（环境工程专业论文）双污泥反硝化除磷工艺优化研究.pdf

摘要 双污泥反硝化除磷工艺优化研究 研究生：袁昊导师：吕锡武教授东南大学 摘要 为了加强太湖流域的水污染治理工作和压减太湖流域排污总量，为太湖流域城镇污水处 理厂的“提标升级”工程，提供理论和技术支持。论文对新的污水处理工艺一厌氧一缺氧一 硝化( a n a e r o b i c a n o x i c - n i t r i f i c a t i o n ，a 2 n ) 双污泥反硝化除磷工艺开展适用性研究，本课题 来源于江苏省科技支撑项目“城镇污水深度处理节能减排新技术研究与示范”( 项目编号： b e 2 0 0 8 6 6 7 ) 。课题针对温度、碳源类型等因素对反硝化除磷菌( d e n i t r i f y i n g p h o s p h o r u s - r e m o v a lb a c t e r i a ，d p b ) 厌氧释磷和缺氧聚磷的影响进行了静态实验研究，此外， 结合活性污泥( a s m 2 d ) 数学模型，建立a 2 n i 艺的数学模型，并采用m a t l a b 软件模拟 优化双污泥工艺的运行参数。最后，以实际生活污水开展a 2 n i 艺的中试研究，考察双污泥 系统的脱氮除磷效果。主要研究成果如下： 首先，在实验室使用人工配制的生活污水培养富含d p b 的污泥，用培养的污泥来进行 静态实验，结果表明，d p b 污泥释磷和聚磷速率与温度不是简单的线性关系，在一定温度 范围内，d p b 释磷速率与聚磷速率均随着温度升高而增大，过高温度或低温都会对释磷或 聚磷产生抑制作用；不同碳源类型对d p b 厌氧释磷影响不同，d p b 优先利用挥发性脂肪酸 ( v o l a t i l ef a t t ya c i d s ，v f a s ) 乙酸释磷，其相同时间释磷量和相应的释磷速率均好于葡萄 糖；在一定v f a s 浓度范围内( c o d = 0 - 2 0 0 m g l ) ，污泥释磷量和释磷速率均随着v f a s 增 加而增大，超过2 0 0 m g l 后，释磷速率增加缓慢，实际的污水处理厂获得的v f a s 量往往较 低，通过增加碳源( _ 吣) 可以提高厌氧释磷的效果；污泥浓度m l s s 增加可以提高系统 的反硝化聚磷和脱氮效果，但实际运用时，综合考虑污水处理效果和处理成本的基础上，选 择适宜的m l s s 才更有价值；保证有足够的硝酸盐作电子受体，吸磷速率受硝酸盐浓度的影 响不大。 以a s m 2 d 模型为平台，建立了a 2 n 工艺的数学模型，并自编模拟程序，采用m a t l a b 软件模拟工艺运行。在本试验范围内得出最佳运行工况为c o d n 为4 4 、超越污泥回流比 为3 5 、厌氧h r t = 2 4 h 和d p b 的s r t = 1 0 d 。作为一种有效的工具，活性污泥数学模型可 成功应用于辅助实验研究，还可应用于污水处理厂运行控制领域。 中试试验采用污水处理厂曝气沉砂池出水为进水，考察a 2 n 双污泥反硝化除磷工艺脱 氮除磷效果，试验得到如下结论：a 2 n 工艺对c o d 、t p 、氨氮都有很好的去除效果，去除 率分别为8 0 8 、8 9 9 0 6 和8 9 3 ，出水平均浓度分别为2 1 6 m g l 、0 1 9 0 m g l 和2 7 3 m g l ， 均能达到城镇污水处理厂污染物排放标准( ( 旧1 8 9 1 p _ 2 0 0 2 ) 中的一级a 标准；t n 的 去除率为5 5 9 ，有时出水浓度较高；适当增加后曝气池停留时间可以确保出水磷达标，并 可显著去除越越污泥流进入缺氧及其后单元的氨氮。实验最后采用中试试验数据，对a 2 n 工艺进行物料衡算，计算结果发现c o d 、n 和p 的平衡率分别为8 8 、9 4 和9 6 ，a 2 n 系统中有1 2 的c o d 损失，损失的原因可能是厌氧段发生发酵反应，产生气态的发酵产物 挥发到空气当中；8 8 的t p 流向剩余污泥中，可知p 的去除主要依赖于剩余污泥的排放； 4 7 的总氮主要依靠反硝化作用去除。 关键词：a 2 n 、双污泥工艺、反硝化聚磷菌( d p b ) 、a s m 2 d 、工艺优化、物料平衡 a b s t r a c t a o p t i m i z a t i o ns t u d yo nd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v a lw i t ht w o s l u d g es y s t e m s o u t h e a s tu n i v e r s i t y n a m eo fg r a d u a t e ：y u a nh a o s u p e r v i s o r ：p r o f l ux i - w u a b s t r a c t 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 t t e c h n i q u e i no r d e rt oe x p l o r et h ed e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u 8r e m o v a lp r o c e s sf o rb i o l o g i c a ln u t r i e n t r e m o v a ls e w a g ee f f e c t s ,i nt h i sp a p e r , as e r i e so fb e a k e re x p e r i m e n t st os t u d yt h ee n v i r o n m e n t a l f a c t o r so nd e n i t r i f i c a t i o na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lb a c t e r i a ( d p b ) a n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s e a n dt h ee f f e c t so fh y p o x i ap o l y p h o s p h a z e n e s ，i na d d i t i o n ，t h ec o m b i n a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g e ( a s m 2 d ) m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a 2 np r o c e s ss e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e lu s i n gm a t l a b s o f t w a r e , s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft w o - s l u d g ep r o c e s so p e r a t i n gp a r a m e t e r s t h eb i o l o g i c a l n u t r i e n t - r e m o v a lp o t e n t i a lo fat w o - s l u d g es y s t e ml o c a t e di naf u l l - s c a l ew a s t c w a t e rt r e a t m e n t p l a n t st r e a t i n gdd o m e s t i cw a s t e w a t e rw a si n v e s t i g a t e db yap i l o t s c a l ee x p e r i m e n t t h em a i n r e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： d e n i t f i f y i n gp h o s p h a t ea c c u m u l a t i n gb a c t e r i aa n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s ea n da n o x i c p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n gr e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ：d e n i t r i f y i n gp h o s p h a t ea c c u m u l a t i n gb a c t e r i a r e l e a s ep h o s p h o r t ma n dp h o s p h o r = r e l e a s er a t e sa l o n g 、j i r i mt h et e m p e r a m r ei n c r e a s e b u tt h e e x p e r i m e n tf o u n dt h a to v e r3 0 cf o ra b o u ts l u d g ep h o s p h o r = r e l e a s er a t eo fi n c r e a s ew a ss l o w ； d i f f e r e n tc a r b o ns o u r c 燃t y p e so fd p bi na n a e r o b i cp h o s p h o r = r e l e a s e , d p bp r i 丽t yu o fs m a l l m o l e c u l eo r g a n i cc o m p o u n d s ( v f m ) r e l e a s eo fp h o s p h o r = ，i t st h es a m et i m et h ea m o u n to fp r e l e a s ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gr a t eo fr e l e a s eo fp h o s p h o r = a r eb e t t e rt h a nt h em a c r o m o l e c u l a r o r g a n i cm a t t e r ( s u c ha sg i u c o s e ) = t h ea c t u a ls e w a g et r e a t m e n tp l a n tw a st e n dt ol o w e l t h ea m o u n t o fv f a s ，b yi n c r e a s i n gt h ec a r b o ns o u r c e ( v f a s ) c a r le n h a n c et h ee f f e c to fa n a e r o b i cp h o s p h o r u s r e l e a s e ： s l u d g em l s sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s ec a ni m p r o v et h es y s t e md e n i t r i f y i n gp h o s p h a t e a c c u m u l a t i n ga n dd e n i t r i f i c a t i o ne f f e c t 。 t a k et h ea s m 2 dm o d e la st h ef o u n d a t i o n ，e s t a b l i s h 髂圳c r a f tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l f r o ma r r a n g e sa 2 nc r a f ts i m u l a t o r h a sc a r r i e do nt h eo p t i m m e ds i m u l a t i o ni nt h i se x p e r i m e n t a l s c o p e ，o b t a i n st h eb e s to p e r a t i n gc o n d i t i o ni sc o d ni s4 4 ，s u r m o u n t i n gs l u d g eb a c k f l o wi s3 5 ， a n a e r o b i ch r t = 2 4 ha n ds r t = 1 0 d a so n ek i n do fe f f e c t i v et 0 0 1 t h ea c t i v es l u d g em a t h e m a t i c a l m o d e lm a ys u c c e e da p p l i e si l lt h ea u x i l i a r ye x p e r i m e n t a ls t u d y , b u tm a ya l s oa p p l yi nt h es e w a g e t r e a t m e n tp l a n to p e r a t i n gc o n t r o ld o m a i n 1 1 艳b i o l o g i c a ln u t r i e n t - r e m o v a lp o t e n t i a lo fat w o - s l u d g es y s t e ml o c a t e di naf u l l - s c a l e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t st r e a t i n gd o m e s t i cw a s t e w a t e rw a si n v e s t i g a t e db yap i l o t s c a l e e x p e r i m e n t t h er e s u l t so ft h ep i l o ts c a l ee x p e r i m e n tw i 也t h ed o m e s t i cw a s t e w a t e rs h o we f f e c t i v e c o d 、p h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a le f f i c i e n c y t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d 、n l - h + - h i 、 p 0 4 卜、t pa n d ina r e s 0 8 、8 9 。3 、9 7 2 、8 9 9 、5 5 9 5 a n dt h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no f c o d 、n i - h + - n 、p c 4 扣、t pa n dt na r e2 1 6m g l 、2 7 3 m g l 、0 0 4 m g l 、o 1 9 m g ma n d1 2 6 1 m g l i na v e r a g e , r e s p e c t i v e l y 髓ep o s t - a e r a t i o nr e a c t o ri n s u r e sn h 4 + - na n dp c 4 3 c a nb eu pt ot h e 东南大学硕士学位论文 n a t i o n a ld i s c h a r g es t a n d a r da n di m p r o v et h es e d i m e n t a t i o np e r f o r m a n c eo fd p bs h d g e t h em a t e r i a lf l o wo fc a r b o n ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h ea c t i v a t e ds l u d g es y s t e mo fa 2 n s y s t e mw a sa n a l y z e d ，t h er e s u l td i s c o v e r e dt h a tc o d na n dpe q u i l i b r i u mr a t i o sr e s p e c t i v e l yi s 8 8 ，9 4 a n d9 6 ，i na 2 ns y s t e mh a s1 2 c o dl o s s ，l o s 鹤t h er e a s o np o s s i b l yi st h ea n a o r o b i c s e c t i o nh a st h ef e r m e n t a t i o nt or e s p o n d , p r o d u c e st h eg a s e o u ss t a t ef e r m e n t a t i o np r o d u c tt o v o l a t i l i z et ot h ea i r ：8 8 t pf l o wt ot h ee x c e s ss l u d g em a yk n o wpt h ee l i m i n a t i o nm a i n l yt or e l y 0 1 1t h ee x c e 鼹s l u d g ee m i s s i o n s ；4 7 t o t a ln i t r o g e nb yt h ed e n i t r i f i c a t i o n , t h en i t r o g e n d i m i n a t i o na r em a i n l yr e l i e do nt h ed e n i t r i f i c a t i o ne l i m i n a t i o n k e yw o r d s ：a n a e r o b i c a n o x i c - n i t r i f i c a t i o nt w o - s l u d g es y s t e m ( a 2 n ) ：d c n i t r i f y i n g p h o s p h o r u s - r e m o v a lb a c t e r i a ( d p b ) ；a s m 2 d ；b i o l o # c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l 、p i l o ts c a l e e x p e r i m e n t ；o p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t o r s ；m m 醯f lb a l a n c e 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 其他人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：纽导师签名：黾垒生生丛音期： 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 太湖流域水环境现状 第一章绪论 2 0 0 7 年，全国环境质量总体呈好转趋势。太湖水质总体为劣v 类。2 1 个国控监测点位 中，类、v 类和劣v 类水质的点位比例分别为2 3 8 、1 9 0 和5 7 2 。与上年相比，水 质有所好转，劣v 类水质比例较2 0 0 6 年下降2 8 个百分点。湖泊处于中度富营养状态。主要 水质指标为总氮。太湖环湖河流水质总体为中度污染，环湖河流水质类别比例如图1 1 所示。 与上年相比，水质无明显变化。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量和石油樊。 目劣v 类 3 4 i i 类 2 日类 1 8 2 图1 1 太湖环湖河流水质类别比例 太湖位于长江三角洲南缘，湖水面积2 3 3 s m 2 ，是我国五大淡水湖之一。太湖流域是全 国人口最稠密和经济发展最具活力的地区之一。近年来，随着经济的高度发展，水污染现象 日趋严重，全湖表现出明显的富营养化状态，每年暴发的水华给流域居民造成了巨大的损失。 尤其0 7 年夏季太湖蓝藻爆发，造成无锡地区自来水受污染，整个城市一度出现吃水困难的 局面，对人民生活和生产造成了极大影响，也使得太湖污染问题更加凸现在世人眼前。 1 1 2 太湖流域城镇污水处理厂提标改造 2 0 0 5 年和2 0 0 6 年，国家环境保护总局先后以司发文和发布公告的方式，要求城镇污水处 理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执行城镇污 水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 的一级标准a 标准。2 0 0 7 年5 月，太湖流域发 生无锡供水危机和蓝藻爆发重大水污染事件之后，太湖流域所在省( 市) 全面加强水污染的 治理工作，环境保护部门要求太湖城镇污水处理厂严格执行g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 的一级a 标准， 并由此全面推动了太湖流域城镇污水处理厂的一级a 提标、改造和扩建、新建工作。从一级 b 标准提升到一级a 标准，江苏、浙江、上海两省一市拟提标改造的污水处理厂将有2 0 6 个， 污水处理规模达到4 6 2 6 2 万立方米天，预计改造投资3 2 亿元l z 3 j 。 从2 0 0 8 年1 月1 日开始，全国最严格的地方标准 1 2 时的控制指标，括号内数值为水温s 1 2 时的控制指标。 表l - 2 太湖地区城镇污水处理厂主要水污染物排放限值 ! 兰q 塑笙! 旦! 旦查叵蕉堡箜2 序号类别 焉量 氨氮总氮总磷 1 城镇污水处理厂i 、i i ，m g a _ , 5 0 5 ( 8 ) 1 5 0 5 注：括号外数值为水温 1 2 时的控制指标，括号内数值为水温曼1 2 时的控制指标 这次列为“升级提标”的共有沿湖1 6 9 座城镇污水处理厂，实施新标准后，可再削减 c o d 排放量5 0 ，消减总氮排放量6 0 和总磷排放量5 0 。同时，氨氮排放总量也将大幅度 下降。新标准还规定，从2 0 0 8 年1 月1 日起，江苏省除了按照新的地方排放标准，对沿湖各个 城镇污水处理厂进行检查考核外，还将在区域和项目的环境影响评价、建设工程环保设施设 计、竣工验收等环节上，依据新标准来执行和考核，以推动和督促太湖流域各地从源头上控 制和减少污染物排放【4 j 。 1 1 3 研究课题的来源、研究目标和意义 本课题来源于江苏省科技支撑项目“城镇污水深度处理节能减排新技术研究与示范” ( 项目编号：b e 2 0 0 8 6 6 7 ) ，a 2 n 双污泥反硝化除磷工艺优化研究是该课题主要研究内容之 一。本课题的研究目标是研究反硝化聚磷工艺的运行机理，优化工艺的运行参数，建立a 2 n 反应系统的数学模型，探索双污泥反硝化除磷工艺节能控制策略，为该工艺的工程应用提供 指导性方案及参数。 由于传统脱氮除磷工艺存在固有的矛盾，工艺出水中的氮和磷很难同时达到排放要求。 此外，我国城市生活污水c o d n 的比值偏低，碳源的不足也造成出水氮磷较高，许多污水 处理厂为了使处理后的水达标排放，还需要额外投加碳源来提高氮和磷的去除率。现有的生 物脱氮除磷组合工艺主要是建立在传统的生物脱氮除磷理论的基础上的，这使得现有的一 些工艺在运行中存在着明显的不足。近几年来随着人们对脱氮除磷机理的深化了解，脱氮除 磷理论进一步深化发展，新理论的发现从微生物和微环境角度进行机理解释，提出了脱氮 除磷新理论，由此开发出一系列的脱氮除磷新技术新工艺，实现了高效脱氮除磷的目的。国 内外学者开展了广泛的研究，主要集中在同步反硝化除磷技术、短程硝化反硝化技术、同步 硝化与反硝化技术和厌氧氨氧化技术等领域。 2 第一章绪论 a 2 n 双污泥反硝化除磷工艺优化将突破传统城镇污水除磷脱氮技术固有的矛盾，强化 氮、磷去除效果，工艺出水达到 ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) - - 级a 标 准要求，能够为当前脱氮除磷工艺的提标改造和出水达标排放，提供理论和技术上的支持。 1 2 除磷脱氮理论与工艺发展 1 2 1 生物脱氮原理 污( 废) 水中的氮一般以氨氮和有机氮的形式存在，通常含有少量或不含亚硝酸盐和硝 酸盐形态的氮。污( 废) 水生物脱氮的基本原理就在于，在有机氮转化为氨氮的基础上，通 过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化作用，将硝态氮转化为氮气从水 中逸出，从而达到除去氮的目的，生物处理过程中氮的转化见图l - 2 。氨化速率很快，一般 污水处理设施均能完成，生物脱氮的关键在于硝化和反硝化【5 1 。 ( 1 ) 氨化作用 污( 废) 水中的有机氮化合物( 如蛋白质、氨基酸) 在好氧菌和氨化菌作用下，有机氮 被分解为氨态氮。 ( 2 ) 硝化作用 硝化反应由自养型好氧微生物完成，它主要包括两个步骤。第一阶段由亚硝酸菌将氨氮 转化为亚硝酸盐，称为亚硝化反应。第二阶段则由硝酸菌将亚硝酸盐进一步转化为硝酸盐， 称为硝化反应。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，均为化能自养菌。利用无机碳化合物如 c 0 2 、c 0 3 2 - 、h c 0 3 等作为碳源，通过与n h 3 、i n - 1 4 + 、n 0 2 的氧化反应来获得能量。硝化反 应伴随p h 下降，每氧化l g 氨氮需消耗重碳酸盐碱度( 以c a c 0 3 计) 7 1 4 9 ，因为硝化菌对 p h 值变化十分敏感，为保持适宜的p h 值，污水中应有足够碱度。 ( 3 ) 反硝化作用 图卜2 生物处理过程中氮的转化 反硝化反应是由一群异养性微生物完成的生物化学过程。它的主要作用是在缺氧状态 ( 无分子态氧) 的条件下，将硝化过程中产生的亚硝酸盐和硝酸盐还原成气态氮帆、n 2 0 等) 。在无分子态氧条件下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的n 5 + 和n 3 + 作为电子受体， 3 东南大学硕士学位论文 0 2 作为受氢体生成h 2 0 和o h 碱度，有机物则作为碳源及电子供体提供能量，并得到氧化 稳定。 近年来的许多研究表明：硝化反应不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以进行硝化作用； 反硝化不只在厌氧条件下进行，某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化；许多好氧反硝化菌 同时也是异养硝化菌，并能把氧化成一后直接进行反硝化反应。生物脱氮技术在概念和工艺 上的新发展主要有： 短程硝化反硝化，生物脱氮需要经过硝化和反硝化两个过程，生物脱氮经过 n h 4 + 一- n 0 3 - _ - n 0 2 乙- n 2 途径，称为全程硝化反硝化；实验证明，生物脱氮也可以以 n h 4 + - n 0 2 - _ 电的途径来完成，这种途径成称为短程硝化反硝化1 6 。 同时硝化反硝化( 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，在作为好氧反硝化菌的同 时也是异氧硝化菌，可以在好氧条件下可以直接把氨氮转化为气态产物【刀口因而在同一个反 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【】。 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 。a n a m m o x ( a n a e r o b i ea m m o n i u mo x i d a t i o n ) 是由荷兰d e l f t 技术大学k l u y v e r 生物技术实验室于1 9 9 0 年开发。其原理即在厌氧条件下，以n 0 2 、n o r 作 为电子受体将氨氮转化为氮气。该i z 中n 0 2 。是一个关键的电子受体【悱l l 】。 1 2 2 生物除磷原理 生物除磷过程是通过聚磷菌( p a o s ) 以不溶性磷酸盐的形式将溶解性的正磷酸盐过量 贮存于体内来实现。活性污泥中p a o s 的数量越多，除磷能力也就越大。图1 3 描述了生物 除磷的生化反应历程。 要成功实现生物除磷的首要前提条件是，在完全厌氧的条件下( 既无n 0 3 也无氧) ，将 活性污泥与水混合。在厌氧条件下，聚磷菌以醋酸盐或其他挥发性脂肪酸的形式吸收有机底 物，并转化为含碳储存物，如p h b 。其中醋酸盐或其他挥发性脂肪酸来源于原污水或在厌 氧段由水解酸化反应生成，而吸收和转化底物所需的能量来自于聚磷酸盐的水解，同时将磷 以正磷酸盐的形式释放到水溶液中。 厌氧段 好氧，缺氧段 弋竺 液 相 生 物 楣 图l - 3 生物除磷的生化反应历程 在好氧或缺氧条件下，以p h b 形式储存的碳源物质被氧或硝酸盐氧化。此过程释放的 能量被聚磷菌用于从水溶液中吸收正磷酸盐，并以聚磷酸盐的形式贮存于细胞体内以用于生 长需要。在厌氧或缺氧条件下，除聚磷菌外的生物体很少或没有能力吸收底物( 醋酸盐或 v f a ) 以进行生长。最后通过排除剩余污泥将磷从系统中排出，同时也维持系统内污泥量的 平衡。 4 第一章绪论 在厌氧条件下，聚磷菌吸收醋酸盐，进行转化并以p h b 的形式储存于细胞内( 图1 4 ) 。由 于p h b 相对于醋酸盐具有更低的还原状态物，所以在此转化过程中必须有以n a d h 2 形式 存在的还原能力。n a d h 2 是聚磷菌体内通过转换贮存的糖元质为p h b 时形成。所需的能量 ( a r p ) 来自于聚磷酸盐的水解，从而也使活性污泥中正磷酸盐浓度降低。聚磷菌最大释磷 量不但取决于可利用的醋酸盐量，还与细胞内的糖元质和聚磷酸盐量有关。在好氧或缺氧条 件下，p h b 被氧化为c 0 2 ，而n a d h 2 被释放并转化为a t p ( 三磷酸腺酐) 。a t p 产生的能 厌氧段 好幸u 缺氧受 图卜4 生物除磷生化代谢模型n 羽 v f a ：挥发性脂肪酸g l y c o g e n ：糖元质p o 聃p ：多聚磷酸盐a t p 三磷酸腺酐 p h b ：聚一1 3 羟基一丁酸n a d h 2 ：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( 辅酶) 量主要用于聚磷菌的生长在细胞体内以聚磷酸盐形式贮存磷和合成糖元质。糖元质的形成和 恢复非常重要，因为在厌氧条件下将醋酸盐转化为p h b 所需的还原能力主要来源于糖元质。 好氧和缺氧吸磷的主要不同点在于a t p 的形成过程不同。在好氧条件下利用氧，而在缺氧 条件下则主要利用硝酸盐。除此之外，聚磷菌代谢的其他方面就完全相同了。 1 2 3 传统生物除磷脱氮工艺 目前，生物除磷脱氮工艺正向着工艺紧凑、节能高效方向发展，下面所描述的工艺大部 分是在二十世纪七八十年代开发的，下面就工艺的流程和生物除磷脱氮的特性进行简要的描 述和讨论。 图1 5 ( a ) 所示为b a r d e n p h o ( b a r n a r - d e n i l r i f i c a t i o n - p h o s p h o r u sr e m o v e d ) 工艺， 最初是用于硝化反硝化脱氮，不用于生物除磷，但是在适当的条件下第一个缺氧池能够发生 生物释磷现象，而且还发现在第二个缺氧池中硝酸盐浓度较低，b a r d e n p h o 工艺最初用于深 度脱氮，因此主要控制曝气和回流量。为了达到良好的除磷效果，回流量不应过高，硝酸盐 应保持较低浓度。本工艺脱氮除磷效果较好，但缺点是工艺复杂，反应器单元多，运行繁 琐，处理成本较高。 图1 5 ( b ) 所示的为五段p h o r e d o x ( p h o s p o r u sr e d u c t i o no x i d a t i o n ) 工艺，1 9 7 5 年由 b a m a r d 等人从b a r d e n p h o 工艺发展而来。在p h o r e d o x 工艺中，分离出一个独立的厌氧池。 与b a r d e n p h o 工艺相比较，硝酸盐在厌氧区的抑制作用受到限制。5 段p h o r e d o x 由2 个缺氧 池和2 个好氧池构成，交替排列，工艺分离出一个独立的厌氧池。缺氧池和好氧池间存在一 个较大的内循环。回流污泥进入厌氧池。厌氧池污泥进入个非曝气区，这样使剩余的有机 碳( c o d ) 被反硝化过程利用。同时采用这种方法还能促进缺氧除磷。 图1 5 ( c ) 所示为a 2 o 工艺，也称厌氧，缺氧，好氧同步脱氮除磷工艺。这样的工艺设 计不仅可实现同步脱氮除磷过程，在随后的运行实践中也发现了反硝化除磷细菌( d p b ) 的 5 东南 学砸学位论立 反硝化除磷现象( d p b 完成反硝化脱氮同时进行吸磷) 。厌氧池主要功能是释放磷，同时氧 化部分有机物，缺氧池首要功能是脱氮，硝态氮通过内循环由好氧池送来现在在实践中还 发现利用硝酸盐进行反硝化吸磷的现象，但磷的去除主要发生在后面的好氧池，在好氧池中 同时还发生硝化反应。a 2 o 工艺的主要优点是t 艺简单，基本不存在污泥膨胀问题，此外 运行费用较低。存在的主要问题是，为了提高释磷量，混台液回流量不宦过高，但是脱氮效 果也就受到限制，由于存在污泥龄问题，除磷效果较难提高。 书b 骘m 嘧 *o m o 妤氧 “篙髫。3 笛娑嚆，甚g “ 图卜5 生物除磷脱氮工艺 图1 - 5 ( d ) 所示为u c t 工艺。该工艺由开普敦大学开发的一种类似于a 2 o1 = 艺的除 磷脱越技术，与a 2 1 0 工艺有两点不同：污怩回流到缺氧池而不是厌氧池，再将缺氧池的混 台液同流到厌氧池。将话性污泥回流到缺氧池，减小了硝酸盐对厌氧池厌氧环境的影响，改 善了厌氧池释磷的环境，增加厌氧池有机物的利用效率。在u c t 工艺的实际运行过程中， 也发现了d p b 的反硝化檗磷现象。 刿1 - 5 ( e ) 所示的m u c tj ，艺是u c t 工艺的改良工艺。为克服u c t ；1 2 艺刚两套混台 液内同流交叉导致缺氧段的水力停留时间不易控制的缺点，同时避免好氧池出流的一部分 混合液中的d o 经缺氧段进 厌氧段而干扰磷的释放m u c r ： 艺将u c t 工艺的缺氧段一 分为二，使2 形成两套独立的混合液内同流系统，从而有效地克服u c t 下艺的缺点。 图1 - 5 ( d 所示的j h b ( j o h a m n e s b u r g ) 工艺是改良型u c t - 1 艺的进一步发展。主要 着眼点还是放在如何降低同流污泥所带来的厌氧池硝酸盐负荷，回流污泥首先进入缺氧池并 发生反硝化。由于回流污泥中污泥浓度较高且硝酸盐负荷较低，污泥线中的缺氧池的容积要 小于水线中的缺氧池，但是反硝化能力受到限制。厌氧污泥进入缺氧池还能促进缺氧除磷。 12 4 传统脱氦除磷工艺存在的问题 当前，在国内外的污水处理厂应用的脱氨陈磷工艺，主要有：m o 、a 2 o 、u c t 、m u c t 、 b 盯d e n p h o 工艺、p h o r e d o x 工艺、序批法s b r 及其改进i ：艺( 如c a s t 、u n l t a n k 、m s b r ) 等。由除磷脱氰机理可知，上述工艺主要包括厌氧、好氧和缺氧三种状态，通过优化组合三 种状态及污泥回流量、空间布置等来达到脱氮除磷的目的。传统污水脱氲除磷t 艺主要存在 以下几点问题： ( 1 ) 污扰龄( s r t ) 问题 生物除磷系统主要是通过排除剩余污泥来去除磷，所以s r t 的长短对f 行泥对磷的吸 罄瞬 第一章绪论 收和剩余污泥的排放量有着直接影响。一般来说，污泥龄越短，污泥含磷量越高，排放的剩 余污泥量越多，除磷效果越好，短的泥龄还有利于硝化段控制硝化作用的发生，而有利于厌 氧段的充分释磷，因此，仅以除磷为目的的污水处理系统中，一般宜采用较短的泥龄，但过 短的泥龄会使出水的b o d s 和c o d 难以达标，所以除磷为目的处理工艺污泥龄一般为3 - 7 d ： 而硝化菌生长速率慢、世代周期较长，实际运行中，一般应取系统的污泥龄为硝化菌最小世 代时间的三倍以上，并不得小于3 - 5 d 的，为保证硝化反应的充分进行，所以需要较长的污 泥龄，污泥龄应大于1 0 d 。由于各种细菌菌龄不同，导致系统排泥难以控制。为了同时取得 较好的脱氮除磷效果，一般将污泥龄控制在折中范围，以兼顾脱氮和除磷的需要。 ( 2 ) 碳源竞争问题 在厌氧段，反硝化菌脱氮和聚磷菌释磷都需要碳源，尤其是小分子有机物( 如挥发性有 机酸( v 】a ) ) ，而城市生活污水中的v f a 含量往往较低，难以满足脱氮何除磷对碳源的需 求，所以两者之间存在竞争。 ( 3 ) 硝酸盐问题，传统工艺污泥回流，会将一部分硝酸盐回流到厌氧段，导致异养菌 和聚磷菌对碳源产生竞争，虽然同流硝酸盐对脱氮有利，但同时却抑制聚磷菌的释磷和吸磷 能力，及f h b 的合成能力，影响除磷效果，在同一系统中，很难同时使脱氮和除磷都取得 较好的效果。 1 3 反硝化除磷原理及工艺研究 传统脱氮除磷工艺面临的难题是：如何解决反硝化菌与聚磷菌竞争碳源和硝化菌、反硝 化菌及聚磷菌泥龄的问题。反硝化除磷菌d p b ( 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 lb a c t c 强 i a ) 理论的提出为解决这些问题提供了新思路。近年来研究者发现存在一类聚磷菌一反硝化聚磷 菌( d p b ) ，在缺氧条件下，能够利用硝酸盐，在进行反硝化脱氮的同时进行吸磷，相比好 氧吸磷，反硝化吸磷节约曝气量，反硝化和吸磷共用一份碳源，节约碳源1 1 3 1 ，正因为如此， 反硝化除磷机理及工艺的研究和开发正成为国内外水处理领域的研究热点之一。 1 3 i 反硝化除磷机理 聚磷菌好氧和缺氧吸磷的主要不同点在于a t p 的形成过程不同。在好氧条件下利用氧， 而在缺氧条件下则主要利用硝酸盐。除此之外，聚磷菌代谢的其他方面就完全相同了。 d p b 在厌氧段，厌氧发酵产生的低分子脂肪酸与原污水中的低级脂肪酸( v f a ) ，被d p b 快速吸收后大量繁殖，同时水解细胞内的p o l y - p ，以无机磷酸盐( p 0 4 1 的形式释放出来。利 用上述过程产生的能量a t p 和糖原酵解还原性产物n a d h 2 ，d p b 能合成大量的p h b 贮存在体 内。如图1 4 所示，缺氧( 无分子氧但存在硝酸盐) 条件下，反硝化聚磷菌( d p b ) 能够像 在好氧条件下一样，利用硝酸盐氮充当电子受体，产生同样的生物吸磷作用。在生物吸磷的 同时，硝酸盐氮被还原为氮气i l 制。显然，被d p b 合并后的反硝化除磷过程能够节省相当的 c o d 与曝气量，同时也意味着较少的细胞合成量。 目前，国内外普遍认为，聚磷菌主要有两类：类以0 2 为电子受体进行吸磷的微生物， 即普通的聚磷菌( p a o ) ；另一类聚磷菌能以0 2 和n 0 3 为电子受体，人们将此类微生物称 之为反硝化聚磷菌( d p b ) ，可以通过缺氧厌氧交替运行来培养筛选。亚硝酸盐f n 0 2 3 是硝 酸盐( n 0 3 ) 还原的中间产物，部分资料表明它的积累会对除磷起抑制作用【1 5 1 。研究者发现 n 0 2 也可以作为聚磷菌( p a o s ) 的电子受体，由于国内外的研究者所培养的污泥有所不同， 得出的n 0 2 对吸磷产生抑制的浓度范围也不同 1 6 - 2 0 j ，n 0 2 n 究竟能否作为缺氧吸磷的电子 7 东南大学硕士学位论文 受体，以及以n 0 2 。n 作为电子受体对吸磷产生纯粹的抑制作用时，其上限值为多大，至今 还无定论，这无疑是完善反硝化吸磷体系的所需研究方向之一。 1 3 2 反硝化除磷工艺发展 反硝化脱氮除磷工艺有单污泥和双污泥工艺之分。在单污泥系统中，d p b 、硝化菌及非 聚磷异养菌存在于同一个污泥系统中，共同经历厌氧、缺氧和好氧环境。而双污泥系统中硝 化菌和d p b 分别存在于两个污泥系统中，为硝化菌和d p b 创造了最佳的生长环境，解决了 传统脱氮除磷的固有矛盾：泥龄问题和碳源竞争的矛盾。目前，较典型的双污泥工艺是 d e p h a n o x 工艺、a 2 n s b r 工艺，单污泥工艺的代表是b c f s 和u c t 工艺。 ( 1 )b c f s 工艺口1 】 b c f s - r 艺是荷兰d e l f t 技术大学k l u y v e r 生物技术实验室研究开发的。b c f s 关于是 u c t 的一种变形工艺。其工艺流程如图所示。在这种改良的u c t 工艺脱氮除磷系统中，活 性污泥能够利用硝酸盐作为电子受体，在缺氧条件下进行反硝化作用和超量聚磷。b c f s 工 艺在荷兰已成功应用于工程实践中，除了具有节能低耗的优点外，还能保持稳定的处理水质， 使出水总磷 o 2 m g l ，总氮 k r e d 沉淀 再溶解的速率常数 0 60 6d 1 k a l x 碱的饱和系数 o 5 0 0 5 0 m o l ( h c 0 3 )