（环境科学与工程专业论文）强化cast工艺脱氮除磷效能的试验研究.pdf

c l a s s i 6 e d1 1 1 d e x ：x 7 0 3 1 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g f u n d a m e n t a lst u d yo n e n ha n c e db i o l o g i c a ln u t i u e n t r e m o v a lf o rc a s tp r o c e s s c a n d i d a t e ： s u p e n r i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p i i e df o r ： s p e c i a l i 锣： d a t eo fd e f e n c e ： u n i v e r s i 蚵： w a n g l l p r o f p e n gy _ o n g z h e n m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g m a y 2 0 1 0 b e i ji n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 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：j 五确卜日期：皇坐蝉 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) 期： 摘要 摘要 循环式活性污泥法( c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c l l i l o l o 鼢c a s d 是s b r 的一种变 型工艺，因具有投资及运行费用低、运行简单灵活及其选择器能防止污泥膨胀和 主反应区内可进行同步硝化反硝化等优点在众多污水处理工艺中脱颖而出。然而 其在国内的应用却表明，该工艺的脱氮除磷效率并不理想。为了对该工艺的运行 机理和脱氮除磷的强化进行深入地研究，采用容积为1 1 5 升的c a s t 工艺试验装 置，以生活污水为研究对象，对该工艺脱氮除磷的机理及其强化进行了研究，同 时详细研究了该工艺反应过程中o i 冲、p h 和d o 的变化规律，据此进行对工艺 运行方式的改造及优化。该研究为c a s t 工艺的运行和控制提供了有益的参考， 并在生物脱氮除磷方面发现了一些新现象。 首先研究了充水比、原水碳氮比( c o d 厂r 、运行方式对c a s t 工艺去除污 染物效率的影响。结果表明，降低充水比对除磷影响不大，而有利于对低c n 生活污水总氮的去除。不同c o d 删比实验发现，较高的原水碳氮比有利于系 统总氮( t 和总磷( t p ) 的去除。当原水平均c o d 厂r n 为3 6 和4 3 时，t n 平 均去除率分别为6 5 2 和7 4 1 ，t p 平均去除率分别为2 9 6 和6 9 5 ；而当原 水平均c o d 厂i n 为2 8 时，t n 和t p 平均去除率仅为5 8 9 和1 2 9 。然而，提 高c o d ，唰或降低充水比均会使系统发生污泥膨胀。 传统c a s t 工艺运行模式由于缺少有效的缺氧搅拌阶段致使系统的脱氮效 率难以提高；同时由于难以建立理想的厌氧环境，使得聚磷菌无法优势生长。因 此，为了强化系统的反硝化性能，在工艺运行过程中增加了缺氧搅拌阶段，将周 期时间延长为6 h ，进水时间由2 h 延长为4 h ，固定充水比为3 3 ，采用连续进水 交替一次缺氧好氧( a o ) 运行模式处理低碳氮比生活污水。研究发现，系统反硝 化作用得到加强，t n 去除率有所提高，平均去除率可达6 7 8 ；但是对磷的去 除效果影响不大，t p 去除率为1 7 9 。 对c a s t 运行模式进一步改进，固定充水比为2 5 ，采用交替两次缺氧好 氧( a o ) 运行模式，考察连续进水与分段进水运行工况下系统处理低碳氮比生活 污水的脱氮效能。研究发现，在同样的污泥浓度和曝气量下，连续进水模式下系 统的t n 平均去除率为7 5 1 ，而采用分段进水可将系统的t n 平均去除率提高 至8 1 5 ，并且污泥沉降性能良好。此外，保证n h 4 + - n 完全硝化，分段进水方 式所需的曝气量仅为连续进水方式下的4 3 ；保持处理水量不变并等量分段进 水，脱氮效率随进水次数的增加逐步提高，但分段次数过多使操作变得复杂，对 于普通城市污水，建议采用3 次等量进水方式。 采用交替三次缺氧好氧运行模式，考察第一次缺氧时长对系统除磷性能的 影响。结果表明，当进水水质相同时，第一次缺氧段时间越长，反应区内放磷越 北京工业大学工学硕上学位论文 充分，系统的除磷性能越好。实验还发现，交替缺氧好氧运行模式下容易富集 反硝化聚磷菌，系统内有反硝化除磷现象。 c a s t 工艺与s b r 工艺在结构上最大的区别就是生物选择器的设置。目前 国内外已有不少学者对c a s t 工艺运行性能做出了相关研究，但尚未见有关选择 器容积大小对c a s t 工艺运行性能的影响。针对这一问题，对不同c o d t n 比 及选择器容积对c a s t 工艺去除营养物的性能做出了研究。以h i 矾( 选择器水 力停留时间) 来代表选择器容积的大小，两者成正比关系。结果表明：采用递减 交替三次a o 运行方式时，进水c o e i 广r n 比及h i 玎s 的变化对c o d 去除性能影 响不明显，均能维持在8 2 以上；而对脱氮性能影响较大。当进水c o d 厂i n 比 分别为2 。6 和3 5 时，系统氨氮去除率均维持在9 8 以上，t n 去除率则随m 玎s 的增大而升高；玎s 由1 8 h 增至5 h 时，2 种碳氮比下的t n 去除率分别由6 2 9 ， 7 2 1 升至7 6 2 ，8 4 6 。当进水c o d 厂r n 比为4 4 时，h r t s 由1 8 h 增至5 h 导致系统硝化不完全，t n 去除率由8 6 3 降至5 8 2 。研究还发现，提高c o d 删 比和增大h i 珂s 均能改善系统的除磷性能。本研究中交替o 运行方式下，进水 c o 【加n 比为4 4 ( 远低于一般城市生活污水的8 1 0 ) ，h 】r t s 为1 8 h 时，c a s t 工艺获得较好的脱氮除磷效果，t n 及磷的去除率分别为8 6 3 和9 3 8 ，出水 达到我国城镇污水处理厂污染物排放标准( g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级a 要求。 关键词： 循环式活性污泥法；脱氮；除磷；交替缺氧好氧； a b s t r a c t a b s t r a c t c y c l i ca c t i v a t 通s l u d g et e c h n o l o g y ( c a s d ，a 白，p eo fs e q u e n c i n gb a t c h 陀础0 r ( s b r ) ，h 嬲a t t r a u ：t e da 伊e a td e a lo f i n t e r e s ti 1 1 删y e a r sb a l s e do ni t sp e r 白姗a n c e o fe l h i l i i 斌洫gm l t r i e n t si nw a s t e w a t e r l o wi i l v e s t m e ma n do p e r a t i o n a lc o s t e a l s ya n d f l e x i b l eo p e r a t i o i l ，t h ea b i l i t ) ro fs i i i l u l t a r l e o u sn i 由r o g e na n dp h o s p l l o r 啵r e m o v mi n c o n l p l e t em i xz o n e h o w e v e r ，i t sa p p l i c a t i o ni l lc i l i ms h o w e d 廿1 眦l o w e rn u t r i 咖 r e m o v a le m c i e n c i e sw e r eo b t a i l l e di i lt l l i ss y s t e m f e d 诵md o m e s t i cs e w 雄r e ，a b e n c h s c a l ec a s tr e a c t o r ( 1 15 l ) 、硒o r a t e dt oi n v e s t i g a t ei t sp e r f o 咖a 芏l c ea n d 血l da1 1 0 v e lm e m o dt oe n b a n c e 瑚l t r i e n tr e m o v a l m o r e o v i 瓦n l ep r o f i l e so fd i s s 0 l v e d o x y g e n ( d o ) ，p ha 1 1 do x i d a t i o n - r e d u c t i o np o t e n t i a l ( o r p ) w e r ee v a l u a t e d t h c p r e s e n ts t u d yi se x p e c t e dt on l o d i 匆a n d 哪 t i i i l i z et l l eo p e r a t i o no fc a s tp r o c e s s a r l dp r o v i d eag o o dr e f e r e n c ef o rt h c m f u m l e r m o r e ，s o m e1 1 e wp h e i l o m e mw e r e f o 岫di nb i o l o 百c a l 肌t r i e n tr e m o v a l f i r s t l y ，m ee f j t so fv o l u m ee x c h a n g er a t i o e r ) ，c o d 厂r na n df i l l i n gl e n g t h o nt h ep o l l u t a n t sr e m o v 面e 伍c i e n c yo fc a s ts y s t e mw e r es t u d i e d r e s u l t ss h o w e d t h a t d e c r e a s i n g v e rl l a r d l ya 彘c t e dp h o s p h o m sr e m o v a lb u t硫p r o v et h e p e r f o 珈n a n c eo fi l i 圩o g e nr e m o v a lw h e nt r e a t i n gl o wc o d ，t nd o m e s t i cw 孤出羽忍t e 咒 t h er e s u l t so fs t i l d yo nd i 妇f e r e n tc o d 厂r ns h o w e d 廿l a tah i 皿l e rc o d 厂i no f w a s t e w a t e rw 弱f a v o r a b l e 矗时| l i t r o g e nr e l n o v a l w h e nm ea v e r a g ec o d 厂i no f i n n u e n tw 硒3 6a n d4 3 ，r e s p e c t i v e l y ，t l l em e a ni l i n o g e nr e m o v a lw a s6 5 2 a 1 l d 7 4 1 ，r e s p e c t i v e l y w h i l et h ea v e r a g ec o d r 】n w a s2 8 ，t h em e 锄l l i 仃o g e nr e m o 砌 w 硒5 8 9 p h 0 s p h o m sr e m o v a je 伍c i e n c yw a si i i l p r o v e d 舶m12 9 t o2 9 6 觚d 6 9 4 n e v e r t h e l e s s ，i i l c r e a s i n gc o d 厂i no rd e c r e a s i n gv e re x p o s e dt h es y s t e mt o t h er i s ko ff i l 锄e n t o u sb u l l 【i n 舀、v h i c hr e s u l t e di nas l u d g e1 0 s s 丘o me m u e n t w h m f i l l i n gl e n 舢、惴e x t e n d e d 舶m2 ht o4 h ，t i l ed e n i t r i f i c a t i o n 、a se i l l l a n c e d n et o t a l 1 1 i 臼o g e nr e m o v me m c i e n c yw a si m p r o v e dt o6 7 8 a n dm ep h o s p h o r u sr e m o v a l e m c i e n c yw a sl7 9 t h ea c c u i n u l a t i o no fi l i t r a t eo ri l i t r i t ew a sam a i l lf a c t o rt h a tl e dt ol o w e rn 嘶e n t r e m o v a le 衔c i e n c i e si i ls y s t e m t m sm e a n st h a tl o 、e rd e l l i t r i f i c a t i o ne 衔c i e n c y l i m i t e dt h e i l i t r o g e n r e m o v a le 伍c i e n c y m e a n t i m e ，p h o s p h o m sa c c u i l l u l a t i n g o 唱a n i s m s ( p a o s ) c o u l dn o t 铲o wu pd o m i n a n t l yd u et 0l a c ko fp e 疵c ta i l a e r o b i c e n v i r o 啪e n t s o ，龇1 0 x i cs t i r i i n gp h a s e sw e r ei n t r o d u i c e di n t o 也eo p e r a t i o no fs y s t e m a n dt h em i x e dl i q u o rr e c y c l et i m ew a se x t e n d e dt ow h o l ec y c l el e n g mt oe m l a i l c em e d e m t r i f i c a t i o nc a p a b i l i 何a tt h em o d i f i e do p e r a t i o nm o d e 诵t hv e r2 5 ，am e a i li n r e m o v a le 衔c i e n c yo f7 5 1 a n db e n e rt nr e m o v a le 衢c i e n c yo f8 1 5 a s 、e l l 嬲 g o o ds l u d g es e 砌i n gp e r f o m l a n c e w e r ea c m e v e dw i t hc o n t i n u o u s f e e d i n ga n d s t e p f e e d i n gp a t t e n l ，r e s p e c t i v e l y m e a n w m l e ，t h ea e r a t i o nr a t eo fm es t e p f e e 曲唱 m o d ew 嬲o r d y4 3 o ft h ec o n t i n u o u s f e e d i n gm o d e 、_ h e nt h er e m o v a lr a t eo f n h 4 十j nw a sa b o v e9 9 c o n s e q u e n t l y ，u s i n gt i l es t e p f e e d i l l gm o d ec o u l dr e d u c et h e i i i 北京工业大学工学硕上学位论文 o p e r a t i o nc o s tg r e a t l y t h em 仃o g e nr e m o v a je 伍c i e n c yi i l c r e a s e d 谢n 1i 1 1 c r e a s i l l gf e e d f b q u e n c yu n d e rt h ee q u a l 佗e dm o d ew h e n 臼e a t i n gs 锄e 锄o u n t 、v l s t e w a t e r - t h el e l 培t l lo fa 1 1 ) 【i o c0 r 删b i cp h 嬲e sc o u l db eo p t i i n i z e da c c o r d i i l gt ot l l e v 撕a t i o n t h eo b t a i n e dr e s u l t ss h o w e d 也a tt l l el o n g e ro ft h ef i r s ta n o x i cp h a s e s ，t h c b e t t e tp e r f o 彻a n c eo fp h o s p h o r u sr e m o v a ju i l d e rm et h r e ea n o x i c o x i cc o m b i i l a t i o n s o p e r a t i o n 、) v i t i lm es 锄ei i l n u e n t i tw 鹊a l s o f 0 咖【d t l l a t d e l l i t r i 白m g p 0 1 y p h o s p h a t e a c c 啪u l a t j n go 唱a i l i s m s ( d n p i a o s ) i nt 1 1 es y s t e mb e s i d e sp i a 0 s t h eb i o l o g i c a ls e l ec t i 时i st h el a r g e s td i 疵r e n c eb e 帆e e nm ec a s ta 1 1 ds b r p r e s e n t l y ，t h e r eh a sb e e nal o t sr e s 黜hf o rt h ep e r f o 咖a r l c eo fc a s t ，b u t1 1 0 th a 、忙 t h er e s e a r c hw 1 1 i c hw a st ：h ee a e c to ft l l es e l e c t o rv o l u m es i z eo nc a s t t l os o l v e 也i s p r o b l e m ，m ee 虢c t so fd i r 锶tc o d 门烈a n dm 淝( h y d m u l i cr e t e m i o nt i 眦o f s e l e c t ) o nm 嘶e n t sr e n l 0 v a lw e r ei r e s t i g 纳e db yl l s i i l g 觚a l t e m a t i n g 觚o x i c o x i c c a s tf e dw i m m u i l i c i p a l 、硼随e 、v a t e rt h er e s u l t ss h o w e dt b a tv a r i o l l sc o d 厂i na n d h r r sl l a dal l i 曲e ri i 】皿u e n c eo nt 1 1 ei l i t r o g e nr e m o v me 伍c i e n c yr a 址i e rt ：1 1 a nt h eo o d r e m o v a je m c i e n c y 赴t h ei n n u e n tc o d 厂r a t i o 、v a sa b o u t2 6a i l d3 5 ，a i i m l o m a w 鹪r e m o v e db y9 8 a i l dt nr e m o v a le 伍c i e n c yw a si n c 陀a s e df r o m6 2 9 t o7 6 2 a i l d7 2 1 t o8 4 6 ，r e s p e c t i v e l y ，b yi n c r e a u s i n gt h eh r t s 舶m1 8 ht o5 h w h 翎t l l e c o d 仃nr a t i ow a si l l c r e a s e dt oa b o u t4 4 ，1 nr e m o v a le m c i e n c yw a sd e c r e a s e d 舶m 8 6 3 t o5 8 2 b ye f l l 鹕啦t h eh r t ，删c hw a sd u et ot h ei n c o m p l e t e1 1 i 埘f i 训o n o fa m 埘。血a nw 鹤甜s oo b s e r v e dt h a tb o mo fi 】r e a s i n gt h ec o d 厂i na 1 1 d 职t s c o u l di m p r o v et l l e p h o s p h o m sr e m o v a lp e r f o n 】f l a n c eo ft 1 1 es y s t e m f 删1 e n i l o r e ， e 街u e n to fc a s tr e a c h e dm ed e m a l l d e dao fi m e g r a t e dw a s t e w a t e rd i s c h 榷e s t a l l d a r d s ( g b 18 9 18 2 0 0 2 ) w h e nn l ec o d t na n dh i h sw e r e4 4 a 1 1 d1 8 h r e s p e c t i v e l y k e y w o r d sc y c l i c a c t i v a t e d s l u d g et e c i h l o l o g ) r ；n i t r o g e nr e m o v a l ； p h o s p h o m s r e m o v a l ；a l t e m a t i n g 锄o x i c - o x i c i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 生物脱氮除磷技术研究现状2 1 2 1 生物脱氮技术及其研究现状2 1 2 2 生物除磷技术及其研究现状8 1 2 1 脱氮和除磷的关系及矛盾1 0 1 3 循环式活性污泥法研究现状1 0 1 3 1c a s t 工艺概述1 l 1 - 3 2c a s t 工艺工作原理1 2 1 3 3c a s t 工艺的特点1 3 1 4 研究目的意义及内容1 4 1 4 1 课题来源1 4 1 4 2 研究目的和意义1 4 1 4 3 主要研究内容1 5 第2 章试验材料和方法1 7 2 1 试验用水来源与水质1 7 2 2 试验设备与方法1 7 2 2 1 试验装置与仪器1 7 2 2 2 检测项目及方法。1 8 2 3 试验的启动与运行控制1 9 2 3 1 污泥的培养与驯化1 9 2 3 2 试验的运行与控制1 9 第3 章c a s t 工艺性能研究2 1 3 1 前言2 1 3 2 试验目的及方案2 l 3 3 试验结果与分析2 2 3 3 1 不同充水比下c a s t 工艺性能2 2 3 3 2 不同进水c n 比下c a s t 工艺性能2 3 3 3 3 传统模式一周期内各污染物的变化2 5 3 3 4 交替缺氧好氧运行方式下c a s t 工艺性能2 7 3 4 本章小结2 8 第4 章强化c a s t 工艺处理低c n 比生活污水脱氮效能的研究3 1 北京工业大学工学硕士学位论文 4 1 前言3 l 4 2 试验目的及方案3 l 4 3 试验结果与分析3 2 4 3 1 两种进水方式污染物去除情况和污泥沉降性能3 2 4 - 3 2 两种进水方式一周期内脱氮情况的对比3 4 4 3 3 分段进水方式一周期p h 、d o 、o r p 及各污染物浓度变化3 5 4 3 4 交替次数对分段进水运行系统去除污染物情况的影响3 9 4 5 本章小结4 l 第5 章强化c a s t 工艺除磷效能的研究4 3 5 1 前言4 3 5 2 试验目的及方案4 3 5 3 试验结果与分析4 5 5 3 1 平均分段及递减分段方式下系统的除磷效能4 5 5 3 2 延时进水与延时曝气方式下系统的除磷效能4 8 5 3 4 反硝化除磷小试验证5 0 5 4 本章小结5 3 第6 章c n 比及h r t s 对改良c a s t 工艺的影响5 5 6 1 前言5 5 6 2 试验目的及方案5 5 6 3 试验结果与分析5 6 6 3 1 递减分段运行模式下系统有机物的去除情况5 6 6 3 2 递减分段运行模式下系统脱氮情况5 7 6 3 3 递减分段运行模式下系统除磷情况6 0 6 4 本章小结6 1 结论6 3 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 3 致谢7 5 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题研究背景 水是当今人类社会生存和发展不可缺少的重要资源，是经济可持续发展的基 础。2 0 世纪5 0 年代以后，全球人口急剧增长，工业迅速发展。一方面，人类对 水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食着大量可供 消费的水资源，严重的污染使水质恶化，对人类健康造成危害。联合国水资源世 界评估报告显示【l l ，全世界每天约有2 0 0 吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每分钟 有近1 0 0 吨污水流入江河，每升废水会污染8 升淡水，多数河流都受到不同程度 的污染，其中约有4 0 的河流稳定流量受到较为严重的污染。2 0 世纪，世界人 口增加了两倍，而人类用水增加了5 倍，许多国家正面临水资源危机。水资源危 机带来的生态系统恶化和生物多样性破坏，也严重威胁人类生存，水资源危机已 成为全世界关注的重要问题。 我国是一个缺水严重的国家【2 】。水资源总量居世界第6 位，但人均占有量只 有2 3 0 0 m 3 ，约为世界人均水平的l 4 ，列世界第1 2 l 位，是世界1 3 个贫水国家之一。 新中国成立5 0 年来，全国用水量从1 9 4 9 年的约1 o l o m 3 增加到1 9 9 7 年的 5 6 1 0 m 3 。我国水资源形势非常严峻，据2 0 0 4 年5 月2 9 日国家环境保护总局 公布的2 0 0 3 年中国环境状况公报淡水环境数据显示【3 】，2 0 0 3 年度七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 1 的断面满足i h i 类水质要求，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质。2 0 0 3 年，全国工业和城镇生活废水排放总 量为4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 7 。废水中氨氮排放总量1 2 9 7 万吨，比上年增 加0 7 。其中工业废水中氨氮排放量4 0 4 万吨，比上年减少4 o ；城镇生活污 水中氨氮排放量8 9 3 万吨，比上年增加3 o 。中国渔业生态环境状况公报显 示，2 0 0 3 年南海区珠江口渔业水域、黄渤海区水域氮磷污染的状况均呈现出较 为严重的态势。2 0 0 3 年中国环境状况公报海洋环境指出，2 0 0 3 年全海域共 发现赤潮1 1 9 次，累计面积约1 4 5 5 0 平方公里。其中，在赤潮监控区内发现赤潮 3 6 次，累计面积近1 5 0 0 平方公里。 在日益严重的水体污染中，富营养化越来越受到人们的关注。而水体的富营 养化主要源于氮和磷的过量输入，水体中氮磷营养物质的积累，引起藻类的迅速 繁殖。藻类占据的空间越来越大，妨碍船体水上运行；藻类代谢的最终产物可产 生色度和味道；一些蓝藻还可产生毒素，引起鱼类的死亡；藻类的腐烂，使水体 中发生缺氧，影响到周边环境。氮磷污染物的存在影响水源水质，增加给水处理 成本。在众多的污染源中，大量未经处理或未经适当处理的含氮磷废水的排放是 造成氮磷污染的一个重要原因。自上世纪7 0 年代起，氮磷污染问题就已经引起 北京丁业大学t 学硕一l ：学位论文 世界各国的广泛关注，欧美一些国家均制订了非常严格的氮磷排放标准，对污水 处理厂提出了较为严格的脱氮除磷要求。 2 0 世纪8 0 年代及9 0 年代初我国建设的城市污水厂，大多采用传统的废水 生物处理工艺，以含碳有机物和悬浮固体为主要处理目标，氮磷等营养物质的去 除率比较低。目前我国已注意到了氮磷污染问题的严重性，新颁布的城镇污水排 放标准中对氮磷排放提出了严格的要求。污水排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 一级标 准要求，所有排污单位最后出水氮磷的含量据接纳水体的等级分别为t p l m l ， 氨氮 5 m g l ，t n 1 5 m 玑。同时，我国逐渐开始重视污水处理设施的建设。根 据国民经济和社会发展第十个五年计划纲要的要求，到2 0 0 5 年，城市生活 污水集中处理率要达到4 5 ，5 0 万人口以上的城市要达到6 0 。到2 0 1 0 年，设 市城市污水处理率不低于6 0 ，直辖市、省会城市、计划单列市以及重点风景旅 游城市不得低于7 0 。而且对污水厂的建设提出了更高的要求，新建污水处理厂 要有脱氮除磷工艺，对原污水处理厂没有脱氮、除磷工艺的，要按照国家标准对 原有设施进行改扩建。 采用传统脱氮除磷工艺后，污水处理设备体积增大、设施更加复杂，基建、 运行管理费用费用增高。这就促使相关人员去开发新型高效的污水脱氮除磷工 艺，既要使其解决日益严重的水污染问题，又要节省资金、提高处理效率。 1 2 生物脱氮除磷技术研究现状 1 2 1 生物脱氮技术及其研究现状 1 2 1 1 传统生物脱氮原理 城市污水及一般的工业废水都不含硝态氮，主要以有机氮或氨氮的形式存 在。污水传统生物脱氮就是主要利用硝化菌和反硝化菌进行生化反应，将污水中 的氮转化为气态含氮物质( n 2 、n 2 0 等) 从而从水中去除。污水传统生物脱氮过 程中氮的转化包括氨化、硝化、反硝化和同化作用【4 】。 氨化作用。生物脱氮过程中，有机氮首先要在氨化菌的作用下转化为氨氮。 污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。在蛋白质水解酶的催化作用 下，蛋白质水解为氨基酸。氨基酸在脱氨基酶作用下去除- n h ：原子团。此过程 可在好氧或厌氧条件下进行【s 】。 硝化作用。指氨氮在有氧的情况下被氧化为硝态氮。该过程是由两组自养型 好氧微生物通过两个子过程完成的。第一步由氨氧化细菌( 也叫亚硝酸菌) 将氨 氮转化为亚硝酸盐( n 0 2 ) ；第二步由亚硝酸盐氧化菌( 也叫硝酸菌) 将亚硝酸盐 氧化为硝酸盐科o ，) 。 硝化过程中的主要影响因素： ( 1 ) 温度：硝化反应适宜温度是2 0 3 0 ，1 5 以下时，硝化速度明显 第l 苹绪论 下降，5 时基本停止。 ( 2 ) 溶解氧：硝化是好氧过程，l g 氮完成硝化反应需氧4 5 7 9 ，一般建议 曝气池d o 不得低于l m g l 。 ( 3 ) p h ：在硝化反应过程中要消耗碱度，每氧化l g 氨氮需耗7 1 4 9 ( 以c a c 0 3 计) 。硝化菌对p h 值的变化十分敏感，为了保持适宜的p h 值，应当在废水中保 持足够的碱度。亚硝酸菌和硝酸菌的适宜p h 值为7 肛7 8 和7 7 8 1 ，。生物脱氮 过程中的硝化段，通常把运行的p h 值控制在7 2 8 o 。 ( 4 ) 有毒物质：重金属和高浓度的n h 。n 、n 0 x n 、有机物以及络合阳离 子等。 ( 5 ) 有机物含量：b o d 5 值应在1 5 2 0 m g l 以下。硝化菌是自养型细菌， 有机基质浓度并不是它的增殖限制因素。若b o d ，值过高，将使增殖速度较高的 异养型细菌迅速增殖，从而使硝化菌不能成为优势菌种。 ( 6 ) 平均停留时间：一般应为硝化菌最小世代时间的2 倍以上，即安全系 数应大于2 。硝化菌的最小世代时间在适宜温度条件下为3 天，因此s i 盯值为6 天。 ( 7 ) c n 比：影响生物硝化速率和过程的重要因素。 反硝化作用。在反硝化菌的作用下，亚硝酸盐和硝酸盐被还原为气态氮的过 程。反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的n ( + 5 价) 和n ( + 3 价) 作为能量代 谢中的电子受体( 被还原) ，氧( 2 价) 作为电子受氢体生成h ，o 和o h 碱度， 有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化而稳定。 反硝化环境影响因素： ( 1 ) 温度：温度对反硝化速率的影响与反硝化设备的类型微生物悬浮生长 型和附着生长型及硝酸盐负荷有关。反硝化反应的最适宜温度是2 0 3 0 ，低 于1 5 时反硝化反应速率降低。 ( 2 ) p h ：反硝化过程最适宜的p h 值为7 o 7 5 ，不适宜的值影响反硝化 增殖和酶的活性。当值低于6 o 高于8 0 时，反硝化反应受到强烈抑制。 ( 3 ) 溶解氧：生物反硝化反应需要保持严格的缺氧条件。溶剂氧对反硝化 过程有抑制作用这主要是因为氧会与硝酸盐竞争电子供体，同时分子态氧也会抑 制硝酸盐还原酶的合成及其活性。一般认为活性污泥系统中，溶解氧保持在 o 5 m l 以下，才能使反硝化反应正常进行。 ( 4 ) 碳源有机物：反硝化反应是由异养型微生物完成的生化反应，它们在 溶解氧浓度极低的条件下利用硝酸盐中的氧作为电子受体，有机物作碳源及电子 供体。 ( 5 ) c n 比：一般认为，b o d ；厂r i 大于一时，可以认为碳源是充足的。 ( 6 ) 有毒物质：反硝化菌对有毒物质的敏感性比硝化菌低得多，与一般好 北京： 业大学工学硕士学位论文 氧异养菌相同。在应用一般好氧异养菌的抑制或有毒物质的文献数据时，应该考 虑驯化的影响。可通过小试得出反硝化菌对抑制有毒物质的允许浓度。 同化作用。污水生物处理过程中，一部分氮( 氨氮或有机氮) 被同化成微生 物细胞的组成成分。按细胞干重计算，为生物细胞中氮的含量约为1 2 5 。虽然 微生物的内源呼吸和溶菌作用会使一部分细胞中的氮又以有机氮和氨氮的形式 回到污水中，但仍存在于微生物细胞及内源呼吸残留物中的氮可以在二次沉淀池 中以剩余污泥形式从污水中去除。 1 2 。1 2 生物脱氮新技术 ( 1 ) 短程硝化反硝化生物脱氮 短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理就是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段， 阻止n 0 2 的进一步硝化，然后进行反硝化。近年来，关于短程硝化反硝化的研 究已经成为污水生物处理领域的一个研究热点，并取得了一些成果，一些利用短 程硝化反硝化脱氮的工艺被开发出来，并应用于实际。 采用短程硝化反硝化脱氮有以下优势【铺】：可以减少反硝化阶段约4 0 的 c o d 需要量；短程反硝化速率比全程反硝化速率约高出6 3 ；采用短程硝 化反硝化，可减少污泥产量( 硝化过程可少产污泥3 3 3 5 左右，反硝化过程 中可少产污泥5 5 左右) ；硝化阶段可节省2 5 的需氧量。 实现短程硝化反硝化的主要环节是实现短程硝化，即在硝化阶段实现亚硝酸 盐的积累，主要说来，影响亚硝酸盐积累的因素有：游离氨( f a ，舶ea m m o l l i a ) 浓度、p h 值、温度、溶解氧浓度、游离羟胺( f h ，丘e eh y d r o x y l a m i n e ) 浓度、有 毒物质等。 f a 浓度和p h 值：硝化反应的主体和反应中间产物，如氨、亚硝酸盐和 硝酸盐都会对硝化反应产生抑制作用，其中被研究者们广泛认可的是f a 。 a n t h o n i s e n 【9 】指出f a 和游离亚硝酸( f n a ，舶e1 1 i t r o u sa c i d ) 对硝化反应有抑制作 用，其中f a 的抑制作用对两类硝化细菌是不同的，对亚硝化菌，f a 的抑制浓 度范围是1 0 1 5 0 m l ，而对硝化菌，这个范围仅仅为0 1 1 0 m 朗。 j o a n n a 等【i o 】通过抑制硝酸菌活性实现了短程硝化，并认为引起硝酸菌抑制的 物质是游离氨，硝酸菌对游离氨较亚硝酸菌更敏感。试验中通过控制反应器p h 值为8 ，使混合液中游离氨浓度保持在l 6 m g n h ，l ，同时游离亚硝酸浓度不超 过o 0 4 m 醇i n 0 2 l ，在此条件下实现了短程硝化，并且积累了3 0 0 m l 以上的亚 硝酸盐氮，硝化速率大约为0 0 6 9 n g m i s s d 。因此，较高的进水氨氮浓度和p h 值是造成游离氨存在的主要原因，其中p h 值是引起硝酸菌活性抑制的决定性因 素。同时，他们还根据分别监测硝化菌属的耗氧速率来控制短程硝化。 温度：生物硝化反应在纠5 内均可进行，适宜温度为2 0 3 5 ，一般 低于1 5 硝化速率将降低，并且低温对硝化产物及两类硝化菌活性影响也不同。 第l 荦绢论 1 2 1 4 下活性污泥中硝酸菌活性受到抑制，出现亚硝酸盐积累。1 5 3 0 时，硝 化过程形成的亚硝酸盐可完全被氧化成硝酸盐，没有亚硝酸盐积聚。而当温度继 续升高超过3 0 时，又会重新出现亚硝酸盐积累【l i 】。 荷兰d e l r 技术大学于1 9 9 7 年开发的s h a r o n ( s i n g l e 掀i c t o rf o rh i 曲a c t i 啊锣 a m m o i l i a r e m o v a lo v e r n