（市政工程专业论文）A2O工艺强化生物除磷优化研究.pdf

摘要 摘要 随着水体“富营养化”问题的日渐突出，污水排放标准的不断紧缩，以控制 富营养化为目的的脱氮除磷己成为当今污水处理领域的研究热点之一。a ：o 是 最基本的生物脱氮除磷工艺。但是，传统a ：o 工艺出水水质不高，尤其难以同 时实现高效的脱氮和除磷。为了解决该问题，本课题以生活污水为处理对象，以 5 f - - a 2 o 中试设备为基础，首次设计并应用竖流式初沉污泥发酵工艺强化生物 除磷，系统的考察了各运行工况和进水条件下，通过优化系统，强化生物除磷情 况。 首先通过小试试验探讨了b o d 5 t p 对除磷的影响，并对低碳源生活污水如 何提高进水b o d 5 ，r p ，提出了有效的解决方法。通过中试试验证实，初沉污泥 水解能有效的提高进水b o d s t p ，有利于强化生物除磷。试验发现，初沉污泥 水解提高了b o d 5 ，r p 和b o d 5 t k n 比，尤其能显著提高进入生化系统v f a 含 量，为后续强化生物处理创造了理想的条件。并对竖流式初沉污泥发酵工艺经初 沉污泥水解后水质指标进行了系统的分析，试验发现经污泥水解后进水的 b o d 5 、c o d e r 、t p 、s p 、s s 、b o d s t p 、b o d 5 t k n 分别：6 1 1 、3 6 5 、 3 6 1 、1 7 3 6 、5 2 0 、2 1 2 、6 8 2 。 其次研究了s r t 对a 2 o 生物除磷的影响，通过对比间歇排泥和连续排泥试 验，发现在保持污泥浓度恒定的情况下，连续排泥能够有效的增加系统的排泥量， 最大限度的提高除磷效果，产泥系数由间歇排泥的0 4 0 6 k gd s k gb o d 5 ，增加 到连续排泥的0 5 o 8 5k gd s k gb o d 5 。在本试验进水水质条件下，a 2 o 工艺 s r t 为7 1 0 d ，出水稳定达到一级b 标准。 在总氮达标的前提下，本课题提出通过初沉污泥发酵和及时控制排泥两方面 强化生物除磷，经试验验证可以取得较好的处理效果。 关键词：a 2 o 工艺；c p ；初沉污泥水解；排泥量；优化控制 a b s t r a c t a bs t r a c t t h es t a n d a r do 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 e s e “c e l - 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 h e r e f o r et h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lt e c h n o l o g yf 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 e w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r e s m a n y m pc h o o s ea o op r o c e s s b e c a u s ei ti s a v a i l a b i l i t y o nt h eo t h e rh a n d , t h eo p e r a t i o nc a n n o ti nh i g he f f e n c ye s p i c a l l yi nl o w c a r b o ni n f l u e n t i no r d e rt os l o v et h i sq u e s t i o n w ed i dap i l o ts c a l et e s tw i t h5 f 一t o e q u i p m e n t f o rt h ef i r s tt i m ed e s i g na n da p p l yv e r t i c a ls e t t i n gt a n kf o rp r i m a r y s e d i m e n t a t i o nf e r m e n t a t i o ni no r d e rt oe n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l w e s t u d i e dt h es y s t e ms t a t ea td i f f e r e n to p e r a t i o n sa n di n f l u e n tc o n d i t i o n s f i r s t l yw ed i s c u s s e de f f e c to fc pt ot h ep h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h r o u g has m a l l s c a l et e s t a n dm a k es u g g e s t i o n st oh o wt oe n h a n c et h ec t t ot h el o wc a r b o ni n f l u e n t p r i m a r yf e r m e n t a t i o nc a l li m p r o v ec pi ne f f e c t i v e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp r i m a r y f e r m e n t a t i o nc a ni n c r e a s ei n f l u e n ti n d e xs u c ha sb o d 5 ，c o d e r , t p , s p , s s c o m p a r i n gt h e e f f l u e n tf r o mf u l ls c a l ep l a n tp r i m a r ys e d i m e n t a t i o n ，s e p a r a t e l y i n c r e a s e d ，6 1 1 、3 6 5 、3 6 1 、1 7 3 6 a n d5 2 o ，a n d t h e t e c h n o l o g y e s p e c i a l l y i nf a v o ro f t h ei n f l u e n tv f a ，e n h a l l e eb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a lt o t h eb i o l o g i c a ls y s t e m s e c o n d l yw es t u d i e ds r te f f e c to ft h ep h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h r o u g hd i f f e r e n t w a y so fw a s t es l u g ed i s c h a r g ei np i l o tt e s t w ef o u n dt h a tc o n t i n u o u sd i s c h a r g ew a s t e s l u g ec a ni n c r e a s e dt h eq u a n t i t yo fs l u g et h a ns e q u e n c ed i s c h a r g ew a s t es i n g e , a t c o n t a n tm l s s t h es l u g ep r o d u c ei n d e xf r o m0 4 0 6 k gd s k gb o d st o0 5 0 8 5 k gd s k gb o d 5i nt h ee x p e r i m e n t , i ti si n c r e a s ep h o s p h o r u sr e m o v a lf r o md i s c h a r g e w a s t es l u g e i no u re x p e r i m e n tt h eo p t i m a ls r ti s7 1 0 d ，t h ee f f l u e n tw a t e rq u a l i t y u pt op a r ( f i r s tl e v e lb i ng b l8 9 18 - - 2 0 0 2 ) w es u g g e s tu s ep r i m a r yf e r m e n t a t i o na n dd i s c h a r g ew a s t es l u g ei nt i m ee n h a n c e b i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ，h a v eb e e nc o n f i r m e da sag o o di d e ab yp i l o ts c a l e t e s t k e yw o r d s ：a 2 op r o c e s s ；c pr a t i o ；p r i m a r yf e r m e n t a t i o n ；q u a n t i t y o f d i s c h a r g e w a s t es l u g e ；o p t i m a lc o n t r o l n 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 签名：拙! 芷吼坚汪：多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二主盘导师签名： 1 1 课题背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题为国家十五重大科技专项( 2 0 0 4 a a 6 0 1 0 1 0 ) “水污染控制技术与治理 工程”专项中，城市污水a 2 o 处理设备成套化研究中的部分研究内容。 1 1 2 课题目的和意义 近二十年来，随着经济和城市化的快速发展，我国面临着日益严重的水污染 和水资源短缺问题，其中由氮磷营养物质引起的水体富营养化问题日益突出【卜3 】。 水体富营养化引起水中藻类的过量繁殖，降低了水的透明度，使水带有异味，造 成水中溶解氧降低。某些藻类产生毒素危害水生生物，影响人类健康，破坏了水 生生态。因此，在对污水中的b o d 5 和s s 进行有效去除的同时，还应根据需要， 考虑污水的脱氮除磷。目前，许多工艺方法具有脱氮、除磷、以及同时脱氮除磷 的能力，大量的文献从不同方面论述了它们的去除原理、化学计量表达式和动力 学过程、影响因素、设计理念、及其相互作用。但是由于处理系统中各种微生物 群落之间存在着复杂的相互作用，目前在国内还没有一座污水处理厂能够稳定的 同时达到氮磷的出水标准。因此，了解国际上最新的脱氮除磷研究成果、应用实 例和操作经验，并通过先进的实验手段精确的确定污水中氮、磷的反应速率来指 导污水厂科学有效的运行具有重要的理论意义和现实需求。 在污水处理实践中，根据受纳水体的水质要求及其它的一些客观情况，生物 脱氮除磷可以分成以下几个层次【4 】：去除有机氮和氨氮；去除总氮，包括有机氮 和氨氮及硝酸盐；去除磷，包括有机磷和无机磷酸盐；去除有机氮和氨氮，并去 除磷；去除总氮和磷，即完全的脱氮除磷。针对以上目标的研究均已广泛开展 5 - 1 1 。随着国内外对水体中的氮磷浓度以及排放标准限制的日益严格【1 2 1 4 1 ，高效、 同步生物除磷脱氮技术的研究、开发和工程应用成为国内外污水处理界关注的热 点问题之一。 采用常规的活性污泥法对污水进行二级生化处理，主要是去除污水中的含碳 有机物，除了很小一部分氮、磷被合成细胞以剩余污泥形式排放外，污水中的大 部分氮、磷随处理水排出。我国2 0 0 3 年7 月1 日开始实施的城镇污水处理厂污染 北京1 = 业大学1 = 学硕十学位论文 物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中，对总氮、氨氮及总磷的指标均作了更严格 的控制。为达到这一标准，绝大多数污水处理厂须改进或增加除磷脱氮的处理工 艺。厌氧缺氧好氧( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) 工艺简称a 2 o i 艺，其发展已有 3 0 年左右的时间，因其工艺简单，能兼顾氮、磷的去除并有较好的效果，故发展 比较迅速，在城市污水处理厂、小区生活污水处理站以及工业废水处理设施等系 统中均有广泛应用【1 5 】，对a 2 l o i 艺的研究也不断深入。 a ：o 是最基本的生物脱氮除磷工艺。但是，传统a 2 o 工艺出水水质不高， 尤其难以同时实现高效的脱氮和除磷。随着对脱氮和除磷要求的不断提高，针对 a 2 o 的一些内在问题，出现了很多变形新工艺，典型的有u c t 、m u c t 、v i p 、 o w a s a 、p h o s t r i p 等工艺。这些变形新工艺虽然在国内应用不多，但在国外早 已在生产中大量应用。 上述工艺基于好氧硝化和缺氧反硝化以及好氧吸磷和厌氧释磷这些最基本 的微生物学机理。上世纪九十年代以来，生物脱氮除磷在机理上出现了许多新进 展，代表性的理论有同步硝化反硝化、短程反硝化、缺氧吸磷、内源反硝化等。 对应这些理论，出现了一些最新的生物脱氮除磷工艺，但这些工艺目前尚未实质 性地应用到生产实践中。 通过大量的调查研究，我们发现绝大部分采用a 2 o 工艺的城市污水处理厂 出水的氮磷不能同时达标，少数能同时达标的污水处理厂是因为进水总磷浓度较 低，靠微生物的同化作用去除掉了大部分磷。导致氮磷不能同时达标的因素主要 有：污泥龄不能同时满足硝化和除磷的需要，硝化细菌的生长繁殖需要足够长的 泥龄，而除磷则需大量排泥，从而使泥龄降低；好氧段的溶解氧水平不能同时满 足硝化和除磷的需要，硝化需要高溶解氧水平，而高溶解氧将导致厌氧段及缺氧 段氧化还原电位的提高，从而严重影响释磷及反硝化；入流污水中碳源不足，不 能同时满足反硝化和释磷的需要或不能将有限的碳源进行合理分配；缺氧段或厌 氧段的有效池容不够，缺氧、厌氧、好氧三段的比例分配不合理；回流比太高， 将使厌氧段氧化还原电位提高影响释磷，太低将导致聚磷菌在二沉池释磷。内回 流比太高，将使缺氧段氧化还原电位大大提高，内回流比太低，将降低反硝化效 率。a 2 o 工艺实践标明：污泥龄、溶解氧水平、碳源及其分配、缺厌好三段的 比例、内外回流比这五个因子是影响生物脱氮除磷效率的关键因予；以上五个因 子能在一定的范围内同时满足释磷、反硝化、吸磷、硝化四个生化过程的需要， 亦即理论上存在氮磷同时高效去除的可能；而现有污水处理厂不能同时高效脱氮 除磷的主要原因是这五个因子大部分或全部在实际运行中不可调。基于以上认 识，我们提出在脱氮除磷工艺设计中，将以上五个因子设计成高度可调，实现 5 f ( f l e x i b l e ) ，在运行中通过对5 f 进行调整，达到同时高效脱氮除磷。 2 1 2 生物除磷原理及工艺发展 1 2 1 传统生物除磷原理 废水中磷的存在形态取决于废水的类型，最常见的是磷酸盐( 皿尸所， 上沪四一，尸四一) 、聚磷酸盐和有机磷。在常规二级污水处理中，有机物的生物降 解伴随着微生物菌体的合成，磷作为生物的生长元素也成为生物污泥的组分，从 水中去除。微生物正常生长时，活性污泥含量一般为干重的1 5 2 3 ，通过剩 余污泥排放可获得1 0 3 0 的除磷效果。 污水除磷技术的发展起源于生物超量吸磷现象的发现。生物除磷机理可概述 如下 1 6 - 1 8 】： 在厌氧条件下，聚磷菌消耗糖元，将胞内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外， 并从中获取能量，同时将环境中的有机碳源( 挥发性脂肪酸v f a ) 以胞内碳能 源存贮物( 主要为p h b ，聚1 3 羟基丁酸) 的形式贮存。在好氧条件下，聚磷菌 以0 2 为电子受体，氧化胞内贮存的p h b ，利用产生的能量过量地从环境中摄取 磷，以聚磷酸高能键的形式存贮。通过排放富磷的剩余污泥可实现磷的去除。 通过分析a 2 o 工艺厌氧池和好氧池中放磷量和吸磷量，发现放磷量愈多， 吸磷量也愈多，总磷的去除效果愈好【1 9 1 。可以看出，a 2 o 工艺生物除磷过程的 关键之一是厌氧池中磷的释放。 1 2 2 生物除磷研究现状及进展 通过全面的基础研究、生产性试验和工程运行总结，污水生物除磷技术在理 论上和实践上都获得了重大突破。总的来说，污水生物除磷技术经历了以下几个 发展阶段： ( 1 ) 2 0 世纪六十年代，以l e v i n 和s h a p i r o 等瑚】为代表的研究人员对生物 除磷的特性进行了研究，对具有明显除磷能力的污水处理厂进行了观测和试验， 证明了除磷作用的生物学本质； ( 2 ) 2 0 世纪七十年代，加强了从微生物学角度对生物除磷技术的研究，第 一次从除磷活性污泥中分离出纯微生物除磷细菌，发现不动杆菌在其中起主要作 用。这些微生物学方面的研究为现今生物除磷新陈代谢的种种假设提供了重要基 础： ( 3 ) 2 0 世纪七十年代，认识到好氧区之前设置厌氧接触区，污泥进行厌氧 好氧交替循环的必要性，从而开发了多种生物除磷工艺流程，如a o 除磷工艺， 北京工业大学1 = 学硕卜学位论文 并开始工程化应用： ( 4 ) 2 0 世纪七八十年代，在试验研究和工程实践中认识到避免硝酸盐进入 厌氧区的必要性，开发了优化生物除磷性能的工艺技术和运行技术，如u c t 工 艺： ( 5 ) 2 0 世纪八十年代，简单低分子量( 可快速生物降解) 基质的作用及存 在的必要性逐渐被重视，许多研究学者开始进行生物除磷生化模型的研究和开 发，引入了生物化学和生物力能学理论，使污水生物除磷技术进入了定量化模拟 和优化阶段； ( 6 ) 2 0 世纪九十年代至今，生物除磷技术取得了很大进步，研究成果包括： 确定了在反硝化条件下可以进行生物吸磷；除不动杆菌外，还有许多细菌可以进 行生物吸磷；生物除磷静态与动态模型的研究与开发取得了长足的进步等。污水 生物除磷技术在世界范围内得到了广泛重视和应用。 由传统的生物脱氮和除磷机理可知，要达到同步脱氮除磷的目的，常规的生 物脱氮除磷工艺应包括厌氧、缺氧、好氧三种状态。各工艺的出发点就是通过优 化三种状态的组合方式和数量分布的时间变化以及回流方式和回流位置等创造 出更适合特定微生物生长的环境，以达到高效脱氮、除磷的目的【2 1 - 2 4 。因此产生 了b a r d e n p h o 、a 2 o 、u c t 等可以实现同步脱氮除磷的工艺，并不断加以改进。 另外，近几年研究发现，一种反硝化聚磷菌( d p b ，d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v i n g b a c t e r i a ) 能在缺氧条件下过量吸磷 2 s , 2 6 。d p b 的生物吸放磷作用被荷 兰d e l f t 工业大学和日本东京大学研究人员合作研究确认，并冠名“反硝化除磷” ( d e m t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n ) 。硝酸盐还原性和超量吸磷只是两种并不冲突的细 菌的生化特性，某种细菌既可单独拥有其中一种生化特性，也可同时拥有这两种 生化特性。因此，反硝化菌和聚磷菌之间并无严格区分，可相互交叉，其交叉点 是反硝化聚磷菌。由细菌完成的生物脱氮与生物除磷是两个既相对独立又相互交 叉的生理过程，其交叉点是同时拥有硝酸盐还原性和超量吸磷这两种生化特性的 细菌( d p b ) 进行的反硝化吸磷脱氮生化反应。在结合的除磷脱氮过程中，c o d ( 化学需氧量) 和氧的消耗量均能得到相应节省。比较传统的专性好氧磷细菌去 除工艺，反硝化除磷细菌能分别节省约5 0 和3 0 的c o d 与氧的消耗量，相应 减少剩余污泥量5 0 p t j 。因此，具有反硝化除磷细菌富集的处理系统可以被视 为可持续处理工掣2 8 】。 很多研究人员对反硝化除磷技术进行了研究，有关在生物除磷脱氮工艺中发 现缺氧吸磷现象的报道很多2 9 。3 2 1 ，如：中国市政工程华北设计院在a 2 o 工艺的 中试研究中观测到缺氧区出现反硝化吸磷脱氮现象；青岛建筑工程学院的张波和 同济大学的高廷耀在常规a 2 o 工艺的试验中发现缺氧吸磷现象；荷兰d d f l 大 学的t ik u b a 等人在采用改良u c t 工艺的污水处理厂的活性污泥中，发现了反 4 第1 币绪论 硝化聚磷菌d p b ；挪威科学技术大学的k o s t g a a r d 等人对u c t 污水处理厂 进行研究，发现缺氧区除磷量占整个处理系统除磷量的3 0 ；刘洪波等”1 通过 试验证实，纪庄子污水处理厂污泥中有反硝化聚磷菌的存在。 李捷等人【3 卅以厌氧好氧生化反应器中的聚磷菌为试验对象，研究了3 种不 同电子受体( 0 2 、n o ；一n 、n o ；- n ) 对聚磷菌吸磷效果的影响。结果表明： 传统的厌氧好氧生化反应器中存在有反硝化聚磷菌，且随着n o ；一n 质量浓度 的不同，反硝化聚磷速率和总量也不同，而低水平的c o d t p 将有利于反硝化聚 磷菌的生长；此外，n o ；一n 也可参与聚磷菌缺氧吸磷反硝化的过程，但高质量 浓度的n o ；一n 将会对聚磷菌产生抑制作用 3 5 】。试验证实，以氧为电子受体的聚 磷速率和聚磷总量明显高于n o ；一n 和n o ；一n ，但是，后二者的能耗、污泥产 生量低于前者。h u z h i r o n g ，e k a m a ，j i a n g y i f e n g 等人【2 5 1 也得出结论，认为缺 氧状态下磷摄取量明显比好氧状态下磷摄取量低，也就是说，聚磷菌对磷的吸收 仍以好氧吸收为主。 1 3 生物除磷的应用现状 1 3 1国外应用现状 国外污水处理技术发展较快，传统的a 2 o 工艺得以不断的改进和发展，因 此，a 2 o 变形工艺及其他相关工艺也得以广泛应用，如p h o s t r i p 、v i p 、p h o r e d o x 、 u c t 等工艺，在美国、加拿大以及非洲的几个国家应用较多。由表1 1 【3 6 捌中污 水处理厂出水n 、p 数据可以看出，根据各厂进水特点和处理目标选用不同的 a 2 c l 变形工艺或其他工艺，污水处理效果良好。对照中国城镇污水处理厂污 染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 以及国外相关标准来看，大部分污水处理厂的 氮去除率高，均能达标排放，而磷去除效果不稳定，如美国的1 a r g o 、y o r k r i v e r 以及南非的g o u d k o p p i e s 等污水处理厂出水磷浓度仍然很高。 英国泰晤士水处理公司在b e c k t o n 建成3 0 0 0 0m 3 d 处理规模的j h b 生物除 磷脱氮工艺示范工程，并于1 9 9 3 年4 月投入运行。该厂设计的主要参数有：混 合液回流比为2 0 0 4 0 0 ，厌氧区的回流比为1 0 2 0 ，厌氧、缺氧和好 氧三段的停留时间分别为o 7 、1 0 和5 1 h 。b e c k t o n 污水处理厂1 2 周的运行结果 见表l 一2 【3 引，分析表明：j h b 工艺示范工程有机物去除和硝化效果良好；具有 较好的生物除磷脱氮效果，但不能满足欧共体都市污水处理指令( e u r o p e a n c o m m u n i t y u r b a l l w a s t e w a t e r d i r e c t i v e ：e c u w w d ，1 9 9 1 ) 的要求，尤其p 的去 北京t 业大学t 学硕f 。学位论文 除效果很不理想，甚至无法满足我国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 ) 二级标准的要求。在厌氧区硝酸盐浓度低和初沉污水短链脂 肪酸浓度高时，生物除磷效果较好。如果要达到出水磷1m g l 的标准，就必须 提高进水短链脂肪酸的浓度。 表1 - 1国外部分地区污水处理厂n 、p 出水状况 t l b l el - lna n dpe f f l u e n tf r o mo v g l s e a sp a r t i a l ，、) 盯甲 处理规模出水t n出水t p 污水处理厂名 处理工艺 m d m g lm g 几 美国u o o k e r sp o i n t3 6 3 0 0 b a r d e n p h o 工艺 垫0 美国r e n o s p a r k s 1 0 0 3 0 0 p h o s t r i p 工艺 曼4 6 美国l a r g o 3 7 l o oa 2 o 工艺 ! ；8 0雯4 ( p 0 4 3 p ) 美国l a m b e r t sp o i n t 1 5 1 4 0 0 v i p 工艺 1 0 万) 总磷 7 3 士2 33 4 + 1 3 1 0 ( 服务人口 1 0 万) 6 1 3 2 国内应用现状 国内选用a 2 o 及其变形工艺的污水处理厂较多，在实际运行过程中发现氮、 磷去除矛盾突出，出水水质中氮、磷两项指标难以同时达标。下面介绍国内几个 不同地区采用a 2 o 及其变形工艺且运行状况较好的污水处理厂实例。 1 3 2 1 清河污水处理 清河污水处理厂是北京市排水集团京北分公司下辖的几个主要污水处理厂 之一，位于清河北岸，清河镇以东马坊村。该厂一期工程设计日处理能力2 0 万 m 3 ，采用活性污泥法延时曝气工艺，于2 0 0 0 年1 2 月开工，2 0 0 2 年9 月正式投 产运营；二期工程设计日处理能力仍为2 0 万m 3 ，采用倒置a 2 o 工艺，于2 0 0 3 年9 月开工建设，目前已建成通水。 清河污水处理厂实际运行过程中的进出水水质如表1 3 所示( 文中引用的 实际运行中的进出水水质资料实际上指的是该厂在某一段时期内的平均进出水 水质，下同) 。从表中数据来看，清河污水处理厂的出水水质基本满足设计出水 指标要求，同时达到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b 标准，总体运行效果良好。其中，n 的去除率高，而出水p 浓度未能达到 设计出水要求。 表1 3 清河污水处理厂实际运行中的进出水水质( r a g l ) t a b l e1 - 3i n f l u e n ta n de f f l u e n tw a t e rq u a l i t yi nq i n g h e 、) l w 门下 项目进水出水去除率设计出水指标 b o d 。2 3 0 61 2 19 4 82 0 c o d4 6 7 24 4 39 0 56 0 s s3 0 4 01 0 99 6 42 0 氨氮 3 6 84 1 68 8 91 5 磷6 41 2 68 0 3l 0 1 3 2 2 莆田市污水处理厂 福建省莆田市建设局主管的莆田市污水处理厂，位于莆田市涵江区白塘镇显 应村。该厂采用a 2 o 工艺，设计的日处理能力近期为8 万m 3 ，远期为1 6 万m 3 。 工程于1 9 9 9 年1 1 月开工，2 0 0 2 年9 月通水运行。 莆田市污水处理厂实际运行过程中的进出水水质如表1 4 所示。从表中数 据可以看出，莆田市污水处理厂的出水水质满足设计出水指标要求，达到城镇 7 北京工业大学丁学硕士学位论文 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b 标准，由于进水n 、p 浓度低，出水中氨氮和磷的浓度甚至达到了一级a 标准，运行效果十分理想。 表l 一4 莆田市污水处理厂实际运行中的进出水水质( r a g l ) t a b l e1 - 4l n f l u e n te n de f f l u e n tw a t e rq u a l i t yi np u t i e nw w t p 项目进水出水去除率设计出水指标 b o d ；6 6 15 29 2 1 32 0 c o d1 9 5 3 73 5 18 2 0 36 0 s s1 9 0 8 1 1 49 4 0 32 0 氨氮 1 3 01 5 88 7 8 58 磷3 6o 4 48 7 7 81 5 1 3 2 3 团岛污水处理厂 团岛污水处理厂位于青岛市市南区团岛四路北侧，设计规模为1 0 万m 3 d 。 该厂生物池采用改进a ：o 工艺，平行设四格，每格设回流污泥反硝化、生物除 磷、反硝化、硝化反硝化、硝化及除气区等六个区。泥龄为1 5 天，m l v s s 为 3 3 l ，污泥回流比为1 0 0 1 5 0 ，混合液回流比为4 0 0 ，反硝化和硝化区 的体积比为1 ：1 9 5 。该厂于1 9 9 8 年建成调试并运行。 团岛污水处理厂实际运行过程中的进出水水质见表1 5 。该厂地处缺水严 重的青岛市，水资源的利用率高，因此进水水质的各项指标浓度都非常高。出水 水质中除磷外，其他指标均能达到设计要求，同时也能达到城镇污水处理厂污 染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的一级b 标准。磷的去除率虽然达到8 0 ， 但由于进水中磷浓度高达2 9 3m g l ，出水中磷浓度仍有5 8m g l 。 表l 一5 团岛污水处理厂实际运行中的进出水水质( m g l ) t a b l e1 - 5i n f l u e n te n de f f l u e n tw a t e rq u a l i t yi nt u e n d a ow 丌p 项目 进水出水去除率设计出水指标 b o d t7 0 1 7 2 2 99 6 73 0 c o d1 3 6 26 3 69 5 31 0 0 s s1 1 0 3 21 8 29 8 43 0 氨氮 9 2 9 8 6 9 12 5 磷 2 9 35 88 03 以上为国内应用较好的污水处理厂的运行情况，很多污水处理厂氮磷不能同 时达标，脱氮效果好时除磷效率低，除磷效果好时脱氮效率低，究其原因为在目 前建成的污水处理厂中，一些工艺参数在运行过程中很难甚至无法进行调整和改 变，一旦进水条件如迸水水量、进水水质或温度等发生较大变化时，原设计的工 第1 币绪论 艺参数难以满足进水条件改变后的工艺要求，致使处理效果差，出水水质不达标， 尤其氮、磷的去除矛盾激化，无法实现同时除磷脱氮的目的。此外，由于工艺参 数的变量较多，且各参数之间相互关联，而目前对这些参数组合取值缺少足够的 理论研究依据，使得在污水处理厂在运行过程中调试难度增大，往往顾此失彼， 难以在较短的时间内调整各参数达到各自的最佳值。因此，进一步研究a 2 o 工 艺中各参数相互影响的关系，寻找所有参数组合的最佳值，同时研究各参数在运 行过程中实现可调的设计方法，并开发出相应设备，增加a 2 o 工艺的适应性和 稳定性，使其在污水处理领域发挥其更大的优势，已成为a 2 o 工艺优化研究中 的重点问题和热点方向。 1 4 生物除磷的影响因素及解决方法 1 4 1 生物除磷的主要影响因素 1 4 1 1 温度 温度是生物除磷过程中的一个复杂影响因素。温度的升高或降低对除磷过程 的影响还未被人们非常清楚地认识。这是因为温度影响活性污泥工艺的各个层 面。温度的变化对下列情况有明显作用。 微生物的状态，如聚磷菌的活性；污泥种群，如在消化和酸化过程中污泥中 聚磷菌的含量；可能存在的物理和化学过程，如化学沉淀。 表1 6 概述了温度的降低对除磷效率的影响。从表中我们可以看出，温度 的变化有时会促进生物除磷过程的提高生物处理效率，有时则相反。 表1 - - 6 温度降低对除磷效率的影响 t a b l e1 - 6e f f e c to f t e m p e r a t u r ed r o pt ot h ee f f i c i e n c yo f p h o s p h o n br e m o v a l 水平影响 结果 对生物除磷的影响 转换速率降低释磷和吸磷量降低 生物体 衰减速率降低，导致污泥产量上 聚磷菌的贮存能力增强 + 升 污泥中聚磷菌组分的变化释磷和存储动力学的变化 七| 一 聚磷菌可利用底物增加；聚磷 种群 硝化反应降低，硝酸盐含量降低+ 菌的贮存能力增强 聚磷可利用底物减少；聚磷菌 发酵作用降低，v f a 产量的减少 的贮存能力降低 当溶解性产物过量，沉淀能力 物理化学沉淀+ 增强 9 北京t 业大学工学硕i ：学位论文 注：1 聚磷酸盐的贮存能力是由每单位聚磷菌的贮存能力和聚磷菌的数量所决定的。 2 只有在高污泥负荷条件下应用。由于现在对总氮的要求日益增高，污泥负荷较低，即 使在低温下也能进行完全硝化。 然而，这些积极和消极的因素所带来的影响是生物除磷工艺的其他过程所共 同决定的。例如，在一个负荷非常低、任何情况下均能完成完全硝化的活性污泥 工艺中温度降低对除磷效率的影响，要比高负荷运行、不进行硝化反应的活性污 泥工艺小的多。般情况下，聚磷菌吸磷与释磷速率均随温度的升高而增大【1 4 1 。 随着温度的提高，硝化、反硝化以及酸化反应速率也增大。因为温度对活性生物 ( 在生物体和种群水平上) 的影响比较明显，所以在不同过程温度的条件下，比 较生物除磷工艺的运行效果时，采用每克挥发性悬浮固体( v s s ) 来表述释磷与 吸磷速率是非常必要的。 在厌氧段，温度对厌氧释磷的影响不及其对硝化、反硝化影响大 3 9 1 。一些文 献指出，5 到2 5 。c 的温度范围对除磷效果没有显著影响 4 0 ”，如m i l b u r y 等人【4 2 】 报道，温度从2 2 c 下降到9 4 对磷的去除效果没有影响。从太原市北郊污水净 化厂的试验数据可以看出【4 3 】，即使在温度较低的1 0 1 2 月份，t p 的去除效果仍 很好。曹国民等人】通过a 2 o 试验认为，小于1 5 c 氮去除率明显下降，而8 1 0 时仍有较好的除磷效果。k a r i nj 6 n s s o n 等人【4 5 1 对瑞典一家e b p r 工艺污水处 理厂的试验结果也表明，在碳源充足的条件下，温度低于1 0 时除磷效果依然 很好。h e l m e r 等人【4 6 】在5 2 0 的温度范围内对强化生物除磷( e b p r ) 系统的 除磷效果进行了研究，发现释磷速率随温度降低而显著降低，从2 0 降至l o 时，吸磷速率有所下降，但继续降至5 时，吸磷速率又有所上升，总的看来低 温对除磷效果没有显著影响。 在温度对除磷效果的影响方面，也有一些研究人员通过试验得出了不同的结 论。一些报导指出在较高温度下可以取得更好的除磷效果 4 7 1 ，如v a s s o s 等4 8 1 通 过对一家改良b a r d e n p h o 污水厂4 年的监测数据，发现温度在水温在9 至1 5 时磷去除率约为6 8 ，而1 5 至2 l 时约为8 5 。而一些研究指出较低温度下 的除磷效果比较高温度下还要好【4 9 】。一些文献表明【5 “，在5 到2 0 。c 的温度范围 内，厌氧释磷速率和好氧吸磷速率随温度的增加而增加，但在2 0 以上时，温 度对释磷和吸磷速率没有显著影响。 p a o s ( 聚磷菌) 与g a o s ( 非聚磷糖元积累菌) 的竞争是导致生物除磷系统 不稳定的重要原因之一” ，温度的变化可能会加剧这两种微生物的竞争而导致除 磷效果变差。l i a n g - m i n gl a n g m u i rw h a i l 一5 2 殖过a o 强化生物除磷工艺试验发 现，在温度高于2 0 时，p a o s 会和g a o s 竞争碳源从而导致除磷效果不稳定。 在2 0 、污泥龄1 0 天的条件下，聚磷菌p a o s 占绝对优势，并在c o d p 为3 0 0 4 0 时可以达到4 0 m g p l 的去除效果，而当温度变为3 0 时，g a o s 有着更高的碳 1 0 第1 苹绪论 源利用速率，超过p a o s 而占绝对优势，除磷效果变差。t h o n g c h a ip a n s w a d 等【5 3 】 发现，在强化生物除磷系统中，当温度从2 0 0 到3 0 0 。c 时，优势微生物种群 从聚磷菌p a o s ( 4 7 - 7 0 v s s ) 转变为聚糖原菌( 6 4 - 7 5 v s s ) ，而当温度上升 至3 5 5 时，普通的异养菌成为优势种群( 9 0 v s s ) 。 1 4 1 2 p h 生物除磷过程受p h 值的影响也比较明显，特别是在厌氧释磷阶段。p h 值 将影响醋酸盐进入细胞的过程。低p h 值还会导致释磷速率和醋酸盐吸收速率的 降低。这意味着，在低p h 值条件下每释放单位质量的磷酸盐就需要更多的醋酸 盐。同时，由聚磷酸盐分解所释放的能量不是用于将醋酸盐转化为多聚物如p h b 进行贮存，而是用于将醋酸盐通过细胞膜送入细菌体内。 由以上论述可知，在进行厌氧释磷实验过程中必须测定p h 值并维持其恒定。 近年来由于未维持恒定的p h 值，致使许多磷实验结果出现了不准确的报道。在 此基础上，对生物除磷活性污泥在生物释磷实验中的变化规律的解释也是不够准 确的。 p h 值不仅对生物释磷和吸磷有明显影响，而且还对活性污泥中的物理一化 学固磷作用有显著影响。在高p h 值条件下( 7 5 ) ，一个或多个金属磷酸盐化 合物的溶解性产物将会增多，导致金属磷酸盐沉淀的生成。在无辅助化学除磷的 生物除磷工艺中，采用协同沉淀有助于总磷的去除。 1 4 1 3 进水组分 进水组分决定了生物除磷工艺的运行与效率，因此必须对其进行分析。一般 情况下，在生物除磷工艺中，每去除l m g 磷酸盐需要2 0 m g c o d ，其中c o d 是 指可快速生物降解c o d 和慢速降解c o d 之和。他们是废水c o d 组分中s s 和 x s 组分。 挥发性有机酸，包括醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐等，构成了聚磷菌的营养底物。 他们是废水c o d 组分中s s 组分。这些挥发性有机酸，部分来自于城市污水之中， 特别是采用压力管道输送城市污水情况。挥发性脂肪酸组分可通过以下方法提 高： 1 在厌氧区可发酵c o d 组分和部分慢速可生物降解c o d 的发酵作用( 水解 酸化) ； 2 初沉污泥发酵； 通过初沉池可以从污水中去除一部分c o d ，但去除量的多少由污水的类型 和浓度所决定。由于作为聚磷菌底物的大部分易生物降解c o d 是可溶的，所以 北京_ t 业大学t 学硕一l ：学位论文 初沉对生物除磷无直接影响。一些学者认为在初沉过程中去除的可沉淀c o d 在 厌氧段不会明显增加进水中挥发性有机组分，所以在这种情况下就有必要对初沉 污泥进行分离发酵。 1 4 1 4 硝酸盐和氧 硝酸盐和氧对生物除磷会产生有利和不利的影响。一方面，聚磷菌要在有硝 酸盐和氧的条件下在好氧区或缺氧区进行生物吸磷，另一方面，硝酸盐和氧通过 进水和回流液进入厌氧区，对生物除磷产生不利影响。在厌氧区，硝酸盐和氧都 会被消耗，同时消耗c o d 。 对于每克氧和硝酸盐，分别消耗掉2 m g c o d 和4 m g c o d 。因此，易生物降 解c o d 的量就会产生不足，从而使除磷量降低。硝酸盐和氧对生物除磷产生不 利的影响的程度不仅与他们在进水和回流液的浓度有关，而且还与进入厌氧池的 流量有关。尽管由于混合液所夹带的氧的影响不容忽视，但是在实际条件下，生 物除磷主要受硝酸盐的影响比较大。硝酸盐进入厌氧段会产生两种不利的影响： 长时间持续地将硝酸盐引入厌氧段会导致反硝化细菌，而不是反硝化除磷菌 的生长。在c o d 与硝酸盐同时存在的情况下，反硝化会更有效利用c o d ； 就短时间而言，有时会发现在厌氧释磷实验或在厌氧池测得的释磷量较低。 醋酸盐、c o d 被用于反硝化而聚磷菌能够在硝酸盐存在的情况下吸收磷酸盐， 这就为实验提供有利的正确解释。 1 4 1 5 污泥龄与污泥负荷 污泥负荷和污泥龄是影响生物除磷的根本性因素。污泥负荷的增加以及相应 污泥龄的减少能引发： 高污泥产量。由此，通过过量污泥排出的“正常”有机磷酸盐量就会增加，而 通过聚磷酸盐贮存而去除的磷酸盐量就会减少； 硝化反应受限制。高污泥负荷导致污泥龄较低，从而使硝化反应速率降低， 反过来又会使硝酸盐对生物除磷的影响降到最低，由此，聚磷菌对聚磷酸盐的贮 存能力有所增加： 影响磷酸盐的吸收。生物吸磷是由聚磷菌体内的p h b 的含量以及p h b 在好 氧和缺氧条件下的转换速率所决定的。生物吸磷所需要的好氧和缺氧污泥龄不少 于3 天。这就意味着在带有硝化功能的活性污泥工艺中，污泥龄不会成为生物吸 磷的限制因素。 而( 非常) 高污泥龄又会导致： 非常低的污泥产量