（环境科学专业论文）低水温条件下sbr处理城市污水的工艺研究.pdf

阴川兀学硕卜学位i 仑文低水温条件fs b r 处埠城市污水的t 艺研究 研究建立的c o d c ，去除率模型和试验结果吻合度较高。论文获得的研究结 果可应用于指导低水温下s b r 的工艺设计和工艺调试。 关键词：低水温s b r 工艺城市污水脱氮除磷动力学模型 i i 四川大学硕士学位论芏 低水温条件下s b r 处理城市污水的_ i = 艺研究 s t u d y o nt h e p r o c e s s o f m u n i c i p a ls e w a g e t r e a t m e n t b y s b ra tl o w e r t e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e p o s t g r a d u a t e ：a nh o n g y i n gs u p e r v i s o r ：d i n gs a n g l a n b yt h er e a s o no fh a v i n gm a n yc h a n g e sa n db e i n ge c o n o m i c ，e f f i c i e n t s i m p l eo p e r a t i o n c r a f t a n d e a s y t o s u p e r v i s e ，s b r ( t h es e q u e n c i n g b a t c h r e a c t o r ) h a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h et r e a t m e n to fw a s t ew a t e ro fd y e ，f o o d ， c h e m i c a lp l a n t s ，a n dt o w n sa n dc i t i e s t h ek e yo fs b r s e w a g e t r e a t m e n ti st h e a c t i v a t e d s l u d g e ，b u t t h e l i v i n gt e m p e r a t u r e o fa c t i v a t e d s l u d g ei sa v e r y i m p o r t a n tf a c t o rt ot h ee f f e c ta n dt h es t a b l er u n n i n go f s b r b e c a u s et h ew a t e r t e m p e r a t u r e c a na f f e c tt h ee n z y m e u r g er e a c t i o n ，m u l t i p l i c a t i o na n de n d o g e n e s i s m e t a b o l i s mo fm i c r o b ei na c t i v a t e d s l u d g e ，g r o s so x y g e n t r a n s f e rc o e f f i c i e n t ， t h ec o n c e n t r a t i o no fs a t u r a t e dd i s s o l v i n go x y g e ni ns e w a g e ，a c t i v a t e d s l u d g e s w e l l i n g ，v i s c i d i t y o f s e w a g e ，a n d t h eb i o - c h e m i c a lr e a c t i o no ft h e a c t i v a t e d s l u d g e s o i tc a r lb es a i dt h a tt h e t e m p e r a t u r e o fw a s t ew a t e r i n f l u e n c e st h ew h o l ec o u r s ea n d e v e r yp h a s e o f s e w a g ea c t i v a t e d - s l u d g e t r e a t m e m t h i s p a p e r h a sb e e n a c c o m p l i s h e d o nt h eb a s i so ft h et r e a t m e n tf o r m u n i c i p a l w a s t ew a t e rw i t ht h e p u r p o s e o ff i n d i n go u tt h eb e s tt h e o r e t i c t e c h n o l o g i c a lo p e r a t i o na n dt h ee c o n o m i c a lo p e r a t i o ni nt h ec o n d i t i o no f l o w e r t e m p e r a t u r es e w a g e a tt h el a t ea u t u m n ，t h ew i n t e ra n dt h ee a r l ys p r i n gb yu s i n g ab e n c h - s c a l ee x p e r i m e n t a lu n i t f r o mt h et e s t ，i tc a nb ei n d u c e dt h a t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt e r m so fc o d c r ，n h 3 - n a n dt po ft h es b r o p e r a t i o ni n 叫川大学硕士学位沦文低水温条件fs b r 处理城市污水的工艺研究 s a n w a y a om u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tw o r k sc a nr e s p e c t i v e l yc o n f o r mt oc l a s s io ft h en a t i o n a ls t a n d a r df o rw a s t e w a t e rd i s c h a r g e ，t h e c o d c ra n dn h 3 - n d e c o n t a m i n a t i o nr a t ei sr e s p e c t i v e l ya b o v e8 5 a n d9 8 t h ed e g r a d a t i o nl a w o fc o d ，n h 3 - n ，t pa n dp hw e r ed i s c o v e r e dr e s p e c t i v e l yt h r o u g hm u n i c i p a l s e w a g es b r t r e a t m e n tt e s t sa tl o w e rs e w a g et e m p e r a t u r e i ti sa l s oc o n c l u d e d t h a ts b ra tt h ec o n d i t i o no fl o w e rt e m p e r a t u r es e w a g ec a na d a p ti t s e l ft o s e w a g e o fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n w eh a v ew o r k e do u tt h ek i n e t i cp a r a m e t e r sa n do b t a i n e dt h ed y n a m i c s e q u a t i o no f t h e o p t i m u m c o n d i t i o no fs b ra tt h ec o n d i t i o no fl o w e rt e m p e r a t u r e s e w a g e i tc a n b eu s e da sat o o lf o rp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：l o w e r t e m p e r a t u r es e w a g e s e q u e n c eb a t c hr e a c t o r ( s b r ) ； m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ； t i m eo fr e a c t i o n ； d y n a m i c m o d e l i i 旧川大学硕士学位硷立 低水温条件下s b r 处理城i h 污水的t z 研究 1 前言】 城市污水的主体为城市生活污水和工业废水。在当前经济高速发展，城市规 模日渐拓展，国家积极倡导中小城镇发展的背景下，我国城市人口的不断增加， 尤其是中小城市的迅速崛起，导致城市用水和排水量越来越大，相应的污水处理却 跟不上发展的需要。以成都为例，r 用水和处理污水量的差额为1 0 0 万吨左右。 大量的污水未得到完全处理摊入水体，使水质恶化及富营养化现象目益严重 2 5 1 。 2 0 0 2 年，全国城镇生活污水排放量占废水排放总量的5 2 9 ，城镇生活污水中化 学需氧量排放量占化学需氧量排放总量的5 7 3 ，氨氮排放量8 7 万吨，占氨氮排 放总量的6 7 4 1 6 7 。因此进行城市污水经济、高效、节能的深度处理和再生利用， 成为开源节流、减轻水体污染、改善生态环境、解决城市水资源短缺的有效途径。 目前对城市污水处理按照对污染物实施的作用的不同可分为分离法和转化 法两种，前者通过物理方法诸如重力分离、吸附法、浮选法、电解法等等借诸外 力作用，把有害物质从污水中分离出来：而后者则是模拟天然水体的自净过程， 通过化学或生物作用进行污水处理，即以污水中含有的污染物作为营养源，利用 自然界中微生物的生命活动代谢作用，使污水中呈溶解和胶体以及微细悬浮状 态的有机污染物降解转化为稳定的无害物质。由于生物化学法处理条件温和，运 行成本低且微生物具有来源广、易培养、繁殖快、对环境适应性强和易实现变异， 有机物去除率高等特性，现在已成为污水处理的主要途径之一”“3 。 常用的污水生物处理技术有，活性污泥法、氧化沟法、s b r 法、a b 法、生 物膜法、生物滤池法及生物转盘法等，它们在具体工程应用中又产生了一些新的 工艺技术变形或发展。 1 1s b r 工艺简介= 1 1 5 3 序批式活性污泥法( 即s e q u e n c i n gb a t c ha c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) ，是近年来 在国内外被引起广泛重视和研究日趋增多的一种间歇运行的污水 生物处理新技术，是从充排式( f i l l & d r a w ) 反应器发展而来，为现行的活性污泥 法的一个变型。初期受当时自控技术发展所限，仅仅用于处理闻歇排放的工厂或 者农村的污水处理。随着对s b r 在设计和运行中工艺研究的日益深入，根据不同 的水质条件、使用场合和出水要求，s b r 工艺有了许多新的变化和发展，新工艺不 断地涌现出来，目前主要工艺有如i c e a s 、 d a l 、d a t i a t 、i d e a 、c a s t 、 阴川大学硕l 学但沦文低水温条什下船r 处理城市污水的工z 研究 c a s p 和c a s s 等“。前4 种工艺为连续进水方式，主要区别在于是否设预反应 和设污泥回流系统；后3 种采用间歇进水，区别在于进水时机和是否设置厌氧区， 采用何种工艺和运行方式，由设计者视具体情况确定。 1 9 8 5 年在上海建成国内首座处理肉类加工污水s b r 处理( 设计处理水量为 2 4 0 0 l i d ) 系统后，陆续在城市污水及工业废水处理领域得以推广应用，并在全国 掀起了研究s b r 的热潮。目前s b r 工艺主要应用在以下几个污水处理领域“”儿。： 城市污水、工业废水( 主要有石油、化工、食品、制药等工业的污水处理) 、有 毒有害废水、富含营养元素的废水。 s b r 的运行工艺以间歇操作为特征，由按一定时间顺序间歇操作运行的反应 器组成。s b r 工艺的一个完整的操作过程，亦即每个间歇反应器在处理废水时的 一个运行周期包括如下5 个阶段：进水期、反应期、沉淀期、排水排泥期、闲置 期。原则上，主体工艺设备只有一个间歇反应池，与连续活性污泥法相比，不需 要专设二沉池、污泥回流设备；一般情况下，不必设调节池，并可省去初沉池。 在一个运行周期中，各个阶段的运行时间、反应器内混合液体积的变化及运行状 态等都可以根据具体污水的性质、出水水质、及运行功能要求等灵活掌握。在单 一池内，可通过创造缺氧和好氧及厌氧交替的环境，即可完成脱氮除磷过程l “”j 。 工艺流程简单，管理方便。可在社区、中小城镇推广使用。随着中国城市化发展 进程的加快，这种工艺必将是以后污水处理发展的方向之一。 1 2 低水温条件下存在的问题1 5 7 。9 】 活性污泥微生物最适合生长的温度范围是1 5 3 0 。c ，般水温低于l o ，即 可对活性污泥的功能产生不利影响【9 0 1 。故将低于1 5 v 的水称为低温水。我国幅原 辽阔，地跨亚热带一温带一寒带。城市污水生物处理的主要特点是污水水量大， 处理厂规模相应也大，且一般建在室外，因而生物处理方法中的核心一微生物受 季节温度变化影响很大。我国大部地区的秋冬季处于低温环境，地面排水温度一 般在1 09 c 左右，这就给污水处理带来很大困难，尤其在寒冷地区冬季这种影响表 现尤为突出。这使得秋冬季低温污水处理一直是目阿水处理中的难点，国内外许 多专家和学者就一直进行着寒冷地区生物处理方法的实验验证和理论探讨。 s b r 工艺是活性污泥法的发展，核心为活性污泥系统在不同溶氧条件下的工 艺技术组合。因为温度能够影响活性污泥微生物的酶促反应、微生物细胞的增殖 低水温条件rs r r 处理城：h 污水怕_ t2 研究 和内源代谢过程、氧的总的转移系数和水的饱和溶解氧浓度、污泥膨胀与水的粘 滞性，并影响活性污泥净化反应【5 7 5 9 1 ，可以说，温度的影响波及污水生物处理的 各个阶段和全过程。因此在其他处理工艺条件相同情况下，活性污泥的生长发育 状况或s b r 的处理效果将直接受到水温的影响。 由于上述原因，同春夏季相比，秋冬季活性污泥处理效果会产生重大差异。 表现在：低温和常温两种环境条件下微生物的种群有着明显差异，因而影响到出 水水质：秋冬低水温条件下，活性污泥易产生膨胀，这也将使以活性污泥为主体 的处理工艺产生不稳定因素；春夏季节，气温相对较为稳定，温差变化幅度小， 而秋冬季节，活性污泥受到气温气压变化的影响，在反应速度及出水水质等方面 会产生较大的变化；秋冬季节存在水温高于气温，污水中基质浓度较春夏季高的 特殊状况，此时污水处理仍使用春夏季的处理工艺必然产生出水水质不稳定和效 果较差的问题。 1 3s b r 研究进展及低水温城市污水处理现状 目前对于s b r 污水处理工艺的研究相当多，相关的文献资料也不少，例如， 美国的r o b e r tl i r v i n e 教授 7 7 铷1 是最早对s b r 工艺运行及整体评估进行研究的 学者之一，他在1 9 8 2 年即对s b r 有机负荷一出水水质和能耗及系统副产品的处 理等方面进行了研究，并认为高负荷系统相对能耗少，但因污泥产量大需要投入 更多处理设施；s b r 低有机负荷系统，尤其是在进行生物除磷时，可以生成大量 但可控制的污泥，获取高品质出水。国内的张统，候瑞琴等学者在s b r 变形工艺、 s b r 的运行、设计等方面的研究成果颇丰【i 翻。哈尔滨建筑工业大学的彭永臻，王 淑莹等人在s b r 的微生物学研究方面如污泥性状控制，相关工艺如控制污泥膨胀 的研究成果较多【4 h “。由于s b r 具有灵活应用的特性，关于s b r 在染料，食品， 化工等行业污水处理的文献也为数众多。 对城市污水，即生活污水与工业预处理废水的混合物和生活小区污水方面的 s b r 处理，主要为广州，武汉和苏、沪、浙等地大学及环保机构开展的，如广州 大学的张方可，张朝升等进行的s b r 法处理广东地区城市污水的实验研究p 。”j 。 但现有文献大多针对气温较高的春夏季污水处理，相对s b r 工艺研究成果和 文献雨言，只有为数不多的关于低水温条件下污水处理文献饽7 ”】，其中多数是与 低温天气下污水处理设施的保养相关，还有一部分文献则是关于油田低温污水处 【r 川火学碗上学位沦上 低水温籍件fs b r 处理城市污水的工岂研究 理的【6 ”“1 ，当前对秋冬季低水温城市污水处理的研究主要集中在以下几个方面： 1 ) 针对低温污水处理中活性污泥性状的研究，如生物菌相的变化，优势菌 的培养选择等，研究发现：低水温活性污泥处理工艺中，生物相与常温 不同，通过对低温优势菌如酵母菌的分离、培养及利用，取得良好的处 理效果峥6 j 】： 2 ) 针对低温污水处理中活性污泥运行状况的研究【5 8 - 6 ”，得出的结论是降低 污泥负荷，提高混合液的污泥浓度，增加污水与微生物停留时阳j ，可达 到维持较高有机物去除率的目的： 3 ) 通过对污泥膨胀的原因进行分析，提出了在寒冷地区活性污泥系统中， 除低氧，低负衙外低温也是造成的原因之一，对此采用减小曝气池污泥 浓度或单池连续运动以提高负荷和供风机进风口空气加热提高曝气池水 温的方法，可使污泥膨胀得到有效控制【5 。”j 。 4 ) 低水温污水处理工艺方面的研究：如国外新近采用的人工湿地_ ”j 氐温 城市污水处理技术，利用氧化沟【7 4 1 和a o ( 厌氧一好氧法) 及c a s s 7 3 1 进行 的低温城市污水处理工艺，但这些工艺方式同s b r ( 尽管c a s s 是s b r 的衍生发展) 还是具有不同的处理特性。如c a s s 同s b r 相比，反应池 由预反应区和主反应区组成，c a s s 工艺每个周期的排水量般不超过 池内总水量的1 3 ，而s b r 工艺反应池只需要一个，排水比为1 2 3 4 ，相应地c a s s 的建设运行费用均要高于s b r 。而氧化沟与s b r 法 租比，具有动态出水特点，水质相对s b r 差。在运行费用方面，就曝气 方式而言，氧化沟常用机械式，s b r 通常用鼓风式，后者比前者省电： s b r 工艺是变水位运行，增大了扬程，因而电耗要比氧化沟小些，运行 费用也低些。s b r 工艺的自控要求较高。 如上所述，目前虽然有关s b r 法处理城市污水的文献资料和试验研究数量众 多，关于低温气候和寒冷地区的污水处理也有一些研究，但以s b r 法进行的低水 温条件下城市污水处理的研究还不多，多是一些城市污水的工艺探索过程研究， 试验工作般是通过短期人工降温达到低温条件，不能完全反映实际的秋冬季的 水温变化。另外一点是，目前对城市污水处理的研究大多是建立在实验室模拟处 理的基础上，只有少数针对污水厂的课题是实地进行的中小规模的城市污水处 珲。 四川上学硕t 学位论文 低水温条件下s b r 处理城市污术的工艺研究 1 4 研究目的及意义 我国秋冬季大多城市用水紧张，在国家大力发展她产经济，开发建设中小城 市的大环境下，城市污水处理面l 临着新的课题。一方面要发展经济用水量必然增 加，另一方面污水处理跟不上发展的需要，因此有必要找出最经济、高效的污水 处理方式，并尽可能地将污水加以回收利用。而s b r 具有灵活多变、经济和高效 的特点，以s b r 工艺进行城市污水处理，可缓解城市日益加重的供水紧缺与污水 处理紧张的矛盾，减少自然水体污染，将城市污、废水经过适当处理后回用于企 业和建筑小区供生活杂用，既可节约水资源，又使污水无害化，具有一定的现实 意义，势必成为新形势下城市污水处理的发展趋势。 因此，综合上述低水温城市污水处理的现状，我们希望在借鉴国内外s b r 工 艺城市污水处理经验的基础上，以提升城市污水s b r 工艺处理及生活小区中水回 用技术水平为目的，进行低水温s b r 法城市污水处理探索性试验。通过进行城市 污水一定处理规模的实地试验，探寻低水温s b r 城市污水处理工艺的影响因素及 处理对策；利用正交实验找到低水温条件下的s b r 最佳处理工艺；并通过试验， 探寻低水温s b r 城市污水处理工艺中基质降解及活性污泥生长动力学参数及确 定不同迸水条件下的大致( c o d c ，降解) 反应时间。通过上述试验数据，可以获 得低水温条件下s b r 工艺的污水动力学参数。并以此为依据，较好地指导和调整 低水温条例上s b r 工艺的运行参数，从而确保s b r 工艺在低水温条件下取得较 佳的处理效果。 2 s b r 工艺分析 2 1 s b r 工艺流程【比j s b r 工艺虽然是传统活性污泥法的发展，其反应机制以及污染物质的去除机 理和传统活性污泥法基本相同，但运行操作不一样。传统活性污泥法如图1 所示 足在空间上设置不同设施进行固定地连续操作，但s b r 是在单一的反应池内，在 时间上进行各种目的不同操作。 s b r 的操作是将初沉池的出水引入曝气池，按照时间顺序进行进水期一加入 基质、反应期一基质降解、沉淀期一泥水分离、排水( 泥) 期一排出上清液和待机 闲置期一污泥恢复活性等5 个阶段的基本操作。从污水流入开始到待机结束算做 一个周期，上述过程完成后进入下一工作周期。在一个周期内，一切过程都在一 网，i f f 大学硕士学位论文 低水温罄件fs b r 处理城l b 污水的t 岂研究 个反应池( 即曝气池) 内依次进行，这种操作周期周而复始反复进行，以达到不 断进行污水处理的目的。 l 格栅 5 一曝气池 9 一加氯房 1 3 一厌氧消化池 2 一污水泵房 卜风机房 1 0 浓缩池 1 4 一贮气槽 3 一沉砂池 7 一二沉池 l l 一贮泥池 1 5 一脱水机房 图1活性污泥法处理流程图1 2 4 _ 一初沉池 8 一消毒池 1 2 罚泥泵房 1 仁污泥堆场 对于连续排污的情形，可按如上所述使用多个s b r 间歇反应单元并联运行， 按操作顺序依次对每个s b r 反应器进行充水。一般来说，规模小、原水不均匀且 相对较难处理的工业废水，常选用l 2 个反应器：对于水量大、连续且易于生 化处理的废水，多选择2 个以上的反应器。 目一目二匡3 二旦 目一目帽 进水阶段 反应阶段 沉淀阶段 排水( 泥) 阶段 待爿l 阶段 圈2s b r 工艺操作运行模式图 s b r 系统的主要设备包括进水装置、曝气装置、排水装置( 滗水器) 、排泥装 四| 大学硕士学位论文 低水温条件fs b r 处理城市污水的工艺研究 置及反应池体，泵、风机及自控设备等。其中前5 部分是一个s b r 反应器最基本 的部件，而曝气和排水装置是s b r 反应器成功运行的关键部分。 s b r 反应器曝气装置【8 】 3 0 3 3 1 由风机、空气管路、扩散装置组成。而s b r 工 艺的核心装置是曝气扩散器和空气动力设备，前者扩散装置安装在反应器底部， 将空气分散成微小气泡由池底上升至水面，气泡在上升过程中氧气转移到水中供 活性污泥微生物需要。它关系到空气( 或氧气) 的传输方式一气泡大小及压力、 气液接触时间及有机物的氧化降解效果，后者则涉及到空气( 或氧气) 供应量的 大小。 据美国一份关于s b r 工艺技术评估报告所述，s b r 系统的出水恶化或运行 失败大都与排水系统设计不理想有关【i “。s b r 系统出水装置是工程设计中的重要 部分，因s b r 法采用周期性集中大流量排水，排水时池中的水位是变化的，故常 使用一种能随水位变化而可调节的出水堰滗水器。国内较为多用的是虹吸式 滗水器，它利用虹吸作用进行排水，具有成本低，易检修，处理效果好的优点p ”。 一般短管吸口的数量，u 形管的设计，短管的管径，滗水深度等都直接影响到滗 水器使用效果 3 4 - 3 6 1 。 在s b r 工艺中虽然有滗水器可以获得良好的出水，但为了防止污泥被扰动及 污泥状况发生改变时对出水品质的降低，常常还采用过滤装嚣，截留滗水器出水 中可能出现的污泥及未能沉降的固体颗粒，降低出水的s s 。滤料一般根据水质的 ( 腐蚀性、悬浮物浓度、粘度、滤渣脱水特点等) 不同，采用不同的铺设层数和 介质，常用滤料有石砾、石英砂、无烟煤等 。根据水质的不同，可采用上流或 下流式过滤。为防止滤料在使用过程中产生污泥沉积，可使用反冲洗设备进行反 冲洗，以保持滤料的洁净和取得最佳的过滤效果。 污水处理过程与其他工业过程相比，具有很大的时变性，需要较多地考虑其 动态行为和运行特性。为了保证处理过程连续运转和提高出水质量，就有必要对 污水处理过程进行自动控制。由于在s b r 一个运行周期内不同工序所需时间各不 相同，而且在一个周期内，s b r 反应器内液位也随运行工序不同而变化，可利用 计算机和一种可编程序控制器p l c 及电气控制柜，同s b r 工艺的所有装置， 组成一套自动控制系统 4 。 ，对s b r 反应全过程 3 9 ( 包括从进水，曝气，加药剂f 3 8 】， 排水，出水过滤，滤池反冲冼及厌氧、缺氧和好氧生物过程) ，通过预先编好的 程序，实现s b r 工艺的自动化控制【3 0 】。用户可根据不同的需求，使处理水质达 p q 川丘学硕t 学位论丘= 低承温杀件fh 肌处理城市污水的j 岂研究 到回用或排放标准。正是现代制造业研究出了不易堵塞的曝气器和浮动式滗水 器，伴随着监控自动化技术的发展，s b r 污水处理技术被迅速应用于工程中并充 分发挥了其优势。 2 2s b r 反应机理 s b r 工艺是以活l 生污泥为处理主体的生物化学污水处理技术。污水中有机污 染物的生物降解如图3 所示，是其作为活性污泥中微生物的碳源和能源进行代谢 的过程1 2 ”。通过不断地给微生物补充食物( 污水中存在的各种有机物，主要为胶 体状、溶解状的有机物) ，可使微生物数量不断增加，而由各种未知组成和成分 的易降解物及难降解物混合形成的混合物质即污染物不断被降解消耗。 f 岔成+ 原生质( 微生物的增 乏) 有机物+ 氧+ 微生物一十能 ( c ，o ，h n ，s ，p ) i l 量 f o ：、h 2 0 、n h 3 、s o ；2 、p 瓯。卜随水排走 l 分解+ 中间产物 一 l 能量呻热 图3 废水好氧生物处理过程示意图8 “ 2 2 1有机污染物的需氧降解过程 1 9 - 2 5 】 一般可以把污水中有机物的化学组成大致表达为c 1 8 h 1 9 0 9 n 2 4 ，微生物对污 水中的有机物进行氧化分解时发生如下两种反应： c i s h l 9 0 9 n + 1 7 5 0 2 + h + 垄里! ! 寸1 8 c o z + 8 h 2 0 + n h ： ( 2 - 1 ) c i8 h i9 0 q n + 1 9 5 02 亘堕坐呻1 8 c o2 + 9 h ，o + h + + n o ； ( 2 - 2 ) 一些难降解的有机物，即不能作为唯一碳源与能源被微生物降解，当微生物 靠降解其他有机物提供能源或碳源；或与其他微生物协同作用；或由其他 物质的诱导产生相应的酶系时，就可能存在协同代谢作用。这大大增加了一些难 降解物质在环境中被生物降解的可能性。活性污泥可去除一些理论上难以生物降 解的有机物质，原因可能是：系统是在非稳态的工况下运行的，反应器中的生物 相十分复杂，微生物的种类繁多，它们交互作用( 包括协同作用在内) ，强化了 工艺的处理效能。 2 2 2 生物脱氮机理 叫川人学硕j 。学位论文 低水温条件下s 腓处理城市污水的工艺研究 自然界中氮元素是以三种形态存在的，即：分子氮n 2 ，有机氮化合物，无机 氮化合物( 氨氮和硝酸氮) ，它们之问存在如图4 所示的氮循环。 吵 厂、 h 还厩 沁 图4氮循环【2 3 i 生物脱氮的途径一般有两种，一是通过生物合成把氮类物质转化成细胞物 质，通过黍4 余污泥从污水中排放； 硝化过程2 钔 n h 4 + + 2 0 2 寸n o ；+ h 2 0 + 2 h +( 2 3 ) 反硝化过程 c 1 8 h 1 9 0 9 n + 1 4 n o ；+ 1 4 h + 一7 n2 下+ 1 7 c o2 + h c o ；+ n h ：+ 1 4 h2 0( 2 - 4 ) 亚硝化细菌和硝化细菌广泛分布于自然界中，为革兰氏阴性菌，专性好氧， 要求中性或弱碱性环境( p h - - - - 6 5 8 o ) ，在p h l m g l ，p h = 8 o 一8 4 ，b o d 5 2 0 0 ，即有污泥膨胀倾向。在系统进行运转初 期即污泥驯化初期，容易出现污泥膨胀。而当系统运行平稳后，一般不易出现污 泥膨胀现象，污泥膨胀的引发因素有：气温气压的聚然突变，污泥负荷的过低或 过高等。污泥膨胀后对出水c o d 和氨氮影响不明显，但出水的浊度及s s 有明显 改变。以图8 为例，所示2 0 0 4 年2 月末气温气压的突变造成s v i 大幅变化，浊 度呈现与之相应的变化，而c o d 及氨氮并未作大幅度的改变。 但在系统运行正常后，由于曝气初期污泥吸附较多有机物及增殖较快，也会 出现一个周期运行中有如图9 所示的s v 跳跃的现象，这可能是s b r 系统中的的 活性污泥细菌处于对数增殖期的表现。虽然污泥浓度同时增加，但其增加比例不 如s v 大，所以s v i 也出现较大的变动。运行完毕，污泥系统仍处于良性状态。 所以在检测s v 或s v i 时应避开开始进入曝气期的前后时间段，而在进水不久， 或曝气时间 l 小时的时间区域内，避免因周期中s v i 发生跳跃而引发的错误判 断。 阴川人学硕t 学位论文 低水温条件rs b r 址理城市污水的工艺研究 4 5 4 0 3 5 硝3 0 * 菱2 5 警 囊2 0 萋 ：= 1 5 l o 5 o 叩甲 l 0 0 9 0 8 0 7 0 景6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 图8s v i 与出水水质的关系 反应刷期时间t = 1 5 h r s ，水温1 3 1 9 a 1 1 6 15 0 1 8 02 4 0 2 7 0 7 4 0 反应时问m i “ 图9 一个运行周期中的污泥指数及浓度变化图 水温；1 3 ，反应怙j 期时间p 1 5 h r s 。 1 7 0 ； 1 2 0 芝 2 0 ( 3 0 ) 6 4 皇 3 蓦 3 主 2 0 3 _ uu _ 23 _ _ n - 2 0n 吣时_ 2 q，曲n - 2 明 时_4，m n _ 2 ：j 沁 时_ 2 时明日 k _ 2 p 时，时。时_ 1 时_ l f ln q 时_ l o时p 明 删，i l 太学硕卜学位论文 低水温条件fs b r 处理城市污水的j 岂研究 2 0 0 龟 0 5 0 ； 1 0 0 0 图1 0 水温s v i 的关系图+ 反应周期时间：t = l s h r s 水温1 3 一1 9 。 屯横坐标轴对应于幽8 所示的不同| = = 期的样品，目的是反映由于水温突变引发的s v i 突变。 5 0 0 0 5 0 0 o2 0o 2 io2 2 o2 4o 2 8o 3 6o3 8 23 3 污泥负荷( k g c o d k g m l v s s d ) 图1 1 污泥负荷s v i 的关系图 反应周期时间：t = 8 h r s t 水温i o i 5 2 2 加旧m谴杀嚷癌一i。 低水温磊件fs b 8 赴埋城f b 污小的工兰研究 4 1 3 污泥负荷 1 ) 对污泥指数的影响 5 4 5 5 j 污泥负荷f m 过高时，微生物营养丰富，使游离细菌生长良好，聚凝的菌胶 团菌也趋于解絮成单个游离菌，以增大与周围环境的接触表面，结果使污泥结构 松散，絮粒变小，沉降性能差。s v i 值迅速上升。 在f m 过低时，微生物营养条件差，可因两种情况出现s v i 值上升： 一种情况是丝状菌过多而造成污泥结构松散，沉降性能差。在污泥中两大类 细菌的竞争过程中，比表面积大、耐低营养的丝状菌生长速率可高于菌胶团菌， 并在污泥中逐渐占优势，造成s v i 值上升。 另一种可能是产生微小污泥，但不会与前者同时存在。根据菌胶团形成机理 学说，茵胶团细菌由菌体外大量荚膜类胶体基质或纤维素类纤维粘合在一起，在 污泥f m 低时，菌胶团菌体外的多糖类基质可被细菌作为营养利用，结果使絮 体结构松散，絮粒变小，s v i 值升高。 图1 0 与图8 对应，反映的是取样时反应池水温变化引起的s v i 变化，而图 1 1 是在进行高浓度试验时产生的s v i 的突变。对由于负荷增高而产生的s v t 增 高，采用延长闲置期和加大排泥量的办法，使s v i 可以尽快的得以恢复。 试验中，为了探索系统过低负荷状态下的运行状况，发现虽然s v i 、生物相 及溶解氧等各方面均处于良性状态时，由于污泥浓度过高，则可能导致污泥无法 完全沉降至滗水器出水口以下，致使滗水器堵塞，出水达不到下液位，而使自控 系统瘫痪，最终引起污泥因长时间缺氧而膨胀、死亡。 2 ) 对s b r 运行费用的影响 提高f m 可以加快活性污泥的增长速度，和有机质的降解速度，缩小曝气池 容积，减小项目基建投资。但当f m 过高时，往往很难达到各项处理要求；f m 过低，有机质的降解速率过低，曝气池容积加大，导致基建投资过高。 4 1 4 溶解氧4 8 1 溶解氧浓度影响到活性污泥生化反应时的反应效果，通常状态下，一般随着 水温的下降，溶解氧浓度呈现上升趋势。通常溶解氧浓度应当控制在4 5 m i 。， 否则，溶解氧浓度过高，可以引起污泥的内源呼吸过度，引起自身能量的过分消 低水温条件卜s b r 址矬城市污水的t 艺研究 耗，反而导致污泥发育状态的不良，同时造成外部动力供应的浪费。溶解氧浓度 过低，可能会导致污泥吸氧不足，导致生化反应缺氧，去除率不商。 表2 高浓度进水条件下的溶解氧c o d 去除率关系表( t = 1 5 。c ) 在本次s b r 试验的前期探索性试验中，对溶解氧与去除率之间的相关关系进 行试验，发现在高浓度进水( c o d 1 2 0 0 m g l 的生活淘米水) 条件下，如表2 所 示，随着溶解氧浓度的提高，有机物的去除率是增加的。但当溶解氧浓度超过 5 m g l 时，反而会引起c o d 去除率的下降。 在低水温污水的试验中，试验将溶解氧控制在5 m g l 左右，均保持了良好的 出水效果，而且从c o d 的去除曲线可知，随着曝气时间的增加，溶解氧浓度由 厌氧期的低浓度不断剥高，同时c o d 去除率也不断地提高。 4 1 5 系统p h 值与s b r 生化反应的关系 表3 系统p l - i 懂与s b r 生化反应的关系表 低水温条件fs b r 处理_ 呲市污水的t 兰研究 对于大多数污水处理过程来讲，适于微生物增长的最大p h 值范围是4 9 ， 最佳为6 5 7 5 ，细菌在偏碱性时增长最好，而真菌和藻类在口h 微偏酸性时增 长最好，一般认为氢离子浓度是影响酶活性的最重要因素之一。 在s b r 运行过程中，若p h 低于6 或高于9 ，会对污泥微生物产生影响，另 一方面也会对聚磷菌厌氧放磷产生抑制作用。从反应式( 2 7 ) 可知，当h + 浓度 过高时，反应无法向右推进，从一定程度f = 影响了放磷，从而影响最终出水的t p 值。另一方面，p h 值也同样影响硝化和反硝化反应，从硝化反应式( 2 - 3 ) 和反 硝化反应式( 2 - 4 ) 均可看到p h 过低同样会对它们产生抑制作用。一般硝化菌的 适宜p h 值为8 8 4 ；反硝化反应的适宜p h 值在7 8 ；而除磷的适宜p h 范围是 6 5 8 。本次试验中进水及出水p h 值基本介于6 9 8 ，5 之间，因此不需要外加药 剂调节p h 值，从理论分析和实践上均未影响c o d c ，、氨氮及t p 的去除，也未对 s b r 产生重大影响。这一点从本次s b r 实验的运行上可以得到印证。 4 2 低水温s b r 基质去除效率影响因素 4 2 1温度p2 1 ”j ： s b r 反应是一种生物污水处理方式，温度对试验有较大的影响，一方面，温 度影响着微生物的增兢速度：另一方面各种生物化学反应也受到温度的限制，一 般处于一个适宜的温度环境条件下，微生物增殖处于稳定状态，而生化反应速度 也比较稳定。温度对微生物活性的影响，反映在温度对反应常数的影响上。通常， 温度对细菌的增殖速率的影响表现为在一定范围内细菌的增长速率随温度的增 高而加快，但当温度到达极限时，细菌的增长速率很快下降。所以，由于季节和 气温变化，在设计中必须考虑生化动力学参数的季节性变化。 生化反应象化学反应一样，可用a r r h e n i u s 公式描述温度对生化反应速度的 影响： k 2 、k 1 一为温度t 2 、t i 时的某种生化反应动力学常数： e a 一生化反应活化能，一般为8 0 0 0 1 8 0 0 0 c a l m o h r 一气体常数( r = 1 9 8 c a l m 0 1 k ) 。 对常温下的生化反应来说，旦，基本上是常数，故上式被改写为较简单 r t f t 2 帮 邓 坠k 叫j j l 人学硎亡学位论丈 低水温条件下s b r 处理城市污水的工艺研究 的形式：k 2 2 k i o t ：- t i 。而彭永臻，张自杰的研究认为不同温度范围内，温度对k 的影响不同。由于活性污泥微生物属中温性，新陈代谢最旺盛的温度是3 0 左右， 此时温度对代谢速度的影响最小，而当温度低于2 0 。c 时，微生物的生长繁殖受到 温度的抑制，这时，温度对微生物的代谢影响较大，同时影响了微生物降解有机 物的速度。分两段表示的温度一生化反应速度常数关系式为 5 0 】： k t = k 2 0 0 1 。2 0 ，0 = 1 0 5 0 7 ( t = 6 - - 2 0 。c ) ：0 = i 0 1 4 7 ( t = 2 0 - - 3 0 。c )( 4 2 ) 1 ) 反应期水温和出水水质的关系 试验发现，当固定反应时间和污泥浓度时，基本呈现图1 2 所示的规律，即 随着水温的升高，c o d c ，的去除率有下降的趋势，但是变化不明显。这是由于三 瓦窑污水处理厂的原水进水浓度不为稳定值，进水c o d c r 浓度的变化范围为 9 0 - - 2 2 0 m g l ，所以c o d c 。去除率呈现跳跃式变化。同时，随着水温的升高，供 气量却没有发生变化，导致因水温升高，水体中的溶解氧呈下降趋势，引起c o d 去除率呈现出轻微下降趋势。 i o o 9 5 9 0 薹8 5 崭 誓8 0 耋 b 7 5 7 0 6 5 6 0 互、i l ，入夫 l 、n 矗盆勺督舻 1 01 01 01 2 摇1 3 圬1 51 5 求温。 图1 2 水温对c o d o 去除率的影响 m l s s 4 0 0 m 吕，l ，反应周期：t = 1 0 5 h ，气温：8 - - 1 2 8 0 7 5 7 0 6 5 6 0 5 5 盲 1 0 0 天，培养驯化末期，控制泥龄为5 0 天左 右，氨氮去除率可达9 0 以上。 4 2 4 进水水质 由于本次s b r 试验是采用城市污水作为试验原水，而由于生活作息及工业 生产周期的不同，造成进水水质不稳定，而是表现为夜间进水浓度高，进水氨氮 则随着气温降低而升高的现象。从图1 7 ，1 8 可见，虽然进水浓度不断变化，但 出水水质、去除率基本稳定。 2 7 j i 凡学硕士学位论文 低水温鍪什fs b r 处理城市污水卉勺工z 研党 _h_-_。-h_-_。-。 0 幅 0 4 毛03 5 萋 薹 02 5 0 2 道水 8859 6 反应1 0 时5 闻h 1 1 51 251 3出水 图1 3气温对t p 的影响( 2 0 0 4 - 3 - 2 3 曝气一缺氧期t p 的变化曲线) m l s s = 1 4 4 6 m g l 8 h 时水温1 2 。0 ，1 1 5 h 时水温1 7 。c ，反应阁期时闻t 21 5 h r s a 葶8 5 替 篮 矗 ： 88 0 0 1 9 401 9 502 2 l 0 2 3 802 7 90 2 9 20 3 2 40 3 4 20 3 5 9 0 4 1 305 3 00 7 6 0 污泥负荷( k g c o d c r k g m l v s s d ) 图14 污泥负荷与c o d 、氯氮去除率的关系图 水温1 0 - 1 5 ，反应周期t = s h r s 。 9 6 蟹 荽 餐 q 崩 9 4 9 0 明川犬学硕 学位沦丈低水温条件fs f l r 处理城市污水内工艺研究 1 0 0 _ ； 凿9 0 啪 8 00 6 600 7 700 8 700 9 701 2 5o1 3 701 4 l01 4 5 o1 4 9 污泥负荷( k g c o d c r k g m l v s s d ) 1 0 0 9 9 9 8 9 7 9 6 簪 9 5 髦 酶 9 4 撼 9 3 9 2 9 1 9 0 图15污泥负荷与c