（环境科学与工程专业论文）a2nbaf工艺硝化效能中试研究.pdf

国内图书分类号：x703.1 学校代码：10213 国际图书分类号：628 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 a2n/baf 工艺硝化效能中试研究 硕士研究生： 张真江 导师： 李 继 副教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科 、 专 业： 环境科学与工程 所 在 单 位： 深圳研究生院 答 辩 日 期： 2010 年 12 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: x703.1 u.d.c: 628 thesis for the master degree of engineering nitrification performance of a2n/baf in pilot system candidate: zhenjiang zhang supervisor: academic degree applied for： associate prof. ji li master of engineering specialty: environmental science and engineering affiliation: shenzhen graduate school date of defence: december, 2010 degree-conferring-institution: harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 南方城市污水具有低碳氮比特征，这就导致污水处理厂脱氮除磷碳源不足。 基于反硝化脱氮除磷理论的 a2n (anaerobic /anoxic /nitrification)工艺对低碳氮比 污水具有良好的处理效果，国内外学者对其进行了广泛研究。曝气生物滤池 （biological aerated filter）具有容积负荷大、占地面积小等特点，本课题结合 a2n 工艺及 baf 工艺的特点，提出了 a2n/baf 工艺，并进行了中试规模的研 究。本论文研究了 a2n/baf 工艺中试系统运行效果、一级 baf 与二级 baf 的运 行参数及影响因素，最后根据系统中 baf 的运行特点，开发了设计新型 baf 并对 其进行了研究。 a2n/baf 工艺中试系统运行结果表明：系统最终出水 cod 稳定在 30mg/l 左 右，系统出水 tn 有超标的可能，一级 baf 是控制出水 tn 达标的关键，二级 baf 是出水 nh4+-n 的保障。 对一级 baf 的研究结果表明：一级 baf 出水 cod 稳定在 50mg/l 以下，对 nh4+-n 的去除量在 20mg/l 左右；合适的气水比为 5:1；碱度提高 150mg/l， nh4+-n 去除量增加 10mg/l 左右；一级 baf 反冲洗周期为 7 天左右，反冲后恢复 较快；c/n 增加对 cod 去除影响不明显，而对 nh4+-n 去除影响较大，c/n 大于 3.5 时，nh4+-n 去除效果明显下降；碳、氮分离后，运行周期由 2 天增加至 8 天；反冲洗过程气、水量可降低 1/3 左右，30min 内即可完成反冲后恢复。 对二级 baf 的研究结果表明：出水 nh4+-n 平均为 4.0mg/l，cod 稳定在 30mg/l 左右，ss 在 5mg/l 左右；二级 baf 合适的运行参数为气水比 2:1，hrt 0.3h；二级 baf 反冲洗后 30min 内即可恢复对 nh4+-n 的去除效果；二级 baf 中 异养菌可以被忽略，硝化菌占绝对优势。 对设计新型 baf 的研究结果表明：下向流纤维+陶粒组合填料 baf 运行效果 良好；通过对纤维段的局部反冲洗可以延长运行周期 3 倍左右；纤维段可去除 40mg/l 左右的 ss 及 50mg/l 左右的 cod，但对 nh4+-n 基本无去除作用；下部陶 粒层硝化菌占优势。上向流拉西环+陶粒双层填料 baf 运行良好；通过对拉西环 段的局部反冲洗可以延长运行周期 2 倍以上，反冲周期达到 16 天；拉西环段出水 cod 在 50mg/l 左右，出水 nh4+-n 基本与进水相同；拉西环段出水 ss 平均为 55mg/l；上部陶粒层中的硝化菌占绝对优势，实现了 nh4+-n 迅速降解。 关键词：a2n/baf；气水比；碳氮比；反冲洗；组合填料 baf 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract low carbon to nitrogen ratio was the characteristic of wastewater in southern cities, leading to the lack of carbon source for nitrogen and phosphorus removal. a2n (anaerobic/anoxic/nitrification) technology based on the theory of denitrifying phosphorus removal exerted fine removal for low c/n sewage treatment, and hade draw extensive researches. baf (biological aerated filter) was a technology with high volume load and small footprint. according to the characteristics of the a2n and baf, the combind a2n/baf was proposed and researched in pilot scale. in this thesis, the efficiency of pilot scale operation and affecting factors of primary baf and secondary baf were systematically studied. at last, new types of baf were designed and studied according to the ruuning charicteristics of baf in the system. results of a2n/baf running showed that cod in effluent was kept at 30mg/l or so , although tn might exceed the discharge standard. primary baf was the key of controlling tn and secondary baf was the safeguard of effluent nh4+-n. primary baf was critically important for tn control and results showed that cod in effluent of primary baf was less than 50mg/l and nh4+-n removal was about 20mg/l with suitable air to water ratio of 5:1. nh4+-n removal was increased by 10mg/l when alkalinity was increased by 150mg/l. backwash cycle of primary baf was 7 days and recovery was fairly fast. increase of c/n had no significant effect on cod removal but effected the nh4+-n removal greatly. nh4+-n removal was decreased obviously when c/n was larger than 3.5. running cycle could be prolonged from 2days to 8 days and consumed air and water could be reduced by one third, and recovery was achieved within 30min after the separation of carbon and nitrogen. secondary baf could provide the guarantee for nh4+-n in effluent to reach the standard and results showed that average concentration of nh4+-n, cod and ss in effluent were 4.0mg/l, 30mg/l and 5mg/l, respectively. suitable gas-water ratio and hrt for secondary baf were 2:1 and 0.3h. heterotrophic bacteria in secondary baf could be ignored with nitrifying bacteria dominating. removal of nh4+-n was achieved in 30min in secondary baf after backwash. research of new-type baf showed that the effeciency of the combined baf of fiber and ceramic particles was well. running cycle could be prolonged by 3times through local backwash of fiber. ss and cod removal of fiber were 40mg/l and 50mg/l，while there was little removal of nh4+-n. nitrifying bacteria dominated in the ceramic layer of the combined fillers. running effect of the combined baf of raschig rings and ceramic particles was fine. running cycle could be prolonged by more than 2 times and reaching 16 days. cod of raschig rings effluent was about 50mg/l and nh4+- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - n was almost the same with influent. moreover, ss of raschig rings effluent was 55mg/l on average. flora distribution in the upper ceramic layer tended to alike the secondary baf and the nh4+-n was decomposed rapidly. keywords: a2n/baf, primary baf, secondary baf, carbon and nitrogen separation, combined filler baf 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘要 .i abstract. ii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 a2n 工艺和 baf 工艺的研究现状 . 2 1.2.1 a2n 工艺的研究现状. 2 1.2.2 baf 工艺的研究现状 . 5 1.3 a2n/baf 组合工艺中 baf 的特点 . 8 1.4 本课题研究目的、意义和内容 . 9 1.4.1 研究目的与意义 . 9 1.4.2 研究内容 . 9 第 2 章 a2n/baf 组合工艺中试系统运行研究 . 10 2.1 试验材料与方法 . 10 2.1.1 试验装置 . 10 2.1.2 试验水质及分析方法 . 11 2.2 系统运行研究 . 11 2.2.1 系统中 cod 的去除研究 . 13 2.2.2 系统中 nh4+-n 的去除研究 . 15 2.2.3 系统中硝氮及亚硝氮的去除研究. 16 2.3 本章小结 . 17 第 3 章 一级 baf 硝化效能及运行优化研究 . 18 3.1 试验材料与方法 . 18 3.1.1 试验装置 . 18 3.1.2 试验用水及分析方法 . 19 3.2 实验结果与讨论 . 19 3.2.1 曝气生物滤池挂膜过程研究 . 19 3.2.2 曝气生物滤池连续运行效果 . 20 3.2.3 气水比对 baf 处理效果影响研究 . 21 3.2.4 填料层高度对 baf 去除效果的影响研究 . 24 3.2.5 碱度对 baf 硝化效果的影响研究 . 24 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 3.2.6 baf 的反冲洗及恢复研究 . 26 3.2.7 碳氮比对 baf 的影响研究 . 28 3.3 碳、氮分离对一级 baf 的影响研究 . 30 3.3.1 试验材料与方法 . 30 3.3.2 实验结果及讨论 . 31 3.4 本章小结 . 36 第 4 章 二级 baf 硝化效能及运行优化研究 . 38 4.1 试验材料与方法 . 38 4.1.1 试验装置 . 38 4.1.2 试验用水及实验方法 . 39 4.2 实验结果与讨论 . 40 4.2.1 二级 baf 对 cod 的去除效果. 40 4.2.2 气水比对 baf 的影响研究 . 40 4.2.3 水力负荷对 baf 的 nh4+-n 去除研究. 41 4.2.4 填料层高度对 baf 的影响研究 . 41 4.2.5 生物量及菌种分布变化研究 . 42 4.2.6 反冲洗及恢复研究. 43 4.3 本章小结 . 44 第 5 章 a2n/baf 工艺中新型 baf 技术研究 . 45 5.1 纤维+陶粒组合填料 baf 探索性研究 . 45 5.1.1 试验材料与方法 . 45 5.1.2 运行效果对比 . 47 5.1.3 组合填料 baf 纤维段作用研究 . 48 5.1.4 陶粒层菌群空间分布对比研究 . 49 5.1.5 沿程去除变化对比研究 . 50 5.1.6 反冲洗对比研究 . 51 5.2 拉西环+陶粒组合填料 baf 探索性研究. 53 5.2.1 试验材料与方法 . 53 5.2.2 baf 连续运行效果 . 54 5.2.3 baf 拉西环段作用研究 . 55 5.2.4 陶粒层菌群空间分布研究 . 57 5.2.5 陶粒层沿程 nh4+-n 去除变化研究. 57 5.2.6 反冲洗研究 . 58 5.3 本章小结 . 60 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vi - 结论 . 61 参考文献 . 63 攻读硕士学位期间发表的学术论文. 68 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 69 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 69 致谢 . 70 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题背景 随着我国工业化与城市化迅速发展，城市规模不断扩大，用水和污水排放量 均急剧上升，使水污染状况日益严峻。同时，农业生产中大量使用含磷农药、化 肥，使水体中的营养物增加，加剧了水体富营养化。水体污染尤其是地下饮用水 污染，已经影响了城市正常的生产和生活，对水生生物和人体健康造成了严重的 危害。 城镇污水处理厂污染物排放标准 gb18918-2002的颁布实行，对我国城镇 污水处理厂的污水排放提出了更高的要求，去除污水中有机物的同时，有效地降 低废水中氮、磷污染物含量已成为各污水处理厂面临的首要任务。但是，由于居 民生活习惯和气候等因素的影响，我国许多城市污水普遍存在脱氮除磷过程碳源 不足的问题，南方地区尤其严重。由于污水有机物含量偏低，不能满足常规的脱 氮、除磷工艺要求，氮、磷去除率不高。c/n、c/p 成为影响生物脱氮、除磷效率 的一个关键因素1,2。为解决低 c/n 污水的生物脱氮除磷问题，一种碳源需求低、 能量消耗少、占地面积小、处理效果好的污水处理工艺成为需要。近年来各种新 型 、 改 良 型 的 脱 氮 除 磷 污 水 处 理 技 术 应 运 而 生 ， 但 比 较 而 言 ， a2n （anaerobic/anoxic/nitrification）连续流反硝化脱氮除磷工艺最具发展前景。该工 艺为采用生物膜法和活性污泥法相结合的双污泥系统，与传统的生物除磷脱氮工 艺相比较，a2n 工艺具有“一碳两用”、节省曝气、污泥产量低以及不同菌群分 开培养等优点3-6。a2n 作为一种新工艺，在我国还处于研究阶段，国内鲜见工程 应用。生物膜法中，曝气生物滤池（biological aerated filter）简称 baf，集生物 氧化和截留悬浮固体与一体，同时具有运行负荷大、抗冲击能力强、占地面积小 等特点。本课题利用 a2n 工艺及 baf 的运行特点，将两者相结合提出了 a2n/baf 工艺，并进行了中试规模的研究。 a2n/baf 工艺中一级 baf 不但为系统提供电子受体，而且是控制出水 tn 关 键，而二级 baf 是出水 nh4+-n 的保障，所以对系统中 baf 的研究显得尤为重 要。目前，仍存在很多问题有待研究：如一级 baf 内生物膜的特点、一级 baf 的 运行特点及参数选择、系统与 baf 的相互作用关系、生物氧化功能和硝化功能之 间的相互关系、二级 baf 的运行特点及参数优化，以及能否通过对现有 baf 工艺 的改进使其更适合组合工艺等问题。本课题展开了针对以上问题的研究。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 1.2 a2n 工艺和 baf 工艺的研究现状 1.2.1 a2n 工艺的研究现状 国内外大量学者对 a2n 工艺进行了研究，并在其基础上开发出了新的组合工 艺。 1.2.1.1 a2n 工艺介绍 荷兰 delft 大学的 kuba 等7在厌氧/缺氧交替的运行条件下进行试验观察到： 存在一类有反硝化除磷作用的兼性微生物，该微生物可以利用氧气或硝酸盐作为 电子受体。通过对反硝化除磷菌的大量研究，使脱氮除磷机理不断得到完善8-11。 目前被广泛接受的机理是：反硝化脱氮除磷菌作为兼性细菌可以通过厌氧/缺氧交 替条件驯化培养而富集，dpb 菌能分别或同时利用氧气、亚硝酸盐、硝酸盐作为 电子受体，利用体内 phb 和糖原质为电子供体进行生物代谢产能，进行过量吸 磷。反硝化除磷菌细胞内包含 phb、糖原和聚磷颗粒三种内聚物。厌氧条件下， dpb 通过聚磷颗粒的水解获取能量利用体外碳源合成体内碳源 phb；在缺氧条件 下，dpb 利用电子受体消耗电子供体 phb 完成吸磷，同时完成反硝化脱氮及聚磷 颗粒的积累，而糖原在这个过程中维持细胞内的氧化还原平衡12：在厌氧段糖原 消耗用于体外有机物的吸收和磷的释放，在缺氧段又重新生成，从而调节细胞内 物质和能量平衡。反硝化除磷技术中的碳源发挥了“ 一碳两用”的功能，既合成 了聚 -羟基丁酸盐（phb） ，也为反硝化脱氮提供了电子供体，同时节约了曝气 量，是一种低耗高效的水处理技术。1992 年，捷克的 wanner 等13首次采用交替 的厌氧和缺氧条件结合单独的固定生物膜硝化，来实现生物反硝化除磷，cod、 tn、tp 的去除率分别达 96%、77%、79%。bortone 等 14于 1996 年提出 dephanox 工艺，也即 wanner 工艺的另一种称谓。1996 年 kuba 在 dephanox 基础 上，提出了双污泥脱氮除磷系统，即 a2n（anaerobic/anoxic/nitrification）工艺。 此时的 a2n 工艺与 dephanox 工艺不同：缺氧池后的污泥不经历好氧池，直接沉淀 回流至厌氧池。vladimir torrico 等人15通过分析研究 dephanox 工艺得出如下工艺 特性：首先，中间沉淀池使硝化过程与除磷过程分离避免了菌种对碳源的竞争； 其次，后置缺氧池减少了硝酸盐的回流；最后，后置的短时曝气进一步加强了对 磷的去除，并有利于污泥活性的恢复，提高沉淀效果，从而获得稳定的去磷效 果。 a2n 连续流反硝化除磷脱氮双泥系统利用 dpb 体内 phb 的转化实现了“ 一 碳两用”同时脱氮除磷，解决了碳源及菌种矛盾竞争的问题，从而为改良现有污 水生物脱氮除磷工艺提供了一个新思路。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - a2n 工艺流程如图 1-1 所示。 图 1-1 a2n 工艺流程 回流污泥与原水混合在厌氧池中完成释磷和 phb 积累后在中间沉淀池中进行 泥水分离，上清液进入固定膜反应器中进行硝化，沉淀的污泥则超越固定膜反应 器进入缺氧池完成反硝化吸磷，而后混合液进入好氧池进一步吸磷并改善沉淀效 果。a2n 工艺有如下特点： 原水中容易生物降解的 cod 被用于厌氧释磷合成 phb，在缺氧环境中 phb 被 “一碳两用”同时实现系统的脱氮和除磷，因此该工艺 适合 cod/tn 较低的污水处理； dpb 污泥产量降低，减少了污泥处理费用16- 18；该工艺为双泥系统，硝化菌的附着生长保证了生长速率较慢的自养硝化菌的 生活环境，增加了硝化菌量从而提高硝化效率。硝化菌与反硝化除磷菌分开培养 解决了传统工艺中聚磷菌和硝化菌的 srt 竞争矛盾，使它们在各自最佳的环境中 生长，这更有利于系统稳定、高效运行。a2n 工艺在实际应用中的主要问题是： 如何消除当缺氧段硝酸盐量不充足时对磷的过量摄取的限制，如何减少硝酸盐量 富余时硝酸盐干扰磷的释放和聚磷菌 phb 的合成的影响19。 1.2.1.2 基于 a2n 工艺原理的新型反硝化除磷工艺 kuba 等人20利用 a2n 系统对反硝化除磷菌进行了研究，通过分析得出了 a2n 过程可降低 50%的碳源（cod）需求，同时降低 30%的氧气需求，由于碳源 需求减少，产生的污泥量也减少 50%的结论。a2n 工艺的节能减排优点为该工艺 的推广应用奠定了基础。近年来人们对 a2n 工艺的研究不断深入，双污泥系统的 工艺组合及运行方式都有所发展。罗固源等人21将双污泥系统与 sbr 结合起来形 成了 a2n-sbr 工艺。该工艺通过设置 a2o-sbr 和 n-sbr 系统，使得聚磷菌存于 一个活性污泥系统中，硝化菌在另一个污泥系统，从而解决了脱氮除磷的 srt 矛 盾问题，有利于反硝化除磷菌的富集和优化。hai-yan pei 等人22利用 sbr 系统将 dpb 污泥和硝化菌分别置于不同的污泥贮斗中，进行双污泥系统（称为 dss-sbr 工艺）的研究，利用两种不同菌种在不同时段分别打入 sbr 主反应器，获得了较 为理想的脱氮除磷效果。张杰等人23提出的改进新型 a2n 工艺中增加的生物滤柱 具有良好的硝化作用，可以根据 dpb 吸收的硝酸盐浓度确定硝化液的回流比，达 到最佳的反硝化除磷效果，并且具有良好浊度去除效果。 隋军24等人开发的反硝化脱氮除磷一体化工艺设计思想与国外 wanner 工艺基 厌氧池 沉淀池 固定膜 缺氧池 好氧池 二沉池 超越污泥 回流污泥 剩余污泥 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 本一致。邹伟国25-26等开发的反硝化脱氮除磷工艺（pasf）将硝化段放在最后， 硝酸盐依靠回流进入缺氧池，而厌氧释磷的泥水混合液直接进入缺氧池。pasf 工 艺流程如图 1-2 所示。 图 1-2 pasf 工艺流程 该工艺分前后两段。前段采用类似 a2/o 的活性污泥法，不同点在于：回流至 缺氧池的上清液不是来自好氧池而是膜法硝化区；好氧池中污泥泥龄较短，使好 氧池内的硝化反应不完全，强化了反硝化除磷菌的生长。该工艺后段为生物膜 法，采用曝气生物滤池。pasf 工艺中硝化菌与反硝化菌在各自最佳的环境中生 长，有利于提高运行效率。同时，pasf 已经应用于对现有污水厂的改造27。但是 该工艺也存在一些固有缺点，如硝化区出水可能造成硝酸盐的流失，直接导致出 水 tn 超标；生物膜脱落会导致出水悬浮物浓度高，需要对 baf 的出水严格控 制；若进水中 cod 浓度升高，体外 cod 会直接进入缺氧池影响吸磷效果等。 黄勇、李勇等人通过分析活性污泥系统脱氮除磷的限制因素提出了双循环两 相生物处理工艺（bi-cyclic two-phase biological process，简称 bict 工艺）28-29。 双循环即污泥循环和上清液循环；两相即悬浮污泥相和附着污泥相。硝化区采用 半软性弹性立体填料并在底部设有曝气装置。其工艺流程如图 1-3 所示。 图 1-3 bict 工艺流程 bict 工艺由生物选择器（厌氧） 、主反应器（sbr） 、 生物膜硝化反应器 （好氧）等三个主体单元构成，在主反应器和生物膜反应器之间设有沉淀池。进 入系统的废水与沉淀池的回流污泥混合，在生物选择器中反应，混合液进入主反 应区，在主反应区首先曝气搅拌，进一步去除 cod 及吸磷，一段时间后进入缺氧 搅拌状态，系统开始进入一个循环即：主反应区混合液排出进入沉淀池泥水分 离上清液进入生物膜反应器硝化硝化液进入主反应区进行反硝化吸磷。在循 环过程中，主反应区的混合液排出与硝化液的进入同时发生。当混合液排出大部 生物选择器 主反应区（sbr） 沉淀池 膜法硝化 回流污泥 出水 剩余污泥 厌氧池 缺氧池 好氧池 沉淀池 膜法硝化 回流污泥 上清液回流 剩余污泥 上清液回流 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 分之后反硝化吸磷阶段完成，主反应区进入静止沉淀阶段，最后排水。此工艺中 硝化菌在硝化反应器内单独培养，这就可以提高硝化效率；高负荷梯度可以在生 物选择器中筛选出絮凝性细菌，为聚磷菌提供释磷环境。在实际运行中要注意如 下问题：生物膜反应器的良好运行是保证系统脱氮效率的关键；影响除磷效率的 主要运行操作因素是主反应器的泥龄和生物选择器 hrt，适当缩短泥龄有利于磷 和氮的去除；主反应器（sbr）的曝气时间及强度要控制好，否则内碳源同时被消 耗，后续的缺氧吸磷难以进行。 任南琪等开发的 hitnp 工艺由厌氧池、缺氧池、生物膜活性污泥复合式好氧 池和沉淀池组成30。其工艺流程如图 1-4 所示。 图 1-4 hitnp 工艺流程 回流的 dpb 与原水在厌氧池混合， dpb 吸收大量有机物同时释磷。泥水混 合液进入缺氧池，dpb 利用后续沉淀池回流的上清液中富含的硝酸盐为电子受体 进行反硝化吸磷。复合式好氧池具有两个污泥系统，一是，生物膜完成硝化反 应；二是，dpb 污泥将剩余有机物降解和将缺氧池后残余磷吸收完全。好氧池泥 水混合液经沉淀池分离后，污泥一部分回流至厌氧池作为种泥降解有机物和释 磷，另一部分剩余排放；上清液回流至缺氧池为 dpb 提供电子受体。好氧硝化池 采用复合式活性污泥与生物膜反应器。反应器内添加半软盾式填料，该填料有聚 乙烯塑料支撑外围腈纶丝，好氧池底部安装有曝气装置。 目前，双泥系统工艺虽取得了一定的成果，但还仅局限于研究阶段，要真正 应用于实际，还需在以下方面进一步深入探讨研究： 完善微生物脱氮除磷机理 的研究，发挥微生物最优的脱氮除磷效能； 硝化段生物膜法的工艺选择及运行 控制优化；改进工艺流程组合，尽量做到提高脱氮除磷效率的同时简化流程降低 成本； 研究脱氮和除磷的效率与相关工艺参数的定量关系等。 1.2.2 baf 工艺的研究现状 目前，虽然 baf 工艺日趋成熟，在实际中的应用也不断增加，但是还有许多 问题需要深入研究，如做为工艺核心的填料开发及选择、baf 脱氮性能的提高、 在组合工艺中的应用以及应用范围的拓展等问题。 1.2.2.1 baf 工艺介绍 厌氧池 缺氧池 好氧硝化 沉淀池 回流污泥 剩余污泥 上清液回流 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - baf 以填料及其附着生长的生物膜为主要处理介