（农业机械化工程专业论文）分散生活污水除磷脱氮净化工艺好氧部分研究.pdf

分散生活污水除磷脱氮净化工艺好氧部分研究 摘要 目前，我国污水处理率低，污染物排放量大，导致水体污染严重，水体的富营 养化尤为突出，水污染控制是目前面临的一项紧迫和长期的任务。生活污水在污水 中占的比例越来越大，生活污水的排放源日益分散，大部分污水都不能纳入城市污 水收集系统或城市污水处理厂，这些分散生活污水由于得不到很好的治理而就地排 放，对地面水环境所造成的污染和对水生生态造成的破坏正日渐突出。这些分散生 活污水能否处理好，能否找到高效、低投入的城镇污水处理新技术，将直接关系到 我国人民生活水平的提高，关系到我国环境状况和可持续发展的战略。 要使我国这些分散的生活污水能达标排放，并且能够完成我国近期污水处理的 目标，研究开发出具有除磷脱氮功能的适合小型分散生活污水处理的工艺是目前迫 切需要解决的问题。 本文在广泛了解国内外生活污水处理工艺和技术的基础上，综合分析了生物法 除磷脱氮的机理，提出了厌氧好氧厌氧工艺来处理生活污水。 通过对好氧池的启动进行研究，结果表明：2 周内y c d t 弹性立体填料便可以 完成挂膜，得到稳定的c o d 。，和氨氮去除率，分别为6 0 和8 6 以上，标志着好氧池 启动过程的完成。 通过对好氧池运行进行研究，得出好氧池最优运行参数：水力停留时间为5 3 3 h ， 出水溶解氧为3 m g l ( 气水比为1 5 ：1 ) ；好氧池摄磷动力学模型：p = 1 0 6 7 4 e “”“， 关联度为r = o 9 8 3 9 ：污染物的去除率随着容积负荷的增大而提高，好氧池有一定的 耐冲击负荷能力。 通过跌落曝气试验研究，在流量为2 0 0 m l m i n ，h r t = 5 3 3 h 的条件下，当落差小 于1 6 0 0 r i o n 时，落差与溶解氧关系符合线性关系y = 0 0 0 0 6 x + 0 5 8 2 9 。 通过整体工艺运行试验，c o d 。，s s 、t n 达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 规定的一级排放标准，t p 达到污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 - 1 9 9 6 ) 规定的二级排放 标准，系统具有良好的净化生活污水的效果。 关键词：除磷脱氮；生物法；分散生活污水：好氧池；水力停留时间；气水比 溶解氧；跌落曝气 华中农业大学2 0 0 5 届硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，al o wp r o p o r t i o no fs e w a g em a n a g e m e n ta n dal a r g eq u a n t i t yo fd r a i n i n g c o n t a m i n a t i o nm a k ef o rt h ew a t e rp o l l u t e ds e v e r e l y , e s p e c i a l l y , t h ee u t r o p h i c a t i o nb e m o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g i nt h i sw a y , t h ec o n t r o l l i n go f w a t e rp o l l u t i o ni san e c e s s i t o u s a n dl o n g - t e r mt a s kb e f o r eu s h o u s e h o l ds e w a g eh o l d sam o r ea n dm o r eg r e a tp r o p o r t i o n i ns e w a g e ，t h ed i s c h a r g i n go fi td i s p e r s ei n c r e a s i n g l y , a n dal a r g ep r o p o r t i o no f h o u s e h o l d s e w a g e c a l ln o tb eb r o u g h ti n t ot h es y s t e mo f c o l l e c t i n g t h ed i s p e r s i v eh o u s e h o l ds e w a g e i sd i s c h a r g e dw i t h o u ta n yp r o c e s s i n gb e c a u s eo f l a c k i n go f ag o o dm a n a g e m e n t ，t h e n , t h e p o l l u t i o no fg r o u n dw a t e rc i r c u m s t a n c ea n dt h ed e s t r u c t i o no ft h ew a t e rz o o l o g yb e c o m e e x t r u s i v eg r a d u a l l y w h e t h e rt h ed i s p e r s i v eh o u s e h o l ds e w a g ec a nb em a n a g e ds u c c e s s f u l l y , a n dw h e t h e r w ec a l lf i n dan e wt e c h n o l o g yw i t hah i g h e re f f i c i e n c ya n dal o w e rd e v o t i o no nt h e s e w a g e ，a l lt h ep r o b l e m s ，d i r e c t l y , a r er e l a t e dt ot h ee l e v a t i o no f t h es t a n d a r do f l i v i n g ，t h e s t a t u so ft h ee n v i r o n m e n t ，a n dt h et a c t i co ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t om a k et h e d i s p e r s i v eh o u s e h o l ds e w a g ed i s c h a r g e du pt op a ra n da c h i e v et h et a r g e to fs e w a g e d i s p o s a l ，r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gat e c h n o l o g yw i t haf u n c t i o no fp h o s p h o r u sa n d n i t r o g e nr e m o v a li sa l li m p o r t a n ti t e mt h a tn e e d st os o l v ee x i g e n t l ya tt h ep r e s e n t b a s e do nal a r g e - r a n g es t u d yo nt h ea r t sa n dc r a f t so ft h es e w a g em a n a g e m e n t ，a n d a ni n t e g r a t e da n a l y s i sa b o u tt h em e c h a n i s mo fp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l ，ag o o d m o d ei sb r o u g h tf o r w a r d ，t h a ti s ，a n a e r o b i c - a e r o b i o t i c a n a e r o b i ct e c h n o l o g y b yr e s e a r c ho nt h es t a r t u po fa e m b i o t i cp o o l ，t h er e s u l ts h o w st h a ty c d tf i l l i n gc a n f i n i s hb i o f i l mg r o w t hw i t h i n2w e e k s t h ep r o c e s s i n go ft h es t a r t - u po fa e r o b i o t i cp o o li s a c c o m p l i s h e d ，u n t i lt h es t e a d yc o d c ra n dn h 3 - n r e m o v a l i nt h ee x p e r i m e n to fa e r a t i o nb yf a l l i n g ，t h er e s u l ts h o w st h a tw h e nt h ef a l l i n gi s w i t h i n1 6 0 0 m m ，f a l l i n ga n dd oh a v eaf i n er e l a t i o n ：y = o 0 0 0 6 x + 0 5 8 2 9 w i t ht h ee x p e r i m e n t a t i o no ft h ei n t e g r a t e dc r a r w o r kc i r c u l a t e d ，c o d er ls s 、t n r e a c ht h ei n t e g r a t e dd i s c h a r g i n gs t a n d a r dio f t h es e w a g e ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) t pr e a c ht h e i n t e g r a t e dd i s c h a r g i n gs t a n d a r d i io f t h es e w a g e ( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，t h em a n a g i n gs y s t e m h o l d sa g o o de f f e c to np u r l f yt h el i f es e w a g e k e y w o r d s ：p 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 i o l o g i c a lm e t h o d , d i s p e r s i v e h o u s e h o l ds e w a g e ，o x i d a t i o np o n d ，h y d r o p o w e rr e s i d e n c et i m e ；g a sw a t e rr a t i o ； d i s s o l v e do x y g e n ；a e r a t i o nb yf a l l i n g i l 分散生活污水除磷脱氮净化工艺好氧部分研究 第一章综述 1 1 课题研究的目的和意义 目前，我国污水处理率低，污染物排放量大，导致水体污染严重，水体的富营 养化尤为突出。国家环保总局公布的2 0 0 3 年环境质量状况表明，我国重要水系和湖 泊的污染状况形势依然十分严峻：2 0 0 3 年度七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质。在2 8 个重点湖库中，v 类和 劣v 类水质的湖库分别占1 4 3 和3 5 7 。因此，保护水资源和水污染控制是目前 面临的一项紧迫和长期的任务。 生活污水在污水中占的比例越来越大，2 0 0 3 年，全国工业和城镇生活废水排放 总量为4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 7 。其中城镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨，比上 年增加6 6 “1 。生活污水的排放源日益分散，大部分污水都不能纳入城市污水收集 系统或城市污水处理厂，这些分散生活污水由于得不到很好的治理而就地排放，对 地面水环境所造成的污染和对水生生态造成的破坏正日渐突出。 2 0 0 0 年5 月，建设部、国家环保总局、科技部联合颁布了城市污水处理及污 染防治技术政策，提出了我国近期污水处理的目标：2 0 1 0 年全国设市城市和建制 镇污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于6 0 ，重点城市污水处 理率不低于7 0 ，并规定对不能纳入城市污水收集系统的居民区、旅游景点、度假 村、疗养院、机场、铁路车站、经济开发区等分散的人群聚居地排放的污水和独立 工矿区的工业废水应就地处理达标排放。 我国的许多小城镇，由于污水管网尚未铺就或尚未建成污水处理厂，基本上不 可能实现污水集中处理；在新开发的居民小区、旅游风景点、度假村、疗养院、机 场、铁路车站、经济开发小区等分散的人群聚居地，排放的污水也基本上没有处理； 特别是，在库区、湖泊边的城镇，常因生活污水未经处理或只通过简单的化粪池沉 淀和厌氧发酵处理就排放入库区、湖泊，导致水体污染，水体的富营养化异常严重。 随着城镇化、小区化和人民生活水平的提高，今后我国8 0 以上的生活污水将 来自小城镇、小区0 1 。小城镇、小区的污水能否处理好，能否找到高效、低投入的 城镇污水处理新技术，将直接关系到我国人民生活水平的提高，关系到我国环境状 况和可持续发展的战略。因此，要使我国这些分散的生活污水能达标排放，并且能 够完成我国近期污水处理的目标，研究开发出具有除磷脱氮功能的适合小型生活污 水处理的工艺是目前迫切需要解决的问题。 纵观污水处理的发展史，除了技术发展的脉络之外，我们似乎还可以总结出另 一种发展规模上的变化，即从分散处理向集中的污水处理方向发展。从每家每户的 分散处理，如1 9 0 6 年德国e m s c h e r 排水委员会的k a r li m h a l l 设计了i m h a l l 池， 并在1 9 世纪3 0 年代这种池几乎占全美国的全部处理工程的一半，并且应用至今“3 ； 华中农业大学2 0 0 5 届硕士毕业论文 到随着下水大系统的完善，出现了集中污水处理，如农田灌溉和之后的生物滤池。 随着集中的污水处理解决了人们关心的水环境污染问题，集中污水处理成为一种城 市污水处理主要方式，各个城市纷纷效仿，出现了集中污水处理技术的大发展的时 代，污水处理厂的规模也越来越大，如在美国出现了全世界最大的污水处理厂 海河伦污水处理厂，处理规模达3 4 1 0 ”i l l d ，在中国北京也建成了处理规模为1 2 1 0 6 m 3 d 的北京高啤店污水处理厂嘲。 北京高啤店污水处理厂的建设以及美国的海河伦污水处理厂的建设，都反映了 在当时的情况下，进行污水的集中处理具有运行费用低，管理维护方便的优点，但 也同时存在一个大的缺点，那就是需要建设庞大的管网系统，投资巨大，这时分散 处理系统就有特别的优势。在今天的美国，仍然约有1 4 的人口和1 3 的新建社区 在使用分散污水处理系统”1 。而且美国的公共卫生和环保界都有这样的一种共识： 分散处理系统不再是暂时地安装而后逐步被集中系统所替代，而是作为其中一种永 久性的选择来处理和再生利用生活污水，从而保护环境。 尤其在中国目前出现的居住区的建设已经不再是单一的建筑物，而是引入了住 区的概念”1 ，在住区的范围内的小区污水的分散处理就显得更加有意义了，小型生 活污水处理工艺和装置必然在相当长的时期内存在，而且随着我国经济发展的不断 加速，以及对于环境保护的要求不断提高，这些工艺和装置必将会得到更普遍的应 用、发展和完善。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 生活污水处理技术 生活污水可生化性好，一般b o d 5 c o d 比值在o 4 左右，高的可以达o 7 左右， 适合生化处理 7 。流行的生化处理方法主要有活性污泥法和生物膜法，它们无论在 设计理论还是在运行管理方面，都已经有了比较成熟的经验。 1 活性污泥法嘲”嘲 活性污泥法起源于1 9 1 3 年1 9 1 4 年英国曼彻斯特和美国马萨诸塞州卫生局 l a w r e n c e 实验站的试验。 活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体来处理有机废水的一类好氧生物的处 理方法。这种悬浮生长的微生物絮体即为活性污泥，它由好气性微生物及其代谢的 和吸附的有机物、无机物组成，具有降解污水中有机污染物的能力。活性污泥法工 艺一般包括三个主要过程：污水与活性污泥微生物充分接触，污水中的污染物被微 生物吸附和粘连，水解成小分子渗入细胞体内；吸收进细胞体内的污染物通过微生 物的代谢反应而被降解，一部分氧化为最终产物c 0 2 和h 2 0 等，另一部分转化为新 的有机体，使细胞增殖：最后进行凝聚、沉淀并分离。 传统活性污泥法是污水处理最早的工艺，其发展与应用已有近百年的历史。活 2 分散生活污水除磷脱氮净化工艺好氧部分研究 性污泥法的主要优点是处理效果好，通过调整排放的污泥量，可控制污泥龄( s r t ) ， 以获得所期望的出水水质。它也存在不容忽视的问题，如其可控性差，为了达到所 预期的结果，需要相当复杂的操作技能。其瞬变响应相当缓慢，限制了某些自动控 制技术的应用。曝气池内生物浓度低，基建费和运行费高，能耗大，污泥产量大， 易发生污泥膨胀。 传统的活性污泥法还是以降解b o d 为其主要功能，还不能去除n 、p 等营养物 质。近年来，由于环境污染的富营养化问题越来越严重，对氮、磷的处理提出了更 高的要求，根据污水除磷脱氮的原理，再经过对传统活性污泥法进行改造，人们又 开发了许多新工艺流程，如氧化沟工艺，a b 法，a o 法，a 2 o 法，b a r d e n p h o 工艺， p h o r e d o x 工艺，u c t 工艺，p h o s t r i p 工艺等。 2 生物膜法”1 0 】【1 1 】 生物膜法是与活性污泥法平行发展起来的另一类生物处理方法。生物膜法是土 壤自净过程的人工化和强化，主要用于去除废水中呈溶解的和胶体状有机污染物。 生活污水在与滤料或载体流动接触的过程中，其中的有机物会被微生物同化并在滤 料或载体的表面上逐渐形成生物膜。生物膜是微生物高度密集的物质，是由好氧菌、 厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物和较高等动物组成的生态系。对于不同的污水， 不同的工作条件和环境，不同的处理设施及部位，生物膜上微生物的种类和数量都 是不同的。 生物膜法和活性污泥法一样，同属好气生物处理方法，它主要依靠固着于载体 表面的微生物膜来净化污水中的有机物。生物膜具有较大的表面积，能够大量吸附 废水中的有机物，而且具有很强的氧化能力。在有机物被分解的同时，微生物的机 体则在不断地增长和繁殖，也就是增加了生物膜的数量。由于生物膜上微生物的老 化死亡，生物膜将从滤料表面脱落下来，然后随着废水流出池外。由于生物膜的吸 附作用，在它的表面往往附着一层薄薄的水层，水中的有机物被生物膜所氧化，其 浓度要比滤池中有机物的浓度低得多，因此当废水在滤池表面流动时，有机物会从 运动着的废水中转移到附着在生物膜表面的水中去，并进一步被生物膜所吸附。同 时空气中的氧也将经过废水而进人生物膜。生物膜上的微生物在氧的参与、作用下 对有机物进行分解和机体新陈代谢，产生了包括二氧化碳等无机物，它们又沿着相 反的方向，即从生物膜经过附着水排到流动着的废水及空气中去。生物滤池中废水 净化过程是很复杂的，它包括废水中复杂的传质过程，氧的扩教和吸收，有机物的 分解和微生物的新陈代谢等各种过程。在这些过程的综合作用下，废水中有机物的 含量大大减少，因此得到了净化。 目前生物膜法与活性污泥法一样己广泛应用于各类污水的处理。生物膜反应器 的类型有多种形式，常用的主要有：生物滤池、生物转盘、淹没式生物滤池和生物 流化床等。与活性污泥法相比，生物膜法具有单位体积反应器中能够持有的生物量 华中农业大学2 0 0 5 届硕士毕业论文 大，脱落膜的沉降性好，不产生污泥膨胀问题，所产生的污泥量少，抗冲击负荷能 力强，运行管理方便，动力消耗也较少等优点，并能在低温下保持较好的处理效果， 同时它还具有良好的硝化功能和脱氮功能。 活性污泥法和生物膜法的区别仅仅在于净化微生物群体固着的载体不同而已， 它们净化有机物的机理在本质上是没有差别的，因此两者的生物相具有一定的相似 性。生物膜内的生物群与活性污泥中的生物群大致相同，但构成生物膜的生物种类 的数量要比活性污泥法的多。人们对活性污泥生物脱氮的研究发现，活性污泥的特 点不利于硝化过程进行。硝化细菌的生长率较低，世代时间长，平均为3 1 h ，所以 要求的污泥龄长；硝化细菌适宜在低有机物浓度和附着的条件下生长，9 0 以上附 着于污泥絮体中，硝化菌潜藏率可达9 9 ，以游离态形式存在的很少。因此，在低 有机物浓度好氧条件下，活性污泥的量较少，给硝化细菌附着带来困难。活性污泥 进行硝化不利的因素正是生物膜法的优点：在较低有机物浓度的环境中微生物仍可 以很好地生长：生物膜污泥龄很长，膜结构为硝化细菌的潜藏附着提供了有利条件。 1 2 2 国内分散生活污水处理技术 随着社会的发展，污水排放范围越来越分散，污水水质也越来越复杂，以及排 放标准的提高，使得传统的生活污水生物处理法已经无法满足要求。这样，在另一 方面也就推动了生活污水处理技术的不断发展，在围绕活性污泥法和生物膜法进行 的改良工作中，人们已经开发出许多新技术和新工艺。 在我国，分散式生活污水一般采用国内研制的小型污水处理装置进行处理，也 有采用构筑物式的，其工艺主要为改进型活性污泥法，接触氧化法等，这类技术和 装置的应用约占时常的9 0 以上“，其次为近年发展起来的s b r 法、m b r 法等方 法以及传统的稳定塘法。 1 改进型活性污泥法1 2 ”3 3 0 4 1 1 ” ， 改进型活性污泥法主要有a o 、a 2 o 等处理技术，不仅可以有较高的c o d 、 b o d 5 去除率，而且具有除磷脱氮功能。但一般投资高，运行管理费高、管理复杂。 a o ( a n a e r o b i c o x i c ) 工艺实际上是一种前置反硝化一硝化工艺。”“”，即厌氧 一好氧工艺，它是随着污水除磷脱氮要求的提出而出现的。其主要工艺流程如图1 1 。 图1 1 a o 工艺流程图 f i g i 1t h et e c h n o l o g y p r o c e s so f a o 4 分散生活污水除磷脱氮净化工艺好氧部分研究 a 2 o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) i“”，即厌氧一缺氧一好氧组合工艺的简称，是 由三段生物处理装置所构成。它与单级o 工艺的不同之处是在前端放置一个厌氧 反应器，旨在通过厌氧过程使回流污泥中的聚磷菌在此释放磷和污水中有机物得以 部分降解，进而改善污水的可生化性，并为后续的缺氧段提供适合于反硝化过程的 碳源。最终达到高效的去除c o d 、b o d 、n 、p 等的目的。其主要工艺流程如图1 2 所示。 图1 2a 2 1 0 工艺流程图 f i g 1 2t h et e c h n o l o g yp r o c e s so f a 2 o 改进型活性污泥法又分耗能型和非耗能型。如1 9 9 1 年，王福庆研制出埋地式无 动力生活污水处理技术”3 1 即属于非耗能型工艺，该技术采用a o 工艺，生活污水按 水力位能原理自行运行而无需外加动力。该工艺试图利用拨风系统促使空气流通， 通过一定的水面与空气自然接触而达到好氧处理的目的。但实际运行过程中，不能 保证好氧微生物的浓度和足够的停留时间，无法达到好氧处理。实际证明只起到了 普通化粪池的作用，只有在排水水质要求不高时方可选用。目前在选用改进型活性 污泥法时，一般采用“有动力”或“微动力”a o 、a 2 o 工艺。 2 生物接触氧化法5 m 1 删 生物接触氧化法又称淹没式生物膜法，是一种固定式活性污泥法，可以说是具 有活性污泥法特点的生物膜法，兼具有两者的优点。 生物接触氧化池可以看作是在曝气池中装入填料，全部填料浸没在废水中，填 料的表面附有生物膜。当废水流经填料时，其中的有机物被填料表面的生物膜吸附 并将可降解的有机物降解。微生物所需要的氧靠充氧设备供给。在池子下部设置曝 气管，充氧时带动废水在填料间隙循环流动。废水中的有机物被吸附( 接触) 于填 料表面的生物膜上，被微生物分解氧化。 实验资料表明，生物接触氧化法与普通活性污泥法相比，在去除率相同的情况 下，b o d 负荷可提高数倍，而停留时间却大为减少。此外，活性污泥中，为保持曝 气一定的活性污泥浓度，必须采取污泥回流，而在生物接触氧化法中却不需要，这 不仅节约动力，而且也便于运转管理。 毕中农业大学2 0 0 5 届硕士毕业论文 3 序批式活性污泥法晦儿”。町 序批式活性污泥法( s e q u e n c i n g b a t c h r e a c t o r ) ，简称s b r 法，是国内外近年来 随自控系统发展，而广泛应用起来的一种非连续流的污水处理工艺，其工艺特点是 将曝气池和沉淀池合而为一，生化反应呈分批进行，基本工作周期可由进水、反应、 沉降、排水和闲置五个阶段组成。 7 0 年代初，美国r i r v i n e 教授采用实验室规模装置对s b r 工艺进行了系统的研 究，并于1 9 8 0 年在美国印第安纳州的c u l v e r 城改建并投产了世界上第一个s b r 法 污水处理厂。我国是近2 0 年来才开始对s b r 污水生物处理工艺进行研究。1 9 8 9 年， 湖南湘潭大学完成了应用s b r 工艺处理啤酒废水的中试研究，之后，同济大学等单 位也相继对该工艺的硝化脱氮进行了研究。 同其他活性污泥工艺相比较，s b r 具有特点：构造简单、投资节省，控制灵活 可满足各种处理要求，污泥产率低，脱氮效果好，但其管理复杂。 4 膜生物反应器法川嘲9 1 m b r 法即膜生物反应器法( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) ，是有膜分离和生物处理组 合而成的一种新型、高效的污水处理技术。从1 9 6 6 年美国的d o f f - o l i v e r 公司首先将 m b r 用于废水处理的研究开始，m b r 工艺已经在日本、欧美等地区得到了快速的 发展，并已在生活污水处理、工业废水处理、饮用水净化等领域被成熟运用和快速 推广。1 9 9 3 年，上海华东理工大学环境工程研究所进行了m b r 处理人工合成污水 和制药废水的可行性研究。1 9 9 5 年，樊耀波将m b r 用于石油化工污水净化的研究， 研制出一套实验室规模的好氧分离式m b r ，该系统对石油化工污水中c o d 、b o d 5 、 s s 、浊度、石油类的去除率都很高。1 9 9 7 年，邢传宏采用无机膜生物反应器进行了 处理生活污水的实验。2 0 0 0 年，王连军用无机膜生物反应器处理啤酒废水。在国内， m b r 法还处在相对滞后的状态，需加大m b r 处理工艺的研究。 膜生物反应器法的活性污泥浓度高、适应水质范围较广、抗冲击负荷能力强； 设备占地面积小；处理出水甚至可以直接回用；由于存在高浓度的活性污泥，硝化 与反硝化同时存在，脱氮能力强：对磷有一定的去除效果，若要达到高效的除磷时， 需要往污水中投入明矾；但运行费用和成本高，存在膜污染和堵塞等问题。 5 稳定塘法川9 1 稳定塘又称氧化塘，被用于处理废水已有3 0 0 0 多年历史。随着以活性污泥法和 生物膜法为主的污水处理工艺的发展以及稳定塘本身的缺点，如占地过多、产生气 味等，稳定塘的发展处于低谷状态。我国全面地进行稳定塘处理污水的研究已有5 0 多年的历史，我国环保工作者在“八五”期间开展了稳定塘处理污水技术的攻关研 究，取得了丰硕的成果和丰富的经验。 该技术是一种利用天然池塘进行一定人工修整的废水处理构筑物，它对废水的 分散生活污水除磷脱氮净化工艺好氧部分研究 净化过程和天然水体的自净过程很相近。该法利用表层的浮渣隔绝空气和保温，为 强化厌氧塘提供条件，有效地利用了城镇的自然地形落差进行曝气，在好氧塘中可 以养殖一些鱼、贝虾和放养适宜的鸭、鹅等生物，使塘中过量生长的藻类及水草及 时得到控制，防止其老化死亡后的二次污染，但要预防厌氧条件的破坏。利用稳定 塘处理污水可以充分利用地形，节约资金，并能够实现污水的资源化，但是占地面 积大，处理效果易受气候影响，所以存在区域和时域的局限。 1 2 3 国外分散生活污水处理技术h h ”1 对生活污水的处理，国外主要采用两种方式，一是建立大型集中式城市污水处 理系统，另一种方式就是建立小型生活污水净化装置，进行就地处理。我们当然不 能无视2 0 世纪中，西方工业化世界，大型集中式城市污水处理系统在处理污水、保 护环境、改善人们生活环境中所起的重要作用。然而，大型集中式城市污水处理系 统由于巨大的管路等投资，无法处理低密度社区的污水。 在日本政府要求在小区、中小型企事业单位、家庭住宅安装生活污水净化装置， 以改变原来只对粪便进行处理而其他生活污水直接排放的处理方式“”。在日本推行 的生活污水处理装置大都是将厌氧处理、好氧处理、沉淀、消毒等工艺过程集中于 一套装置内进行，其中应用较广泛的是“石井式”生活污水处理装置。该装置采用 y a k u l t 填料作为生物膜载体，采用简单的机械装置均衡水量。其成本低、出水水质 好、污泥量少、结构紧凑、易于实施和维护。该装置存在明显不足，如污水的水力 停留时间长，容积负荷低等。 另外，挪威的b i o v a c 间歇式微型处理设备和w d l l a x 纯化学法处理设备，马 来西亚的无动力s s 型及有动力s a t s 型小型生活污水处理装置“o ，以及非洲吉布提 共和国独户住宅的生活污水处理装置【3 9 】也说明了小型污水净化装置进行生活污水处 理的广泛性。 1 。3 课题研究内容 本课题主要是针对当前城镇分散式生活污水处理工艺存在的不足，通过把活性 污泥法与生物膜法相结合，研究具有脱氮除磷功能的工艺流程，得出最佳工艺运行 参数。生物除磷脱氮工艺在形式上有许多种，都是使污水和生物活性污泥经历不同 的边界条件：厌氧状态、好氧状态或缺氧状态，从而达到除磷脱氮的目的。该子课 题主要是对该工艺流程好氧部分进行设计和研究，并通过跌落曝气来进行无动力或 伴随微动力充氧。 根据研究目标，本课题的研究内容主要有： 1 鉴于分散生活污水得不到很好的处理而造成严重周边水体污染的事实，通过 对污水除磷脱氮原理的研究，提出分散生活污水净化工艺流程，并进行填料的选择、 反应器的选型以及结构设计制作； 华中农业大学2 0 0 5 届硕士毕业论文 2 好氧池启动试验研究：通过观察c o d c ，和氨氮去除率随时间的变化，来确定 好氧池启动过程是否完成；同时通过测量d o 含量和p h 值的变化，来指示污水中 有机物的氧化和生物硝化作用的进程； 3 好氧池运行试验研究：好氧池水力停留时间对生活污水各成分去除效果的影 响，确定好氧池的h r t ；好氧池溶解氧对生活污水各成分去除效果的影响，确定好 氧池的d o ；好氧池容积负荷对生活污水各成分去除效果的影响； 4 跌落曝气研究：建立落差与溶解氧的关系；分析跌落曝气能否满足好氧池溶 解氧的需求； 5 整体工艺运行实验研究：在确定一级厌氧，二级好氧和三级复合厌氧的主要 工艺参数后，进行整体工艺的验证试验。 具体研究任务和技术路线如图1 3 所示： 图1 3 研究任务和技术路线 f i g 1 3t h et a s ko fr e s e a r c ha n dt h em e t h o do ft e c h n o l o g y 分散生活污水除磷脱氮净化工艺好氧部分研究 第二章除磷脱氮基本理论 2 1 除磷脱氮的必要性 2 1 1 水体富营养化川删 水体富营养化现象在世界各国日趋严重，已成为人类面临的严重水环境问题之 一。引起水体富营养化的主要营养成分为有机碳、氦、磷、钾、铁等。其中有机碳 经一般生物处理后可基本去除，氦磷之外的其他成分相对于富营养化在发生过程中 的需求量极低，不构成富营养化的限制因子。引起藻类大量繁殖的主要因子是氮和 磷，而藻类对磷的需求量约为对氮需求量的1 2 0 左右，因此只要有少量的磷的存在， 就具有使藻类增长的能力。所以控制污染源，减低污水中氮尤其是磷含量是防止水 体富营养化的关键。 国内外的现状调查结果表明，在全球范围内3 0 卜4 0 的湖泊和水库遭受不同程 度富营养化影响，我国近年来湖泊富营养化呈发展趋势，从2 0 世纪8 0 年代后期的 4 1 上升到9 0 年代后期的7 7 ，我国的天然表面水体的富营养化率已高达3 0 $ ，江河 的富营养化甚至已与沿海的赤潮连在一起。可以说，富营养化是我国水体严重的污 染原因之一。 水体富营养化过程的具体化学过程分三步。首先，污水中的有机污染物 e 瓯0 c 虬进入干净水体，如湖泊、海湾等，成为异氧性生物的营养源，产生新细 胞合成，结果向水中放出c 0 2 ，n 和p 等。即： c ：地o ：虬e + ( d + o 2 5 b 一0 5 c + i 5 d + 2 e ) 0 5 苎! ；塑一d c o l + o 5 皿0 + d n o ；+ e p o i + 然后，自养性生物从阳光获取能量，利用二氧化碳及无机磷等无机盐类，通过 下列反应合成新的藻类： 1 0 6 c 0 2 + 9 0 0 + 1 6 n o ；+ p 暖+ 塑 堕呻c l * 蜀8 0 0 k l ，只藻类物质) + 1 5 4 5 0 , 最后，老化衰亡的生物沉于湖底成为底泥，进行厌氧分解，并放出能够再次利 用的溶解性有机物及无机物。目口 c i 。玛。d 4 ，l s 只藻类物质) 墅_ c d 2 + c h 4 + 哎j + p q 3 + + d + 细菌合成 由此可见，防治富营养化必须控制进入水体氮，特别是磷的含量，保持水体不 达到产生危害的负荷。 2 1 2 生活污水水质嘲 生活污水是人类日常生活中所使用过的，并为生活废料所污染的水，它包括厨 余水，卫生间的粪尿冲洗水、洗澡水、衣物洗涤水等。其主要成分包括有机物、营 养物质、微生物、无机物等，各成分特定指标以及对环境影响见表2 1 。 华中农业大学2 0 0 5 届硕士毕业论文 表2 1 生活污水成分 t a b le 2 1t h ec o m p o n e n to ft h ed o m e s tics e w e r a g e 生活污水成分特定指标 可生物降解有机物 其他有机物 微生物 营养物质 金属 其他无机物 臭味 耗氧量 洗涤剂、农药、油类、色度、氰化物、脂肪等 病原菌、病毒、寄生虫卵等 氮、磷、铵等 汞、铅、铜、镉、镍、铬等 酸、碱 硫化氢等 典型生活污水水质各指标的值见表2 2 ，其中总氮、总磷含量分别为2 0 8 0 m g l 和6 2 3 m g l ，远高于污水排放标准中总氮、总磷的最高允许排放浓度( 见表2 3 ) ， 因此对生活污水进行除磷脱氮处理是非常必要和必须的。 表2 2 典型生活污水水质指标值 t a b l e 2 2t h ew a t e rq u a l i t yi n d e xo fd o m e s t i cs e w e r a g e 生活污水水质指标含量 b o d 5 c o d e , t p t n n h ，一n s s p h 1 0 0 3 5 0m g l 2 1 0 7 4 0m g l 6 2 3m g l 2 0 一8 0m g l 1 2 5 0m g l 1 2 0 4 5 0m g l 7 - 8 2 1 3 我国污水排放标准瞠叫 近年来，就如何减少废水中的n 和p 的排放已引起了世界范围的重视，特别是 在发达国家对排放水中n 和p 的含量有严格的控制标准。比如，美国规定的污水排 放中磷的警戒值：流水中的磷 0 1 m g l ，流入湖泊中的磷 o 0 5 m g l ；日本则按照 不同排放深度，制定了不同n ，p 的容许负荷和危险负荷标准。 1 9 9 6 年国家环保局重新制定了污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，规定一级 排放标准氨氮最高排放浓度为1 5 m g l ，磷酸盐最高排放浓度为0 5 m g l ，二级排放 标准规定氨氮最高排放浓度为2 5 m g l ，磷酸盐最高排放浓度为1 o m g l ，在水源保 护区等重点区域应增加除磷脱氮设施。部分污染物最高允许排放浓度见表2 3 。 分散生活污水除磷脱氮净化工艺好氧部分研究 表2 3 基本控制项目最高允许排放浓度( 日均值) t a b l e 2 3t h ed i s c h a r g es t a n d a r do fd o m e s t i cs e w e r a g e ( a v e r a g e ) 2 0 0 2 年，国家环保局又制定了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 ) ， 该标准适用于居民小区等独立的生活污水处理设施污染物的排放，规定一级排放标 准总磷最高排放浓度为i m g l ，总氮最高排放浓度为2 0 m g l 。 综上所述，由于氮、磷是水体富营养化的主要因素，国家环保局在污水排放标 准中制定了严格的n 、p 排放最高允许浓度，而分散式生活污水中n 、p 的平均浓度 均高于排放标准，因此，对生活污水进行除磷脱氮处理是非常必要的。 2 2 除磷方法m m 5 叫 污水中的磷主要来自含磷有机物、合成洗涤剂以及排泄物等。磷在污水中存在 的方式包括有机磷和无机磷。有机磷主要存在于各类微生物机体及动物排泄物中， 无机磷包括磷酸盐、聚磷酸盐等，主要以各类磷酸根离子存在。 磷在污水中具有以固体形态和溶解形态互相循环转化的性能，污水除磷技术就 是以磷的这种性能为基础而开发的。污水除磷技术有：使磷成为不溶性的固体沉淀 物，从污水中分离出去的物化除磷法；使磷以溶解态为微生物所摄取，与微生物成 为一体，并随同微生物从污水中分离出去的生物除磷法。其中，物化除磷法又可分 为化学沉淀法、晶析法、吸附法等。 1 化学法除磷 化学除磷的基本原理是通过投加化学药剂形成不溶性磷酸盐沉淀物，然后通过 固液分离从污水中去除。化学药剂一般为石灰、铝盐( 硫酸铝、铝酸钠、聚合氯化 铝) 、以及铁盐( 三氯化铁、硫酸铁、氯化亚铁) 等。其主要反应式如下： 3 h p o 一+ 5 c a 2 + + 4 0 1 - 1 一_ c 钮5 ( o h ) ( p 0 4 ) 3 山+ 3 h 2 0 ( 2 1 ) 化学除磷法操作简单，除磷效果好，且稳定，当进水浓度较大或有一定波动时， 仍有较好的除磷效果。但其不足之处一是药剂费用较高。二是因为投加药剂浓度高， 使出水色度增加。三是化学沉淀产生的化学污泥含水量大，脱水困难，难以处理，容易 产生二次污染。 华中农业大学2 0 0 5 届硕士毕业论文 2 结晶法除磷 结晶法除磷的基本原理是：在碱性条件下，污水中的，叫和c a “反应可以生成 羟基磷酸钙沉淀， l o c a 2 + + 2 0 h 一+ 6 p o ：一 1 ：o ( o z 4 ) 2 ( p o ：) 6 】上 ( 2 2 ) 影响此反应的重要因素是结晶物质的溶解度和过饱和度，而羟基磷酸钙具有比 其他任何一种磷酸钙化合物小的溶解度。 结晶法除磷具有除磷效率高，出水水质好，无二次污染等优点，其操作简单、 适用范围广，可以处理高浓度含磷污水。 3 吸附法除磷 吸附法除磷是利用某些多孔或大比表面的固体物质对水中磷酸根离子的吸附亲 和力来实现对废水的除磷过程。国内外对于吸附法除磷的研究目前主要集中在提高 吸附剂的性能上。现有吸附剂有天然材料及废渣、活性氧化铝及其改性物质、多孔 材料、人工合成吸附剂。天然材料及废渣方便易得，价格低廉，但吸附容量较低，吸附 剂置换费用过高。活性氧化铝是一种研究比较彻底并得到实际应用的除磷吸附剂。 人工合成吸附剂在低磷浓度下仍有较高的吸附容量，有着巨大的优越性。 吸附法除磷作为一种从低浓度溶液中去除特定溶质的高效低耗方法，特别适用 于废水中有害物质的去除，但目前吸附剂普遍磷吸附量不够高，吸附剂运行周期也较 短。因此制各吸附容量方面性能优异的高效吸附剂是吸附法除磷的发展趋势。 4 生物法除磷 污水生物除磷技术的发展起源于生物超量除磷现象的发现。污水生物除磷就是 利用活性污泥的超量磷吸收现象，即微生物吸收的磷量超过微生物正常生长所需要 的磷量，通过污水生物处理系统使水中的磷转化被微生物吸收。在所有污水生物除 磷工艺流程中都包含厌氧操作段和好氧操作段，完成有机磷到无机磷再到含磷微生 物( 污泥) 的转化。 目前，国际普遍认可和接受的生物除磷理论是“聚合磷酸盐累积微生物” p a o ( p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 的摄放磷原理。p a o 以聚磷菌最为 常见，经一定时间厌氧好氧交替环境驯化后它具有以下特性：在厌氧环境下，聚磷 菌将其细胞内的有机态磷转化为无机态磷并加以释放，并利用此过程中产生的能量 摄取废水中的溶解性有机基质以合成p h b ( 聚一b 一羟基丁酸盐) 颗粒；而在好氧条件 下，聚磷菌则将p h b 降解以提供其从废水中摄取磷所需要的能量，从而完成聚磷的过 程。图2 1 为上述除磷机理的作用过程。由此可见，p h b 的合成与降解，作为一种能 量的贮存与释放过程，在聚磷菌的摄磷和放磷过程中起着十分重要的作用，聚磷菌 对p h b 的合成能力的大小将直接影响其摄磷能力的高低。有关研究表明，在厌氧条件 分散生活污水除磷脱氮净化工艺好氧部分研究 下，微生物细