（模式识别与智能系统专业论文）sbr系统生物强化除磷影响因素研究.pdf

f a c t o r s a f f e c t i n ge b p rp e r f o r m a n c e o n s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r m 旬o r ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g d i r e c t i o no f s t u d y ：w a s t e n a t e rt r e a t m e n tt h e r o ya n d1 b c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：x u j i a n y u s u p e i v i s o r ：p r o z h a n gx u e h o n g s c h o o lo fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i 够o f t e c h n o l o g y o c t o b e r 2 0 0 8t oa p r i l ，2 01o 桂林理工大学硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料j 对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本论文是否保密： 是 影 学位论文作者签名：汹 一签字日期洲d 一年6 月吕日 主一日 签字日粳卫胡a 年冷月叉日 桂林理工大学硕士研究生学位论文 摘要 随着我国社会经济的快速发展和城市化进程的加快，城市生产和生活排放污水中的氮、 磷总量不断增加，这给城市污水处理厂的运行带来了严重影响，同时也加剧了城市水体富 营养化。目前，生物强化除磷( e n h 柚c e db i o l o g i c a ip h o s p h o m sr e m o v a le b p r ) 技术在控 制水体富营养化方面起到了重要的作用。因此对生物强化除磷性能及影响因素的研究有利 于这种工艺的应用和推广。 本实验首先以桂林七里店污水厂、北冲污水厂和桂林第四污水厂二沉池回流污泥为研 究对象，实验用水为人工模拟配水，采用静态烧杯实验和s b r 反应器实验对三个污水厂活 性污泥生物除磷性能及这些污泥在s b r 系统内启动阶段和运行阶段对常规污染物指标去 除状况进行对比研究，实验结果表明：七里店污水厂活性污泥性能高于其他两个污水厂的 污泥性能；因此，选取桂林七里店污水厂二沉池回流污泥为s b r 实验装置接种泥。 研究不同影响冈素( 厌氧时间、污泥回流比、有机碳源种类、有机质浓度、硝酸盐浓 度和系统不同进水方式) 对生物强化除磷厌氧段磷释放的影响。实验结果表明：( 1 ) 随着 厌氧时间的延长，厌氧释磷量也随之增加。( 2 ) 碳源对释磷量大小的影响顺序为：乙酸钠 葡萄糖 淀粉：( 3 ) 在不同污泥回流比条件下，系统中对硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总磷 去除影响较大，但对氨氮的去除没有明显的影响。最佳污泥回流比范围是6 0 8 0 。( 4 ) 磷的厌氧释放与有机碳源浓度有关；在厌氧阶段当浓度小于3 0 0 m g l 时，厌氧释磷量随着 进水c o d 浓度的增加而升高，当c o d 浓度大于3 0 0 m g l 时，厌氧释磷量随着进水c o d 浓度增加而下降。( 5 ) 系统中存在硝酸盐氮会对厌氧过程中磷的释放有抑制作用。( 6 ) 通 过改变系统进水方式，可以使得系统厌氧释磷性能得到进一步优化，大大提高了原水中有 机碳源的利用率。 研究温度、p h 值和好氧段曝气量对生物强化除磷的影响。实验结果表明：( 1 ) 生物强 化除磷最佳温度范围为2 0 2 5 ；( 2 ) 系统中p h 值在6 0 7 5 范周内，对生物强化除 磷有一定的促进作用；( 3 ) 好氧段曝气量由6 0 l l l 上升到1 6 0 l l l 时，磷的去除率随着曝气 量的增加而增加，同时吸磷量和吸磷速率也依次增加，但增加幅度不大。 乙酸钠、葡萄糖和淀粉分别作为系统碳源时，系统对磷的去除率分别为9 5 7 、7 7 7 和6 2 2 ；通过研究三种碳源条件下，系统中厌氧段释磷量及速率和好氧段吸磷量及速率 进一步证实了乙酸钠对生物强化除磷具有促进作用。在进水有机物浓度较低的情况下，可 通过投加乙酸钠调节水中乙酸盐比例来提高生物强化除磷性能，系统最佳乙酸盐比应控制 在4 0 。 关键词：生物强化除磷( e b p r ) ；厌氧释磷；影响因素 i l 桂林理工大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei 印i dd e v e l o p m e n to fo u rs o c i a ie c o n o m ya n du r l 妇i z a t i o np r o c e s s ，t h ea m o u n to f n i t r o g e n 锄dp h o s p h o r i l si nm em u n i c i p a lw 笛t e w a t e rh 鹳b e c o m ei n c r e a s i n g i ys e r i o u s ，卸di t g a v er i s et 0as e r i e s0 fs e r i o u se 髓c t so nt h eo p e r a t i o no fm u n i c i p a lw 嬲t e w a t e r 仃e a t m e n tp l a n 乜 t h ee n h 柚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 ( e b p r ) p r o c e s sp l a y s 觚i n c r e 雒i n g l yi m p o r t a n t r o l ei nc o n t r o l i i n ge u t r o p h i c a t i o no fn a t u r a lw a t e r s s ot h er e s e a r c h0 nt h ep e 响m a n c e 觚d i n f l u e n c ef a c t o ro f e b p rw o u l db eb e n e f j tt ot h e 印p l i c a t i o n 锄ds p r e l do f t h i sp r o c e s s a c t i v a t e ds i u d g e 疗0 mq i l i d i a nw 舔t ew a t e rt r e a t m e n tp l 锄t 、b e i c h o n gw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n ta n dt h ef o r t hw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp i 锄t 嬲t h e 舱辩羽c ho b i e c t u s ea n i f i c i a l w 嬲t e w a t e r t 0e v a l u a t et h ep e 响n n a n c e0 ft h es l u d g ei nt h et h r e ew 嬲t ew a t e r t r e a t m e n tp l a n t s t h e 他s u l ts h o wt h ep e r f o m a n c eo fs l u d g ef r o mq i l i d i a nw 雒t ew a 钯rt r e a t m e n tp l 锄i st h eb e s t o ft h et h r e e s ot h ee x p e r i m e n tu s e st h i ss l u d g e 仔o mq i l i d i 彻w 雒t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nt h e s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，r h e 锄a e r o b i cp h o s p h o m sr e l e a s i n gw 弱s t u d i e do nt h e 粕a e r o b i ct i m e ，o 略锄i cs u b s t 锄c e ， c o n c e n 仃a t i o no fo 唱a n i cm a t t e r 锄dn i t r a t e ，d i 腩r e n tm o d eo fi n f l n t r e c y c l er a t i o t h er e s u l t s h o w s ：( 1 ) t h ea n a e r o b i cr e l e a s i n g 锄o u n to fp h o s p h o r 啉w 邪i n c 他嬲i n gw h e n 锄a e r o b i ct i m e w 髂i n c r e 鹪i n g ( 2 ) t h es u b s t a n c eo n 锄犯r o b i cr e l e 瓠i n g 枷o u n to fp h o s p h o r u sw 鹪，a c e t a t e g l u c o s e s t a r c h ( 3 ) u n d e rt h ed i 骶r e n tr e c y c i er a t i o s ，t h er e c y c l e 仡t i oa 腧c t e dt h er e m o v a lo f n i t r a t en i t r o g e na n d p h o s p h o r u sb u tn o tt h er e m o v a lo fa m m o n i an i t r o g e n t h eb e s tr e c y c l er a t i o s i s6 0 8 0 ( 4 ) t h ea n a e r o b i cr e l e 嬲i n g 锄。帅to fp h o s p h o m sw 舔i i l c r e 硒i n gw h e nt h ec o d c o n c e n t r a t i o nw 舔 i n c r e 鹊i n 岛 h o 、e v e rt h i s t e n d e n c y 、o u l db es h o n e rw h e nt h ec o d c o n c e n t r a t i o nr e a c h e dt h eb i g g e r 锄o u n t w h e nt h ei n i t i a lc o dc o n c e n t r a t i o n 、v 鹊l e s s3 0 0 m g l ， t h ee 伍e n c yo fp h o s p h o m sr e m o v a lw 嬲i n c r e a s i n gt h a tc o dc o n c e n t r a t i o nw 鹪i n c r e 勰i n g w h e ni n i t i a lc o dc o n c e n t r a t i o nw 鹊黟e a t e rt h 锄3 0 0 m g ，l ，t h ee 硒e n c yo fp h o s p h o 九j sr e m o v a l 、) i ，o u l dr e d u c er a p i d l y ( 5 ) w h e nt h e 陀w 舔t h en i t r a l en i t r o g e ni nt h ew 舔t e w 砷e r ，t h ep h e n o m e n o n o fp h o s p h o m sa c c u m u i a t i o nw o u l do c c u ri n t h e 锄a e r o b i cc o u 珞e ，a n dt h ep h o s p h o m s 解c u m u l a t i o n 锄o u n tw 弱i n c r e a s i n gw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fn i 仃a l t en i t r o g e nw a si n c r e a s i n g b u tt h e 锄r o b i cr e l e 舔i n ga m o u n to fp h o s p h o m sw 弱r e v e r s e s oi t w 舔u n f a v o r a b l et 0 觚a e r o b i cp h o s p h o m sr e l e 私i n gw i t hn i t r a t en i t m g e n ( 6 ) 1 1 1 ec o n c l u s i o nw 嬲t h a tc h a n g eo ft h e m o d e so fi n f l u e n c en o to n i yc o u l dc h a n g et h eb i o d e g r a d a b i l i t yo ft h em u n i c i p a lw a s t e w a t e r ，b u t a l s oe n h 锄c et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea 1 1 r o b i cp h o s p h o r u s 陀l e a w i t h 陀a l m u n i c i p a l w a s t e w a t e r i i l 桂林理工大学硕士研究生学位论文 t h ep h o s p h o r 吣他m o v a l0 ne b p rw 鹬s t u d i e d0 nt h et e m p e r a t u 他s ，p ha n d 勰r a t i o n ，t h e 陀s u l ts h o w s ：( 1 ) t 1 1 eo p t i m a l t e m p e r a t u 佗s c o p ew 觞2 0 2 5 ( 2 ) t h e9 0 0 dp hv a l u es c o p e w 弱6 0 7 5 ( 3 ) a e r a t i o n 勰r o b i cc 印a c n y6 0 m6 0 l hu pt 016 0 l 仉t h ee f t i e n c yo fp h o s p h o m s 陀m o v a lw 雒i n c r e a s i n g 、v h e nt h e r a t i o nw 笛i n c r e 勰i n g c o m p a r i s o n so fe b p rs y s t e mf e do nt h r e eb n d so f c 拍o ns o u r c ev a l i d a t e da c e t a t ew 舔t h e b e s tc a r b o ns o u r c e w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f o r g 觚i cm a n e ri sl o w e r 删u s tt h er a t i oo f a c e t a t e b ya d d i n ga c e 协t et ow a s t e w a t e r - i tc 锄i m p r o v et h ep e 怕珊a n c eo f 朗p r t h eb e s tr a t i oo f a c e t a t ei s4 0 k e yw o r d s ：e b p r ，锄a e r o b i cp h o s p h o r 吣r e l e 雒i n 岛t h ei n f l u e n c eo f e 侬娥o p e r a t o nf a c t o r i v 桂林理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究课题背景1 1 1 1 城市水体中磷污染现状1 1 1 2 城市水体中磷的性质2 1 1 3 城市水体中磷的来源与危害2 1 1 4 我国控制城市污水磷污染的水环境标准4 1 1 5 城市污水生物除磷工艺概述5 1 2 生物强化除磷影响因素研究6 1 3 课题来源、研究目的和意义以及主要内容1 0 1 3 1 课题的来源1 0 1 3 2 研究目的和意义1 0 1 3 3 研究内容和技术路线1 l 第二章实验方案选择、污水厂污泥性能对比研究1 3 2 1 实验材料与方法1 3 2 1 1 实验仪器与设备1 3 2 1 2 实验用水1 5 2 1 3 水质检测分析方法1 6 2 2 污水厂活性污泥性能研究1 7 2 2 1 桂林市主要污水厂简介1 7 2 2 2 厌氧释磷测试实验1 8 2 2 3 好氧吸磷测试实验2 1 2 2 4 污水厂活性污泥在系统启动阶段性能研究2 1 2 2 5 污水厂活性污泥在系统运行阶段性能研究2 8 2 3 桂林七里店污水净化厂运行状况3 4 桂林理工大学硕士研究生学位论文 2 3 1 桂林七旱店污水净化厂简介3 4 2 3 2 运行状况分析3 4 2 4 本章小结3 8 第三章生物强化除磷影响因素实验研究4 0 3 1 不同因素对磷厌氧释放的影响4 0 3 1 1 厌氧时间对系统厌氧释磷的影响4 0 3 1 2 污泥回流比对磷厌氧释放的影响4 l 3 1 3 有机质对磷厌氧释放的影响4 5 3 1 4 有机质浓度对磷厌氧释放的影响4 6 3 1 5 硝酸盐浓度对磷厌氧释放的影响4 8 3 1 6 不同进水方式对系统厌氧释磷的影响5 1 3 2 温度对生物强化除磷的影响5 4 3 3p h 对生物强化除磷的影响5 6 3 4 好氧段曝气量对生物强化除磷的影响5 9 3 5 有机浓度对生物强化除磷的影响6 1 3 6 本章小结6 3 第四章碳源对生物强化除磷影响实验研究6 5 4 1 不同碳源系统中各项指标变化趋势分析6 5 4 1 1 不同碳源系统中磷的变化趋势6 5 4 1 2 不同碳源系统中c o d 的变化趋势：6 7 4 1 3 不同碳源系统中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的变化趋势6 8 4 2 厌氧段磷的释放量与好氧段磷吸收量的关系6 9 4 3 厌氧磷的释放量与c o d 消耗量的关系7 1 4 4 生物强化除磷中遇到的问题和解决方法7 2 4 5 本章小结7 5 第五章论文结论7 6 致谢7 8 参考文献7 9 个人简历及发表论文8 4 i i 桂林理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究课题背景 1 1 1 城市水体中磷污染现状 第一章绪论 随着社会的发展，人们的环境意识越来越强，尤其对于水这个与 人类生存和发展极为密切的环境因素的关注更加突出i l 】。然而，随着现代 化、工业化、城市化的加快，污水排放量与r 剧增、水质越来越复杂，导 致水体严重污染、城市水资源紧张，饮用水卫生和食品安全受到了巨大的 威胁。目前，占世界总人口4 0 的8 0 多个国家现在出现严重缺水现象【2 1 ， 而我国有超过4 0 0 座城市缺水，其中有6 0 7 0 缺水状况是由水质污染 造成的。据2 0 0 8 年中国环境公报1 3j 指出全国地表水污染污染依然严重。 七大水系水质总体为中度污染，浙闽区河流水质为轻度污染，西北诸河水 质良好，湖泊( 水库) 富营养化问题突出。水体中主要污染指标为总氮和 总磷。在监测营养状态的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的1 个，占3 8 ； 中度富营养的5 个，占1 9 2 ；轻度富营养的6 个，占2 3 0 。 近年来，随着我国社会经济高速发展，从整体上看，我国环境问题仍 然在恶化，其污水排放量逐年增加，加之城市污水处理能力跟不上发展， 使得绝大多数河流的城市段和城市湖泊严重出现了严重污染和富营养化， 造成城市水危机。当前，我国6 0 0 多座城市中就有4 0 0 座严重缺水，其中有 6 0 7 0 的缺水状况由水污染造成1 4 j 。引起水体富营养化的主要原因就 是由于绝大多数未经处理的生活污水排入湖泊、河流等天然水体，使水体 中氮磷含量浓度升高所致。根据对全国2 5 个大中型湖泊进行的调查，已趋 于富营养化的湖泊达9 2 ，其中磷限制性湖泊占6 5 ，氮限制性湖泊占 2 8 ，其他因子限制性湖泊占7 1 5 j 。水体富营养化防治是水污染治理中代 价昂贵而又十分棘手的问题。由于氮、磷营养物质来源既有人为源，又有 天然源；既有点源，又有非点源；既有外源性，又有内源性，这样给控制 污染源带了困难。而且至今还没有单一的生物学、化学和物理措施能彻底 去除废水中的氮磷物质，一般污水处理厂的二级生化处理方法对去除氮磷 是有限的【6 j 。随着国家节能减排政策的实施，对城镇污水处理厂污染物排 放标准有更严格的要求，其中g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 城镇污水处理厂污染物排放 标准中一级a 标准规定出水总磷浓度必须低于0 5 m g l 。此外，2 0 0 6 年建 设部又根据国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定提出，到 桂林理工大学硕士研究生学位论文 2 0 1 0 年，所有设市的城市，污水处理率不低于7 0 【7 1 。由此，富营养化防 治已成为我国乃至世界所要面对的重要环境问题之一。 1 1 2 城市水体中磷的性质 磷元素原子序数是1 5 ，原子量为3 0 9 7 3 7 6 2 ，在元素周期表中属于第 五组元素，元素符号为p 。磷在地壳中的含量为0 1 l8 。磷在自然中的循 环属于典型的沉积循环【8 - 9 1 。城市水体中的磷不同于氮，不能形成氧化体 或还原体向大气放逐，但具有以固体形态和溶解形态相互循环的性能，污 水除磷技术就是以磷的这种性能为基础而开发的。污水中含磷化合物可分 为有机磷和无机磷两类，生活污水中有机磷含量约为3 m g l ，无机磷含量 约为7 m g l 。有机磷存在主要形式有：葡萄糖6 磷酸，2 磷酸甘油酸及磷 肌酸等；无机磷都以磷酸盐形式存在，包括正磷酸盐，偏磷酸盐，磷酸氢 盐，磷酸二氢盐等。 1 1 3 城市水体中磷的来源与危害 水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是水体中含有丰富的溶解性营养盐类 ( 主要是n h 3 n 、n 0 3 n 、n 0 2 n 、p 0 4 p ) 使水中藻类等浮游生物大量生 长繁殖，耗尽了尸体的溶解氧，使水体变质，从而破坏了水体的生态平衡 的现象。富营养化实质上就是由于对湖泊水体过量排放生活污水和含氮、 磷较高的工业废水和农田冲刷水的污染。城市污水中磷的主要来源主要 有： ( 1 ) 人类排泄物与食物残渣 城市污水中磷的主要来源是粪便、合成洗涤用品和食品。磷是人类体 内所必须的重要元素。为了维持生命过程，人类每天摄入一定量的磷，通 过代谢，每日都有一定量的磷随粪便排出。根据有关资料】，我国人均每 天磷的排泄量为0 8 1 0 9 ，而生活污水残渣和其他家庭污染物排磷量为 0 3 9 。 ( 2 ) 工商企业磷排放 工业废水包括化肥、制糖、纺织、造纸和屠宰等工业废水都含有一定 量的磷，特别磷化工行业排放的大量废水中含有磷酸盐、二氧化硅及氟化 物。如当前，巢湖流域有3 0 0 0 多家工矿企业，废水年排放量为1 4 亿t 【12 1 。 2 桂林理工大学硕士研究生学位论文 这些工矿企业是造成巢湖富营养化污染的主要污染源。 ( 3 ) 合成洗涤剂和家用清洁剂 合成洗涤剂也是城市污水磷的主要来源之一，在北美一些高消费地 区，污水中总磷的5 0 7 0 均来自合成洗涤用品【i 引，据估计我国消耗的 洗涤剂中磷的含量为o 2 1 9 d 【1 4 l 。家用清洁剂含有苯、磷、氯、石化行介 面活性物质，不易在环境中分解，排入水体后造成严重的水域污染问题。 ( 4 ) 农业化肥使用 由于农业化肥的使用，使得土壤中积累了相当数量的营养物质，这些 营养物质随着雨水和农田排水流入临近水体。国内外湖泊污染资料表明， 湖泊污染负荷的5 0 源于流域内非点源污染，而城郊湖泊污染负荷的5 0 来自于农村非点源污染【 】。农村非电源污染源于氮磷化肥使用量比重大， 水产养殖饵料无序投放使得其在水中残留过多，生活污水及人畜粪便的直 接排放，农村垃圾露天堆放等【1 6 1 引。这些非点源污染物以多种形式汇入农 村临近湖泊中，加速了湖泊富营养化污染。 ( 5 ) 湖泊底泥中营养物质释放【1 9 】 湖泊中的氮磷营养物质经过物理、化学及生物化学作用后，沉入湖泊 底部成为湖泊富营养盐的内负荷，这些营养物质在湖泊底泥中积累逐渐成 为湖泊营养盐循环的主要部分；当湖泊中有外源污染物进入，会加速了湖 泊富营养化进程，使湖泊产生“水华”。这时，湖泊底泥中营养物质成为其 富营养化的主导因子。 水体富营养化对环境的危害主要有以下几个方面【1 7 。2 2 1 ： ( 1 ) 破坏生态系统：富营养化爆发，藻类大量繁殖，死亡后的藻类 有机体被异养微生物分解，消耗水中大量的溶解氧，使得水中溶解氧量急 剧下降；水中藻类覆盖影响了大气的复氧作用，造成水体厌氧状态，这样 导致了水体中鱼类等水生生物因缺氧而窒息死亡，水体中的正常生态平衡 被扰乱。 ( 2 ) 水质恶化：死亡的藻类被微生物分解放出胺类物质，产生严重 的尸腐味，还因水体处于厌氧状态而产生h 2 s ，水质变臭、变坏，最终失 去饮用水功能。 ( 3 ) 释放有毒物质：许多产生水华和赤潮的藻类能产生毒素，不仅 危害水生动物，而且对人类健康及牲畜和禽类等也会产生严重的毒害作 桂林理工大学硕士研究生学位论文 用。 ( 4 ) 影响景观：发生水华时，藻类大量生长，铺满水面，有碍水体 美观。水中漂浮物增多，也增加水处理难度。 此外，富营养化的水体呈现颜色，水质变得浑浊。如果用这种水体作 为自来水厂的水源水，不但可引起滤池堵塞，影响水厂的正常运行，而且 还将严重影响水厂的出水质量，增加制水成本。 1 1 4 我国控制城市污水磷污染的水环境标准 环境标准工作在我国是从19 7 3 年开始的，它同我国环境保护工作同 时起步、发展起来的。目前，我国以国家污染物排放标准和环境质量标准 为主体，国家环境标准样品标准、国家环境监测方法标准、基质标准相配 套的国家标准体系已经基本完善。其中水污染物排放标准和水环境质量标 准是控制水体中磷的标准。水污染排放标准如下表1 1 【15 1 。 表1 1 控制磷的水污染排放标准 t a b l e1 1c r i t e r i o no fpi nt h ee f n u e n t 根据上表可以看出该标准根据排放污染物的种类、污染源的性质，以 不同行业的水污染处理技术为依据控制水体中磷的浓度。 表1 2 控制p 的水环境质量标准 t a b l e1 2w a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t yc r i t e r i o no fp 4 桂林理工大学硕士研究生学位论文 我国目前所用的水环境质量标准对磷的标准做出了明确规定，其中海 水和地表水水质标准对不同功能区域类别的水域磷标准值均做出了明确 要求，特别是新修订的地表水环境标准。水环境质量标准的具体情况 见上表1 2 【15 1 。 1 1 5 城市污水生物除磷工艺概述 生物除磷工艺经过生产规模应用后，发现其除磷效果好、可减少化学 污泥量、减少污泥膨胀及改进沉降效果使得污泥易脱水，肥效高、工艺成 本低廉，操作方便且适合于现有污水处理厂升级改造等诸多优点。 目前我国城市污水处理厂广泛使用活性污泥系统进行生物除磷，该工 艺从1 9 1 4 年开发投入使用至今，活性污泥法一直是运用最为广泛的成熟 处理工艺。该技术的主要设施有曝气池、二次沉淀池、曝气系统以及污泥 回流系统等，主要用于有机废水生物降解、城市污水及工业废水处理。活 性污泥法的主要设施是生化反应器和曝气池。在曝气池中，系统中活性污 泥与有机污染物形成“混合液”，并进行人工曝气。在这期间，池中的微生 物利用胞内酶或胞外酶使得废水中的有机物被水中的溶解氧氧化成小分 子，接着混合液进入二沉池，实现泥水分离，系统中一部分污泥回流至曝 气池，另一部分污泥被排除系统，以维持曝气池内中微生物浓度一定。传 统活性污泥处理系统对氮的去除率仅为2 0 4 0 ，而磷的去除率仅为 5 2 0 【2 引。当前我国经过二级处理排入水体中氮和磷的量仍然超标，但 近1 0 年来由于新除磷技术的研发使得城市二级污水处理厂生物除磷技术 取得了显著的成果。现在常见的几种主要生物除磷工艺由表1 3 所示【2 4 渤】。 这几种工艺虽然分属不同的类型，但基本原理是遵从利用聚磷菌自身 的特点，在原有活性污泥工艺的基础上进行修改，在系统上设置一个厌氧 阶段，通过厌氧好氧交替的运行，选取培育聚磷菌，以降低出水的磷含量。 但是在国内任何污水处理厂除磷过程的实际结果却与工艺的理想效果有 很大的差别，这是由于生物系统当中的各个影响因素所致，因此对生物除 磷影响因素的研究有助于提高污水处理厂的运行工况，对氮、磷的去除也 有很大的帮助。 5 桂林理工大学硕士研究生学位论文 表1 3 生物除磷工艺介绍 1 a b l e1 3i n t r o d u c t i o no fb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s 1 2 生物强化除磷影响因素研究 强化生物除磷( e 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 ，简称e b p r ) 工艺是污水除磷过程中普遍采用的一种生物处理工艺【3 0 - 3 1 1 ，其表现为活性 污泥在厌氧状态下释放磷而在好氧状态下吸收磷。e b p r 工艺运行过程是 以富集大量聚磷菌( p a o ) 的活性污泥为基础，通过使活性污泥在厌氧和 好氧环境相互交替来完成对污水中磷的去除。e b p r 技术的关键在于对厌 氧区的选择，厌氧区是聚磷菌的“生物选择器 【3 2 。3 6 】，在厌氧阶段，聚磷菌 合成的p h a 对好氧阶段对磷的吸收有决定意义。一般认为，聚磷菌在厌 氧阶段合成p h a 越多则好氧阶段磷的释放量也就越多，厌氧段聚磷菌释 6 桂林理工大学硕士研究生学位论文 磷效果直接影响后面好氧阶段对磷的摄取【3 7 铘】。成功的e b p r 系统在厌氧 阶段必须具有以下条件3 8 】：( 1 ) 在厌氧区必须具有严格的厌氧状态；( 2 ) 使得系统中的活性污泥在厌氧一好氧交替循环环境中作用；( 3 ) 厌氧区能 有效降解进水中的碳源且能使得进水与活性污泥充分混合；( 4 ) 厌氧区要 严格控制硝酸盐浓度。因此对生物强化除磷过程中厌氧阶段和好氧阶段影 响因素的深入研究有助于提高系统的除磷效能，对将来城市污水净水厂生 物处理工艺的优化提供参考资料。研究表明生物强化除磷主要存在以下影 响因素： ( 1 ) 进水有机碳源含量 污水中各营养组分间的比例关系是影响聚磷菌作用的一个重要因素。 要提高系统中除磷效率，就要提高原水中挥发性脂肪酸在总有机底物中的 比例，至少应提高可迅速降解有机基质的含量。h e l n e s s 【4 0 】等人认为反应 器中的总c o d 负荷应该足够高以保证聚磷菌的净增长。m o r g e n r o t h 【4 i 】等 人指出活性污泥系统与生物膜系统在提高进水c o d 负荷情况下，出水磷 的变化趋势不同。活性污泥系统出水磷浓度随c o d 浓度升高而下降，而 生物膜系统出水磷浓度则随之升高。周岳溪4 2 。4 3 1 等人还研究了废水中的氮 磷含量随着乙酸盐浓度升高而下降，但乙酸钠浓度超过2 1 5 m g l 时，系统 中污泥就产生膨胀现象；当c o d l0 0 0 m g l 时，由于过多的乙酸盐从厌 氧段进入好氧段这样使得污泥膨胀，导致聚磷菌被洗出，这样生物除磷系 统完全崩溃。江田民等人【4 4 撕1 对c o d 变化对生物除磷影响做了实验研究， 结果表明在一定范围内增大c o d 负荷可提高系统磷的去除效能，但过高 的c o d 负荷对强化除磷没有明显的作用，所以要实现e b p r 的处理效果， 需要使得系统中的b o d p 2 0 、c o d p 3 5 、b o d n 5 。 ( 2 ) 厌氧停留时间 对于一般的a o 活性污泥处理系统，其厌氧好氧停留时间为0 5 h 或 者1 5 h 【4 7 1 。如果厌氧段停留时间过短，一方面污泥中兼性酸化菌不能充分 把水中大分子有机物分解成低级脂肪酸以供聚磷菌摄取，另一方面不能使 聚磷菌充分释放磷。不适当的厌氧停留时间会使污水处理工艺不能有效的 运行。所以污水在厌氧段的停留时间应控制在1 5 2 o h 范围内【4 6 4 8 】。 ( 3 ) 污泥负荷 以提高系统污泥龄加大排放剩余污泥量的一种除磷方式，这种方式可 7 桂林理工大学硕士研究生学位论文 以通过大量排放富含磷的污泥来去除污水中的磷。 ( 4 ) 污泥龄 活性污泥中聚磷菌含量和污泥中聚磷菌对磷的吸收能力是影响生物 除磷效果因素之一。污泥龄1 5 0 】是指在反应系统内，微生物从其生成到排出 系统的平均停留时间，也就是反应系统内的微生物全部更新一次所需的时 间。从工程上说，在稳定条件下，就是曝气池中工作着的活性污泥总量与 每日排放的剩余污泥数量的比0 c 。污泥龄是活性污泥法处理系统设计和运 行的重要参数。污泥龄越长，污泥含磷量越低，去除单位质量的磷需要消 耗较多的b o d 。污泥龄可以影响污泥含磷量及剩余污泥排放量。缩短泥龄 会使污泥处理费用增加和污水厂出水水质恶化；延长泥龄会使有机质发生 不足导致污泥中磷的“自溶”从而降低除磷效果。研究表明s l 汀为2 天时， 系统的除磷效率最佳【5 1 - 5 2 1 。 ( 5 ) p h 【5 3 - 5 6 l 生物强化除磷过程受p h 的影响也比较明显，特别在厌氧阶段。p h 值 会影响乙酸盐进入细胞的过程，低p h 值会导致乙酸盐吸收速率和释磷速 率降低。p h 值还对聚磷菌和聚糖菌的竞争有一定的影响。当p h 8 时， 聚糖菌在系统为优势菌种，这样就导致了e b p r 失效；在这个p h 范围中， 释磷速率很缓慢，在厌氧段，其他兼性菌将部分有机物分解为脂肪酸，会 使得污水中的p h 降低，从这点看对磷的释放是有利；p h 在6 5 8 0 范围 内，聚磷菌在好氧阶段有效的吸收磷，其中在p h = 7 3 左右吸磷速率最快。 所以在生物强化除磷过程中宜将混合液的p h 控制在6 5 8 o 范围内，如 果p h 6 5 时，应该向污水中投加石灰来调节p h 值。 ( 6 ) 硝酸盐浓度 硝酸盐浓度对生物强化除磷有利和不利两方面影响。一方面，聚磷菌 需要在硝酸盐条件下在好氧区或缺氧区进行生物吸磷；另一方面，硝酸盐 通过进水和回流液进入厌氧区对聚磷菌释磷有不利的影响。在厌氧区硝酸 盐和c o d 同时被微生物消耗，如果长时间持续将硝酸盐引入厌氧区会导 致反硝化细菌生长，反硝化细菌比反硝化聚磷菌更能有效的利用污水中的 有机物，而且只要有硝酸盐存在，对有机质的发酵产酸有抑制作用，从而 抑制聚磷菌释磷、吸磷能力及p h b 合成。为了保证系统有较高的除磷效 果，一般硝酸盐浓度控制在0 2 m g l 【5 7 枷】。同时研究发现，未进行反硝化 8 桂林理工大学硕士研究生学位论文 或硝化不充分的高浓度硝酸盐的存在会使得聚磷菌利用有机酸呼吸，其他 异氧微生物降解污水中的有机物，这样就阻碍了聚磷菌对磷的释放。 ( 7 ) 温度 温度对除磷效果影响较为复杂。目前为止，研究与实际运行结果相差 较大，甚至得出相反的结果。例如有些污水处理厂发现除磷效果随着温度 的降低而升高，则有些污水厂发现除磷效果随着温度的升高而升高。一般 认为5 3 5 范围内污水厂均能正常除磷1 6 1 拼】。因而一般城市污水厂的除 磷效果不会随温度的变化而变化。 ( 8 ) o r p 和溶解氧 厌氧段o r p 应小于2 5 0 m v ，好氧段应控制在4 0 m v 以上【6 5 - 6 6 1 。在运 行管理过程中，如果厌氧段o r p 升高，则系统除磷效果降低。e b p r 系统 是使聚磷菌在厌氧和好氧两个环境交替运行的一种生物处理系统，对两个 环境阶段中溶解氧浓度有严格控制；厌氧阶段存在溶解氧，它将作为电子 的最终受体而抑制厌氧菌发酵产酸作用；由于有氧的存在发生好氧作用消 耗了一定量的有机质，利用非聚磷菌的生长。为了能保证发酵产酸菌功能 正常发挥，厌氧段的d o 应控制在0 2 m g l 以下【6 7 础1 ；好氧阶段为了充分 氧化p h a 释放出足量的a t p 用作微生物吸收溶解性磷，就必须向环境中 通入足够的溶解氧。在好氧阶段，曝气时间过长和曝气量过大，聚磷菌会 消耗过多的p h a 从而影响对磷的摄取；为了防止e b p r 系统失效，要使 聚磷菌适当保留部分p h a ，以保证聚磷菌过量吸磷能力f 6 9 】。一般认为好 氧阶段溶解氧浓度必须大于2 m g l 。 ( 9 ) 碳源种类7 0 - 7 2 1 研究表明，挥发性有机酸包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等构成的聚磷 菌营养底物是引发其释放磷的主要基质，而污水中的b o d 5 、c o d 只反映 了污水的可生化性。g e r b e r 等人把能诱导磷释放的基质划分为三类。a 类： 乙酸、甲酸和丙酸等低分子有机酸；b 类：乙醇或者柠檬酸、甲醇和葡萄 糖等；c 类：丁酸、琥珀酸等。这三类碳源都易生物降解c o d 。同时根据 g e r b e r 等人研究表明：进水中的低分子有机酸如乙酸、甲酸和丙酸可诱导 聚磷菌大量释放磷。r a n d a l l 和l i u 分别以乙酸、丙酸、丁二酸和葡萄糖为 碳源对厌氧阶段p h a 的合成量和好氧阶段磷的吸收量和各成分之间的联 系进行研究；结果表明，当丙酸为碳源时，合成主要成分是p h v ；当乙酸 9 桂林理工大学硕士研究生学位论文 为碳源时，微生物在厌氧环境中主要合成p h b 。国内周岳溪等人研究证实： 厌氧条件下磷的释放量随着聚磷菌对乙酸盐吸收的增加而增加，释磷量与 乙酸盐消耗量呈线性关系。 ( 1 0 ) 聚磷菌与聚糖菌种群竞争 由于一些非聚磷菌能够在厌氧段吸收有机物而不用同时水解聚磷，从 而抑制了聚磷菌的生长，就形成了对聚磷菌竞争反应。研究表明1 7 3 。7 4 】：如 果在e p b r 过程中使用葡萄糖作为外加碳源，容易诱导聚磷菌与聚糖菌之 间的竞争。如果好氧段中的氨基酸含量低或者不存在氨基酸，聚磷菌生长 速率就会变得缓慢，在此过程中聚糖菌为系统中的优势菌种；微生物在没 有氨基酸的情况下，将不得不通过三羧酸循环分解羧酸和无机氮来产生氨 基酸，羧酸是通过聚磷菌分解p h a 来提供的，当p h a 耗尽后，微生物将 利用体内糖原作为原始碳源来合成羧酸，聚糖菌分解糖原酶比聚磷菌多， 因此在系统中处于优势。 1 3 课题来源、研究目的和意义以及主要内容 1 3 1 课题的来源 本课题来源于国家水体污染