（环境工程专业论文）序批式生物膜法对生活污水脱氮除磷的试验研究.pdf

摘要随着水体“富营养化”问题的日益突出，污水排放标准的不断紧缩。以控制富营养化的脱氮除磷已成为当今污水处理领域的研究热点之一。反硝化除磷是目前广受关注的污水生物处理新技术，基于该理论开发的厌氧缺氧好氧s b b r 反硝化除磷工艺能减少有机碳源投加量、剩余污泥产量，并减小反应器的容积。这对于提高低c n 比值城市污水的脱氮除磷具有非常重要的意义。序批式生物膜法( s b b r ) 是在s b r 的基础上发展起来的种处理工艺，该工艺具有良好的脱氮除磷性能。本课题以人工模拟生活污水为处理对象，利用s b b r 反应器实现废水的同时脱氮除磷，考察了s b b r 系统对污水中有机物、氮和磷的去除效果。在系统稳定运行基础上，探讨了进水c o d t n 、缺氧段硝酸盐浓度等因素对s b b r 系统氮磷去除效果的影响。系统采用厌氧缺氧好氧的运行方式。着重考察了系统反硝化除磷的效果，系统运行工况设定为：厌氧1 2 0 m i n 、缺氧9 0 m i n 、好氧2 1 0 m i n 、沉淀2 0 m i n 、排水1 0 m i n 。系统温度2 0 , - - , 2 5 ，水力停留时间为2 6 h ，容积负荷为0 3 k g c o d ( m 3 d ) 稳定运行的s b b r工艺具有良好的反硝化脱氮除磷性能。在进水c o d 、磷酸盐和氨氮浓度分别为：3 7 8 m g l 、8 1 3 m g l 、2 1 6 m g l 的条件下，出水c o d 、磷酸盐和氨氮浓度分别为：6 0 2 m g l 、0 9 m g l 、o 5 4 m g l ，相应去除率分别达到：8 4 、8 8 9 、9 7 ，有效的解决了废水中c o d 浓度低导致同步脱氮除磷过程中有机物不足的问题。同时，也证明了s b b r 工艺具有反硝化除磷能力。在缺氧段，不同的n 0 3 - 浓度、c o d 浓度、温度、c n 比对反硝化除磷有着不同的影响，试验数据显示，缺氧段n 0 3 投加量为3 0 m g l ，磷酸盐去除效果最好，去除率达到2 7 ；在该段c o d 浓度小于1 0 0 m g l 时，磷酸盐去除率较高；反应器温度保持在2 5，系统反硝化除磷效果较好。通过分析进水c n 比对氮磷去除的影响，得出最优的c n 比范围为6 1 0 。当进水c n 比高于1 0 时，因为缺少氮源导致不完全的去磷；当进水c n 比低于6 时，出现硝酸盐过剩现象，影响出水t n 的浓度。关键词：序批式生物膜法，反硝化除磷，厌氧好氧缺氧a b s t r a c tt h es t a n d a r d o fw a s t e w a t e rd i s c h a r g ew a sc o n t r o l l e dm o r es t r i c t l yw i t ht h es e v e r ee u t r o p h i c a t i o nq u e s t i o no c c u r r e d t o d a y , t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g ya i m e df o re u t r o p h i c a t i o nc o n t r o lh a sb e e nt h es t u d yf o c u si nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r e a d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a li st h en e wp r o m i n e n tb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e t h ea n a e r o b i c a n o x i c o x i c ( s b b r ) s y s t e mi sf u n d a m e n t a l l yb a s e do nt h et e c h n i q u eo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l t h em a i na d v a n t a g eo fs b b rs y s t e mi st h ep o s s i b l es a v i n go fa d d i n gc o da n dl e s ss l u d g ep r o d u c t i o na n dc u t d o w nc u b a g eo ft h er e a c t o r t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sb e n e f i ts i g n i f i c a n t l yf o rt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，e s p e c i a l l yf o rt h el o wi n f l u e n tc nm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw h e r et h el a c ko fc a r b o ne f f e c t st h en u t r i e n tr e m o v a le f f i c i e n c y s b b rt e c h n i q u e ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ro fs u b m e r g e db i o f i l mp r o c e s s ) n o to n l yh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e q u e n c i n gb a t c ht e c h n i q u eb u ta l s ot h ea d v a n t a g e so fb i o f i l mt e c h n o l o g y , w h i c hc h a n g et h ea c t i v a t e ds l u d g ei n t ob i o f i l mw i t hc a r r i e ri nt h er e a c t o ro nt h eb a s eo fs b r t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt h en e wt y p eb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lo fs b b r t h ee x p e r i m e n to p e r a t e dw i t hs t i m u l a n tm u n i c i p a lw a s t e w a t e rw a sc a r r i e do u t u s i n gt h es b b rs y s t e mt oa c t u a l i z et h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a ls i m u l t a n e i t y e f f e c to ft h ec o d ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw a ss t u d i e du s i n gt h es b b rs y s t e m b a s e do nt h es t e a d ys y s t e m ，e f f e c to fi n f l u e n tc o d t n ，c o n c e n t r a t i o no fn 0 3 。- n ，t e m p e r a t u r eo nt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw a ss t u d i e d t h es y s t e mc i r c u l a t eu n d e rt h ea n a e r o b i c a n o x i c o x i cm o d e ，s t u d y i n gt h ee f f e c to fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l t h ep r o c e s so p e r a t i n gc y c l ep a r a m e t e r so ft h es b b rw a s ：12 0 m i na n a e r o b i cp e r i o d ，9 0 m i na n o x i cp e r i o d ，210 m i na e r o b i cp e r i o d ，2 0 m i np r e c i p i t a b l ep e r i o d ，10 m i ne f f l u e n tp e r i o d t h es b b rr e a c t o ru n d e rt h ec o n d i t i o no ft h et e m p e r a t u r ew a s2 0 2 5 ，t h eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) w a s2 6 ha n dt h ev o l u m el o a dw a s 0 3 k g c o d ( m 3 d ) ，t h es t e a d ys y s t e mh a sg o o dc a p a b i l i t yo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h ep a r a m e t e r so fi n f l u e n ts u c ha sc o d ，p h o s p h a t e ，a m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nw e r e ：3 7 8 m g l 、8 13 m g l 、2 1 6 m g l ，t h ee f f l u e n tc o n t e n tw e r e ：6 0 2 m g l 、o 9 m g l 、o 5 4 m g l ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h e mi nt h es b b rs y s t e mw e r e8 4 、8 8 9 、和9 7 r e s p e c t i v e l y t h es b b rs y s t e me f f e c t u a l l yr e s o l v e dt h ep r o b l e mw h i c ht h el o wc o dc o n t e n tl e a dt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a ls i m u l t a n e i t yu n d e rt h el a c ko fo r g a n i c s ，t h ee x p e r i m e n tt e s t i f yt h a tt h es b b rs y s t e mh a sc a p a b i l i t yo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l i nt h ea n o x i cp e r i o d ，t h ed i f f e r e n tn 0 3 c o n c e n t r a t i o n ，c o dc o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r e ，c nr a t i oh a v ead i f f e r e n ti m p a c to nd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l t h ee x p e r i m e n td a t as h o wt h a ti nt h ea n o x i cp e r i o d ，n 0 3 d o s a g ew a s3 0m g l ，t h ep h o s p h a t er e m o v a li sb e s ta n dt h er e m o v a lr a t er e a c h e d2 7 ，i nt h i sp e r i o dc o dc o n c e n t r a t i o ni sl e s st h a n10 0m g l ，p h o s p h a t er e m o v a lr a t ei sh i g h e r ；t h es b b rr e a c t o rt e m p e r a t u r em a i n t a i n e da t2 5 d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a le f f e c ti sp r e f e r a b l yi nt h es y s t e m t h r o u g ha n a l y s et h ec nr a t i oo fi n f l u e n tw a t e ro nt h ei m p a c to fr e m o v i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，t h ec nr a t i oo f6t o10i sb e s t w h e nt h ee n t e rw a t e rc nr a t i oh i g h e rt h a n10 ，l a c ko fn i t r o g e nl e a dt oi n c o m p l e t ep h o s p h o r u s ，w h e nt h ee n t e rw a t e rc nr a t i ob e l o w6 ，l e a dt ot h ep h e n o m e n o no fe x c e s sn i t r a t e s ，i m p a c to nt h ec o n c e n t r a t i o no fe f f i u e n tt n k e yw o r d s ：s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o ro fs u b m e r g e db i o f i l mp r o c e s s ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ，a n a e r o b i c a n o x i c o x i c论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：壅对伽。子年月弓口e t论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：焦计导师签名：乏卫芍加o3年f 月3 0 日三一8 年钐月亨日长安人学硕。i ：学位论文第一章绪论1 1 课题背景水是生命活动中最重要的物质之一，是人类文明不断发展的基础条件。和谐的水环境和丰裕的水资源是人类社会可持续发展的基本前提。然而，随着科学技术的不断进步，工业文明的不断发展，人口的不断增加，人类社会正面临着严重的水危机，具体表现为严重的水资源短缺和水环境污染。水环境污染的主要特征是水体的有机污染和富营养化，特别是水体富营养化问题在世界各地日趋严重，已对水生生物和人体健康造成了严重危害。引起水体富营养化的主要营养成分有有机碳、氮、磷、钾、铁等。而污水中的有机碳经一般的生物处理后可基本去除，富营养化发生过程中对氮、磷之外的其它成分的需求量极低，不会成为富营养化的限制因子。引起水体富营养化的主要因子是氮和磷，其主要来源于农田施肥、农业废弃物、城市生活污水和某些工业废水【l 】。因此开展新型工艺研究，提高现有污水脱氮除磷处理效率，达到对污水的完全处理或降低造价和运行费用势在必行。1 2 水体中氮磷的来源及其危害天然水体中过量的氮、磷主要来自于三个途径：( 1 ) 化肥和农业废弃物。农田施肥中化学肥料使用量剧增，从而导致土壤物理性状的恶化、土块板结和土壤通透性降低、地表径流加大、大量养分流失，农业生态系统的养分流失是水体中硝酸盐的主要来源，同时还是磷的第二大来源；水上养殖要向水体投放大量富含氮磷营养元素的饵料，再加上养殖鱼、虾等的排泄分泌物成为水体产生富营养化现象的重大污染源，从而使水体氮磷营养元素污染加剧。( 2 ) 城市生活污水和某些工业废水。城市生活污水的排放，特别是大量含磷洗涤助剂的使用，使得水体中磷元素含量居高不下；工业废水中一般都含有磷、氮等有机物质。( 3 ) 由于雨、雪对大气的淋洗和对磷灰石、硝石、鸟粪层的冲刷，使一定量的植物营养物质进入水体。工业废气或汽车燃烧的尾气直接排入大气后，会造成空气中的氮、磷化合物的含量严重超标，这些化合物随雨水降落汇集到水体中，导致水体的氮、磷含量增高。水体中氮、磷量过多，不仅使得水环境质量恶化，而且还对人体健康以及动、植物的生存带来严重的危害：( 1 ) 过量的氮、磷导致水体富营养化。氮、磷能促进藻类等浮游生物大量繁殖，导致水中溶解氧锐减，鱼类大量死亡，水质严重退化，进而使淡水水体发生“水华”，伎海洋发生“赤潮”，即水体富营养化。富营养化水体中藻类迅速繁殖，第一章绪论使饮用水产生霉味和臭味，水体透明度降低，影响感官，并阻碍水体的复氧过程；许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不仅危害动物，而且对人类健康产生严重影响；藻类死亡分解腐烂时，会消耗大量的溶解氧，同时散发出恶臭。( 2 ) 水体中氮化合物对人和生物造成严重危害。如果饮用水中n 0 3 - 和n 0 2 的含量过高，能引起变性血色素症，变性血色素会破坏红血球的载氧能力，引起人体严重缺氧而导致死亡；可增加肝癌、食管癌、胃癌的发病率，主要是因n 0 3 、n 0 2 - 在自然条件下有可能转化为亚硝胺，这是一种强致癌、致变和致畸物质；还损伤人体心血管系统，并会干扰机体对维生素a 的利用，导致维生素a 缺乏症【2 1 。( 3 ) 影响水源水质，增加给水处理成本【2 1 。当以含有较高浓度氨氮的水体作为水源时，由于氨氮会与氯作用生成氯胺，从而会增加氯消耗量；有研究表明，加氯消毒过程中会生成三氯甲烷等有毒和致突变物质，加氯量越多，生成的致突变物质愈多。另外，过量的藻类会给净水厂的过滤带来障碍，导致滤池堵塞，缩短了运行周期，从而增加水处理费用。1 3 污水生物脱氮除磷理论及工艺技术现状1 3 1 传统生物除磷机理常规的好氧生物处理工艺中，废水中的含磷化合物除少部分被微生物用于自身的繁殖而随活性污泥排出，大部分以磷酸盐的形式随处理出水排入环境。由l i e b i g 的最低定律得到，磷浓度的高低将成为藻类生长的限制因子【3 】。因此，如何经济、有效地降低废水中的含磷量成为防止富营养化的关键，而生物除磷工艺就是目前最好的方案之一【4 1 。到目前为止，国际普遍认可和接受的生物除磷理论是“聚合磷酸盐( p o l y - p 累积微生物_ a o 的摄放磷原理：在厌氧好氧交替运行条件下驯化出聚磷菌( p a o ) 一类的微生物，它能够过量的，在数量上超过其生理需要的，从外部环境中摄取磷，并将磷以聚合磷的形式贮存在体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷的效果。生物除磷过程通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程，其代谢模式如图1 1 所示【4 】厌氧释磷：在厌氧条件下，聚磷菌水解体内的a t p ，形成a d p 和能量，同时将胞内多聚磷酸盐( p o l y p ) 分解，以无机磷酸盐( p 0 4 3 。) 的形式释放出去。另一方面，聚磷菌利用糖原酵产物( n a d h 2 ) 和能量摄取废水中的有机物来合成大量的有机颗粒p h b ，贮存在细胞体内。此时表现的是磷的释放，其反应方程式可以表示为：a t p + h 2 0 a d p + h 3 p 0 4 + 能量( 1 1 )2长安大学硕十学位论文v0 j ”。! ：璇镀棼缓，黢镌。毂簇黟辘j 缎掰缓；糕缓，掇磷图1 1 聚磷微生物放磷、吸磷机理图f i g u r e1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l好氧吸磷：在好氧条件下，聚磷菌利用氧化分解体内储存的p h b 而产生的能量完成繁殖代谢作用，而a d p 获得这个能量，可用来合成了a t p ；同时，聚磷菌超量吸收溶液中的磷酸盐来合成p o l y p 及糖原等有机颗粒，储存在细胞体内，此时反映出的是磷的吸收，其反应方程式可以表示为：a d p + h 3 p 0 4 + 能量一a t p + h 2 0( 1 2 )对于废水生物除磷工艺中的聚磷菌，早期的研究认为主要是不动杆菌【5 】，这种细菌的优先碳源为低分子有机物，其含磷量最高，可占干重的5 - - - 1 3 。而目前有的研究则认为【6 。，不动杆菌只是少数贮磷菌之一，在复杂的活性污泥微生物区系中，不动杆菌不是生物除磷系统中唯一能超量吸收磷的细菌，其个体数量仅占细菌总量的1 1 0 ；气单胞菌属、假单胞菌属、放线菌属( i v h c r o t h r i x ) 和诺卡氏菌属( n o c a r d i a ) 也能贮存聚磷，其中气单胞菌和假单胞菌可占细菌总量的1 6 - - - 2 0 ，革兰氏阳性菌多达2 0 - - 6 0 。c l o e t e 和s t e y n 7 】对南非c a p et o w n 北区的污水处理厂的活性污泥进行除磷能力进行测试，发现不动杆菌在数量上虽然占优势，但是与它的实际除磷能力并无直接联系，不动杆菌仅仅去除6 - - 1 6 的磷。其各菌属具体特征如下【8 】：不动杆菌属：杆状，0 9 1 6 1 5 2 5um 。静止期呈球形，也可呈不同长的链状。没有鞭毛，不能运动，革兰氏染色阴性。化能异养，严格好氧，氧为最终电子受体。广泛存在于自然界的土壤、水和污物中。摩拉氏菌属：与不动杆菌的性质非常相似，呈杆状或球状。杆菌( 1 0 - 1 5 1 5 2 5um ) ，常接近球状，通常成对或呈短链。球菌通常较小( 直径0 6 - - 1 01 tm ) ，常呈单细胞或以扁平临褐成对出现。无鞭毛，可形成荚膜，革兰氏阴性。好氧，但有些菌株可在厌氧条件下亦可生长。第章绪论气单胞菌属和假单胞菌属：二者特征如述反硝化菌属中的介绍。b r d o i s h c 在试验中还发现：只有在气单胞菌得到繁殖的情况下，除磷作用才变得明显。在聚磷菌中还有一部分聚磷菌基于体内p h b 和糖原质上的生物代谢作用，在无游离氧的条件可以利用硝酸盐中的氧作为电子受体进行氧化，产生能量大量吸磷，故将其称为反硝化聚磷菌( d e n i t r i 母i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a ，d p b ) 9 1 。由于以上这些细菌的共同特点是在厌氧条件下能够过量吸收废水中的磷，实现废水中磷的去除，所以统称为聚磷菌( p a d s ) 。1 3 2 传统生物脱氮机理废水生物脱氮是在硝化和反硝化菌参与的反应过程中，将氨氮最终转化为氮气而将其从废水中去除的。硝化和反硝化反应过程中所参与的微生物种类不同、转化的基质不同、所需要的反应条件也各不相同。硝化反应是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程。它包括两个基本的反应步骤：亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 参与的是将氨氮转化为亚硝态氮( n 0 2 ) 的反应；由硝酸菌( n i t r o b a c t e r )参与的是将亚硝酸盐转化为硝酸盐( n 0 3 ) 的反应。其中亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属等；硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸螺菌属和硝酸球菌属等。亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用c 0 2 ，c 0 3 2 - 和h c 0 3 等作为碳源，通过与n h 3 ，n h 4 + 或n 0 2 - 的氧化还原反应获得能量3 】【1 0 1 。硝化反应过程需要在好氧条件下进行，并以氧作为电子受体。其反应方程式可以表示为：n h 4 + + 昙0 2垩塑堕垫n 0 2 + h 2 0+2 h +( 1 3 )zn 0 2 - + i 10 2 堕堕垫n 0 3 。( 1 4 )反硝化反应是将硝化过程中产生的硝酸盐或者亚硝酸赫还原为硝酸盐或者亚硝酸盐还原成n 2 的过程。反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物，其反应需在缺氧的条件下进行。反硝化反应过程中，反硝化菌需要有机碳源作为电子供体，利用的n 0 3 。中的氧进行缺氧呼吸【3 1 。其反应过程可表示为：5 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4n 0 3 。旦型锺2 n 2 + 4 0 h 。+ 5 c 0 2( 1 5 )综上所述，从n 0 3 - 还原为n 2 的过程经历了下列连续4 步反应过程：n 0 3 。专n 0 2 。专n o 一n 0 2 专n 2( 1 6 )生物脱氮过程本身就是一个矛盾统一体【l l 】。一方面，硝化反应需要污泥龄较长的硝化菌和好氧条件；另一方面，反硝化需要污泥龄较短的反硝化菌和缺氧条件。同时，二4长安大学硕十学位论文者对有机物的存在也是有矛盾的：自养硝化菌在大量有机物存在时，对氧气和营养物质的竞争不如好氧异养菌从而致使反应器内异养菌成为优势菌种；而反硝化反应需要有机碳源作为电子供体完成脱氮过程。因此硝化和反硝化菌生理机制的差异导致了生物脱氮反应器的不同组合，如将硝化与反硝化由同一污泥来完成的单污泥工艺和由不同污泥完成的双污泥工艺。前者通过交替的好氧和厌氧段来实现。后者则通过使用分离的硝化和反硝化反应器来完成。如果硝化在前，反硝化时需要外加碳源进行脱氮；当反硝化在后时，则需要大规模地回流硝化废水，这些都不利于传统生物脱氮工艺运行的高效和稳定。1 3 3 生物除磷脱氮联合工艺技术现状生物除磷技术可看作厌氧选择器与活性污泥系统的组合。其发展的历程主要源于5 0年代末6 0 年代初s f i n a t h 等人在生产运行中观察到的超量吸磷现象【1 2 1 3 1 。如今，经过较全面的基础研究、半生产性实验、生产性研究及工程运行总结，在理论上和实践上都取得了重大进展与突破。随着世界各国对氮磷污染控制的日趋严格，单独的除磷或脱氮工艺已逐渐向脱氮除磷的组合工艺方向发展。目前，发展与应用于工程实践的生物除磷技术有多个系统：a 2 o 系统、改良u c t 工艺、p h o s t r i p - i - 艺、b a r d e n p h o 系统及氧化沟、s b r 工艺系统等。这些系统都属于组合工艺，且都具有同步除磷脱氮功能。它们发展f传统的污水处理技术，又超越了传统生物处理技术的实践范围。从系统的泥龄、流态到配套设备都朝着扬长避短的组合方向发展。一方面能满足传统处理去除有机物、悬浮物的要求；另一方面又能除磷，并经过硝化、反硝化作用而达到脱氮目的。我国学者对此也进行了长期、系统的研究，并使其发展到基于小试、中试的半生产性实验和工程应用，从而在理论和实践上进一步证明组合工艺技术的可行性和实用性，并在实际中对组合工艺进行了优化。所有这些都是考虑到脱氮除磷均包含着厌氧、缺氧、好氧三种状态的交替。研究者的出发点是通过组合和优化三种状态的组合方式及其数量的时空分布以及回流方式、位置而达到高效脱氮除磷的目的【1 4 】。1 3 3 1 空间顺序的连续流脱氮除磷工艺( 1 ) 厌氧缺氧好氧( a 2 o ) 生物脱氮除磷工艺厌氧缺氧好氧生物脱氮除磷工艺，即a 2 o 工艺是a n a e r o b i c a n o x i c o x i c 的简称，它是7 0 年代美国的一些专家在厌氧一好氧工艺的基础上开发出的能够同步脱氮除磷的污水处理工艺，其流程如图1 2 所示。该工艺的特点是工艺简单，能够同步脱氮除磷，总停留时间短，不易膨胀，不需投药，运行费用低。然而a 2 o 工艺也存在一些问题。在达到一定效果后，a 2 o 工艺除磷量难于进一步提高，特别是当进水p b o d 值高时更第一章绪论是如此，由于回流混合液的回流比不宜过大，脱氮效率也难以进一步提高【1 0 1 。乙瞧麓迥遂量、谚l 象i 等髭_ _ - - - - - - - - o - - - - _ - - - _ _ - - _ _ - - #图1 2a z o 工艺系统f i g u r e1 2t h ea 2 op r o c e s s( 2 ) u c t 及改良u c t 工艺及v i p 工艺为了减少硝酸盐对厌氧反应器的干扰，提高磷的释放量，南非开普顿大学( u n i v e r s i t yo f c a p et o w n ) 提出了u c t 工艺( 见图1 3 ) 。u c t 工艺将a 2 o 工艺中的污泥回流由厌氧区改到缺氧区，使污泥经反硝化后再回流至厌氧区，减少了回流污泥中硝酸盐和溶解氧含量 1 5 - 1 8 l 。与a 2 o 工艺相比，u c t 工艺在适当的c o d t k n 比例下，缺氧区的反硝化可使厌氧区回流混合液中硝酸盐含量接近于零。邀承缓铰 瀛l0 1 1 、2 0 0 )涩盘液溺流璇链泡彗墼鎏h 墅銎鎏l -纷泛纠漉( 5 0 - - i )图1 3u c t 工艺流程f i g u r e1 3t h es c h e m a t i cu c tp r o c e s s但是当进水t k n c o d 较高时，缺氧区无法实现完全的脱氮，仍有部分硝酸盐进入厌氧区，因此又产生改良u c t 工艺m u c t 工艺( 见图1 4 ) 。m u c t 工艺有两个缺氧池，前一个接受二沉池回流污泥，后一个接受好氧区硝化混合液，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区的可能。当u c t 工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 i r g i n a li n i t i a t i v ep r o c e s s ) - v 艺。而且厌氧池、缺氧池和好氧池的每一部分都有两个以上的池子组成 1 9 2 0 】。：长安人学硕十学位论文童簦承皴筑纠浚l 缀麟2 0 t 黝髭螽旋嘲浚f i 1 4 | 一2 并黝)缓链池卜叫魏戳泡卜协皴缎池卜叫盎 筱缝p 叫沉忿泡臻农污滋燃漉f 一l f ，懒i 甥衾污滋图1 4 改良u c t 工艺流程f i g u r e1 4t h es c h e m a t i co fm o d i f i e du c tp r o c e s s( 3 ) 改良a 2 o 工艺改良a 2 o 工艺是中国市政工程华北设计研究院针对泰安市污水处理厂的工艺流程和设计参数提出的，其工艺流程如图1 5 所示。该工艺综合了a 2 o 工艺和改良u c t工艺的优点，即在厌氧池之前增设厌氧缺氧池。回流污泥和一部分污水进入该池进行反硝化以去除回流污泥中的硝酸盐，消除( 或大大降低) 回流污泥中硝态氮对后续厌氧池的不利影响，有利于厌氧池的聚磷菌释磷同时抑制了丝状菌的繁殖，改善了泥水分离性能，从而使运行稳定、处理效果更好【2 1 2 4 1 。逑承豹叼谚t 潍秘褫f l “一| 鼢图1 5 改良a 2 of i g u r e1 5t h em o d i f i e da 2 op r o c e s s( 4 ) 缺氧厌氧好氧工艺( 倒置a 2 o 工艺)为改善传统工艺的除磷效果，同济大学提出了一种倒置的a z o 工艺，即是将常规a 2 o 生物脱氮除磷工艺系统的厌氧、缺氧环境倒置。通过试验室平行对比试验发现，由于聚磷菌厌氧释磷后直接进入好氧环境，其在厌氧状态下形成的吸磷动力可以得到充分利用，故倒置的a 2 o 工艺较传统a 2 o 工艺，出水p 含量明显降低，同时因为缺氧段位于首端，反硝化可优先获得碳源，因此反硝化速率也可提高3 0 - 5 9 2 5 - 2 7 】。图1 6 倒置a 2 o 工艺流f i g u r e1 6t h ei n v e r s i o ns y s t e mo fa 2 o第一章绪论( 5 ) 氧化沟工艺系统除磷脱氮氧化沟是常规氧化沟与其他除磷脱氮工艺的结合。典型的结合方式为单独的厌氧池加氧化沟，硝化和反硝化功能在氧化沟内完成。也有厌氧池与氧化沟结合为一体的，例如美国e i m c o 公司和荷兰d h v 公司联合推出卡鲁塞尔( c a r r o u s e l l ) 、b a r d e n p h oa 2 c ( 或卡鲁塞尔2 0 0 0 ) 工艺。a 2 c 氧化沟将厌氧、缺氧、好氧过程集中在一个池内完成，各部分用隔墙分开自成体系，但彼此又有联系。a 2 c 氧化沟能充分利用氧化沟的沟道流速( 不需将混合液提升) ，可实现硝化液的高回流比，获得高的脱氮率，而厌氧区的设置达到了同步除磷脱氮的目的。氧化沟工艺系统由于流程简单、处理效果稳定，基建费用低等优势，欧洲国家污水处理中应用较 2 s - 2 9 。( 6 ) b a r d e n p h o j h b p h o r e d o x 工艺b a r d e n p h o ，j h b 和p h o r e d o x 三种工艺在反应池分区设置上很相似，基本均是以厌氧缺氧好氧顺序排列，且在好氧与缺氧区i 目存在污泥回流( 见图1 7 ) 【3 0 1 。图1 7b a r d e n p h o l j h b p h o r e d o x 工艺f i g u r e1 7t h eb a r d e n p h o j h b p h o r e d o xp r o c e s sb a r d e n p h o 工艺是南非首先提出的，为e i m c o 工艺设备公司的专利。该工艺由四段构成，为缺氧好氧厌氧好氧，与其他工艺相比，其主要特征是水力停留时间较长，剩余污泥中磷的含量为4 6 f 3 0 】。j h b 是b a r d e n p h 的一种变型形式。在j h b5 1 2 艺中，反应池最前端的厌氧区被分成厌氧缺氧区。回流污泥在厌氧缺氧区的前部进入，而进水则从后部进入。这种布置的优点在于简化了原b a r d e n p h o 工艺的分区设置，使回流污泥中可能含有的n 0 3 - 在厌氧放磷前首先反硝化，以利于后续的厌氧放磷。而p h o r e d o x工艺则是在b a r d e n p h o 工艺前端增设厌氧区构成，反应器排序为厌氧缺氧好氧厌氧好氧。混合液从第一好氧区回流到第一缺氧区，污泥回流到厌氧区的进水端。该工艺一般情况下按低负荷运行时设计，可提高脱氮率。1 。3 3 2 序批式反应器( s b r ) t 艺系统间歇式活性污泥法的典型代表是s b r 工艺。s b r 是序批式间歇活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 的简称，它具有工艺简单、运行管理费用灵活、耐冲击负荷强、8长安人学硕l 学位论文占地面积小和不易发生污泥膨胀等优点。s b r 工艺由于其在运行时间上的灵活控制，较易实现好氧、缺氧及厌氧状态交替的环境，为其实现脱氮除磷提供了极为有利的条件【3 1 1 。大量试验结果表明s b r 工艺处理污水能够获得较高的脱氮除磷效果。如我国东北大学的于晓彩等以城市污水为处理对象，利用s b r 法进行脱氮除磷研究，试验结果很令人满意【3 2 】。然而s b r 工艺最大的缺点就是操作复杂，难以管理，只有实现s b r 法的自动控制才能充分发挥改工艺的优点【3 。8 0 年代后期，随着监测控制的硬件设备和软件技术的出现和飞速发展，特别是在计算机和生物量化技术的支持下，s b r 法真正显示出其优势【2 0 】。近些年来又相继开发了几种s b r 法的变型革新工艺，如i c e a s 间歇式循环延时曝气活性污泥法( i n t e r m i t t e n tc y c l ee x t e n d e da c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) ，c a s s ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) i 艺，i d e a( i n t e r m i t t e n t l yd e c a n t e d e x t e n d e da e r a t i o n ) ，d a t - i a t 工艺和m s b r 工艺等等。下面介绍的是当前研究较热门的c a s s 和m s b r 工艺。( 1 ) c a s s ( c a s t , c a s p ) t 艺c a s s ( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ) 或c a s t ( 一t e c h n o l o g y ) 或c a s p ( - p r o c e s s ) 是一种循环式活性污泥法，在此反应器中活性污泥不断重复曝气和非曝气过程，生物反应过程和泥水分离过程在同一个池子中完成。它是s b r 工艺的一种更新工艺，其发展基础也是计算机控制系统的应用。典型的c a s s 反应器由选择器( 用于防止污泥膨胀和反硝化) 、厌氧区( 放磷) 、好氧曝气主反应( 降解有机物和硝化) 区三部分组成f 3 3 斟1 。c a s s 工艺的特点是：占地面积小，工艺流程简单，对水量水质变化适应性强，能同时脱氮除磷等。c a s s 是一种很有市场应用前景的处理工艺【3 5 1 。( 2 ) m s b r 工艺m s b r ( 改良型s b r ，m o d i f i e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，简称m s b r ) i 艺是8 0 年代初期开始发展起来的，在工艺流程和结构形式上综合了b a r d e n p h o 、a 2 o 、氧化沟和c a s t 等脱氮除磷工艺的优点，目前最新工艺已经发展到第三代3 8 1 。m s b r 实质上是s b r 和a 2 o 工艺的组合，其工作原理如图1 8 所示。9第一章绪论图1 8m s b r 工艺流程图f i g u r e l 8t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fm s b ro p e r a t i o n污水和脱氮后的活性污泥一并进入厌氧区，聚磷污泥在此充分放磷，然后泥水混合液交替进入缺氧区和好氧区，分别完成反硝化、有机物的好氧降解和吸磷作用，最后在s b r 池中沉淀出水。此时，另一侧的s b r 在1 。5 倍回流量的条件下进行反硝化、硝化，或者静置预沉。而回流污泥首先进入浓缩池浓缩，上清夜进入好氧池，浓缩池污泥进入缺氧池，进行反硝化，同时还可以先消耗完回流浓缩污泥中的溶解氧和硝酸盐，为厌氧吸磷创造绝氧环境。在好氧和缺氧池间有1 5 q 的回流量，可进行充分吸磷【3 9 4 。综上，生物除磷技术经过近半个世纪的研究，其工艺类型正朝着组合化、多样化的方向发展，且很多都已在工程上有了良好的实践应用，然而，由于人们对生物除磷的确切机理还不是很明了，因此，传统除磷脱氮工艺在实际运行中暴露出的诸多问题无法从根本上得到解决。随着微生物学与生物化学等学科的研究与发展，人们将从微观分子水平对除磷机理进行更深入的了解，这将有助于脱氮除磷技术从以单纯工艺改革向着以生物学特性研究来促进工艺改革的方向发展，以达到高效低消耗的处理水平，增强生物除磷工艺的优化与控制。1 4 反硝化除磷脱氮新技术的研究现状近年来，国内外学者针对生物除磷脱氮工艺实践中暴露出的问题和现象进行了大量理论和试验研究，并提出了一些新的观点和方法，其中反硝化聚磷脱氮技术颇受重视，具有重要的应用价值【4 2 】。1 4 1 反硝化除磷脱氮机理早在2 0 世纪8 0 年代中期，h a s c o e t ，c o m e a u 和g e r b e r 等都发现聚磷菌能够在缺氧环境中以硝态氮作为电子受体进行吸磷的现象【4 3 。4 5 1 。p o l a c h ( 1 9 9 1 ) 和w a n n e r 等( 1 9 9 2 )利用小试和中试试验也证实，在e b p r 系统的缺氧条件下活性污泥具有同步吸磷和反硝化作用【4 6 4 7 1 。1 9 9 3 年，荷兰d e l f t 科技人学的k u b a 等在试验中亦观察到：在厌氧缺氧1 0长安人学硕十学位论文交替运行的条件下，易富集一类兼有反硝化及除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能利用0 2 或者n 0 3 - 作为电子受体，其基于对胞内p h b 和糖原质上的生物代谢作用与传统a o 法中的p a o 相似，人们将此类微生物称为反硝化聚磷菌( d p bv 4 8 1 。d p b 可以利用n 0 3 作为电子受体，其基于体内的聚1 3 一羟基丁酸醋( p h b ) 和糖原质生物代谢原理与传统a o 法中的聚磷菌( p a o s ) 极为相似。在厌氧段，c o d 可被降解为醋酸( h a c ) 等低分子脂肪酸，被d p b 快速吸收之后大量繁殖，同时水解细胞内的p o l y - p ，以无机磷酸盐( p 0 4 3 ) 的形式释放出来。利用上述过程产