（市政工程专业论文）应用反硝化除磷技术处理广州城市污水的试验研究.pdf

摘要 摘要 以控制水体“富营养化”为目的的脱氮除磷是目前污水处理领域的研究热 点之反硝化除磷技术具有有机物需求量低，能耗小，产泥量少等特点，可 以解决传统脱氮除磷工艺碳源不足等问题，成为生物除磷领域的研究重点。 为深入研究反硝化除磷技术在低碳量城市污水处理中的应用，本试验以模 拟的广州城市污水为处理对象，利用s b r 反应器全面系统的研究了反硝化除磷 技术在广州城市污水处理中的应用，考察了应用反硝化除磷技术的最佳运行时 间组合，对诸多影响因素进行了系列考察，并对在线监测技术进行了应用研究， 利用亚硝酸盐作为电子受体对广州城市污水进行了反硝化除磷的试验研究。 反硝化除磷系统在厌氧缺氧好氧运行方式卞j 以逐步增加缺氧运行时间 的驯化方式能有效地强化活性污泥的反硝化除磷性能，反硝化除磷菌占全部除 磷菌数量的8 5 2 ； 针对广州城市污水特点，试验得出最佳运行时间为厌氧3 0 r a i n ，缺氧3 o h ， 好氧1 o h ，在这种运行组合下系统出水磷浓度 1 o l g l 。对反硝化除磷系统进 行在线监测发现：o r p 不能指示缺氧反硝化吸磷过程：p h 可作为反硝化吸磷结 束的指示参数：o r p 与p h 都可作为好氧吸磷结束的控制参数；后续好氧d o 控 制为1 o a g l 就可保证系统稳定高效的除磷效果。 考察了硝酸盐负荷及硝酸盐投加方式对反硝化除磷的影响，试验得出：硝 酸盐负荷高，反硝化除磷彻底；试验采用的连续投加方式反硝化除磷速率最高； 对不同有机物浓度、p h 和亚硝酸盐对反硝化除磷的影响进行了研究，将它们控 制在合理范围内有利于提高除磷效率；试验的反硝化除磷系统在进水c o d 为 1 8 0m g l 下能够长期稳定运行，出水磷浓度 1 0 l n g 几。 利用聚磷污泥以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化除磷研究发现，以亚硝酸 盐为电子受体的短程反硝化除磷系统在处理广州低碳量城市污水方面有显著的 效果缺氧除磷率达到8 7 4 ，系统出水磷浓度 1 o m g l ，但比起以硝酸盐为 电子受体的反硝化除磷系统，以亚硝酸盐为电子受体的反硝化除磷效率稍差。 关键词反硝化除磷；城市污水；硝酸盐；亚硝酸盐 广州= = 学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t o d a y , t h en i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s r e m o v a lt e c h n o l o g ya i m e df o r e 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 e w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r e a t h e m a i na d v a n t a g eo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o m sr e m o v a li st h ep o s s i b l es a v i n go fc o d a n de n e r g ya n dl e s ss l u d g ep r o d u c t i o n s od 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 lc a ns o l v e t h ep r o b l e m si nt r a d i t i o n a lp r o c e s s e sa n di tb e l 7 o m e st h es t u d yf o c u si nb i o l o g i c a l p b o s p h o m sr e m o v a la r e a i no r d e rt os t u d yt h ea p p l i c a t i o no fd e n i t d f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g y f o rt h el o wc a r b o ns o u r c 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 ，t h ee x p e r i m e n to p e r a t e d w i t hm u n i c i p a lw a s t e w a t e rs i m u l a t i v e l yi ng u a u g z h o ur e g i o nw a sc a r r i e do u tb y s b r t h ea p p l i c a t i o nf o rt r e a t i n gw a s t e w a t e ri ng u a n g z h o ur e g i o nw i t hd e n i t r f f y i n g p h o s p h o r u sr e m o v a lt e c h n o l o g yw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h eo p t i m a ln a m i n g t i m e sa n ds e v e r a lf a c t o r sw e r es t u d i e dp a r t i c u l a r l y , t h ea p p l i c a t i o no fo n - l i n e m o n i t o r sw a ss t u d i e de i t h e r , t h et e s 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 lw i t hn i t r i t e a se l e c t r o na c c e p t o rf r o mg u a n g z h o um 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 t h ee f f i c i e n c 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 lb ys l u d g ec a l lb ee n h a n c e d b yg r a d u a l l yi n c r e a s i n g t h e o p e r a t i o n t i m eo fa n o x i c p r o c e s s u n d e rt h e a n a e r o b i c a n o x i c a e r o b i co p e r a t i o nm o d e t h ed p bi s8 5 ，2 i na l lp a o s f o rd e a l i n gw i t hm u n i c i p a lw a s t e w a t e ri ng u a n g z h o ur e g i o n ，3 0m i n sf o r a n a e r o b i cp r o e o s s , 3 0ha n o x i cp r o c e s sa n d1 0ha e r o b i cp r o c e s sa l et h eb e s tr u n n i n g t i m e s , w i t ht po fl e s st h a n1 0 m g l i nt h ee f f l u e n tu n d e rt h i sm o d e w i t ho n - l i n e m o n i t o r i n go r pa n dp h , o r p nn o ti n d i c a t ed e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u su p t a k ea n d p h 啪i n d i c a t et h ee n do fp h o s p h o r u su p t a k eu n d e ra n o x i cc o n d i t i o n o r pa n dp h b o t h 伽b eu s e da st h ec o n t r o lp a r a m e t e r su n d e ra e r o b i cc o n d i t i o nf o l l o w i n g t h e c o n t r o lo fd ow i t h1 0 m g lu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o nw i l ls t a b i l i z et h eo p e r a t i o no f d e n i t r i f y i n gp h o s p h n r u sr e m o v a l t h ee f f e c t so fn i t r a t el o a da n dn i t r a t ea d d i t i o nm o d eo nd o 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 e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e t t e rp h o s p h o r u sr e m o v a lc a nb c a b s t r a c t o b t a i n e dw i t hh i g h e rn i t r a t el o a d t h ec o n t i n u o u sa d d i t i o no fn i t r a t ei nt h i sp a p e rh a d t h eh i g h e s tr a t eo fd e n t r f f y i n gp h o s p h o r u su p t a k e 纽s e v e r a la d d i t i o nm o d e s , m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t so ft h ec a r b o ns o m v ec o n c e n t r a t i o n ，p ha n dn i t r i t el o a dw e r e s t u d i e de i t h e r , t h e yc o u l di n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fp h o s p h o r u sr e m o v a lc o n t r o l l e d r e a s o n a b l et h r e s h o l da n ；舔t h ed 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 lc a nk e e ps t e a d y u n d e rc o d = i s om g j li nt h ei n f l u e n t ，w i t ht po fl e s st h a n1 0 m g li nt h ee f f i u e n l d 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 hn i t r i t ea se l e c t r o na c c e p t o rf r o m g u a n g z h o um u n i c i p a lw a s t e w a t e rb yp h o s p h a t e a c c u m u l m i n gs l u d g ew a ss t u d i e d i t h a sn o t i c e a b l ee f f e c to nd e p h o s p h a t a t i o n , t h ep h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yj s 8 7 4 i na n o x i cp h a s e ，w i t ht po fl e s st h a n1 o m g a _ 一i nt h ee f f l u e n t , b u tt h e e f f i c i e n c 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 lw i mn i t r i t e i sl o w e rt h a nt h a tw i t h n i t r a t e k e y w o r d sd 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 ；m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ；n i t r a t e ；n i t r i t e m 广州大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的作品成果。对本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。 后果由本人承担。 学位论穿作者签名：荔啦 本人完全意识到本声明的法律 日期：刃毋印矽日 广州大学学位论文版权使用授权书 本人授权广州大学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 广州大学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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：旋红日期：丑哆7 年纩肋日 新签擘伽) 帮醐：1 铭肜日 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 课题来源 第一章绪论 课题来源：广东省自然科学基金项目( 0 4 0 0 9 5 3 3 ) “可持续生物脱氮除磷方 法耦合协同新技术的研究”。 1 1 2 课题的目的与意义 氮、磷过量排放引起的水体富营养化问题是当前污水处理领域的关注重点之 一。控制水体富营养化，防止水体污染的关键是控制污染物排放量，降低污水处 理厂出水中氮、磷的含量，因此，氮、磷的去除成为污水处理领域的研究重点。 我国最新颁布的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 ) 要求所有 排污单位最后出水氮磷含量按接纳水体的等级为总磷小于l n l g l ，氨氮小于 5 m g l ，总氮小于1 5 m g l ( 一级标准) 。因此，所有污水厂都面临脱氮除磷的深 度处理问题。 目前，国内污水厂生物除磷多以厌氧释磷，好氧吸磷为基础，遵循厌氧好氧 交替运行的传统除磷模式。而在传统的生物脱氮除磷工艺中，都要经过硝化，反 硝化反应去氮，生物厌氧释磷、好氧吸磷去除磷。硝化需要长泥龄的硝化菌和好 氧条件，反硝化需要短泥龄的反硝化菌和缺氧条件；释磷需要短泥龄的聚磷菌和 厌氧条件，而吸磷则需要好氧条件，传统的生物除磷脱氮工艺无法同时满足这些 过程不同的工艺要求，也不能同时满足各种重要菌种的生长环境需求，这导致以 传统生物脱氮除磷理论为基础的工艺出现了许多弊端“1 ： 1 、有机基质的竞争；一般城市污水有机物含量都较低，而反硝化菌和聚磷 菌都需要有机基质进行脱氮和除磷，这样就必须增加碳源的投加量，如果处理高 浓度氨氮废水，耗费碳源的量就更大。 2 、污泥龄问题：硝化菌，反硝化菌和聚磷菌的泥龄不同，而现有污水厂多 广州大学工学硕士学位论文 采用单污泥系统，这导致它们无法同时获得最佳泥龄，降低了处理效果。 3 、传统除磷工艺多采用前置反硝化的脱氮模式，这使得n o , 一- n 会进入厌氧 段，抑制磷的释放，影响好氧吸磷。 这些限制因素使得传统脱氮除磷工艺很难同时达到较好的脱氮除磷效果，出 水很难达到一级排放标准。因此，如何解决传统脱氮除磷工艺的不足，开创高效、 节能，可持续发展的新工艺及方法，是污水脱氮除磷技术研究的重点，是我国水 环境保护和水资源利用事业的当务之急和长远任务。 反硝化除磷理论的提出，为解决传统脱氮除磷工艺的矛盾提供了新思路。反 硝化除磷是利用一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，即反硝化 聚磷菌( 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 e r i a ，d p b ) ，在缺氧环境下以n 砚 或者n 0 2 代替氧作为电子受体进行吸磷，使得反硝化脱氮和除磷过程同时完成n 。 这不仅节省了传统工艺中反硝化所需的碳源，避免了反硝化菌和聚磷菌之间的 基质竞争，同时也节省了好氧吸磷的耗氧量，使供气量只需满足好氧硝化即可。反 硝化除磷工艺下，污泥的沉降性能良好，不易发生污泥膨胀，污泥产量也大大减 少“”，节省了污泥处理费用”一。另外，反硝化除磷工艺可将硝化和除磷置于两个 相互独立的系统中进行，硝化菌和d p b 可在自身最佳的生长环境进行生物代谢作 用，完成硝化和释磷过程。因此，反硝化除磷工艺不仅可以解决传统除磷工艺的 弊端，同时又具有节能，产泥量少的可持续发展性。 鉴于反硝化除磷的优点，其机理的研究与工艺的开发成为当今生物脱氮除磷 领域的热点。然而，有关反硝化除磷的机理目前还没有完全清楚，反硝化除磷与 各种影响因素之间的关系还有待进一步研究。并且，从目前开发应用的几种新型 反硝化除磷工艺来看，反硝化除磷技术还存在以下一些有待解决的问题：由于大 部分研究试验多以机理为主，对运行控制的工况及控制要素没有明确的域值，因 此实际应用控制中遇到很多困难；反硝化除磷效率低于好氧吸磷效率；低碳量城 市污水进行脱氮除磷处理时存在碳源严重不足问题，反硝化除磷技术的“一碳两 用”功能节省了碳源需求，实现了同步脱氮和除磷，故其可以解决该问题，而有 关反硝化除磷技术在低碳量城市污水处理中的应用研究较少。因此，有关反硝化 除磷的研究，尤其是在低碳量城市污水处理中的应用研究还需要进一步深入。 综上所述，鉴于我国水体富营养化的严重性，污水处理厂现有脱氮除磷工艺 的诸多弊端以及反硝化除磷技术的优越性，深入研究反硝化除磷技术，将其推广 2 第一章绪论 应用到实际工程中，符合我国乃至全球水资源领域的可持续发展要求，具有重要 的现实意义。 广州地区城市污水碳源不足，碳、氮、磷比例失调，b o d s 一般在6 0 8 0 m g 几 左右，有时低至5 0 m g l 左右，c o d 在8 0 2 0 0 m g l ，而氮一般在2 0 3 0 m g l 左 右，磷一般在2 7 m g l 左右，碳、磷比1 5 1 7 ，碳、氮比2 5 3 ，采用传统 工艺很难达到理想的脱氮除磷效果。本课题的研究目的就是针对广州城市污水特 点，通过试验研究和理论分析，考察应用反硝化除磷技术处理广州地区低碳量城 市污水的可行性，确定反硝化除磷工艺的最佳运行时间；考察反硝化除磷过程的 各种影响因素，提高反硝化除磷效率，研究反硝化除磷机理，研究运行过程中的 控制参数以及在线监测技术的应用，推动反硝化除磷工艺的技术发展。 1 2 污水生物除磷理论及工艺技术现状 由于氮磷排放量的增加，造成水中藻类过量生长从而引起水体供氧不足；导 致水质下降。由l i e b i g 的最低定律得出，磷浓度的高低成为藻类生长的限制因 子m ，降低废水中磷含量成为控制水体富营养化的关键。随着2 0 0 2 年国家颁布实 施的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 ) ，对氮磷的处理提出 了更严格的要求，如何提高污水除磷效率，优化生物除磷工艺是目前研究的重点。 1 2 1 传统生物除磷机理 目前，生物除磷工艺多以传统生物除磷理论为基础，该理论是目前为止被 国内外学者普遍认可和接受的。在传统的活性污泥法中，磷作为微生物正常生长 所必需元素用于微生物菌体的合成，而活性污泥中存在聚磷菌( p 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 ) 一类的微生物，能吸收超过其正常生长所需磷量，并 将磷以聚合磷的形态贮藏在体内，形成高磷污泥，排出系统。这种利用活性污泥 的生物超量除磷现象而发展起来的生物除磷技术具有较高的除磷效果，一般认为 其过程包括厌氧段释磷和好氧段摄磷。 ( 1 ) 厌氧段释磷过程。产酸菌在厌氧或缺氧条件下分解废水中大分子有机化 合物为可快速降解的基质，如低级脂肪酸、葡萄糖、甲( 乙) 醇、丁酸、乳酸、琥 3 广州大学工学硬t 学位论吏 珀酸等。聚磷菌则在厌氧条件下分解体内多聚磷酸盐及糖原产生三磷酸腺苷 ( a t p ) ，利用a t p 以主动运输方式吸收产酸菌提供的基质，将其合成聚一8 一羟基丁 酸盐( p h b ) 。同时，释放出无机磷p 0 4 。 ( 2 ) 好氧段摄磷过程。在好氧条件下，聚磷菌氧化代谢p 髓，所产生的能量除了 用于自身生长、合成修复糖原以外，还把体外的阢输到体内合成a t p 和核酸。 过剩的p o 被聚合成多聚磷酸盐储存在体内。产生的高磷污泥通过剩余污泥的形 式被排放，从而将磷从反应器中去除。整个生物除磷过程表现为p h b 的合成与分 解，a t p 则为能量的传递者。在厌氧段合成的p h b 量对于好氧段磷的去除具有决定 性意义。一般而言，合成的p h b 越多则释放的磷越多，好氧段就能吸收更多的磷。 1 2 2 传统生物除磷应用工艺 废水生物除磷一般有两个过程组成，即厌氧释磷和好氧吸磷两个过程。这也 是生物除磷工艺的两个基本组成部分，即厌氧池和好氧池。应用较多的主流除磷 工艺主要有a o 工艺和a 2 o 工艺w 。 1 2 2 1 0 工艺 a o i 艺是最基本的除磷工艺，是a n a e r o b i c o x i c 的简称。该工艺系统是美国 学者s p e c t o r 在1 9 7 5 年研究活性污泥膨胀的控制问题时，发现厌氧好氧( a o ) 工 艺不仅可以有效地防止污泥的丝状菌膨胀问题，而且具有很好的除磷效果的基础 上开发的a o 工艺流程简单，不需另加化学药品，基建和运行费用低。在a o 系统 中，微生物在厌氧条件下将细胞中的磷释放，然后进入好氧状态，并在好氧条件下 摄取超过其生理需要的数量的磷，即利用其对磷的过量摄取能力将高含磷污泥以 剩余污泥的方式排出处理系统之外，从而降低处理出水中磷含量。该工艺在进水 中磷与b o d 之比较低的情况下能取得很好的处理效果。当进水中磷与b o d 之比较高 时，由于b o d 负荷较低，剩余污泥量较少，因而比较难以达到稳定的运行效果，分析 其原因，主要是由于：系统中磷的去除主要依靠剩余污泥的排除来实现，实质上与 有机物处理过程一样，其去除效果受工艺运行条件及环境条件的影响；当处理进 水中的易降解、分子量较低的有机基质含量较少时，因聚磷菌较难以直接利用这 类基质而影响其磷的释放程度，从而导致在好氧段对磷的摄取能力下降；由于厌 氧一好氧系统中剩余污泥的含磷量高于传统活性污泥法，因而在污泥的浓缩和消 4 第一章绪论 化过程中，污泥所摄取的磷将重新释放到上清液中，而上清液一般要回流到处理 过程中加以处理，经过长时间的运行，对系统的总体除磷效果会产生一定影响；当 处理过程中的进水水质波动较大时，a o 工艺中磷的释放效果会受到一定影响，也 会影响系统的除磷效果。因此，在a o 工艺中，一般要求进水中有较高的易降解有 机基质的含量。 1 2 2 2a 2 0 工艺 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。它在a 0 工艺基础上增设一个 缺氧区，并使好氧区中的混合液回流至缺氧区使之反硝化脱氮。因此，该工艺同时 具有除磷和脱氮的功能。废水首先进入厌氧区，兼性厌氧发酵细菌在厌氧环境下 将废水中的可生物降解的大分子有机物转化为分子量较低的中间发酵产物v f a ( 挥发性脂肪酸类) ，聚磷菌将其体内贮存的聚磷酸盐分解，同时释放出能量供专 性好氧聚磷菌在厌氧的“压抑”环境中维持生存，剩余能量可供聚磷菌从环境中 主动吸收易降解有机基质v f a 的需要，并以p h b 的形式在其体内加以贮存。随后， 废水进入缺氧区。反硝化细菌利用好氧区中回流混合液中带来的硝酸盐以及废水 中的有机碳源进行反硝化，达到同时降低c o d 与脱氮的目的。最后废水进入好氧 区。聚磷菌在利用废水中残留的有机基质的同时，主要通过分解其体内贮存的p h b 所放出的能量维持其生长，同时过量摄取环境中的溶解态磷。好氧区中的有机物 经过厌氧、缺氧段分别被聚磷菌和反硝化细菌利用后，浓度已相当低，这有利于自 养硝化菌的生长繁殖。并通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐。非除磷的好氧性异 养菌虽然也能存在，但是这些微生物由于已受到厌氧和缺氧段的双重抑制，其在 好氧区中得不到足够的营养，难以与其它微生物竞争。最终排放的剩余污泥中， 含有大量能超量积聚磷的聚磷菌，污泥含磷量可以达到6 ( 干重) 以上。 1 3 反硝化除磷理论及工艺研究现状 1 3 1 反硝化除磷机理 近年来反硝化除磷技术已成为国内外污水强化生物除磷研究领域的热点之 一。自2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初开始，缺氧条件下的反硝化除磷现象越来 越多地出现在相关报道中。1 9 7 7 年o s b o r n 和n i c h o l l s 在硝酸盐异化还原过程 5 广州大学丁学硕士学位论文 中观测到的磷快速吸收现象，这表明某些反硝化功能的菡类也能过量吸磷“n 。 c o m e a u “”等在1 9 8 6 年小试研究中，提出了有一些除磷菌具有利用硝酸盐作为电 子受体的功能，可取代常规的氧气作为电子受体，从而服务于磷的聚集，同时完 成反硝化脱氮。w a n n e r 等n u 在1 9 9 2 年通过反硝化除磷的特性自行开发的n 、p 营 养物质去除新工艺的实验，证实了缺氧条件下一些除磷菌具有反硝化能力。k u b a 等m - 也在实验研究中证实了除磷菌的反硝化功能。s m o l d e r s 等n n 和k u b a 等m 在 1 9 9 5 - 1 9 9 6 年证实了中试规模的脱氮除磷系统中除磷菌的反硝化功能。k u b a “m 和4 ) s t g a a r d 等u m ，分别针对大规模的u c t 污水处理脱氮除磷系统中除磷菌的反 硝化功能进行了研究，证实了缺氧区除磷菌反硝化现象的存在。国内有关反硝化 除磷现象的发现和证实也都有一些报道，林燕等在试验中发现了一些除磷菌的反 硝化功能；隋军等的实验证实，某些除磷菌可以在缺氧条件下利用硝酸根取代氧 气作为电子受体进行过量吸磷“”。 针对反硝化除磷现象的出现，研究者们提出了两种假说进行解释：1 、p a o 可分为两种菌属的学说r 一，既一类是仅能利用氧气作为电子受体，另一类既能 利用氧气又能利用硝酸根作为电子受体；2 、一类p a o 学说w ，即只存在一类p a o ， 他们在一定程度上都具有反硝化能力，只要强化厌氧缺氧的运行条件，就会加 强其反硝化能力。两种假说各有支持者，但大部分研究者赞同f a o 分为两种菌属 的学说。 反硝化除磷机理与常规除磷机理在厌氧段基本相同，而在缺氧段，反硝化聚 磷菌( d p b ) 以n o ；作为氧化胞内p l b 的电子受体，利用氧化p h b 产生的能量进 行细胞合成和维持生命活动，同时用于过量吸磷，将n 0 3 转化为n ：“”，不同于常 规除磷的好氧吸磷机理。根据对反硝化除磷机理的掌握，研究者建立了一些数学 模型，目前包括反硝化除磷的数学模型有a s m 2 d 模型，b a r k e ra n dd o l d 模型和 t u d p 模型等，这些模型对缺氧吸磷过程或缺氧吸磷过程与其他过程的相互作用 进行了模拟，但是并没有达到理想的效果m ，因此。有关反硝化除磷机理的研究 还有待加深。 随着以硝酸根及其他碳源作为电子供体进行除磷研究的展开以及使用1 6 s 和2 3 s r r n a 寡核苷酸探针对d p b 细菌进行鉴别和分析，人们对反硝化除磷机理将 会有更加清楚的认识。 6 第一章绪论 1 3 2 典型反硝化除磷工艺 利用反硝化除磷菌( d p b ) “一碳两用”功能，反硝化除磷比传统生物除磷可 节省s 0 c o d ，降低3 0 供氧量，减少5 0 的污泥产量“，。基于这些优点，反硝化 除磷工艺能够解决传统生物除磷工艺存在的矛盾与弊端，因此，水处理专家们对 反硝化脱氮除磷工艺的开发应用展开了长期而系统的研究。 目前，满足反硝化除磷菌( d p b ) 所需环境和基质的工艺有单、双两级。在单 级工艺中，d p b 细菌、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， 顺序经历厌氧缺氧好氧三种环境。最具代表性的是u c tt 艺和b c f s 工艺。在 双级工艺中，硝化细菌独立于d p b 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 工艺。 1 3 2 1 单污泥系统 ( 1 ) 改良u c t 工艺 回流b 图卜1 改良u c t 工艺流程图 f i g 1 1c o n f i g u r a t i o no fm o d i f i e du c tp r o c e s s u c t ( u n i v e r s i t yo fc a p et o w n ) 工艺首先是由南非开普敦大学开发出的， 是最早应用于生物除磷的工艺之一，改良后的u c t 工艺如图卜l 所示。该工艺特 点是将缺氧段置于厌氧段和好氧段之间，因为回流污泥中很难1 0 0 地保证不含 有硝酸盐及亚硝酸盐，为了彻底排除在厌氧段内硝酸盐及亚硝酸盐的干扰。厌氧 段用于释磷及p h b 的合成，缺氧段用于反硝化吸磷，其中回流b 的作用是提供 硝酸盐作为反硝化吸磷的电子受体。回流a 的作用强化了厌氧缺氧环境中d p b 的生长m 。荷兰d e l f t 科技大学对当地g e n e m u i d e n 和h o l t e n 两个污水厂u c t 除 磷工艺运行结果的对比研究发现，运行良好的h o l t e n 污水厂约有3 0 - 5 0 的m l v s s 含有聚磷菌，而5 0 的聚磷菌具有反硝化能力，即d p b 的量占总聚磷菌的一半， 因此系统除磷效果很好，出水的总磷浓度为0 i m g l l ”，。 7 广州大学工学硕士学位论文 ( 2 ) b c f s 反硝化除磷脱氮工艺 b c f st 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、为 最大程度从工艺角度创造d p b 富集条件的一种变型u c t 工艺。其工艺流程如图 i - 2 所示。 曩r a 冶谢嘲 图1 - 2b c f s 工艺流程图 f i g 1 2c o n f i g u r a t i o no fb c f sp r o c e s s b c f s 工艺较原u c t 工艺增加了两个反应池。第一个介于岍工艺的厌氧和 缺氧池之间( a p 接触池) ，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 。另外，因接触池是缺氧的，所以来自回流污泥中的硝酸盐氮能被迅速反 硝化脱除，在这种情况下丝状菌生长非常缓慢，能有效地防止污泥膨胀。增加的第 二个反应池是混合池，介于u c t 工艺的缺氧池与好氧池之间，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。混合池的增设 除保证硝化和反硝化分别在好氧池和混合池中以各自最大反应速率进行外，它还 能保证污泥充分再生( 好氧池) 时不影响硝酸盐氮的有效去除( 混合池) 。因为污泥 的再生程度能通过调节好氧池的曝气强度控制，保证低负荷时污泥( 磷细菌) 中 p 眦与糖原的最低含量，这意味着可保持较好的磷酸盐去除率。 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 t 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。 与u c t 工艺相比，b c f s 工艺增加了两个内循环b 和c ( 见图1 - 2 ) 。u c t 原有的 内循环a 是为了分别维持一个较严格的厌氧区和缺氧区以防硝酸盐氮与氧的进 入。因为回流污泥被直接引入了接触池，从好氧池设置内循环b 到缺氧池就十分 必要，起辅助回流污泥向缺氧池补充硝酸盐氮的作用。内循环c 的设置能在好氧 池和混合池问建立循环，以增加硝化或同时反硝化的机会，为获得良好的出水氮 8 第一章绪论 浓度创造条件。内循环的流量可通过在线监测的氧化还原电位仪来控制m 。 在这种变形的u c t 工艺脱氮除磷处理系统中，污泥能够利用硝酸盐作为电子 受体，在缺氧环境条件下同时进行反硝化作用和超量聚磷。b c f s 工艺在荷兰己 成功运用于工程实践中，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s ) 2 m g l ，总氮量o 5 m g l 1 3 2 2 双污泥系统 ( 1 ) d e p h a n o x 工艺 几田 厂1 塑些兰广 fi 兰巨) 莲! 哑堇卜通 d 乎 ii 回流污泥 l 剩余污泥 图卜3d e p h a n o x 工艺流程图 f i g 1 - 3c o n f i g u r a t i o no fd e p h a n o xp r o c e s s w a n n e r 等在1 9 9 2 年首次提出在厌氧缺氧交替运行条件下联合膜生物反应 器好氧硝化进行生物除磷的新概念。r s o r m 和w a n n e r 在1 9 9 6 年用固定生物膜 硝化的方法提供硝酸盐进行反硝化除磷的小试试验。该工艺主要用于解决聚磷菌 和反硝化细菌对反应体系中的碳源竞争的问题，同时解决了活性污泥系统培养硝 化菌需要的较长污泥龄的不利条件。该工艺的回流污泥完成在厌氧池中的释磷和 p t t b 的储备后，在一个中间沉淀池中进行泥、水分离。分离后的上清液直接进入 随后的固定膜生物反应器进行硝化；被沉淀的污泥跨越生物膜进入缺氧池同时完 成反硝化脱氮和吸磷。脱氮和吸磷后的混合液在进入曝气池再生污泥，使其在下 一循环中发挥最大放磷和存储p h b 的能力。 而实际应用中此类工艺面临一些问题：缺氧条件下磷的去除效率低于好氧条 件下的效率：由于磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度，实际应 用时进水中氮和磷的比例很难恰好满足缺氧摄磷的要求，这就给系统的控制带来 了困难m 一。 ( 2 ) & n s b r 工艺 在w a n n e r 等提出在厌氧缺氧交替运行条件下联合膜生物反应器好氧硝化 9 广州大学工学硕士学位论文 进行生物除磷的新概念后，k u b a 等对a = n s b r 双污泥系统进行了反硝化除磷的实 验室小试研究n “一，并取得了良好的效果。 a 2 n s b r 系统具有两个独立的s b r = 由a 2 o - s b r 反应器和n - s b r 反应器组成。 a 2 沪s b r 的主要功能是去除c o d 和反硝化除磷和脱氮：n - s b r 反应器主要起硝化 作用。这两个反应器的活性污泥是完全分开的，只将各自沉淀后的上清液相互交 换。厌氧缺氧s b r 经厌氧反应后，将含氨氮的上清液流至好氧硝化s b r ，在此 经好氧硝化后，将硝化液又回流至厌氧缺氧s b r ，完成反硝化和除磷作用。k u b a 对a 2 n s b r 系统研究得出结论，a = o - s b r 与好氧硝化s b r 系统的结合表现出了稳 定的除磷脱氮效果，除磷效率接近1 0 0 ，脱氮效率稳定在9 0 左右。 a , n s b r 工艺和d e p h a n o x 工艺一样，可分别控制硝化菌和异养菌( 聚磷菌和反 硝化菌) 的泥龄，成功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氨氮未经硝化直接和反硝 化聚磷污泥一起进入了缺氧段，无法完成反硝化过程，从而使出水中含有部分的 氨氮。 我国重庆大学的罗固源和罗宁等对应用a 2 n s b r 工艺实现反硝化脱氮除磷进 行了较系统的研究。他们以人工合成污水为研究对象，试验结果显示该工艺可成 功解决硝化菌和聚磷菌的泥龄问题，达到稳定良好的脱氮除磷效果，因此该工艺 特别适合处理b o d 。t p 值较低的污水m m i 。哈尔滨工业大学彭永臻教授研究了连 续流a z n 双泥系统反硝化除磷脱氮特性，得出结论：该工艺较适合处理c o d t n 偏低的城市污水脱氮除磷处理一。哈尔滨工业大学王亚宜等以生活污水为处理对 象，对a 2 n ( 厌氧缺氧和硝化) 连续流反硝化除磷脱氮的双泥工艺进行了研究，试 验结果表明：a 2 n 工艺对t n 、t p 和c o d 的去除率分别达到了9 2 麟、9 8 和9 5 且出水指标均达到了g 船9 7 8 一1 9 9 6 的一级排放标准。试验过程中还发现c o d t p 、 硝酸盐氮浓度、m l s s 和s r t 等因素对系统的脱氮除磷效果有较大影响，此外，以 碳纤维为填料的生物膜硝化池在整个运行过程中效果很稳定( 硝化率趋于 l o o ) m 。 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。 从目前开发应用的几种新型反硝化除磷工艺来看，反硝化除磷工艺具有显著 第一章绪论 的脱氮除磷效果，值得广泛的推广应用，但反硝化除磷工艺也存在一些有待解决 的问题：由于大部分工艺研究实验多以机理为主，对运行控制的工况及控制要素 没有明确的域值，因此实际应用控制中遇到很多困难；反硝化除磷速率远远低于 好氧吸磷速率，这是当前反硝化除磷工艺的最大缺点；反硝化除磷与各种影响因 素之间的关系还需要进一步研究。因此，水处理研究人员需要对以反硝化除磷理 论为基础的生物除磷工艺展开深入研究，进行长期系统考察，进行小试，中试， 应用生产，进行工艺的优化与新工艺的开发。 1 4d o 、o r p 与p h 在污水生物除磷中的应用现状 目前，污永生物除磷工艺过程主要采取时间程序控制。时间程序控制即根据 各个运行阶段所需时间进行预先设定后实施的自动控制。但是城市污水的水质水 量随时问季节的变化很大，如果按某一相同的反应时间控制反应器的运行，当进 水污染物质浓度高时出水水质不合格，当其浓度低时反应时间过长，既浪费了能 耗又容易发生污泥膨胀。这种控制方法的缺点在于不能根据废水水质实际变化情 况及时调整某些运行参数，难以达到良好的处理效果，。因此，本试验研究了s b r 工艺的在线监测自动控制，主要目的就是在保证出水水质的前提下尽可能节省运 行费用。 虽然目前尚未开发出能在线稳定测定有机物、氮、磷的传感器，但近年来， 随着实时控制系统在各个领域的成功应用，越来越多的水处理专家开始研究污水 处理实时控制策略。在污水生物处理实时控制研究中，普遍采用以环境变量如d o 、 o r p 及p h 作为控制参数。随着这些在线监测仪器技术的成功研究，欧美等国已经 利用d o 、o r p 及p h 实现了污水处理过程可靠的在线监测m 。 目前，以d o 、o r p 及p h 作为脱氮过程的控制参数得到了广泛的研究与确认， 但由于除磷过程和除磷机理复杂，过程控制研究还有待进一步深入。基于此研究 现状，学者们对d 0 ，o r p 及p h 在生物除磷过程中的变化规律及其与相对应生化反 应之间的定量关系进行的大量考察研究，基于这些参数的变化规律，以获得有效 的实时控制策略。 1 1 广州大学工学硕士学位论文 1 4 1d 0 在生物除磷领域中的应用 d o 是活性污泥法的重要控制参数。对于传统厌氧好氧除磷工艺来说，控制 合理的d o 是保证吸磷效果的关键因素。在厌氧段，控制严格d 0 可保证厌氧环境， 否则会影响污泥的释磷情况和p l i b 的合成。在好氧段，需要提供合理的d o 以满足 聚磷菌对电子受体的需求。如d o 过高，过量曝气不仅直接导致能耗的提高，还会 导致除磷效率降低，甚至会产生不吸磷现象m ；d o 过低，不足以氧化p h b ，吸磷 效果受限，同时影响下一周期的释磷。针对广州城市污水的特点，生物除磷过程 控$ j d o 为2 4 m g l ，曝气2 0 h 就可保证良好的除磷效果m 。 在反硝化除磷系统中，利用d o 可以有效的监控系统厌氧与缺氧的运行状态。 同时，针对应用有独立硝化系统与后续好氧工序的反硝化除磷工艺，采用d o 可分 别有效控制系统的硝化与后续好氧过程磷的吸收情况。通过控$ , i n o ，提高系统硝 化效率；调节后续好氧工序中的d o ，保证系统稳定高效的除磷效果。 1 4 2o r p 与p h 在生物除磷领域中的应用 在生物除磷过程中，厌氧与缺氧运行下d 0 几乎为零，无法指示过程中的变 化。因此，研究者寻求了其他有效的过程指示参数：o r p 与p h 。氧化还原电位 ( o x i d a t i o nr e d u c t i o np o t e n t i a l ，简称o r p ) 是系统中多种氧化物质和还原物 质进行氧化还原反应的综合结果，是对整个氧化还原状态给出的一个综合指标。 大量研究发现，厌氧放磷及缺氧吸磷过程与o r p 有一定的相关性。 k o c h 和o l d h a m t m 对o r p 和废水脱氮除磷过程中的相互关系进行了长期研 究，得到p o