（模式识别与智能系统专业论文）sbr工艺生物、化学协同除磷运行及控制研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 传统生物除磷由于需要排除大量的剩余活性污泥，系统污泥浓度较低，磷绝对去除 量难以提高。这种低污泥浓度系统，抗冲击负荷的能力较弱，致使生物除磷效果不稳定。 以脱氮除磷s b r 系统作为研究对象，在考察s b r 生物脱氮系统除磷效果的基础上， 进行了s b r 系统厌氧段富磷污水化学除磷的试验研究。采用生物结合化学除磷技术，不 仅能提高系统抗冲击负荷的能力，使除磷效果趋于稳定，还能满足污水脱氮要求。 对s b r 生物脱氮系统的生物除磷试验表明，s b r 反应器的适宜运行工况为瞬时进水 一厌氧l h 一曝气4 h 一缺氧2 h 一沉淀1 h 一排水排泥一闲置。在此运行工况下，系统对 c o d 、n h 3 - n 、t n 均具有较高的去除率，各项出水指标均达到污水综合排放标准。但出 水t p 平均去除率不到5 0 ，甚至有时仅为3 0 ，出水浓度大于4 5 m g l ，可见，仅依 靠生物作用去除磷，效果并不理想。 对外排厌氧富磷水化学除磷试验表明，采用各种化学除磷药剂，当排水容积达到反 应器有效容积的3 0 时，最终出水t p 浓度均能达到0 5 m g l 以下，达到一级综合排放 标准。 此外，联合d o 、p h 和o r p 的变化规律可以作为控制参数，达到s b r 系统高效节 能的效果。 s b r 系统生物、化学协同除磷工艺，消除了传统生物除磷系统抗冲击负荷能力弱、 除磷效果不稳定的弊端，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 山东建筑大学硕士学位论文 t h es t u d yo no p e r a t i o na n dc o n t r o lo fp h o s p h o r u sr e m o v a l i ns b r s y s t e m a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lb i o l o g i c a ls y s t e mf o rp h o s p h o r u s ( p ) r e m o v a lu s u a l l yh a sr e l a t i v e l yl o w m l s sb e c a u s epr e m o v a ln e e dd i s c h a r g el o t so fa c t i v e ds l u d g e t h i sk i n do ft h es y s t e mh a sa b a dr e s i s t a n c et o 在l r p a e to f l o a dr e s u l t si na l lu n s t a b l epr e m o v a l t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h ec h e m i c a lpr e m o v a lb yo b s e r v et h ee f f e c to fpr e m o v a li nt h e b i o l o g i c a ls y s t e mf o rn i t r o g e n ( a n dp h o s p h o r u s ( p ) r e m o v a li nd i s c h a r g e dh i 曲p h o s p h a t i c s e w a g e t h i sm e t h o dc a nn o to n l ys t a b i l i z et h ee f f i c i e n c yo fpr e m o v a l ，a d v a n c et h er e s i s t a n c e t oi m p a c to f l o a d ，b u ta l s or e a l i z enr e m o v a lf r o ms e w a g e t h eb i o l o g i c a lpr e m o v a lr e s u l t ss h o wt h eb e s to p e r a t i o nc o n d i t i o no fs b r t h a ti s ，t h e a n a e r o b i ct i m e ，t h ed u r a t i o no fa e r a t i o nt i m e ，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 tlh ， 4 h ，2 h ，lh w h e nt h i so p e r a t i o ni so p e r a t e d ，t h ee f f e c to fr e m o v i n gc o d ，a m m o n i an i t r o g e n a n dt o t a ln i t r o g e nc a nb ea c h i e v e d ，p o l l u t i o no fe f f l u e n ta c c o r dw i t hi n t e g r a t e dw a t e r d i s c h a r g es t a n d a r d b u tt h ec o n c e n t r a t i o no ft o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) i sm o r et h a n4 5 m g l ， e f f i c i e n c yi sb e l o w5 0 t h ee f f e c to fpr e m o v a li sn o ta c c e p t a b l eo n l yw i t hb i o l o g i c a l 仃e a t m e n t t h er e s e a r c ho fpr e m o v a le f f e c to fa d d i n gc o a g u l a n ti nd i s c h a r g e dh i 曲p h o s p h a t i c s e w a g es h o w st h a tw h a t e v e rc h e m i c a lp h a r m a c yo fp h o s p h o r u sr e m o v a li ss e l e c t e d ，w h e nt h e v o l u m eo fd r a i n a g ei s 3 l ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft pi n t h ef i n a le f f l u e n tc a nb e l o w0 5 m g l ，a c h i e v et ot h ea i mo ft h ec o m p r e h e n s i v ee m i s s i o ns t a n d a r d s i na d d i t i o n ，t h ed o ，p h ，o r pc h a n g e si nt h ep r o c e s ss b rc a nb eu s e da sc o n t r o l p a r a m e t e r st oa c h i e v eh i g l le f f i c i e n c ya n de n e r g ys a v i n gi ns b rs y s t e m t h i sp a p e rb r o u g h tf o r w a r dan e wm e t h o d ( c o m b i n eb i o l o g i c a lpr e m o v a lw i t hc h e m i c a l pr e m o v a l ) t or e m o v a lo fpi nw a s t e w a t e r , w h i c hc o u l di m p r o v er e s i s t a n c et oi m p a c to fl o a d t h er e s e a r c hr e s u l t sw e r ec r e a t i v i t yb o t hi nt h e o r ya n di np r a c t i c e k e yw o r d s ：s b r ( s e q u e n c i 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 l p h o s p h o r u sr e m o v a l ， i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，论丈中不舍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他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在丈中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 学位论文作者签名：王徒e l 期丝2 ：笸： 芗 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权山东建筑大学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，- q - 以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：至焦日期丝z ! ：! 星 导师签名：互阻日期缸呜乙址 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 我国水资源现状 第1 章绪论 水是生命的摇篮，是人类赖以生存和生产的不可缺少的基本物质，是地球上不可替 代的宝贵的基础自然资源，是生态环境的控制要素之一，同时也是战略性的经济资源， 水资源是一个国家综合国力的有机组成部分。展望未来，水资源匮乏将影响全球的经济 发展与生态环境，甚至可能导致国家和地区的冲突。联合国有关机构指出“水将成为世 界最严重的资源问题 ，“缺水问题将严重制约2 1 世纪经济和社会发展并可能导致国家间 的冲突，“供水不足将成为一个深刻的社会危机，世界上在石油危机之后的下一个危机 便是水危机 。缺水问题是一个世界性问题。 我国水资源总量为2 8 万亿m 3 ，虽居世界第6 位，但人均资源量2 2 2 0 m s ，为世界 人均的1 4 ，在世界上1 5 3 个国家和地区的统计中，排名1 2 1 位。据预测 1 1 ，到2 0 3 0 年 我国人1 2 1 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 , - 一9 5 0 0 ) 1 0 8 m 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，近岸海域也受到一定污染。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。 1 i 2 水体富营养化及其危害 富含氮磷和其它植物营养素的水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，于是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，这就是所谓的水体富营养化【2 】。 藻类生长需要的无机营养与植物相同，生长的限制因素主要是氮磷，其中最关键的 是磷。有资料报道【3 j ，水体中总磷浓度超过0 0 2 m g l ，总氮浓度超过0 2 - - - 0 5 m g l 时， 可视其为富营养化水体。水体富营养化对生态系统、经济发展和人体健康具有极大危害， 主要表现如下【3 j ： 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 2 1 对生态系统的危害 水体富营养化破坏了水体自净能力，使水体丧失抵御干扰的能力，难以成为一个自 我维持的稳定系统：富营养化还会破坏水体的食物链结构，改变水生动植物的栖息环境， 严重时会导致一些物种的灭绝。水体自身的许多固有生态与环境功能，也会因富营养化 而丧失。 水体富营养化破坏景观，也损害了水体的美学价值。如滇池草海呈现黄绿色，外海 呈现褐绿色，水体透明度小于l m ，水华严重时，藻体在水表形成数厘米厚的藻浆，犹如 油漆，严重破坏了滇池水体的景观；藻体的死亡分解还会产生恶臭。 1 1 2 2 对经济的危害 水体一般具有多种功能，如交通、灌溉、渔业、饮用水源、废水接纳场所、娱乐场 所等。但水体富营养化引起的水体生态系统变化、景观变化、水道水霉臭等带来了许多 麻烦，如堵塞航道、水质下降、饮用水处理费用增加、妨碍划船等，导致了巨大的经济 损失。如伊犁湖的富营养化对该地区的经济产生了巨大的影响，娱乐及商业性捕捞业的 经济效益严重滑坡；生物腐化产生的臭味伴随着大肠菌群的爆发迫使许多湖滨关闭；饮 用水因污染导致气味和口味的变化使诚实和工业用水水质下降，水厂不得不增加额外的 处理费用及相关费用；船员不得不定期清除螺旋桨上缠绕着的藻类。 1 1 2 3 对人体健康的危害 水体富营养化对人体的最直接危害是水质下降所引起的健康威胁。水质下降有时只 表现为气味和口味的变化，有时却可能表现为含有致病毒素，如滇池水华中占绝对优势 的铜绿微藻含有一种肝毒素，能使动物肝脏充血肿大甚至死亡，对人体健康存在潜在的 威胁。 水体富营养化防治对于生态环境、人类生活和工农业生产具有积极的意义，致力于 水体富营养化防治，恢复乃至优化生态环境，为人类创造更为适宜的生产和生活条件， 已经列入各国政府的日程，成为可持续发展战略在水质管理和水生生态系统维护中的集 中体现。 1 1 3 水体富营养化的防治 防治水体富营养化的根本措施在于截断污染源，即控制氮磷的输入，主要的控制指 标有六种，它们是氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷和磷酸根。在这六种指标 2 山东建筑大学硕士学位论文 中，关键要控制总磷和磷酸根。这是因为： ( 1 ) 从污水处理工艺来看，目前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 需要监控的指标。 ( 2 ) 从藻类对氮、磷的需求来看，因为水中氮的缺乏可以由许多能固氮的微生物( 如 某些固氮细菌和蓝藻) 来补充，而水中的磷却不能通过这一方式得到补充。因此，磷是 限制藻类生长的最关键的因素。 总之，控制氮磷的输入是防治水体富营养化的有效途径，对于污水应进行脱氮除磷 处理，使处理水达到综合污水排放标准，以有效减少大量氮磷进入水体。 1 1 4 污水脱氦除磷技术发展现状及趋势 1 1 4 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+ 化学处忡 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。女i 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。 山东建筑大学硕士学位论文 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 ( 兼性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间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硝酸盐浓 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，完成反硝化和摄磷旧。 该工艺的优点在于能解决除磷系统反硝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，该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【7 】。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开发的【8 】 ，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间增加一个接触池，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 4 山东建筑大学硕士学位论文 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，该工艺又将厌氧池末 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 获得极低的出水正磷酸盐浓度，并能在保证良好出水水质的前提下，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0 2 m g l ，总氮o 5 m 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，因此该工艺在资金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、去除率高、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【9 】。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己大 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 中惰性固体物质增加，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 5 山东建筑大学硕士学位论文 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，但当前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 1 4 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开展，人们对脱氮技术都有了相当深入的了解， 并开发出一系列高效、低能耗的生物脱氮处理工艺。近年来，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 气反应器工掣1 0 】。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间比硝酸菌短，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。 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 茵和亚硝酸菌的不同生长速率，即在高温( 3 0 3 5 ) 下亚硝酸菌的生长速率明显高于 6 山东建筑大学硕士学位论文 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斟1 1 】。s h a r o n 工艺适合于处理具 有定温度的高浓度( 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6 8 - - - 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 1 。 ( g ) 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茵和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【1 3 】。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 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开竞争，竞争的结果是亚硝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。随着未被亚硝化的 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 】。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 工艺目前在世界上还处于研 究阶段，没有真正应用到工程实践中。 ( 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 ) 工型1 6 】是由荷兰d e l f ： 技术大学研究开发的。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 0 3 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 t 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，但需要迸一步的研究才能使之成功的运行 于实际工程。 一 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 7 山东建筑大学硕士学位论文 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 5s b r 工艺概述 7 0 年代初由美国n a m ed a m e 大学的r i r v i n e 等提出了一种新的活性污泥法处理系 统，即序批间歇式( 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 ra c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ，简称s b r ) 1 1 刀。s b r 以其独特的优点成为近年来在国内外被引起广泛重视和研 究日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，日本、美国、澳大利亚等国的技术人员陆续对其进行了大量的研究 【1 8 1 。我国在8 0 年代中期也开始了这方面的应用研究，1 9 8 5 年在上海市吴淞肉联厂设计 并建成了我国第一座s b r 废水处理设施 1 9 1 。 1 1 5 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间上交替运行。s b r 是按周期运行的，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。从某个进水期开始到下一个迸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。 图1 1s b r 一个周期运行过程 1爿淀尉圜舭幽脏嘲姒 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 5 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 被活性污泥吸附、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，在充水时间里单位时间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液中 积累。为防止在充水期间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。根据开始曝气时间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( 充水完毕后再开始曝 气) ；半限量曝气( 充水阶段的后期开始曝气) 。 ( 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、运行周期间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 9 山东建筑大学硕士学位论文 活性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 刚开始絮凝的活性污泥重新破碎的现象。此外，该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间的沉淀后，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 复到循环开始时的最低水位，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 ) 闲置期( 待机期) 闲置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初始条件。通过闲 置期后的活性污泥处于一种营养的饥饿状态，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。闲置期的设置是保证s b r 工艺处理出水水质的重要一 部分。闲置期所需要的时间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。 1 1 5 3 s 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 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 上的有效控制和变化来满足多功能的要求，具有极强的灵活性 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 4 1 。间歇进水、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 刀。 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、反应时间和污泥龄来强化硝化反应及除磷茵过量摄磷过程的顺 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快地完成：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 睨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。一般来说完全混合式最容易引起污泥膨胀，而间歇式( 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，这一特性是由 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“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，则可以增加一个沉淀池，利用p h o s y r i p 除 磷原理来增加磷的去除率。s b r 中投加混凝剂或粉末活性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 1 3 2 1 。 1 1 5 4s 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 】； ( 2 ) 厂矿企, _ l k f 拘q - , _ l k 废水，主要有农产品加工【3 4 1 、啤酒【3 5 1 、化工【3 6 】、造纸 3 7 1 、印 染 3 8 】、制药、焦化、屠宰等工业的污水处理； 山东建筑大学硕士学位论文 ( 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，防止湖海富营养化： ( 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，水污染日趋严重，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处理设施。就我国的经 济实力而言，要利用有限的资金解决日趋严重的水污染问题，就必须要研究开发和利用 效率高、投资少、能耗低的废水处理实用技术。因此，s b r 必将成为一个有竞争力的污 水处理工艺，具有很好的应用前景。 1 2 课题的提出及研究内容 1 2 1 污水生物脱氮除磷常规工艺存在的问题 常规二级污水处理的普及并不能全面解决水污染问题。同时，在常规的生物脱氮除 磷工艺中，污泥在厌氧、缺氧和好氧段之间往复循环，该污泥由硝化菌、反硝化菌、除 磷菌以及其他多种微生物组成。由于不同菌群的最佳生长环境不同，脱氮与除磷之间存 在矛盾，所以实际应用中，经常出现脱氮效果好时，除磷效果较差；而除磷效果好时， 脱氮效果不佳的情形 3 9 - 4 1 】。这种现象不仅表明生物除磷脱氮工艺尚有不完善的地方，而 且也说明生物除磷脱氮过程存在难以协调的矛盾和竞争，这些矛盾和竞争主要表现在： ( 1 ) 微生物相互独立 传统的生物除磷脱氮包括好氧硝化、缺氧反硝化、厌氧释磷和好氧吸磷等过程，不 同的反应过程需要的微生物不同，有自养菌、异养菌，有兼性菌、专性好氧茵等。由于 微生物种类不同，它们对基质类型、环境条件的要求也各不相同，由此产生了不可避免 的矛盾和竞争关系，如何处理好这些矛盾和竞争关系已成为污水处理中一个重要而艰巨 的课题。 ( 2 ) 污泥龄彼此矛盾 污泥龄的矛盾主要体现在两个方面： 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 根据r e n s i n k 等人的观点 4 2 1 ，聚磷菌多为短世代时间微生物，降低污泥龄可以提 高聚磷菌的吸磷能力；而硝化菌属于世代时间较长的微生物。因此，硝化过程需要的长 污泥龄和生物除磷需要的短污泥龄之间存在不可协调的矛盾。 排除剩余污泥是目前生物除磷的唯一渠道，因此在生物除磷系统中不得不维持较 高的污泥排放量以获得良好的除磷效果，致使生物除磷系统污泥浓度通常处于较低状态。 而早在1 9 5 9 年s r i n z t h 4 3 1 的研究就证明了除磷速率和污泥浓度有关，f i n s t e i n 4 4 也认为当 污泥浓度较高时生物系统除磷效率更高。因此在生物除磷系统中，自身就存在维持较高 污泥排放量和维持较高污泥浓度的矛盾，这种矛盾在低浓度城市污水的生物除磷系统中 表现得尤为突出。 ( 3 ) 对碳源有机物的竞争 在生物除磷脱氮系统中，碳源有机物主要用于厌氧释磷、缺氧反硝化和异养微生物 的正常生产代谢，碳源有机物尤其是污水中低分子脂肪酸( 认) 的含量直接影响厌氧 释磷和缺氧反硝化效果，在城市污水中v f a 的含量通常较低( 几十毫克升) ，碳源不足 引发的竞争往往使聚磷菌不具有优势 4 5 】。 ( 4 ) 硝酸盐对厌氧释磷的影响m 】 硝酸盐对厌氧释磷过程的影响主要表现在两个方面： 反硝化菌与聚磷菌竞争v f a 用于生物反硝化； 当聚磷菌的聚磷量不高、进水v f a 较低时，n 0 3 一可以诱导聚磷菌缺氧进行吸磷 4 7 - 4 8 】，抑制厌氧释磷过程的；i r o n 进行进而影响生物除磷效果。污水排放标准越来越严格， 而传统工艺的除磷脱氮又存在着这么多的矛盾，因此采用生物除磷处理效果不稳定，并 且很难实现长时间稳定达标排放，尤其是进水磷酸盐浓度较高时这种情况更加显著。 1 2 2 课题的提出 单池生物脱氮除磷系统虽然工艺简单，但存在着除磷与脱氮所要求的不同污泥龄以 及对低分子碳源有机物质的竞争矛盾的问题。在多池生物除磷脱氮系统中，为了解决回 流硝酸盐对聚磷菌厌氧释磷的抑制不得不增加反应器的数目，从而导致系统的投资和运 行费用增加。另外，由于我国城市污水中b o d 值较低，采用生物除磷往往很难满足要 求。纵观目前污水生物脱氮除磷技术可知，单纯的生物脱氮除磷系统难以同时满足越来 越严格氮、磷排放标准的要求。 因此，可以考虑在单池生物脱氮除磷系统中实现生物脱氮的前提下，采用化学除磷。 山东建筑大学硕士学位论文 这样不仅能减少投资运行费用，还能同时满足污水脱氮除磷要求。 目前污水单池生物脱氮除磷系统中，s b r 工艺是一个非常具有发展潜力的工艺。s b r 工艺整个运行过程分为进水期、反应期、沉降期、排水期和闲置期。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。污水化学除磷具有操作简单、 去除率高、运行稳定等优点，并且对城市污水除磷而言，该过程的处理对象是浓度极低 的含磷污水，因此投加很少的化学药剂便可以保障出水磷的浓度。 1 2 3 课题的主要研究内容 本研究以脱