质道程加强；厌氧升流式流化床反应器介于流化床和u a s b 之间，可以在极 高的求鞠气体鲍上升流速( 5 - 7 m h ) 下产生和僚持颗粒污泥，馒褥避水和污泥之 阙受好滠台。麸获氧反藏嚣发震过程孛可以反浚警在不藏豹狳段蒗遗戆重点有 所不问：在第一阶段主臻怒为了分离污混侉爨时间s r t 和水力停留时间h r t ， 减小水力停留时间h r t 就能够减小反应器的裙积；第二阶段主翳是使反应器内 能够持有大量的活性污泥以提高负荷增强处瑕效果；第三阶段主要是为了加强 污泥和废水之间的混合接触以提高传质效率，最终目的仍然楚为了提高处理效 率。慧之，厌氧反应器懿发震过程中始终黧缓鏊三令方嚣撵褰反应器鳇污淀 承度稻受蘅、将s r t 与h r t 分离并尽哥艉延长s r t 、逡灏瘸水流与产气 的搅拌作用取代机械搅拌。 l e t t i n g a 教授在预测未来厌氧反应器的反展动向时提出了一个极具潜力和 挑战性的新工艺思想，即分阶段多相厌氧工拔( s t a g e dm u l t i p h a s e a n a e r o b i c r e a c t o r ，篱称s m p a ) 3 7 1 。 s m p a 豹瑾谚愚鼹楚： 各缴分隔的单体中培养出合适酶厌氧细蔺群落，以适应相应的底物组分及 环境因子。 防止在各个单体中独立发展形成的污泥互相混合。 各个单体晦的产气互姻隔开。 二f = 艺滚翟更接透于攥滤式，系统函瑟黧有委毫懿去除攀，蠢汞泰矮更舞。 1 , 3 厌氧生物处理的原理及工艺特点 厌飘生物处理是在没有游离氧存在的条件f ，兼性菌与厌钒菌降解和稳定 有机物的生物处理方法。在厌氧生物处理过嘏中，复杂的有机化合物被降解、 转化为麓攀躲讫合物，阉列释放裴量。在这个过程中，有攫物的转 皂分为三部 分逡行：都分转位为c h 4 ，这是一耱可撩气 搴，可鼓霾收稳鲻：还存部劳祓分 解为c 0 2 、h 2 0 、n h 3 、h 2 s 等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被 转化、合成为新的原生质的组成部分【3 8 】。 废承厌氧生物处理过程中有机物的转化如图1 1 所示。 4 有机物+ 微生物 ( c 、o 、h 、n 、s 、p ) n i - 1 3 、h 2 s 等 长 台成 产酸阶段 产气阶段 图l - i 厌氧微生物处理过程中有机物转化示意图 长 与传统的好氧处理工艺相比厌氧处理工艺具有如下优点【3 9 ： ( 1 ) 好氧工艺以氧气为主要的氧化剂分解有机物，提供微生物可利用的能 量。因此，好氧活性污泥法必须进行高强度的人工曝气，消耗大量的动力，运 行费用昂贵。厌氧工艺则以代谢产物c 0 2 为主要的氧化剂，还原产物为c h 4 。 厌氧过程最终产物为沼气。由此可以看出，厌氧处理不但能源需求很少而且能 产生大量可资利用的能源。 ( 2 ) 与好氧工艺相比，由于物质、能量代谢方式途径不同，厌氧工艺中仅 有相当于1 0 左右的底物当量用于合成生物细胞体，其余的底物除在细胞合成 时提供能量外，大部分转化为可资利用的沼气形态。而在好氧工艺中，则约有 5 0 的底物当量转化合成新的生物细胞体。因此，厌氧工艺的剩余污泥量远少 于好氧工艺。污泥经过厌氧处理后，性质稳定，易于脱水，污泥处置费用底。 ( 3 ) 厌氧过程对营养元素要求底，在处理某些营养元素不平衡的工业废水 时，用于额外添加营养物( 如n 、p ) 的费用低。 ( 4 ) 适于处理高浓度废水，处理效率高。 ( 5 ) 投资成本一般较低，运行管理费用也大大低于好氧工艺。 ( 6 ) 由于厌氧工艺中细菌组成的多样性，代谢途径的多样性，许多在好氧 工艺中难以降解的复杂有机物在厌氧工艺中可以被j j n n 降解。厌氧水解过程还 有助于提高废水的可生化性，常用于对工业废水进行预处理。 关于厌氧处理工艺的缺点，先前的观点认为，厌氧反应器启动困难，日常 操作维护工作复杂。但现在随着研究的深入和技术的进步与普及，这方面的问 题已基本解决。例如，以现成的颗粒污泥接种，u s b a 可以在几星期内完成启 动，日常操作维护处理也已积累了相当的经验。而且随着越来越多的u s b a 反 应器投入运行，颗粒污泥接种源的取得也变得越来越容易了。 1 4 厌氧折流板反应器a b r 研究进展 2 0 世纪8 0 年代初，美国s t a n f o r d 大学的m c c a r t y 4 0 及其合作者在厌氧生 物转盘反应器的基础上改进开发出了厌氧折流板反应器( a n a e r o b i cb a f f l e d r e a c t o r ，简称a b r ) 。它集当今在全球风行的上流式厌氧污泥床和极有应用前 途的分阶段多相厌氧反应器技术于一体，不但大大提高了厌氧反应器的负荷和 处理效率，而且使其稳定性和对不良因素( 如有毒物质) 的适应性大为增强， 是水污染防治领域一项有效的新技术1 4 1 1 。 1 4 1a b r 反应器的工作原理及特点 图1 2a b r 反应器结构示意图 a b r 是在u a s b 基础上开发出的一种新型高效厌氧反应器。在a b r 反应 器内使用一系列挡板使含有机污染物的废水从流入到流出顺挡板自下而上流 4 ，这些挡板将反应器分隔成串联的几个反应室，每个反应室都相当于一个相 对独立的上流式污泥床系统( u p f l o ws l u d g eb e d ，简称u s b ) ，废水进入反 应器后沿导流板自下而上折流前进，顺序通过每个反应室的污泥床，废水中的 有机基质与每格室的微生物充分接触而得到降解。借助于废水流动和处理过程 中产生的沼气使反应器内的微生物在折流板所形成的格室内作上下膨胀和沉 淀作用，但是由于导流板的阻挡和污泥自身的沉降性能，污泥在水平方向的流 速极其缓慢，从而大量的厌氧污泥被截留在反应室中 4 2 - 4 4 1 。由此可见，a b r 是一种由多个格室组成的连续式结构，虽然在构造上可看作是多个u a s b 的简 单串联，但在工艺上与单个u a s b 有着显著的不同，a b r 整体上更接近于推流 工艺，u a s b 可近似看作是一种c s t r ，而a b r 则更接近于推流式工艺。后者 不仅具备良好的复合流态特性，而且是一个多相运行反应器【45 1 。 a b r 反应器独特的分格式结构使得每个反应室中可以驯化培养出与该反 应室中的污水水质、环境条件相适应的微生物群落，从而导致厌氧反应产酸相 和产甲烷相沿程得到分离，使a b r 反应器程整体性能上相当于一个两相厌氧 处理系统。通常认为，两相厌氧工艺通过产酸相和产甲烷相的分离，两大类厌 氧群落可以各自生长在躐邋宜的环境条件下，有利于充分发探厌氧群落的活 性，撼离系统的处理效暴觏运行的稳定性。 渣肇大学豹黄永蘧 4 6 1 汲囊毪较分撬了s m p a 愚想蠢a b r 瓣瞧能特煮，谈 为a b r 完美地实现了s m p a 的要点，是一种极有前途的高教魇氧反应器。总 的来浇，a b r 的优点表现在如下几个方面【4 “”j ： 、构造方面：设计简单：没有移动部分；同传统的厌氧消化池相比无需 动力搅拌设备，也不需额外的澄清沉淀池；旗建费用低；空隙率赢；大大降低 反应器发生堵塞约可裁性；强以大疆菠降强污淀庆发生澎藏熬可戆往；维护翟 运行费蠲低。 、污泥方面：因为脊捎板的拦阻作用及通过对折流板间距的理设置( 水流 在上向流室上升流速相对较小) 为污泥的沉降和截留创造了个良好的条件， a b r 反应器内能截留大量的微生物，所以反应器不要求其中的污泥具备特殊的 沉降性能，也就是说反应器正常运行时，不簧求必须形成颗粒污淀，但是正常 运孳亍弱a b r 麓形减颡靛污混；污涯产率糕；弱镩箨整时瘸长；无震采弼沉淀 池束截流污泥；无需特殊的气体或固体分离设备。由于折流板良好的滞留微生 物的能力和污泥良好的沉降性能，再有a b r 中的微生物环境鼹有良好的生物 级配，a b r 对冲击负荷的邋应性很强。 、运行方面：水力傍鼹时间短；可以闯歇式运行；具有非常强的抗水力 泞壹受棼姥力；对遴东中鼹食骞兹有毒毽瑷爨蠢较强夔缓净邋应麓力；霹 冀长 薅闻运行丽不必担心污溅会大量流失；对有褫负荷冲击具有非常强的承受麓 力。 1 4 2a b r 反应器的发展历程及研究动态 a b r 蠢蚨阕世以来，诲多秘礤久是霹a b r 反应器浚结筏作了多耱改送觅鼙 l 一3 ) ，箕嚣豹在于：援离它豹性能、处瑾菜魏特掰难处理静滚水或节约成本。 在t 9 8 1 年，f a n n i n 等人1 5j j 在处理高固体浓度海藻泥浆水的殷应器内加设了 垂直板( 图1 3 ( c ) ) ，以提离反应器截留大量产甲烷生物体的能力，这些生物体 生长缓慢鼠不断被进水中圊体物质代替。在后期的研究中，b a c h m a n n 等人 5 2 1 分别研究了减小下向滚室爨度帮增搬导滚板砉筇角对反应器运行。陵笺的影响( 图 i 。3 f a ) ) 。礤究表囊，经改逡爱懿反应嚣兹产气爨帮密隶楚瑾效率国有疆褰，毽 产生韵溺气中甲烷韵含堂辫低。 为了提高处理高浓度废水的固体截留能力，t i l c h e 和y a n g 替人 5 3 1 又对a b r 作了进一步的改进( 图1 3 ( e ) ) 。主要表现在：最后一格反应爨后增加了一个 沉降室。流出反应器的污混可以沉积于此；在每格室内加设填料，防止污泥 的流失；每格室产气单独收集，便于分别研究每格反应室的工作情况，同时 也保证产酸阶段所产生的h 2 不会影响产甲烷菌的活性。 ( 图1 3 ( g ) ) 则是b o o p a t h y 和s i e v e r s ( 1 9 9 1 ) 在利用a b r 处理含高浓 度细小颗粒物的养猪场废水时，对折流板反应器作了进一步改进。改造反应器 目的在于降低流体的升流速度，以减少污泥的洗出，设计了一种两格的a b r ， 其第一格的体积是第二格的两倍，第一格体积的增大不仅可以减少水流的上升 速度，而且还可以使进水中的悬浮物尽可能多的沉积于此，增加了悬浮物的停 留时间。b o o p a t h y 将这种经过改造的a b r 与另一种等体积的三格a b r 进行了 比较研究。结果表明，改造后的两格a b r 的污泥流失量大大减少，但处理效 率却不升反降。 ( 图l 一3 ( k ) ) 水平折板式反应器( h o r i z o n t a l l yb a f f i e d a n a e r o b i cr e a c t o r ) 是由y a n g 和c h o u ”4 j 于1 9 8 5 年提出的一种新型a b r 。研究表明，此种反应器 可以有效的实现固液两相的分离并且具有占地面积小、操作简单、成本低等特 点，适合处理养猪场废水这类悬浮固体浓度高的有机废水。 最新型的a b r 是由s k i a d a s 和l y b e r a t o s 5 5j 于1 9 9 8 年开发的周期性折流式 厌氧反应器( p e r i o d i ca n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ，简称p a b r ) 。p a b r 的结构 见图1 3 ( l ) 所示( 图1 3 ( l ) 一a 为p a b r 的三维轴侧图，图1 3 ( l ) b 为p a b r 的俯视图) 。p a b r 由两个同轴圆柱体构成，内外圆柱体区域被竖向导流板分隔 成若干横截面为扇形的封闭式反应区( 俯视图中两条粗黑线所央的扇形区域、， 每个反应区由底部连通的升流区( o ) 和降流区( o ) 组成，相邻的区域通过 外部的配水管相连。s k i a d a s 等人认为p a b r 最大优点是它的操作灵活性，即可 以根据进水浓度和流量的变化来选择不同的操作周期，使p a b r 工作在最合适 的状态下，以达到最佳的处理效果。 l2 n - ln b l2 n 1n l23 2 登 e 9 w 8 w 渤 l 2 i t - l n 12 n * ln e e e 牛灯_皿鋈出幽争鼐蓬酽 鳓磷 l 瀣萝 l * 图1 3 嚣种类型的a b r 反庶器 注：w 。逡求( w a s t e w a t e r ) ，b = 滔气( b i o g a s ) ，e = 整承( e f f l u e n t ) ，s = 污滋( s o l i d s ) 迄今国内一些院所学校对a b r 的有一定的研究，但均主要集中在实验室小 试，壤少有大援摸豹中试霸实酝工程中瓣实验强遴。在疲东处理方程，舞济大 学的雷中方等研究了用a b r 法处理碱法革浆黑液 6 ；四川绵阳市环境科研煅 测站龚敏等人利用a b r 工艺预处理木薯废水1 57 j ；同济大学陈洪斌等人利用工 艺处理豆裁菇疲承泌8 】；苏鲻簸蘧环保学院豹沈耀囊等人髑a b r 憝瑷赢浓废淀 粉制品加工废水 5 9 1 ，运行结果均表明经a b r 段厝，废水可生化性大大改善， c o d c r 去除效果明显，使德最终出东达撂撵放。候a b r 及应嚣进行聪氨除磷 方露的研究所见为数不多，武汉化工学院的刘大锻i 6 9 1 等人用a b r 及应器处理 生活污水，c o d c r 去隙率达7 6 6 2 ，但氨氮和磷的去除效果不理想。 霪兹国钋黠a b r 撂磅究帮废爱较多。y o u n g 懿g r o b i c k 逶；童渍拳实验磅究 了其水力特性，结果鼠示在单独讨论四氍的情况下，其死隧百分率怒随着雷诺 数增大而增离，随h r t 得减少而增高的，但返混程度加剧。w p ，b a b e r 和 d ，c + s t u c k e y 疆究了a b r 缮癌秘特毪，绣暴表明：嚣定透东蒺震浓度焉逐步缩 短h r t 的启动方式要优于确定h r t 而逐渐增大避水基质浓度的启动方式，等 等。在废水处理方面，圈外也有谗多成功的例子，比如用a b r 处理猪粪便废水、 羊罨洗涤疲承秘稼稳涵船工凌承等。 a b r 反应器在实际工程中谶一步推广之前，仍需要进行大量的试验，结合 枧理分辊，以便更深入娥了解其工艺特往。铡魏，关于a b r 反应器的聪氮除磷 效果等，还有待于迸一步深入探讨。 1 s 课题研究的意义 永体富营养化已成为当今水环境污染的突出问题，而氮、磷污染又是引起 水体富营养化的主导因索，因此各国都对污水的脱氮除磷处理高度冀视，制定 疆应瓣羹 鼓嚣壤，黠氮、磷污染蜜麓严褥蕊整裁帮警瑾。交予籍统豹瓣氮豫稀 a 2 o 工艺有替生物污泥截留性熊差、运行管理复杂等缺点，在实际的工程中暴 露的问题越来越多。 获氧辑流缀反应嚣( a b r ) 楚在u a s b 蓥稻土开发密寒的薪墅麓效厌氧毅 1 0 应器，a b r 具有工艺简单、造价较低、生物截留能力强、负荷抗冲击强、运 行管理方便、性能可靠等诸多优点。基予a b r 反应器故这些侥点，我识瓣a b r 在脱氮除磷性能方面进行研究希望找出a b r 自身在脱氮除磷方面的优点并发 现其不足，针对其不足点适当增加厝续工序以达到对污东赋氮除磷斡最镶效果。 通过实验迸一步了解整个工艺的脱氮除磷性能，为改进冀工艺掇供依据，建立 一种以a b r 反应器为厌氧核心的a b r 反应器+ 好氧曝气回流脱氮除磷薪工 艺，并为废承的厌鬣生亿赴理提出新的研究方向。 第二章生物脱氮除磷原理 2 1生物脱氮技术原理 脱氮处理是废水处理中的重要环节之一。废水中氨的去除方法有物燃法、 化学法和生物法三种，而生物法脱氮又被公认为是一种经济、有效和最有发展 前途的方法之。目前，废水的脱氮处理大多采用生物法。废水生物脱氮技术 经过凡十年豹发展，无论是在理论认识上述是在工程实践方面，都取得了很大 的进步。 传统生物脱氮途径一般麓括硝纯鞠爱硝纯两个除葭，硝纯帮菠鞘耽蔽应分 别由硝化菌和反硝化黼作用完成，由于对环境条件的要求不同，这两个过程不 戆嚣时发生，恧只毙序臻式邋孳亍，帮磷 乏反应发生在努氧条件下，反磷亿反应 发生在缺氧或厌氧条件下。幽此而发展起来的生物脱氮工散大多将缺氧区与好 氯区分开，形戏分级磷化反硝位工艺，以便磷讫与反磺纯裁够独立遮遴蟹。1 9 3 2 年，w u h r m a n n 利用内源反硝化建立了后置反硝化工艺，l u d z a c k 和e t t i n g e r 于 1 9 6 2 年提出了藩置反硝化工艺，1 9 7 2 年b a r n a r d 结合兹露嚣穆工艺又掇出了 a o 工瓮，以及后又出现了各种改进工艺如b a r d e n p h o 、p h o r e d o x ( a 2 o ) 、u c t 、 j b h 、a a a 工艺等，这些都楚典型的传统硝化反硝化工艺【6 。然褥，生物脱氮 技术的耨发展却突破了传统理论的认识。近年来的许多研究表明：硝化爱应不 仅由自养菌完成，某墩异养菌也可以进行硝化作；反硝化不只在厌氧条件下进 行，菜麓缓菌玉可在好氧条停下进行反磷讫；恧且，许多好氧反榻纯菌弱时电 是异养硝化菌，并能把n h 4 + 氧化成n 0 2 后直接进行反硝化反应。生物脱氯技 术在撅念秘工艺上戆教发震主要有：短程f 藏篱撬) 硝亿菠磷讫、蓠辩磷纯反 硝化和厌氧氨氧化1 6 2 。 2 1 1 氮化作用 含氮有枫物经微生物降熊释放出氨的过程，穆为氨位俘鼹或氮索矿化。这 厦的含氮有机物一般稽动、植物和微生物残体，以及它们的排泄物、代谢物所 食的有机氮化物。 f 1 ) 蛋自斌的分解 蛋白质的氨化过稔首先是在微生物产生的蛋白酶作用下进行水勰，生成多 肽与二敝，然后由赫酶进一步承解生成氨基酸： 蛋白麋驾多默( - - - h 表) 坚氨基酸 氨撼酸为微生物吸收，在体内以脱氨和脱羧两种基本方式继续被降解。 氢熬酸脱黛基的方式很多，在腻氨基酶懿佟爱下可通过氧诧黢氨基、或隶 解脱氨熬、或还原脱氨基作用，生成相应的有机酸，并释放出氨： r c 攀c o o h n h r - c o c 0 0 h + n h 3 r - c h o h c o o h n h ， r c h 2 c o o h + n h 3 氨基酸期通过麟羧基反瘦降解，剐形成胺类物质： r c h c 0 0 h n h ， ( 脱羧基) r - c h 2 n h 2 + n