（市政工程专业论文）SBR工艺生物脱氮、化学除磷试验研究.pdf

山寿：建筑大掌硕士掌位论文 摘要 传统的生物除磷系统利用聚磷菌特殊的超量吸磷能力以排除富磷污泥的方式实现污 水处理系统磷的去除，这种系统污泥龄通常较短，且污泥浓度往往较低。尤其是在c o d 浓度较低的情况下，这种现象更加明显。这种短的污泥龄和低的污泥浓度不利于生物脱氮 过程的进行，使系统往往不能同时获得最佳的除磷脱氮效果。本研究提出采用生物脱氮， 化学除磷的思想以实现污水处理系统中氮、磷的有效去除。生物系统的污泥龄由硝化反硝 化过程决定以实现脱氮，除磷由投加化学药剂完成，脱氮和除磷过程分别由两个池子内完 成。 试验研究中确定了s b r 工艺生物脱氮运行模式，并对生物脱氮的相关影响因素进行了 研究。研究表明，脱氮s b r 系统的最佳运行工况为进水一曝气3 h 一缺氧2 h 一沉淀1 h 一排 水排泥。在此运行工况下，污泥龄为1 8 2 3 d 时，脱氮s b r 系统对c o d 、n i - 1 3 - n 、t n 均 具有较高的去除率。在进水c o d 为2 6 2 3 7 5 6 64 1 m g 1 , 、n h 3 - n 为2 4 4 3 7 4 m g l 、t n 为3 8 5 6 5 4 7 5 m g l 时，出水c o d 小于4 0 m g l 、n h 3 - n 小于1 s m g l 、t n 小于2 0 m g l 。 系统对t p 的去除也比较稳定，进水t p 为6 5 7 1 0 4 m g l ，出水为1 6 8 4 2 3 m g l 。此外， 长污泥龄条件下适宜于生物脱氮；温度为2 5 3 5 时的去除有机物和脱氮的效果好于温度 为1 2 1 8 时；c n 越高，n h 3 n 的去除率越低，t n 的去除率越高。 对脱氮s b r 系统出水的化学除磷试验表明，除磷药剂c a c l 2 的最佳p h 值为l o 1 1 ， f e s 0 4 7 h 2 0 除磷效果最佳p h 值为8 1 1 ，并且随着p h 值升高，最佳投药量越来越少； p h 值对f e c l 3 - 6 h 2 0 除磷不是一个明显的影响因素，a 1 c 1 3 反应的最佳p h 为6 7 。选用 a 1 c 1 3 作为除磷药剂，当生物脱氮s b r 系统出水t p 浓度为16 8 42 3 m g l ，药剂投加量为 2 0 m g l 时，基本上都能满足出水t p 浓度要求。 生物脱氮、化学除磷s b r 工艺的应用，不仅能节约能耗满足脱氮除磷的要求，还有利 于实现磷资源的回收，具有一定的实际应用价值。 关键词：s b r 工艺，生物脱氮，化学除磷，磷回收 山东建筑大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t t h et r a & t l o n a l l yb i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a ls y s t e mu s e st h ee x c e s sp h o s p h o r u s a b s o r p t i o no fp a o sa n dh l g hp h o s p h a t i cs l u d g ed i s c h a r g e do fm o d ei no r d e rt or e a l i z e p h o s p h o r u sr e m o v a ld u n n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h es y s t e mu s u a l l yh a sr e l a h v e l ys h o r ts r t a n dl o wm l s s ，e s p e c i a l l yt h ep h e n o m e n o ni sm o r eo b v i o u su n d e rt h ec o n d i t i o no fl o wc o d s h o r ts r ta n dl o wm l s sa r eg r e a td i s a d v a n t a g e sf o rt h es y s t e mt or e m o v en i t r o g e n ，s ot h e s y s t e mc a n ta c h i e v et h eo p t i m a lp h o s p h o r u sa n dm t r o g e nr e m o v a ls y n c h r o n o u s l y t h es t u d y a d v a n c e st ou s eb l o l o g m a lm t r o g e nr e m o v a la n dc h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a li no r d e rt o r e m o v en i t r o g e na n dp h o s p h o r u se f f e c t i v e l yi nw a s t e w a t e r t h eb l o l o g m a ls y s t e m ss r ti s d e c i d e db yn i t r a t i o na n dd e n g r l f l c a t l o nt oa c h i e v en i t r o g e nr e m o v a l ，p h o s p h o r u sr e m o v a li s c o m p l e t e db ya d d i n gc o a g u l a n t n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a la r ec o m p l e t e dr e s p e c t i v e l y b l o l o g m a ln i t r o g e nr e m o v a lo p e r a t i o no fu s i n gs b ra n dt h ei n f l u e n c er e l a t e dt on i t r o g e n r e m o v a la r es t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h eb e s to p e r a t i o no fn i t r o g e nr e m o v a lb ys b r t h a ti s ， t h ed u r a t i o no fa e r a t i o n ，t h ea n o x i ct i m ea n dp r e c i p i t a t e dt i m ei sa b o u t3 h ，2 h ，l h w h e nt h m o p e r a t i o ni so p e r a t e d ，豁w e l la st h es r t i s1 8t o2 3 d ，t h ee f f e c to f r e m o v m ge h e m x c a lo x y g e n d e m a n d ，a m m o n i am t r o g e na n dt o t a ln i t r o g e nc a nb ea c h i e v e d t h ec o n c e n t r a t i o no f c o d ，n h 3 - n ，t ni s2 6 23 7 5 6 6 4 1 m g l ，2 4 4 3 7 4 m g l ，3 85 6 5 47 5 m g lr e s p e c t i v e l yi n i n f l u e n t t h ec o n c e n t r a t i o no fc o d ，n h 3 n ，t ni sb e l o w4 0 m g l ，1 5 m g l ，2 0 m g lr e s p e c t i v e l y i ne f f l u e n t t h er e m o v a lo ft pi ss t a b l h t yb yu s i n gt h i ss y s t e mw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft pi s 65 7 1 04 m g li nm f l u e n t ，t h ec o n c e n t r a t i o ni s1 6 8 42 3 m g li ne f f l u e n t f u r t h e r m o r e ，t h e r e s e a r c ha l s os h o w st h a tt h el o n g e rs r tm a k e sf o rn i t r o g e nr e m o v a l ，t h ee f f e c to fo r g a n i c m a t t e r sa n dn i t r o g e nr e m o v a lo f 2 5 3 5 ci sb e t t e rt h a n1 2 - 1 8 。c a n dw i t ht h ec ni n c r e a s i n g ， t h ee f f c to f n h 3 一nr e m o v a li sd e c r e a s i n ga n dt h ee f f e c to f t nr e m o v a li si n c r e a s i n g a c c o r d i n gt ot h ee x p e n m e n t so fp h o s p h o r u sr e m o v a lb yc h e m i s t r yp r e c i p i t a t i o no ft h e e f f l u e n to f s b r 。w eg e tt h a tt h eb e s tp hv a l u eo f c a c l 2i sa b o u t1 0 1 1 t h eb e s tp hv a l u eo f f e s 0 47 h 2 0i sa b o u t8 1 1a n dt h eq u a n t i t yo fr e a g e n ta d d e di sl e s sa n dl e s sw i t ht h ep hv a l u e i n c r e a s i n g ，t h ep hv a l u eo f f e c l 36 h 2 0 i sn o tao b v i o u sf a c to f p h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h eb e s tp h v a l u eo fa 1 c 1 3i sa b o u t6 7 s oa 1 c 1 3i sc h o o s e da st h ec h e m i s t r yp r e c l p l t a h o no fp h o s p h o r u s i l 山东建蕊大掌硕掌m 镕天 r e m o v a l t h ec o n c e n t r a t i o no ft h et o t a lp h o s p h o r u so ft h ee f f l u e n ti nt h es b rs y s t e ml s1 6 8 4 2 3 m g l w h e nt h eo p t i m u mq u a n t i t yo f a l c l 3 a d d e di s2 0 m g l ，t h ec o n c e n t r a t l o no f t po f t h e e f f l u e n tc a na c h i e v et h es t a n d a r do f d m c h a r g e u s i n gs b r t or e a h z eb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a la n dc h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ，i tc a n n o to n l ys a v ee n e r g ya n dm e e tm t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，b u ta l s oc a nr e c y c l et h e p h o s p h o r u sr e s o u r c e i t1 5a n t i c i p a t e dt h a tt h i ss y s t e m a t i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yw i l l b eu s e f u l k e yw o r d s ：s b r ( s e q u e n c l n gb a t c hr e a c t o r ) ，b i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a l ，c h e m i c a lp h o s p h o r u s r e m o v a l ，r e c y c l eo f p h o s p h o l u s 山东建筑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，也不包含为获得山东建筑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：拇日 山东建筑大学学位论文使用授权声明 山东建筑大学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，可以公御( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公伟( 包 括刊登) 授权山东建筑大学研究生处办理。 研究生签名：抛导师签名：f 吾监同期：盈f f ：至f l f 山东建筑大掌硕士掌位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 我国水污染控制现状 我国水资源短缺越束越严重，掘预测【”，到2 0 3 0 年我国人口增至1 6 亿时，人均水资 源的需求将降到1 7 6 0 m 3 ，已接近国际公认的水资源紧张标准；全国实际可能合理利用的水 资源量将降到( 8 0 0 0 9 5 0 0 ) 1 0 8 n 1 3 ，而到2 0 5 0 年，全国总需水量将达( 7 0 0 0 8 0 0 0 ) 1 0 8 m 3 ，已接近可合理利用水量的极限，未来我国水资源的形式十分严峻。此外，我国的 水污染状况也日益加剧，主要河流有机污染普遍，n 、p 引起的水体富营养化是我国各大 水系和主要湖泊的首要污染，流经城市河段普遍受到污染，近岸惠域也受到一定污染。水 资源短缺和水污染加剧构成的水危机制约着我国水资源的可持续发展。 我国污水处理厂基本沿袭了欧美国家近百年束的污水处理路线和处理技术，在吸收消 化国外技术的同时也发展了自己的技术。a 2 ，o 法、氧化沟法、a b 法以及近几年出现的s b r 法、生物膜法等污水处理新技术都得以在实际工程中实施。但是由于资金与技术等方面的 原因使我国的水处理技术发展滞后，水污染难以得到有效的控制。我国现阶段的污水处理 设备落后，效率低能耗高、维修率高、自动化程度低。除此之外，我国污水处理技术投入 的资会严重不足。根据统计资料表明 2 】：2 0 1 0 年要增加6 7 2 2 力吨的污水处理，约需1 3 4 4 亿元的环保资会投入，按目的日处理能力2 6 8 5 力吨，每立方米的运行费用o 5 元，需运行 费用4 9 亿元年，资会不足十分突出。在我国，已经出现了污水处理厂“建的起、养不起” 的现象。掘清华大学紫光顾问公司调查口1 ，我国污水处理设备运行状况是l 3 运行正常， 1 3 不正常，1 3 处于停止状态，这使污水处理厂的运转率只能达到5 0 。 节水和治污是水资源可持续发展战略的核心部分，因此我国污水处理发展的总体趋 势：一是普及城市污水处理，二是提高工业废水排放达标率，三是推广污水回用。实现水 资源可持续发展的关键是控制水资源的进一步污染和污染水体的净化修复处理。而水处理 技术的可持续发展是实现水资源可持续发展的i j | 提，因此丌发简易、高效、低耗、运行管 理方便、处理效果好且能实现资源回收利用的污水处理技术是实现水资源可持续发展的首 要任务。 112 水体富营养化 山东建筑大掌硕士掌位论文 1 1 2 1 水体富营养化及其危害 所谓水体富营养化( e u t r o p h l c a t m n ) 是指富含氮磷和其他植物营养素的水体在光照和 其它环境条件适宜的情况下促使藻类过量生长，随后藻类死亡并伴随着异养微生物的代 谢，致使水体中的溶解氧很快被耗尽，造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏的现象【3 1 。 氮磷营养盐是造成水体富营养化的主要化合物。随着人类对环境资源丌发利用活动的r 益 增加，使大量含氮磷营养物质的生活污水、工业废水排入江河湖泊中，造成缓流水体的富 营养化现象日益严重。 富营养化水体不仅影响水体的使用功能，而且危害人类健康，通常被认为是劣质水体， 它对环境的影响主要体现在：藻类过度繁殖，水味变得腥臭，水体的透明度降低，水体的 溶解氧含量急剧下降，水生生物大量死亡。而且许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质， 不仅危害动物，而且对人类健康也产生严重影响。 1 1 2 2 水体富营养化主要控制指标 水体富营养化的主要控制指标有六种，它们是氨氮( n i l 3 - i n ) 、亚硝酸盐氮( n 0 2 - - n ) 、 硝酸盐氮( n 0 3 - - n ) 、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 和磷酸根( p 0 4 ) 。氮、磷会引起水体富 营养化污染，而且氮还对水环境质量有其它的危害，如氨氮会消耗水体中的溶解氧、游离 氨对鱼类是有毒物质、硝酸盐和亚硝酸盐在人体中会转化为亚硝胺( 一种致变、致畸、致 癌物) 等。 在这六种指标中，关键要控制的指标应该是总磷( t p ) 和磷酸根( p 0 4 3 - ) ，这是因为： ( 1 ) 从污水处理工艺束看目的已有的生物脱氮工艺一般都能够达到氮的排放标 准，而生物除磷工艺却很难达到磷的排放标准，因此出水磷浓度高低就成了污水处理工艺 最迫切需要监控的指杯。 ( 2 ) 从藻类对氮、磷需要的关系来看氮磷同为生物的重要营养物质，但藻类等生 物对磷更为敏感。当水体中磷处于低浓度时，即使氮浓度能够满足藻类等生物的需要，其 繁殖能力也会大受遏制。水体的氮不足，往往可由许多固氮的微生物束补充，而磷则必须 由外晃提供。因此，磷是限制藻类生长的最关键的因素。 由此可见，最大限度地控制排放进入水环境中的氮、磷足防止水体富营养化的关键。 研究丌发能实现脱氮除磷的城市污水处理新技术则是控制水环境富营养化污染的当务之 急。 1 1 3 污水脱氮除磷技术发展现状及趋势 2 山东建筑大掌硕士掌位论文 1 1 3 1 污水除磷技术发展现状及趋势 目前污水处理除磷技术主要分为三种方式，即生物处理、化学处理、生物+ 化学处理。 这些技术都有各自的特点，其具体表现为： 1 ) 生物处理该系统利用聚磷菌对磷的特殊富集作用，通过排除富磷剩余污泥的方 式从污水中对磷实施有效去除。该系统除磷效率直接受富磷污泥排放量和污泥含磷率的影 响。该系统通常污泥龄较短，并且当进水有机质浓度较低时( 如目前的城市污水) ，系统 很难维持相对较高的污泥浓度。值得注意的是，这种系统中短的污泥龄和低的污泥浓度不 利于硝化和反硝化作用的顺利进行【4 】。目前国内外污水生物除磷系统几乎都是采用排除富 磷污泥的方式进行工艺设计。如b a r d e n p h o 系统、a o 系统、改良的u c t 工艺、s b r 工 艺等。虽然相对于常规活性污泥法来说，这些生物除磷系统磷的去除率已大大提高，但处 理效果仍不够稳定，当进水t p 4 m g l 时出水很难达到一级排放标准，此外还增加了富磷 污泥的最终处理问题。 近年来研究者发现了一种“兼性厌氧反硝化除磷细菌”( d p b ) ，这种细菌可以在缺氧 条件下，利用硝酸盐作为电子受体氧化胞内贮存的p h a ，并从环境中摄磷，实现同时反硝 化和过度摄磷。与传统的好氧吸磷相比，在保证硝化效果的同时，系统对c o d 的需求可 减少5 0 ，氧的消耗和污泥产量可分别下降3 0 和5 0 。因此可以减少曝气池池容、减 少污泥产量、简化脱氮除磷工艺，其应用前景非常广阔。这一技术的代表工艺有 d e p h a n o x 工艺和b c f s 工艺。 d e p h a n o x 工艺 d e p h a n o x 工艺是为满足d p b ( 兼陛厌氧反硝化除磷细菌) 所需环境要求开发的一 种强化生物脱氮除磷技术，它可以实现传统脱氮除磷工艺中反硝化菌和聚磷菌两类细菌的 功能【5 】。d e p h a n o x 工艺在厌氧池和缺氧池之日j 增加了沉淀池和固定膜反应池，固定膜 反应池的设置可以避免由于氧化作用造成的有机碳的损失和稳定系统的硇酸豁浓度。污水 在厌氧池中释磷，在沉淀池中进行泥水分离，含氨较多上清液进入固定膜反应池进行硝化， 污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧段，完成反硝化和摄磷【6 1 。 1 幺工艺的优点在于能解决除磷系统反砧化碳源不足的问题和降低系统的能源消耗，而 且可以缩小曝气池的体积，降低剩余污泥量。然而，像工艺在实际应用中面临一些问题。 首先，大量研究表明，缺氧条件下的除磷效率低于好氧条件下的效率。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：反之，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体的p h b 的合成 1 山东建筑大掌硕士掌位论文 f 】。实际应用时进水中氮和磷的比例是很难恰好满足缺氧摄磷的要求，这给系统的控制带 来困难。此外，目前聚磷菌反硝化试验研究中都不同程度添加乙酸作为碳源，乙酸是诱导 聚磷菌释磷的最佳碳源，由于很难真实模拟城市污水的处理情况，因此反硝化聚磷菌的筛 选富集具有重要意义。所以，在不同环境条件下，d e p h a n o x 工艺的诱导增殖与代谢途 径变化规律以及系统中菌群演化数量的判断和调控方式等都是亟待研究的课题，这类工艺 离生产应用尚有一段距离。 b c f s 工艺 b c f s 工艺是荷兰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丌发的【引，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。在这种改良的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。 从工艺流程上看，b c f s 工艺较u c t 工艺创新之处在于：b c f s 工艺在主流线上增加 了两个反应池：即在u c t 工艺的厌氧和缺氧池之日j 增加一个接触池，在缺氧池和好氧池 之间增加一个缺氧好氧混合池。在主流线中的厌氧池以推流方式运行，相当于一个厌氧选 择池，可保持较低的污泥指数( s ) 。增设的接触池可起到第二选择池的作用，所需的容 积很小，但可较好地抑制丝状菌的繁殖。增设的第二个反应池混合池，可形成低氧环境以 获得同时硝化与反硝化，从而保证出水中含较低的总氮浓度。b c f s 工艺增设在线分离、 离线沉淀化学除磷单元。b c f s 工艺通过增加磷分离工艺，避开了生物除磷的不利条件( 因 满足硝化而使泥龄过长；进水中c o d p 的比值过低) 。同时，在线进行磷的化学沉淀会因 沉淀剂在污泥中聚集而影响硝化菌活性。因此，该工艺又将厌氧池未端富磷上清液抽出以 离线方式在沉淀单元内投以铁盐和镁盐予以回收。以生物除磷辅以化学除磷这种工艺充分 利用了p a o d p b 对磷酸盐具有很高亲和性的这一特点，很容易获得极低的出水于磷酸盐 浓度，并能在保证良好出水水质的的提下，大大降低c o d 的用量。b c f s 工艺在荷兰已成 功运用于工程实践中，该工艺能保持稳定的处理水质，使出水总磷o2 m g l ，总氮 05 n a g l 。但是b c f s 工艺流程复杂，构筑物多，占地面积大，造价高，设备费及运行管理 费用高，因此该工艺在资会短缺的我国很难建得起。 2 ) 化学处理污水化学除磷具有操作简单、去除卒高、运行稳定等优点，但对城市 污水除磷而言，该过程的处理对象是浓度低的含磷污水，欲使低浓度的磷酸盐以化学沉淀 的形式从水溶液中分离，投加过量的化学药剂是保障出水水质的基本条件。并且城市污水 中不仅含有磷酸盐，同时共存有以碱度形式存在的碳酸盐，而且碳酸盐的浓度远远大于磷 4 山东建筑大掌硕士掌位截演 酸盐，在药剂竞争过程中磷酸盐不具有优势，甚至导致城市污水化学除磷系统药剂投加量 主要取决于污水的碱度而不是磷酸盐本身3 ，9 1 。因此在高浓度磷酸盐情况下，这种方法运行 费用高、产生的污泥量大、在实际污水处理过程中很难实施。该技术根据化学药剂投加点 不同，可分为前置沉淀和后置沉淀。 前置沉淀是在初沉池前投加化学药剂，这种方式同时促进了b o d 和s s 的去除，尽管 降低了后续工艺的b o d 及p 的负荷，药剂利用率高，但药剂的投加量大且产生的化学污 泥中富含有机质。这种污泥的最终处置仍是一个急待解决的问题。 后置沉淀是在二级生物处理之后投加化学药剂，此时磷的含量经过生物处理后已大为 减少，尽管药剂的投加量有所减少，但相对更低的磷酸盐浓度使药品的利用率更低，而且 该系统还需另设化学污泥的固液分离装置。 3 ) 生物+ 化学处理技术该技术基于生物除磷系统较难稳定实现一级排放标准要求， 而且处理效果直接受到进水磷酸盐浓度以及c p 比值影响的现状，提出在生物处理系统中 投加化学除磷剂以保证污水处理系统的除磷效果。该处理技术是在初沉池出水，曝气池及 二沉池前投加化学药剂，尽管可以省去化学除磷反应器，但进入生物系统的化学药剂一方 面使m l s s 中惰眭固体物质增加，另一方面化学药剂的增加将直接影响微生物的活性，而 且还存在含无机沉积物的有机污泥的合理处置问题。 纵观目前污水除磷技术和方法可知，单纯的生物除磷系统难以达到越来越严格的磷排 放标准的要求。而纯化学除磷系统虽然可以实现达标排放，但运行费用太高，在这一进退 两难的情况下，有人甚至提出了更改磷的排放标准，但当莉水环境污染现状不可能支持标 准的更改。因此，采用后置沉淀化学处理技术进行除磷，一方面不仅可以保持生物处理系 统运行费用低的优势，同时又可以具有化学除磷系统处理效果好的特色，而且还可以方便 地实现污水中磷资源的回收。 1 13 2 污水脱氮技术发展现状及趋势 随着世界各国对污水脱氮研究的深入丌展，人们对脱氮技术都有了相当深入的了解， 并丌发出一系列高效、低能耗的生物脱氮处理工艺。近年束，生物脱氮的技术进展涉及以 下几个方面： 1 同时硝化反硝化技术 传统脱氮理论认为硝化反应在好氧条件下进行，反硝化在厌氧条件下完成，两者不能 在同一条件下进行。然而，许多研究者发现存在同时硝化反硝化现象，特别是在有氧条件 下的反硝化现象确实存在于不同的生物处理系统中，如氧化沟、s b r 工艺、间歇曝气反应 s 山东建筑大掌硕士掌位论文 器工艺【1 0 i 。所谓同时硝化反硝化，即是指在好氧条件下存在反硝化现象。其机理一方面认 为好氧条件下存在缺氧甚至厌氧的微环境，另外一方面从微生物的角度认为好氧条件下同 时存在好氧反硝化菌和异氧硝化菌。其中，认为微环境的存在是其主要原因。但是对其机 理的认识还未统一，尚处于探索阶段。 2 短程硝化一反硝化技术 传统的生物脱氮理论认为要实现废水脱氮就必须使氨经历完整的硝化和反硝化过程 使氨最终转变成气态氮从系统中去除。而许多实验证明可以按照氨氮一亚硝酸氮一氮气的 过程实现短程硝化反硝化脱氮，即将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。由于 亚硝酸菌世代时日j 比硝酸菌短，泥龄也短，缩短了硝化反应时间，从而减小了反应器的容 积，节省了基建投资。短程硝化一反硝化脱氮还可以节省供氧量，降低能耗，减少硝化中 的产酸量，减少投碱量，减少污泥生成量。短程硝化一反硝化是生物脱氮的一个重要研究 方向。这一技术的主要代表工艺有s h a r o n 工艺和c a n o n 工艺。 ( 1 ) s h a r o n 工艺 s h a r o n 工艺是由荷兰d e l f t 技术大学开发的新工艺。其基本原理是将氨氧化控制在 亚硝化阶段，然后进行反硝化，即实现短程硝化反硝化。该工艺的核心是，应用硝酸菌和 亚硝酸菌的不同生长速率，即在高温( 3 0 3 5 c ) 下亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌 这一固有特性，控制系统的水力停留时间和反应温度，从而使硝酸菌被自然淘汰，反应器 中亚硝酸菌占优势，使氨氧化控制在亚硝化阶段【1 i 】。s h a r o n 工艺适合于处理具有一定温 度的高浓度( 5 0 0 m g n l ) 氨氮污水。对该工艺来说，温度和p h 值( 最佳p h 值68 7 2 ) 都受到严格的控制，因此，低温低氨的城市污水如何实现亚硝酸型硝化仍需进一步研究 1 2 】。 ( 2 ) c a n o n 工艺 c a n o n 工艺( 生物膜内自养脱氮工艺) 实质上是通过控制生物膜内溶解氧的浓度实 现短程硝化反硝化，使生物膜内聚集的亚硝化菌和a n a m m o x 微生物能同时生长，满足 生物膜内一体化完全自养脱氮工艺实现的条件。亚硝酸氮在生物膜内的聚集是亚硝化的另 一种形式【l3 1 。硝化细菌与亚硝化细菌对氧的亲和性的不同以及传质限制等因素影响两种微 生物在细胞膜内的数量。在低d o n h 3 一n 比值的情况下，氧成为限制性基质，使硝化细菌 与亚硝化细菌展丌竞争，竞争的结果是亚砧酸氮在生物膜表层聚集。当氧向细胞膜内扩散 并被消耗后，出现厌氧层，厌氧氨氧化细菌便能生长。随着未破亚硝化的氨氮与亚硝化后 的亚硝酸氮扩散至厌氧层，a n a m m o x 反应就发生【1 4 1 。环境中的氨氮与溶解氧是决定 c a n o n 工艺的两个关键因素1 5 1 。c a n o n 工艺目酌在世界上还处于研究阶段，没有真j 下 6 山东建筑大掌硕士掌位论： 应用到工程实践中。 3 半硝化一厌氧氨氧化脱氮技术 厌氧氨氧化( a n a m m o x ) t 艺f 1 6 1 是由荷兰d e l f t 技术大学研究丌发的。在一定的碱 度条件下，好氧微生物可将5 0 的氨氧化为亚硝酸氮，剩余5 0 的氨。正是因为一半氨 氮氧化，而且硝化过程仅进行到亚硝化阶段，因此称为半硝化。在厌氧状态下，以n 0 2 、 n o r 作为电子受体，将氨转化为氮气。厌氧氨氧化是自养的微生物过程，不需要投加有机 物以维持反硝化，且污泥产率低，并能改善硝化反应产酸、反硝化反应产碱均需中和的情 况。该工艺适用于高氨废水和低c o d f r k n 废水的处理。厌氧氨氧化技术从一定程度上解 决了传统硝化反硝化工艺存在的问题，但需要进一步的研究才能使之成功的运行于实际工 程。 此外，该工艺还可与s h a r o n 工艺联合。与传统的生物脱氮工艺相比，s h a r o n 和 a n a m m o x 联合工艺在氧气需要量和外加碳源上都具有明显优势：传统工艺的氧气需要 量为4 6 5 k 9 0 2 k g n ，需要4 5 k g c o d k g n ；而联合工艺氧气需要量为1 7 k 9 0 2 k g n ，几乎不 需要外加碳源。由此可见，联合工艺完全突破了传统生物脱氮除磷工艺的基本概念，从一 定程度上解决了传统硝化一反硝化工艺存在的问题。但该工艺只完成了实验室的研究工 作，还需进一步研究才能运用于实际工程中。 污水脱氮技术一般采用生物法脱氮，生物法脱氮具有简单、方便等优点，因此一直是 国内外污水脱氮采用的方法。 1 1 4s b r 工艺概述 7 0 年代初由美国n a m ed a m e 大学的ri r v l n e 等提出了一种新的活性污泥法处理系统， 即序批问歇式( 序批式) 活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ， 简称s b r ) 1 1 7 1 。s b r 以其独特的优点成为近年柬在国内外破引起广泛重视和研究同趋增多 的一种污水生物处理新技术。在2 0 世纪8 0 年代，国外对其研究进入了工业化生产阶段， 继后，f 1 本、美国、澳大利哑等田的技术人员陆续对其进行了大量的研究1 8 】。我国在8 0 年代中期也丌始了这方面的应用研究，1 9 8 5 年在上冉市吴淞肉联厂设计并建成了我国第一 座s b r 废水处理设施1 19 1 。 11 4 1s b r 工艺工作原理及基本流程 s b r 在流程中只设一个池子，将曝气池和二沉池的功能集中在该池子上，兼行水质水 量调节、微生物降解有机物和固液分离功能。它的工作方式是在时问上交替运行。s b r 是 山东建筑大学硕士掌位论文 按周期运行的，每个周期循环过程包括进水、反应、沉淀、排放和待机等五个工序，如图 1 - 1 所示。从某个进水期丌始到下一个进水期开始之前的一段时间称为一个周期。由于s b r 是传统活性污泥法的一种变形，它的反应机制以及污染物质的去除机制和传统的活性污泥 法基本相同，仅运行操作不一样。在运行过程中，每个周期循环过程即进水、反应、沉淀、 排放和待机都是可进行控制的，每个过程与特定的反应条件相联系( 混合静止，好氧厌 氧) ，这些反应条件促进污水物理和化学特性有选择的改变，这些改变使出水得到了完全 的处理。 u 待机 圈1 - 1s b r 一个周期运行过稃 1 1 4 2s b r 的操作过程 s b r 污水生物处理工艺的整个处理过程是在一个反应器内进行的。它包括了进水期、 反应期、沉淀期、排水排泥期和闲置期等五个操作过程。下面就具体对这五个过程加以描 述。 ( 1 ) 进水期( 充水期) 将原污水或经过预处理以后的污水引入s b r 反应器。此时反应器中已有一定数量的满 足处理要求的活性污泥，其数量一般为s b r 反应器容积的5 0 左右，即充水的量约为反应 容器的容积的一半。在污水的投入过程中，s b r 反应器内也存在着污染物的混合和破活性 污泥吸附、吸收和氧化等作用。由于在s b r 工艺中，污水向反应器的投入时间一般比较短， 在充水时日j 早单位时日j 内向反应器投入的污染物数量比连续式活性污泥法大，投入速度大 于活性污泥的吸附、吸收和生物氧化降解速度，从而造成污染物在混合掖中积累。为防止 在充水期i 日j 污染物的积累对反应过程产生抑制作用，可以考虑在充水期间对s b r 反应器进 行曝气。根据丌始曝气时问与充水过程时序的不同，可分成三种不同的曝气方式【2 0 1 。即： 非限量曝气( 一边充水一边曝气) ；限量曝气( 充水完毕后再丌始曝气) ；半限量曝气( 充 水阶段的后期开始曝气) 。 s 川溅毒乡跳 ，-，1。1 姒 山东建筑大掌硕士掌位论文 ( 2 ) 反应期 反应工序是s b r 工艺中最主要的一道工序。当废水注入反应器并达到预定容积后，进 行曝气或搅拌，如同连续式完全混合活性污泥法一样，以达到反应目的( 去除b o d 、硝化、 脱氮、除磷) ，对有机污染物进行生物降解。 s b r 处理工艺是一种运行周期内完全混合、运行周期j 日j 序批推流的理想处理技术。这 种特性使得其对污染物质有优良的处理效果，并且具有良好的抗冲击负荷和防止活性污泥 膨胀的性能。在反应阶段，活性污泥周期性地处于高浓度和低浓度基质的环境中，反应器 也相应地形成厌氧缺氧好氧的交替过程，使其不仅具有良好的生物处理效能，而 且具有良好的脱氮除磷效果。在s b r 反应器的运行过程中，随反应器内反应时间的延长， 其基质浓度也由高到低变化，微生物经历了对数生长期、减速生长期和衰减期，其降解有 机物的速率也相应地由零级反应向一级反应过渡。 ( 3 ) 沉淀期 和传统活性污泥法处理工艺一样，s b r 沉淀过程的功能是澄清出水、浓缩污泥。在s b r 法中澄清出水是更为主要的。s b r 反应器本身就是一个沉淀池，它避免了在连续流活陛污 泥法中泥水混合液必须经过管道流入沉淀池沉淀的过程，从而有可能出现部分刚刚丌始絮 凝的活性污泥重新破碎的现象。此外， 幺工艺中污泥的沉降过程是在相对静止的状态下进 行的，因而受外界的干扰甚小。因此s b r 工艺具有沉淀时间短、沉淀效率高的优点。 ( 4 ) 排水排泥期 s b r 反应器中的混合液在经过一定时| 日j 的沉淀后，将反应器中的上清液排出反应器， 以保持反应器内一定数量的污泥。排水的目的是从反应器中排出污泥的澄清液，一直恢复 到循环丌始时的最低水位，该水位离污泥层还有一定的保护高度。反应器沉降下来的污泥 大部分作为下一个周期的回流污泥，过剩的污泥可在排水阶段排除，也可在待机阶段排除。 ( 5 ) 闲詈期( 待机期) 怀j 詈期的功能是在静止无进水的条件下，使微生物通过内源呼吸作用恢复其活性，并 起到一定的反硝化作用而进行脱氮，为下一个运行周期创造良好的仞始条件。通过闲置期 后的活性污泥处于一种营养的饥饿状念，单位重量的活性污泥具有很大的吸附表面积，因 而当一进入下一个运行周期的进水时，活性污泥便可充分发挥其较强的吸附能力而有效的 地发挥其初始去除作用。闲置期的设胃是保证s b r 工艺处理出水水质的重要一部分。闲置 期所需要的时| 日j 也取决于所处理的污水种类、处理负荷和所要达到的处理效果。 9 山东建筑大掌硕士掌位论文 1 1 4 3s b r 工艺的性能特点 s b r 作为在空间上完全混合，时间上完全推流式的废水处理方法具有下述主要特点： ( 1 ) 工艺流程简单、费用低 原则上，s b r 污水处理工艺的主体设备只有一个序批式间歇反应器( s b r ) 。与普通 活性污泥法相比，它不需要另设二沉池、污泥回流及污泥回流设备，一般情况也可以不设 调节池，多数情况下可省去初次沉淀池。采用如此简洁的s b r 法工艺的污水处理系统，还 具有布置紧凑、占地面积省的优点。由于其流程简单，所以设备及运行费用都低2 卜2 2 1 。 ( 2 ) 运行灵活、耐冲击负荷 s b r 在运行操作过程中，可以根据废水水量水质的变化、出水水质的要求调整一个运 行周期中各个工序的运行时间、反应器内混合液容积的变化和运行状态，即通过时间上的 有效控制和变化来满足多功能的要求，具有极强的灵活眭2 3 1 。s b r 池在充水期相当于一个 均化池，容易保持较高的污泥浓度，在不降低出水水质的情况下，可以承受高峰流量和有 机物浓度的冲击负荷【2 舢。| 日j 歇进水、排放以及每次进水只占反应器的2 3 左右，其稀释作 用进一步提高了工艺对进水冲击负荷的耐受能力。 ( 3 ) 脱氮除磷效果好 由于其在运行时间上的灵活控制，为其实现脱氮除磷提供了极为有利的条件2 5 2 7 1 。 s b r 工艺不仅可以很容易地实现好氧、缺氧及厌氧状态交替的环境条件，而且很容易在好 氧条件下增大曝气量、反应时间和污泥龄束强化硝化反应及除磷菌过量摄磷过程的顺利完 成；又可以在缺氧条件下方便地投加原污水或提高污泥浓度等方式以提供有机碳源作为电 子供体使反硝化过程很陕地完成；还可以在进水阶段通过搅拌维持厌氧条件以促进除磷菌 充分地释放磷2 8 2 9 1 。 ( 4 ) 污泥沉降性能良好 污泥膨胀问题是传统活性污泥法运行过程中常常发生且难以杜绝的令人棘手的问题。 一般束疵完全混合式最容易引起污泥膨胀，而1 日j 歇式( s b r 法) 最不容易发生污泥膨胀。 s b r 法能有效的控制污泥膨胀，即有效地控制丝状菌的过量繁殖，这一特陛是由缺氧、好 氧及厌氧并存，反应中底物浓度梯度大( f m 梯度) ，污泥龄短，比增长速率大决定的3 0 1 。 ( 5 ) 易与物化工艺结合 s b r 运行的呈阶段性，因此易与混凝、投加吸附剂等提高处理效率的物化工艺相结合。 如果城市污水中有机物与磷的比值很低，则可以增加一个沉庭他，利用p h o s y n p 除磷原理 1 0 山东建筑大掌硕士学位论文 来增加磷的去除率。s b r 中投加混凝剂或粉末活眭炭及其代用品可以提高污泥沉降性能， 并能增加其对难降解有机物的去除 3 2 】。 1 144s b r 的研究现状及应用前景 由于以上的技术特点，s b r 系统进一步扩展了活性污泥法的适用范围。就近期的研究 现状来看，s b r 系统一般主要适用于以下情况： ( 1 ) 城镇生活污水【3 3 l ； ( 2 ) 厂矿企业的工业废水，主要有农产品加t r 川、啤酒1 3 5 】、化工【3 郇、造纸1 3 7 1 、印染 1 3 8 1 、制药、焦化、屠宰等工业的污水处理； ( 3 ) 间歇排放和流量变化较大的地方； ( 4 ) 需要较高出水水质的地方，如风景游览区、湖泊和海湾等，不但要去除有机物， 还要求出水中除磷脱氮，防止湖每富营养化； ( 5 ) 水源紧缺的地方，s b r 系统可在生物处理后进行物化处理，不需要增加设施， 便于水的回收利用； ( 6 ) 用地紧张的地方； ( 7 ) 对己建连续流污水处理厂的改造等。 随着我国城镇和工业的迅速发展，废水量逐年增加，水污染r 趋严重，水体富营养化 问题也日益严重，这就迫使废水处理设施在去除有机物的基础上进一步对废水进行脱氮除 磷。对脱氮除磷要求的提高，需要我们建设许多中小型污水