（化工过程机械专业论文）aoasbbr工艺用于城市污水同步脱氮除磷的研究.pdf

中文摘要 本论文研究了a o a s b b r 工艺和倒置a 2 0 工艺中c o d t n t p 值对城市污水生 物营养物去除效果的影响，重点考察了c o d 仃n t p 对c o d 、氦和磷去除的影响。 在a o a s b b r 系统稳定运行后，通过保持进水磷浓度，改变c o d ，分别考察 c o d t p = 2 5 ，3 5 ，4 5 ，5 5 ，6 5 和7 3 时污水的处理效果。经过3 个月运行，当c o d ：t p = 7 3 ：1 时，对污水中有机物、氮和磷的去除率分别为1 0 0 、8 4 和9 3 ，出水水质达到国 家一级标准g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 。实验通过提高有机物浓度削弱聚磷菌与聚糖菌竞争底物 的能力，抑制p a o 好氧放磷速率。当c o d = 8 0 0 m g l o 时，p a o 和g a o 厌氧乙酸摄 取量之比为l ：9 。此外，实验采用缺氧好氧吸磷速率比对反硝化聚磷菌数量进行估算， 结果表明a o a s b b r 工艺比值明显高于a 2 0 和a o 工艺。因此，通过调节进水有机 物浓度，使d m ) a o 在a o a s b b r 同步脱氮除磷过程中发挥重要作用。实验结果表 明，c o d t p 不会严重影a o a s b b r 工艺c o d 和氮的去除，但影响m l s s 含量， c o d t p = 7 3 时的m l s s 浓度仅是c o d t p = 2 5 时的6 0 左右。同时，系统除磷量和 m l v s s 随c o d t p 值的增加而增加。单位除磷所需要的c o d 随着c o d t p 值的增 加而减少。 在倒置a 2 0 工艺中，通过改变进水c o d 和n 0 3 - n ，考察c o d t n t p 对同步 脱氮除磷效果的影响。实验证实，当c o d ：t n ：t p = 5 0 ：3 ：1 ，对氮磷的平均去除率分别 为7 5 和8 3 。 实验比较了前置反硝化a o a s b b r 工艺和后置反硝化倒置a 2 0 工艺对污水处理 效果的影响。结果表明，倒置a 2 0 工艺受进水c o d t n , r f p 影响，适合处理c o d t n 较低的城市污水。而a o a s b b r 工艺不受进水c o d 删影响，适合处理c o d t p 7 0 的城市污水。 关键词：反硝化聚磷茵聚磷菌聚糖原菌厌氧好氧缺氧 序批式生物膜反应器 a bs t r a c t t h e l a b o r a t o r y - s c a l ea n a e r o b i c a e r o b i c a n o x i c ( a o a ) s b b r p r o c e s s a n d a n o x i c a n a e r o b i c a e r o b i c ( r e v e r s e da 2 0 ) p r o c e s sf e dw i t hs y n t h e t i cm u n i c i p a lw a s t e w a t e r w a sd e s i g n e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fc h a n g i n gc o d t n t pr a t i o so nt h ep e r f o r m a n c e o fb i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a ( b n r ) s p e c i f i co b j e c t i v e so ft h er e s e a r c hw e r et oi n v e s t i g a t e t h ee f f e c to fc o d t n t pr a t i oo nt h er a t e so fp h o s p h o r u sr e m o v a l ，c o dr e m o v a l ，n i t r o g e n r e m o v a l t h es y s t e mw a so p e r a t e da tn o r m a lt e m p e r a t u r e t h ea o a s b rp r o c e s sw a ss t a b l yo p e r a t e do v e rm o r et h a nt h r e em o n t h s t h e i n f l u e n tp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o nw a sh e l da p p r o x i m a t e l yc o n s t a n tw h i l et h ec o d c o n c e n t r a t i o nw a sv a r i e dt oo b t a i nt h ed e s i r e dc o d t pr a t i o so f2 5 ，3 5 ，4 5 ，5 5 ，6 5a n d 7 3 w h e nt h er a t i oo fc o d ：t p = 7 3 ：i ，t h ea v e r a g 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 l e f f i c i e n c i e sw e r e10 0 ，8 4 a n d9 3 ，r e s p e c t i v e l y t h ec o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n tr e a c h e d a g r a d eo ff i r s tg r a d ed i s c h a r g es t a n d a r do fg b 18 918 - 2 0 0 2 i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e i n c r e m e n to fc a r b o ns u b s t r a t eh a sa l la d v e r s ee f f e c to np h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( p a o ) c o m p e t i n gc a r b o ns u b s t r a t e 、i t hg l y c o g e n - a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( g a o ) ，w h i c h i n h i b i t sa e r o b i cp h o s p h a t eu p t a k e t h er a t i oo fa n a e r o b i ca c e t a t eu p t a k eb yp a oa n dg a o i s1 ：9 m o r e o v e r , t h er a t i oo fa n o x i cp h o s p h a t eu p t a k et oa e r o b i cp h o s p h a t eu p t a k e w h i c h i n d i c a t e st h ef r a c t i o no fd n p a oi nt o t a lp a o ，w a se x p e r i m e n t a l l ye v a l u a t e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ea o a s b rp r o c e s si sm u c hl a r g e ra n o x i c a e r o b i cp h o s p h a t eu p t a k et h a n t h a to f a 2 0a n da o p r o c e s s e s i tw a sa l s oo b s e r v e dt h a tt h ec h a n g e si nt h ec o d t pr a t i od i dn o ts i g n i f i c a n ta f f e c t c o da n dn i t r o g e nr e m o v a l ，b u ts t r o n g l ya f f e c tt h em l s sc o n c e n t r a t i o n t h em l s s c o n c e n t r a t i o na tc o d t p = 7 3w a so n l y6 0 o f 也a ta tc o d t p = - 2 5 t h ea m o u n to f p h o s p h o r u sr e m o v a la n dm l v s sc o n c e n t r a t i o ni na o a - s b b rs y s t e mi n c r e a s e da st h e c o d t pr a t i oi n c r e a s e d f r o mt h i sr e s e a c h ，t h ea m o u n to fc o dr e m o v a lr e q u i r e dt o r e m o v a llm g lp h o s p h o r u sd e c r e a s e da sc o d t pr a t i oi n c r e a s e d i nr e v e r s e da 2 0 p r o c e s s ，t h ee f f e c to fc o d t n t pr a t i oo ns i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n d p h o s p h o r u s r e m o v a lw a ss t u d i e d b yc h a n g i n g t h ei n f l u e n tc o da n dn i t r a t e c o n c e n t r a t i o n w h e nc o d ：t n ：t p = 5 0 ：3 ：1 ，t h ea v e r a g en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l e f f i c i e n c i e sw e r e7 5 a n d 8 3 r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，t h ee f f l c i e n c i e so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lb yp r e - d e n i t r i f i c a t i o n ( r e v e r s e da 2 0 ) a n dp o s t d e n i t r i f i c a t i o n ( a o a ) w e r ec o m p a r e d i t i s p r o v e dt h a t t h e r e v e r s e da 2 0p r o c e s sw a si n f l u e n c e db yc o d t n t pr a t i o sa n da d a p tt ot r e a tm u n i c i p a l w a s t e w a t e rw i t hl o wc o d 厂i nr a t i o sw h i l ea o a s b b rp r o c e s sw a sn o ti n f l u e n c e db y c o d t n t h ea o a s b b ri sa d a p tt ot r e a tm u n i c i p a lw a s t e w a t e rw i 也c o d 厂i p 7 0 k e yw o r d s ：d e n i t r i l y i n gp h o s p h a t e - a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ， 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 ， p o l y g l y c o g e na c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ， a n a e r o b i c ，a e r o b i c ，a n o x i c ，s e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r a e r o a r i a a n a m 卟嗄o x a n o a 隙 b o d c c o d d n p a o d o g a o h r t m l s s m l v s s p a 0 p h b p h v p r r p u r q c o d g 如， q m l e e q r e q 唯l o h f d t n i m ，日l t m 础t 符号说明 好氧 厌氧 厌氧氨氧化 缺氧 乙酸吸收速率 生化需氧量，m g l 1 浓度，m g l - 1 化学需氧量，m g l 。1 反硝化聚磷菌 溶解氧，m g l 。1 聚糖原菌 水力停留时间，m i n 混合液悬浮固体，m g l 。 混合液挥发性悬浮固体，m g l 。1 聚磷菌 聚1 3 羟基丁酸 聚1 3 羟基烷酸 放磷速率 吸磷速率 c o d 去除量，m g l 1 反硝化脱氮量，m g l 。1 放磷量，m g l 。1 总磷去除量，m g l 1 吸磷量，m g l 。1 比反硝化速率，m g - n o s 一- n ( g m l v s s h ) j 比硝化速率，m g n 0 3 一- n ( g m l v s s l a ) j 比放磷速率，m g - n 0 3 一- n ( g m l v s s h ) 一 比吸磷速率，m g n 0 3 一- n 。( g m l v s s h ) 。 s b b r s b r s h a r o n s r t s v i t n t p 矿翻 v s s i n f x c f f 口柄f y 序批式生物膜反应器 序批式活性污泥反应器 亚硝化型脱氮反应器 污泥停留时间 活性污泥体积指数 总氮 总磷 挥发性脂肪酸 挥发性悬浮固体 进水浓度，m g l - 1 出水浓度，m g l 1 缺氧吸磷反硝化脱氮， m g p ( r a g - n 0 3 一- n c o d 吸收速率，m g - c o d r a i n 1 硝化速率，m g n 0 3 一- n - m i n 1 去除率， 独创性声明 本人声骧所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤鲎或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。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。 学位论文作者签名：展金良 签字匿期：劫。7 年2 胃f 鑫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保熬、馒用学位论文薛规定。 特授权墨鎏叁鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说暖) 学位论文作者签名：彼金良 签字西期：五司年2 月 冒签字西期：勋7 年2 月 冒 导师签名t 夕蠢萤 辩醐：吵堋，日 第一章生物脱氦除磷技术及研究进展 第一章生物脱氮除磷技术及研究进展 1 1 城市污水中氮磷的污染现状 由于工农业生产发展和人口的日益增加，我国的水资源正在遭受各种污染物的污 染，其中氮磷过量排放引起的水体富营养化问题已愈来愈严重。近年来，我国虽然加 大了环保整治的力度，但主要湖泊的氮、磷污染仍十分严重，富营养化问题突出。城 市内湖水质较差，大多为劣v 类。以天津市为例，环保局的资料显示，海河市区段、 新开河、月牙河等河流受清淤和施工影响水质较差，总体为劣五类水体，主要污染因 子是铵氮和生化需氧量。近岸海域主要污染指标为石油类、无机氮和无机磷。废水和 主要污染物排放全市污水排放总量为4 6 3 2 9 万吨，其中：工业废水排放量为2 1 6 0 5 万吨， 生活污水排放量为2 4 7 2 4 万吨。全市重点源废水治理设施共8 3 3 套，工业废水排放达标 率9 9 8 4 。城镇生活污水处理率5 3 0 1 。全市工业废水中化学需氧量排放量为4 0 9 9 5 吨，生活污水中化学需氧量排放量为8 9 4 4 3 吨。全市工业废水中氨氮排放量为4 5 5 7 吨， 生活污水中氨氮排放量为1 11 7 5 吨。 研究表明，1 千克磷在藻类中积存会生成1 1 1 千克新生物质，相当于1 3 8 千克化学 需氧量；l 千克氮可生成1 6 千克藻类生物体，相当于2 0 千克化学需氧量。因此，少量 的氮磷等营养物，使藻类等植物大量繁殖，导致水体的富营养化。富营养化的水体含 有大量的硝酸盐和亚硝酸盐，长期饮用严重危害人类健康。而我国污水处理厂工艺技 术改进的速度滞后，加之乡镇企业的迅速发展，实际上水体的富营养化问题还在加重， 严重阻碍了我国国民经济的发展，因此，迫切需要研发高效经济的城市污水处理技术。 常用的污水处理方法以物理法，化学法和生物法为主。物理法和化学法过程复杂、 成本较高，对环境容易产生二次污染，再生方法不完善，只适合中小水量使用，难以 推广应用。而生物法适用范围广、投资及运转成本低、操作简单、无二次污染，处理 后的废水易达标排放，己成为脱氮除磷普遍采用处理方法。实践经验表明，生物法脱 氮除磷工艺是消除水体富营养化的有效方法，正在被广泛的用于各种污水处理系统之 中。 1 2 生物脱氮除磷机理及研究进展 1 2 1 生物脱氮 生物脱氮是在好氧环境中，硝化细菌将污水中有机胺转化成铵氮，经过好氧硝化 第一章生物脱氮除碡技术及研究进展 细菌的硝化作用转化为硝态氮或亚硝态氮；在缺氧环境中，利用反硝化细菌将硝态氟 或亚硝态氮转化成氮气，达到脱氮的目的。研究表明，n o ，是反硝化过程中优先利 用的电子受体。a i m 等实验证实，n 0 2 - 同样是反硝化过程中重要的电子受体”，但 会对缺氧摄磷产生抑制作用。 1 22 生物除磷 生物除磷在厌氧、好氧交替的环境中进行，如图1 - 1 所示。在厌氧阶段，聚磷菌 吸收污水中极易降解的有机物，同时将体内存贮的聚磷酸盐释放出来，以获得能量。 在好氧环境，聚磷菌将体内存贮的有机物氧化分解，同时超量摄取污水中的聚磷酸盐， 达到除磷的目的。而聚磷菌( p a o ) 属嗜低温苗，在2 0 或更低的温度。与聚糖原菌 ( g a o ) 竞争有机物的过程中处于优势地位。因此，在2 0 c 时强化除磷系统但b p p 0 会有 明显的吸磷和放磷过程”。p a l aa 等在问歇实验中发现，缺氧吸磷速率大于好氧吸磷 速率，而在碳源不足时，聚磷菌由于内源呼吸存在厌氧放磷现象，即“二次放磷。 磊。爿售原一，离垮 爹修 厌氧环境 ，裹韵驻盐 好氨g 境 尸竺、 除、 0 1 卜麓 一c o h , o 图l 一1 生物除磷示意图 f i x a t e i - is c b a n cd i a g r a mo f b i o l o g i 髓l p h o s p h o 眦r e m o v a l 目前，新型菌株的研发和生物膜活性的研究成为城市污水脱氮除磷技术发展的重 要方面。c h i l lc h c n gc h 姐g 等t1 将自养型反硝化细菌a l c a l i g e n e se u t r o p h u s 固定于有机 载体上，该菌种以氢气为电子供体，抗冲击能力强，对硝氮去除速率达到o 6 珈7 k g ( m 3d ) 。而l 眦u i a f o g l a r 等1 ；尝试使用复合菌株p s e o d o m o n a s 和p a r a c o c c u ss p 对反硝 化过程进行深入研究，通过测量n 2 体积，利用线性回归分析法，计算出复合菌群反硝 化的基本方程式： n o ；+ l0 9 c h ) o h + + 斗o0 7 4 c 5 h ，0 2 n + 0 4 6 3 2 + 0 7 2 c 0 2 十24 2 1 h 2 0 同时，实验发现，在连续流反应器中以甲醇为碳源，2 5 时tp h = 68 时t 复合菌群 的反硝化速率达1 4 2 r a g - n 0 3 - - n ( g - v s sh 1 ，大大高于b 盯n c t 等以工业废水为碳源时 的最大反硝化速率是3 26 - - 3 52 5 m g - n 0 3 - - n ( g - v s sh ) 一，为实现多菌群联台脱氮提供 第一章生物脱氮除磷技术及研究进展 了有力的依据。l e el y 等” 在填充床反应器中对硝化细菌生物膜进行修复实验， 在h r t = 8 7 h ，气体流速为2 0 c m - s ，颗粒载体填充率4 0 ( v v 1 ) 时，异养菌生物膜由 于水力剪切作用而完全脱落，硝化细菌生物膜修复成功，生物膜密度和活性增加，这 一研究为提高硝化反应速率奠定基础。但也有报道称在流化床反应器中，反硝化菌株 a l c a l i g e n e sd e n i t r i f i c a n s 在玄武岩载体表面易导致生物体积累，降低生物膜活性。 a l v e sc f 等在研究生物膜组成与污水成分和生物体活性的关系后发现，随着磷酸盐 浓度增加，生物代谢由合成聚糖体转向细胞生长- 。此外，h i s a s h is a t o h 等川乏在膜生 物反应器中实现了同步硝化反硝化，形成明显的好氧和缺氧生物膜层，而且缺氧区和 好氧区的位置不受有机物负荷和膜内气压影响，有机物和氮的去除率可达9 0 。 1 2 3 污水水质对生物脱氮除磷系统的影响 污水水质是影响污水处理系统的重要因素。e k a m a 等_ _ 证实污水含量，如c o d 浓度、t k n c o d 、可降解c o d 浓度、t p c o d 等都会影响出水水质。生物营养物去除 ( b n r ) 系统必须控制磷或c o d 浓度，因此，引入c p 比作为b n r 系统的控制因素。污 水进入厌氧阶段的c p 比值影响聚磷菌( p a o ) 生长和系统的除磷效率。r a n d a l l 和 c h a p i n 证实限制c o d 浓度；进水c p 越低，p a o 含量越高，磷在剩余污泥中的含量 越多，而限制进水磷浓度，增大c p 比值，p a o 将不再是系统中的优势菌种，过量的 c o d 会促使聚糖原菌( g a o ) 生长，减少活性污泥中p a o 数量。由于p a o 和g a o 在厌氧 阶段分别将体内储存的聚磷和糖原放出作为能源，并以聚羟基链烷酸( p h a ) 的形式储 存吸收的乙酸。因此，a n d r e w 和d a v i d 认为的进水c p 是影响p a o 和g a o 竞争能源的 关键因素川川。y o n gm a 等”“j 在厌氧缺氧好氧系统中，证实进水c p 比值影响b n r 系 统的去除效果。当进水c p 3 2 时，除磷效率与c p 呈线性增长，当c p 3 2 时，除磷效 率保持在9 0 9 8 。此外，厌氧吸收c o d 吸收量与c p 比具有良好的线性相关性，剩 余污泥中的磷含量随着c p 减小而增加。 1 2 4p h 对生物脱氮除磷系统的影响 硝化菌对口h 变化反应敏感。p h 为8 0 8 4 时，硝化菌活性最强，而反硝化菌的适 宜p h 为6 5 8 0 ，。聚磷菌适合在p h 为6 - - - 8 t 拘范围内生长：。根据k u b a 等的研究，p a o 的厌氧代谢反应适用于d n p a o ，因此可以推测p h 值对p a o 厌氧释磷的研究结果也可 适用于d n p a o ，研究证实。“i - ，p h 值对放磷速率( p r r ) 、醋酸盐( h a t ) 平均吸收速 率( a u r ) 和放磷h i e 吸收( p c ，m 0 1 p m 0 1 c 一) 等有明显影响：在一定p h 范围内( 约 6 5 8 0 ) a u r 基本保持恒定，p e r 随p h 上升而增加且p c 与p h 线性相关，但p c 同时还 受污泥v s s 和p 含量等因素的影响：在这- - p h 范围之外，不同研究的结果有一定差异。 第一章生物脱氮除磷技术及研究进展 1 3 典型的生物脱氮除磷工艺 1 3 1a 2 0 脱氮除磷工艺 a 2 0 7 艺是英文a n a e r o b i c a n o x i c o x i c 第一个字母的简称，称为厌氧缺氧好氧， 它是在厌氧好氧除磷工艺的基础上加入缺氧池，并将好氧池流出的一部分混合液回 流至缺氧池，同时达到脱氮除磷的目的。其工艺流程为： 混合液回流( 内循环) 叫塑氢垫卜叫堑墨些 回流污泥( 含磷污泥) 图1 - 2a 2 0 t 艺流程图 f i g u r e1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fa 2 0p r o c e s s 该工艺的主要特点是。二j ：厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件和不同种类微生 物菌群的有机配合，具有同时去除有机物和氮磷的功能：在同步脱氮除磷的工艺中， 此工艺流程最为简单，总的水力停留时间也少于同类其他工艺；丝状菌不能大量繁殖， s v i 值一般均小于1 0 0 ，污泥沉降性好：污泥中含磷浓度高，一般在2 5 以上，具有 很高的肥效。鉴于以上特点，a 2 0 7 艺得到人们的重视。刘亭将该工艺应用于实际 生活污水的处理过程，并对其技术特征和设计要点进行了研究，为该技术在生活污水 处理工程的应用提供了理论参考。而邱兆富等二刮在城市污水处理厂运行a 2 0 7 艺，并 考察了启动和调试的各种参数，使得氨氮的去除率在9 0 以上。b a e z aj a 等“将a 2 0 工艺应用于脱氮处理的中试研究，在集散控制系统k b e s ( k n o w l e d g eb a s e de x p e r t s y s t e m ) 的辅助下，脱氮效率提高了1 1 。此后，这些学者考察了内部回流对脱氮效果 的影响，研究表明内回流比从0 增至5 时，脱氮效率提高1 2 ，但从经济角度考虑，适 宜的回流比应控制在2 - - “一。 但是，a 2 0 7 - 艺却存在着固有的缺陷一：硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷 以及碳源需求上存在着矛盾和竞争，泥龄影响硝化菌生长和富集一，很难在同一系统 中同时获得氮、磷的高效去除，其中最主要的问题是厌氧环境下反硝化与放磷对碳源 的竞争。由于该工艺把缺氧反硝化置于厌氧放磷之后，反硝化效果受到碳源量的限制， 大量的未被反硝化的硝酸盐随回流污泥进入厌氧区，干扰厌氧释磷的正常进行( 有时 甚至会导致聚磷菌直接吸磷) ，最终影响到整个营养盐去除系统的稳定运行，因此限 制了该工艺的应用。 第一章生物脱氟除磷技术及研究进展 1 32 u c t 脱氯除磷工艺 u c t 脱氨除磷工艺如图1 3 所示。此工艺与a 2 0 工艺的区别在于沉淀污泥不是回流 到厌氧池。而是回流到缺氧池。这样可以防止硝态氨进入厌氧区破坏厌氧池的厌氧 状态而影响系统的豫磷效率，增加了从缺氧池到厌氧池的混合液回流，可以提高系统 抗冲击负荷的能力。 隧囤撕 a j m 目 圈1 - 3u c r 脱氨除磷工艺流程 f i g m l - 3s c h 哪缸m a g 衄o f u c t 严。懈s 改盘u c t 工艺见图1 4 。系统在厌氧池和好氧池之间在再增加一个缺氧池。系统 中包括两个内回流。一个是从好氧池至第二缺氧池的内回流另一个是第一缺氧池至 厌氧池的内回流。这种工艺可以减少进入厌氧池的硝态氮。第二缺氧池对由好氧池回 流的硝态氨进行反硝化。可以通过提高好氧池至第二缺氧池的混合液回流比提高系统 的脱氮能力，通过从第一缺氧池的回流减少硝态氮对厌氧池除磷功能的干扰。徐海江 等- “采用改良u c t i 艺处理秦皇岛城市污水，脱氨除磷效果明显，最佳运行条件是 s r t = i o d ，h r t = i l h ，主要污染物控制指标均可达到城镇污水处理厂污染物捧放标准。 季茎； 翻1 4 改良u c t 脱氮除磷工艺 f i g u r ei - 4s c h e m a t i c d i a g r a m o f m o d i f i c d u c t p r o c e s s 1 33 倒置a 2 0 t 艺 倒置a 2 0 i 艺是基于传统的脱氮除磷理论在a 2 0 工艺的基础上发展而来。该工 艺省去污泥内回流，将缺氧区前置，适当加大了混合液回流比其工艺流程如图1 5 所示。 第一章生物脱氮除磷技术及研究进展 进水 图1 5 倒置a 2 0 t 艺流程图 f i g u r e1 - 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e v e r s e da 2 0 缺氧池、厌氧池配有搅拌设备，好氧池通过曝气维持供氧。三个工艺段的作用如 下i 缺氧段，微生物利用进水中有机物为碳源，使得回流污泥带来的硝态氮反硝化， 形成n 2 或n 。o 。排空，达到脱氮目的；厌氧段，水中溶解氧和硝态氮结合氧均已消耗 完毕处于厌氧状态，聚磷菌利用胞内聚磷分解产生的能量吸收污水中的易降解c o d ， 同时释放磷酸盐；好氧前段主要降解污水中的有机物并过量吸磷，到好氧后段则b o d 大幅度降低，b o d t k n 值较低利于硝化菌的生长，主要进行硝化反应。缺氧段、厌 氧段并无严格的界限，主要取决于工艺构筑物采用的形式和前置反硝化的效果。生化 反应池较高的污泥浓度不仅从固定的生化反应池容积中争取到好氧池硝化所需要的 反应容积，而且活性污泥絮体内部的缺氧微环境使得硝化和反硝化过程在曝气时段内 就同步进行，从而为进一步提高系统的脱氮效率创造了条件。 倒置a 2 0 t 艺具有以下特点“! ：缺氧区位于工艺系统首端，优先满足反硝化碳源 需求，强化了处理系统的脱氮功能；所有的回流污泥全部经过完整的厌氧放磷与好氧 吸磷过程，具有“群体效应”，同时聚磷菌经过厌氧放磷后直接进入生化效率较高的 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，提高了处理系统的除 磷能力；通过取消初沉池或缩短初沉池停留时间，不仅增加了系统脱氮除磷所需的碳 源，而且提高了处理系统内的污泥浓度，强化了好氧区内的同步反硝化作用，进一步 缓解了处理系统内的碳源矛盾，提高了处理系统的脱氮除磷效率；将常规a o 工艺的 混合液回流系统与污泥回流系统合二为一组成了唯一的污泥回流系统，工艺流程简 捷，运行管理方便。占地面积减少，该工艺与其它污水处理工艺的比较如表1 1 所示。 在实际的应用过程中，倒置a 2 0 - - _ 艺表现出特有的优势。张波等j 在对a 2 0 u - 艺 研究中，将倒置a 2 0 t 艺与传统的a 2 0 - 1 - 艺在处理效果上进行了比较，试验表明，倒 置a 2 0 t 艺的氮磷脱除功能明显优于常规a 2 0 t 艺。而同济大学的黄理辉等。“一对倒置 a 2 0 - 1 - 艺进行了生产性实验研究，主要考察实际处理效果和影响因素。实验表明，倒 置工艺适宜的运行条件为回流比2 0 ，好氧区水力停留时间为6 0 - 1 0 o h ，d o 为 2 0 m g l 。屈济宁等对倒置a 2 0 t 艺在城市污水处理中的应用进行了研究，采用了 不同的控制参数和实验条件，该工艺对有机物、氮和磷具有良好的处理效果，出水水 质达到一级排放标准。 m u l k e r r i n sd 等 在a 2 0 t 艺中培育出反硝化聚磷菌，强化脱氮除磷效果的同时 发现，反硝化聚磷菌在乙酸和丙酸存在的厌氧环境存在放磷现象，有助于研究该菌种 的代谢特性。s a o s h it s u n e d a 等 在改良a 2 0 - r x c f k 氧好氧缺氧) 中，通过控制碳源 第一章生物脱氮除磷技术及研究进展 投加量，促使d n p a o 生长，d n p a o 的吸磷量达到总吸磷量的4 4 ，高于a 2 0 - i - 艺的 2 l 和a o t 艺的1 3 。 表1 1污水处理工艺的优缺点比较 t a b l e1 一l a d v e n t a g e sa n dd i s a d v e n t a g e so f w a s t e w a t e rt r e a m a e n tp r o c e s s e s 反硝化聚磷菌的代谢特性与聚磷菌相似剐，在好氧条件下，既可利用0 2 ，又可 利用n 0 3 - 作为电子受体进行反硝化摄磷【、7 ，实现了一碳两用“，既减小污泥产量， 又简化脱氮除磷工艺。其厌氧和缺氧代谢反应如下： 厌氧乙酸吸收： 一c h 2 0 - 0 5 c h l o ，6 0 5 ，6 0 3 6 h p 0 3 + 1 3 3 c h 】5 0 0 5 + o 1 7 c 0 2 + 0 3 6 h 3 p o , + 0 0 5 9 h 2 0 = 0 兼氧生物量合成： 一1 6 3 c h l 5 0 0 5 一o 5 7 h n q 一0 2 n h 3 0 0 15 h 3 p d 4 + c h 2 0 9 0 0 5 4 n o 2 0 昂0 1 5 + 0 2 8 n z + 0 6 3 c 0 2 + 0 7 8 h 2 0 = 0 兼氧吸磷： 一0 4 6 c h l 5 0 0 5 0 4 1 h n 0 3 一h 3 p o , + 胛q + 0 2 1 n 2 + 0 4 6 c 0 2 + 1 5 5 h 2 0 = 0 1 第一章生物脱氮除磷技术及研究进展 上述代谢反应基于s m o l d e r 好氧除磷模型建立，在磷酸化与硝态氮的电子传递中 p n a d h 2 = 1 0 m 0 1 a t p ( m o l - n a d h 2 ) 。这一结果表明，以硝态氮为电子受体的a t p 产率比以氧为电子受体低4 0 卜。 1 3 4 反硝化聚磷技术 反硝化聚磷技术即利用反硝化聚磷菌同步脱氮除磷的特性，提高污水处理效率。 1 9 9 3 年荷兰d e l r 工业大学的k u b a 等j 在实验中发现：在厌氧缺氧交替的环境中，存 在一类兼有反硝化和聚磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能够利用氧气或硝酸盐作 为电子受体，且其基于胞内p h b 和糖原的生物代谢作用与传统a o 法中的聚磷菌( p a o ) 相似。1 9 9 7 年，k u b a 和l o o s d r e c h t 一韵生产性脱氮除磷研究表明，当微生物依次经过 厌氧缺氧好氧阶段后，约5 0 的聚磷菌既能利用氧气又能利用硝酸盐作为电子受体 来聚磷，h p d n p a o 的除磷效果相当于总聚磷菌的5 0 左右。 典型的反硝化聚磷工艺分为单级工艺和双级工艺。在单级工艺中，d n p a o 、硝 化细菌及非聚磷异养菌同时存在于悬浮增长的混合液中或生物膜反应器中，最具代表 性的是b c f s 工艺。在双级工艺中，硝化细菌独立于d n p a o 而单独存在于某一反应器 中，双级工艺主要有d e p h a n o x 和a 2 n s b r 等。 a b c f s 工艺 b c f s 工艺实际上是u c t 工艺的一种变型。虽然是u c t 的设计原理仅仅是基于对 p a o 所需环境条件的工程强化，但实践中发现该工艺中存在着d n p a o 。为了最大程 度地从工艺角度创造d n p a o 的富集条件，荷兰的d e l f t 大学研发出一种改进工艺 b c f s “：，工艺流程见图1 - 6 。 循i 队 循环b 化竿磷n 锯 图1 - 6b c f s 工艺流程 f i g u r e1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fb c f sp r o c e s s b c f s 工艺较u c t 工艺增加了两个反应池，即接触池和混合池。接触池将回流污 泥和来自厌氧池的混合液在池中充分混合以吸附剩余c o d ：混合池目的是形成低氧环 境以获得同时硝化和反硝化，从而保证出水含有较低的总氮浓度。独立设置接触池和 好氧池可以最大程度地保证污泥再生而不影响反硝化或除磷；容易控n s v l 值；最大 程度地利用d n p a o 以获得最少的污泥产量；负荷高时可通过额外曝气使系统运行稳 定；负荷低时可通过减少曝气使系统运行稳定：通过氧化还原电位和d o 在线监测可 第一章生物脱氮除磷技术及研究进展 方便地进行过程控制并保证运行稳定。 然而，在以下两种情况下磷的去除效果不佳：为满足硝化而使污泥龄过长：进水 中c o d p 的比值过低。工程上的解决方案是将厌氧池末端的富磷上清液抽出，以离线 方式在一个沉淀单元内投加化学药剂。、。 b d e p h a n o x 工艺 w a n n e r 在1 9 9 2 年率先开发出第一个以厌氧污泥中p h b 为反硝化碳源的工艺，取得 了良好的除磷脱氮效果，之后据此提出了具有硝化和反硝化除磷双泥回流系统的 d e p h a n o x 除磷脱氮工艺，如图1 7 所示。 棍合= i 夜回流 图1 7 d c p h a n o x i 艺流程 f i g u r e1 - 7 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd e p h a n o xp r o c e s s 反硝化除磷污泥在厌氧池吸收有机物合成p h b 后，经泥水分离不经过好氧阶段直 接进入缺氧池，聚磷菌体内的p h b 未被消耗，全部用于反硝化吸磷，保证了反硝化所 需的碳源。供氧仅用于硝化和反硝化除磷后剩余有机物的氧化，从而减少了曝气量。 这种工艺布置经证实对脱氮除磷的有机基质利用非常有效，它解决了反硝化菌和聚磷 有机物对有机基质的竞争问题，同时也解决了活性污泥中典型的世代时间短的有机营 养菌大大超过世代时间长的硝化细菌的问题。其最大的优点是使附在生物膜上的好氧 硝化细菌不暴露在缺氧条件下，而传统的活性污泥系统则做不到这一点_ 。 然而，实际应用中此类工艺面临一些问题。大量研究表明，缺氧条件下除磷效率 低于好氧除磷效率，而且磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度。当缺 氧段硝酸盐量不充足时，磷的过量摄取受到限制，而硝酸盐量富余时硝酸盐又会随回 流污泥进入厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌p h b 的合成。实际应用时进水中氮和磷的 比例是很难恰好满足缺氧吸磷的要求，这就给系统的控制带来了困难“j 。 此外，a 2 n s b r 工艺也是一种双泥反硝化除磷工艺，由a 2 0 s b r 反应器和n s b r 反应器组成。a 2 0 s b r 的主要功能是去除c o d 和反硝化除磷脱氮：n s b r 反应器主要 起硝化作用。a 2 n s b r i 艺和d e p h a n o x i 艺一样，可分别控制硝化菌和异养菌( 聚磷菌 和反硝化菌) 的泥龄，解决了异养菌和硝化菌的泥龄之争，有利于反硝化脱氮除磷与 硝化的各自优化。其脱氮效率不高的原因是有部分的n h 4 + 未经硝化直接和d n p a o 污 泥一起进入了缺氧段，无法完成反硝化过程，从而使出水中含有n h 4 + - n 。和单级工 艺相比，双级工艺采用后置反硝化而不是前置反硝化，可以避免从好氧池向缺氧池大 量回流污泥，从理论上来说可以达到1 0 0 的除磷效率。 第一章生物脱氮除磷技术及研究进展 经化学计量表明，在n p 比最优的情况下( n p = 7 ) ，它比传统的好氧脱氮除磷工艺 节省5 0 的c o d ，除磷效率接近1 0 0 ，脱氮效率约为9 0 。另外其耗氧量和污泥产 量可分别减少约3 0 和5 0 ，还可节省能耗和污泥处理费用。污泥的s v i 为 8 0 - - - 9 0 m l 岔1 ，沉降性能良好，不易发生污泥膨胀一+ 。罗宁等对a 2 n s b r 系统中微生物 的组成进行了研究，结果表明：主要起反硝化聚磷作用的假单胞菌、莫拉氏菌属、肠 杆菌科细菌和气单胞菌属占细菌总数的6 6 6 ，主要起发酵产酸的细菌占细菌总数的 2 8 1 ，不能反硝化脱氮，主要起好氧除磷作用的细菌占1 2 1 ，即反硝化聚磷菌占 全部聚磷菌总数的8 4 3 1 5 j 。 1 3 5a n a m m o x s h a r o n 技术 厌氧氨氧化( 简称a n a m m o x ) 是指在厌氧条件下，微生物直接以m 瞰+ 为电子供 体，以n h 2 - 枷3 一为电子受体，将n f h + 转变成n 2 的生物过程。厌氧氨氧化工艺主要 在流化床反应器中实现，其优点是：可以大幅度降低