（环境科学专业论文）序批式膜生物反应器反硝化除磷脱氮研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 s t u d yo nd e n i t r i f i c a t i o np h o s p h o r u sr e m o v a li ns e q u e n c i n gb a t c h m e m b r a n eb i o r e a c t o r s a b s t r a c t n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r ek e yn u t f i e n t st h a tr e s u l ti nw a t e re u t r o p h i c a t i o n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n d u s 啊a l i z a t i o na n du r b a n z a t i o n a sw e l la st h ep r o m o t i o no f c o m p r e h e n s i v es e w a g ed i s c h a r g es t a n d a r d s ，i ti sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d ya n de x p l o i t t h ed e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s sw h i c hi se c o n o m i c a l r e l i a b l ea n de f f e c t i v e d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s sh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss a v i n go fo r g a n i c s ， d e c r e a s ei ng r e e n h o u s eg a se m i s s i o na n dl e s ss l u d g ep r o d u c t i o n ，i na c c o r dw i t ht h ec o n c e p to f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s ot h i st e c h n i q u eh a sb r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s i nt h i sr e s e a r c h , s e q u e n c i n gb a t c hm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s b m b r ) w a so p e r a t e di na p e r i o d i cw a yt oi m p r o v et h ed e n i t r i f y h a gp h o s p h o r u sr e m o v a la b i l i t yb yo p t i m i z i n gt h e o p e r a t i o nm o d e sa n da d j u s t i n go p e r a t i o np a r a m e t e r s 1 1 l ep e r f o r m a n c eo fs b m 旧r so n n i t r o g e na n dp h o s p h o r o u sr e m o v a l ，t h es l u d g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e m b r a n ef o u l i n gw e r e e x a m i n e di nd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e sa tt h es a m et i m e 1 n h em a i nr c s e a r c hc o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e d 蠲f o l l o w s ： 1 s i m u l t a n e o u sp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a lp e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e db y t a k i n gas e l f - d e s i g n e da z o m b r ，a n dt h er e m o v a io fna n dpw a ss t u d i e di nd i f f e r e n tt h e i o a do fnw h i l eo nr a t ei ni n f l u e n tw a sr e d u c e dg r a d u a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e nt h e l o a do fna n dpw e r e0 1 4k g - m - 3 d “a n d0 0 3 k g - m d 。t h er e m o r a lr a t eo fc o d ，na n dp w e r e9 0 5 ，8 0 6 a n d6 7 7 ，r e s p e c t i v e l y t h ep r o p o r t i o no fd e n i t r i f y i n gp h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( d p a o s ) a n dt h er a t eo fd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r o u sr e m o v a lw e r e 7 0 a n d6 9 8 1 r e s p e c t i v e l y t h es e l f - d e s i g n e da o m b rs i m p l i f i e dt h ec o n v e n t i o n a la o p r o c e s s a n dm e m b r a n ef i l t e rs u b s t i t u t e dt h e s e c o n d a r y s e n d i m e n t a t i o nt a n k , t h e l a b o r a t o r y s c a l es y s t e mc a no b t a i ng o o dd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r o u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l a b i l i t yw i t h o u te x t r an i t r a t ea d d i t i o n ，b u tt h en i t r a t ec o n c e n t r a t i o ni nr e t u r n e ds l u d g es h o u l db e l i m i t e di nal o wr a n g et oa v o i dt h er e s t r a i n to fp h o s p h o r u s r e l e a s eu n d e ra n a e r o b i cp h a s e ，s o t h ep r o c e s ss h o u l db ei m p r o v e df u r t h e r 2 t h eb o t hr e a c t o r so fm u c r - m b rp r o c e s sm o d i f i e dt h ea b o v eo d c r a t i n gm o d ea n d a v o i d e dt h er e s t r a i n to fp h o s p h e m s - r e l e a s eu n d e ra n a e r o b i cp h a s e ，t h er e m o v a lr a t eo fn i - h n a n dt nw e r e9 2 a n d7 9 4 5 i nt h es y s t e mp r o c e s s p h o s p h o r u s - r e l e a s er a t ew a s2 4 7 4 m e la n dt pc o n c e n t r a t i o ni ne f ! f l u e n tw a sl 1 2m 以a n dt h er e m o v a lr a t eo ft pw a s8 6 6 1 w h i l et h en h 4 nl o a di ni n f l u c n tw a s0 0 9 4k g m - d 一 大连理工大学硕士学位论文 3 t h ea n a l y s i so fd e n i t r i f y i n gp h o s p h a t er e m o v a ls h o w e dt h a ta n o x i cz o n ei nat a n ko f m u c t - m b ri m p m v e dd e n i t r i f y i n gp h o s p h a t er e m o v a la b i l i t y ，p h o s p h o r u su p t a k eu n d e r a n o x i cz o n ea n dt h er e m o v a lr a t eo fp h o s p h o r u sw a s7 3 8 8 aa n o x i ct a n kn o to n l ya v o i d e d t h er e s t r a i n to fp h o s p h o r u s r e l e a s eb u ta l s or e m o v e dp h o s p h o r u s t h ep r o p o r t i o no f d e n i t r i f y i n gp h o s p h a t ea c c u m u i a t i n go r g a n i s i n si na t a n ka n dbt a n kw e r e8 6 2 a n d8 0 7 r e s p e c t i v e l y ，a n dt h ed e n i t r i f y i n gp h o s p h a t er e m o v a la b i l i t ye ra t a n kw a sb e t t e rt h a nbt a n k 4 i tw a sf o u n dp h ba n dp o l y - pi nc e l l sb yo b s e r v a t i o no nt h ea c t i v a t e ds l u d g es t a i n i n g , w h i c hv a l i d a t e dd e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u su p t a k eu n d e ra n o x i cc o n d i t i o n 5 d e c r e a s eo fs e d i m e n t a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g ea n di n c r e a s eo fe x t r a c e l l u l a xp o l y m e r i c s u b s t a n c e s ( e p s ) c o n c e n t r a t i o nl e dt om e m b r a n ef o u l i n gi no p e r a t i o ns y s t e m p r o t e i na st h e m a j o rc o i i p o n e n t so fe p sh a ds t r o n gp o s i t i v ee f f e c to nm e m b r a n ef o u l i n g k e yw o r d s ：s e q u e n c i n gb a t c hm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( s b m b r ) ；d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u s r e m o v a l ；n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ；d e m t r i f y i n gp h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( d p a o s ) ；m e m b r a n ef o u l i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名： 如 ) i - ，f 争 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：叠查： 导师签名：趁丝& 2 堡年l 月l e t 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 我国水环境现状 水资源是不可缺少的自然资源，在经济发展和人民生活中占有重要地位。近年来。 在世界范围内，由于工业迅速发展，人口急剧增加和生活水平的提高，用水量的增长超 过天然来源，众多国家和地区面临着水资源危机的紧迫局面。因此水资源保护与合理开 发利用已成为人们普遍关注的问题之一，同时水资源问题也是可持续发展战略的最首要 环节。 我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源量为2 2 3 8 6m 3 ，仅相当于世界人均占 有量的四分之一。根据2 0 0 0 年中国环境状况公报公布，预计到2 0 3 0 年人口增至1 6 亿时，人均水资源降至1 7 6 0m 3 。近二十年来，随着国家现代化进程的加快，使得本己 极为有限的水资源不断遭受污染，造成水资源水质恶化，水生态系统严重破坏，尤以水 环境污染和水体富营养化问题最为严重。而引起水体富营养化的主要因子是氮和磷，其 主要来源于城市污水或生活污水。然而长期以来，城市污水处理一般以去除有机物b o d 和悬浮物s s 为目的，对于氦、磷等无机营养物质去除效果甚微。 随着水环境污染、水质富营养化、节水问题的尖锐化及公共环境意识的增强，越来 越多的国家和地区制定了严格的污水氮磷排放标准。我国1 9 9 6 年颁布的国家污水综 合排放标准( g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) 及2 0 0 2 年的城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 ) 均明确规定了较为严格的磷酸盐和氨氮排放标准：p 0 4 - p = o 5m g - t , ，n h 3 - n = 1 5 m g l ( 一级标准) 。这就意味着绝大多数城市污水和工业废水处理设施都要考虑除磷处 理，大部分要考虑氨氮的硝化处理或脱氮处理。因此，研究和开发经济高效的除磷脱氮 污水处理技术已成为水污染控制工程领域的重点和热点课题之一。 1 2 传统生物脱氮除磷工艺技术现状 1 2 1 传统生物除磷机理 i ! t s r i n a l t h 等人于1 9 5 9 年首次提及污水生物除磷现象以来【1 】，各国科学家对生物除磷 机理进行了长达2 0 余年的摸索研究。然而，早期生物除磷研究往往以实际污水处理工艺 为主要研究对象，且注意力大多集中于好氧条件下的生物摄磷过程，并没有在意磷的厌 氧释放同好氧摄取之间的关系。直到上世纪8 0 年代初，荷兰研究人员r e n s i k 才首次报道 了好氧摄磷与厌氧释磷过程之间存在着某种必然联系【2 】。在此基础上，生物除磷的一个 完整生化代谢模型才由后续一些科学家完善、定型，图1 1 描述了这个生物除磷的生物代 序批式膜生物反应器反硝化除磷脱氮研究 谢模型。生物除磷由聚磷菌( p a o s ，p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) 利用厌氧好 氧交替环境，来实现放磷和过量吸磷的。厌氧阶段，p a o s 将短链脂肪酸( 主要是乙酸) 转化为聚羟基烷基酸( p h a ，p o l y h y d o x y a l k a n o a t e s ，其主要形式为p h b ， p o l y b h y d r o x y b u t y r a t c ) 在细胞内贮存，同时通过糖酵解和水解释放贮存的磷酸盐获得能 量：好氧阶段。p a o s 以氧为电子受体，分解储存的p h b 以提供能量供细胞生长，同时 完成磷的吸收和糖原的合成。 厌氧阶段好氧阶段 图1 1 生物强化除磷过程生物模型简图 f i g 1 1s u m m a r yo ft h em a j o rf i g u r e so ft h eb i o c h e m i c a lm o d e lf o re b p r 最初，脱氮和除磷是在不同的生物处理工艺中实现的【3 1 。随着世界各国对氮磷污染 控制的日趋严格，单独的脱氮或除磷工艺已逐渐向脱氮除磷的组合工艺方向发展。目前， 发展与应用于工程实践的生物脱氮除磷技术有多种工艺：a 2 o 工艺、改良u c t 工艺、 p h o s t r i p 工艺、b a r d e n p h o 工艺、氧化沟和s b r 工艺等。他们发展了传统的污水处理技 术，又超越了传统生物处理技术的实践范围从系统的泥龄、流态到配套设备都朝着扬 长避短的组合方向发展。一方面能满足传统处理去除有机物、悬浮物的要求；另一方面 又能除磷，并经过硝化、反硝化作用而达到脱氮目的。本论文将选择几种典型的脱氮除 磷组合工艺，重点从生物除磷的技术角度，分析比较它们的优缺点 1 2 2 厌氧缺氧好氧( a 2 0 ) 工艺 1 9 7 2 年，b a m a r d 在厌氧好氧工艺的基础上首先提出同时实现脱氮除磷的p h o r c d o x 工艺，它的简化流程就是a 2 o ( a n a c r o b i c a n o x i c o x i c ) ，其流程如图1 2 所示。该工艺 的特点是工艺简单，能够同步脱氮除磷，较短的停留时间，污泥不易膨胀，无需化学药 剂运行费用低。然而，当系统达到一定处理效果后，a 2 o 工艺除磷量难于进一步提 大连理工大学硕士学位论文 高，特别是当进水p b o d 值偏高时更是如此；由于混合液回流比以两倍进水流量为限。 不宜过大，脱氮效率难以进一步提耐4 j 。 硝化液回流 污泥回流排泥 图1 2a 2 0 工艺 f 瑶1 2a 2 op r o c e s s 1 2 3 b a r d e n p h o j h b p h o r e d o x 工艺 b a r d c n p h o 、j h b 和p h o r e d o x 三种工艺在反应池分区设置上很相似，基本均是以厌 氧缺氧好氧顺序排列，且在好氧与缺氧区间存在污泥回流( 见图1 3 ) 嶂】。b a r d e n p h o 工艺由四段构成，为缺氧好氧厌氧好氧，第一段利用原水中的有机物为碳源和第一好 氧池中回流的含有n 0 3 的混合液进行反硝化反应。经第一段处理，脱氮己基本完成。为 进一步提高脱氮，废水进入第二阶段反硝化反应器，利用内源呼吸碳源进行反硝化。最 后的曝气池用于吹脱废水中的氮气，提高污泥的沉降性能，防止在二沉池发生污泥上浮 现象【6 1 。 污泥回流 图1 3b a r d e n p h o j h b p h o r e d o x 工艺 f i g 1 3 b a r d e n p h o i b p h o r e d o xp r o c j 与其它工艺相比，其主要特征是水力停留时间较长，剩余污泥中磷的含量为 4 巧r 瑚】j i - i b 是b a r d e n p h o 的一种变型形式。在j h b 中，反应池在前段的厌氧区被 序批式膜生物反应器反硝化除磷脱氮研究 分成厌氧缺氧区。回流污泥在厌氧缺氧区的前部进入，而进水则从后部进入。这种布 置的优点在于简化了原b a r d c n p h o 工艺的分区设置，使回流污泥中可能含有的n 0 3 在厌 氧释磷前首先反硝化，以利于后续的厌氧释磷。而p h o r c d o x 工艺则是b a r d c n p h o 工艺前 端增设厌氧区构成，反应器排序为厌氧，缺氧好氧厌氧好氧。混合液从第一好氧区回流 到第一缺氧区，污泥回流到厌氧区的进水端。b a r d e n p h o j h b p h o r e d o x 工艺虽有较好的 脱氮除磷效果，但是在二沉池中会有磷的释放，工艺流程较长，构筑物多，运行费用高。 1 2 4 序批式反应器( s b r ) 工艺系统 随着计算机与自动控制技术的长足发展，使单个s b r 反应器中周期性交替的好氧、 缺氧操作成为可能，也为工艺革新提供了新思路。s b r 是序批式间歇活性污泥法 ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) l 勺简称，它具有工艺简单、运行管理费用灵活、耐冲击负荷强、 占地面积小和不易发生污泥膨胀等优点。s b r 工艺由于其在运行时间上的灵活控制，交 易实现好氧、缺氧及厌氧状态交替的环境，为其实现脱氮除磷提供了极为有利的条件【9 l 。 大量实验结果表明s b r 工艺处理污水能够获得较高的脱氮除磷效果。如我国东北大学 的于晓彩等以城市污水为处理对象，利用s b r 法进行脱氮除磷研究，实验结果令人满 割1 0 l 。此外，g o r o n s z y 在s b r 基础上增加了生物选择器和污泥内循环系统，开发出内 循环活性污泥法( 简称c a s t ) 。它的特殊设计不仅利于氮、磷的同时去除，而且还具 有抗冲击负荷、防止污泥膨胀等优点。从城市污水厂的运行情况看，c a s t 工艺具有良 好的脱氦效果，出水总氮低于5m g l ，但是除磷效果略显不足，只有7 0 一8 0 ，出水 总磷多在1 2m g l 。 综上所述，众多脱氮除磷组合工艺都已在工程上有了良好的实践应用，然而，由于 人们对生物除磷的确切机理还不是很明了，因此，传统脱氮除磷组合工艺在实际运行中 暴露出的诸多问题无法从根本上得到解决。随着分子生物学与生物化学等学科的研究和 发展，人们将从微观分子水平对除磷机理进行更深入的了解，这将有助于脱氮除磷技术 从以单纯工艺改革向着以生物学特性研究来促进工艺改革的方向发展，以达到高效低消 耗的处理水平，增强生物脱氮除磷工艺的优化与控制。 1 3 反硝化除磷技术研究概况 近年来，国内外学者针对生物脱氮除磷工艺实践中暴露出的问题和现象进行了大量 理论和实验研究，并提出了一些新的观点和方法，其中反硝化除磷技术颇受重视，具有 重要的应用价值【l l j 。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 1 反硝化除磷机理 反硝化除磷是用厌氧缺氧交替环境来代替传统的厌氧好氧环境，驯化培养出一类 以硝酸根作为最终电子受体的反硝化聚磷菌p a o s ) 为优势菌种，通过它们的代谢作用 来同时完成过量吸磷和反硝化过程而达到脱氮除磷的双重目的。应用反硝化除磷工艺处 理城市污水时不仅可节省曝气量，而且还可减少剩余污泥量，即可节省投资和运行费用。 生物脱氮生物除磷 图1 4 生物除磷与生物脱氮的关系 f i g 1 4 t h er e l a t i o no fb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l 早在2 0 世纪8 0 年代中期，h a s c o c t 、c o m e a u 和g e r b e r 等都发现聚磷菌能够在缺氧环 境中以硝酸盐氮作为电子受体进行吸磷的现象【协1 4 1 ，p o l a c h 和w a n n e r 等利用小试和中试 实验也证实，在强化生物除磷系统的缺氧条件下活性污泥具有同步吸磷和反硝化作用 1 5 - 1 0 - 1 。1 9 9 3 年荷兰d e l f t 大学的k u b a 在实验中观察到：在厌氧缺氧交替的运行条件下， 易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能利用0 2 或n 0 3 作为电子受体且其基于胞内p 皿和糖原质的生物代谢作用与传统a o 法中的p a o s 相似 【1 7 】。针对此现象研究者们提出了两种假说来进行解释：两类菌学说【1 8 】，即生物除磷 系统中的p a o s 可分为两类菌，其中一类p a o s 只能以氧气作为电子受体，而另一类则既 能以氧气又能以硝酸盐作为电子受体，因此它们在吸磷的同时能进行反硝化。一类 菌学说【1 9 1 ，即在生物除磷系统中只存在一类p a o s ，它们在一定程度上都具有反硝化能 力，其能否表现出来的关键在于厌氧，缺氧这种交替环境是否得到了强化。如果交替环境 被强化的程度较深，则系统中p a o s 的反硝化能力较强；反之，则系统中p a o s 的反硝化 能力弱，o 口p a o s 不能进行反硝化除磷。也就是说，只有给p a o s 仓t j 造特定的厌氧缺氧交 替环境以诱导出其体内具有反硝化作用的酶，才能使其具有反硝化能力。这两种假说都 有各自的支持者，但大部分研究人员都赞同前割捌 序批式膜生物反应器反硝化除磷脱氮研究 1 3 2 反硝化除磷工艺发展概况 传统脱氮除磷组合工艺主要是建立在原有的生物脱氮除磷理论基础上进行构架组 合的。其主要缺点有：较大差别的微生物在同一系统中相互影响，制约了工艺的高效性 和稳定性；较多的工艺流程中包含多种污泥和混合液的回流，增加了系统的复杂性，提 高了基建和运行费用；脱氮除磷过程中对能源( 如氧，碳源) 消耗较多；剩余污泥富含 磷，处理量较大。这些都不符合环境的可持续发展要求。反硝化聚磷菌( d p a o s ) i 拘发现 为以上问题的解决提供了一条有效途径，比较传统工艺，反硝化除磷菌( d p a o s ) 能分别 节省约5 0 c o d 和3 0 氧的消耗量，相应减少剩余污泥量5 0 ；还可避免c o d 单一 的氧化稳定至c 0 2 ，使释放到大气的c 0 2 量明显降低【2 1 倒，为此，研究者们对该工艺的 开发及其运行效果的稳定优化展开了长期而系统的研究。 ( 1 ) 单污泥系统脱氮除磷工艺 u c t 工艺及m u c t 工艺 南非c a p e t o w n 大学开发的u c t 工艺及m u c t 工艺( 见图1 5 和图1 6 ) 是基于传 统脱氮除磷理论开发而来的，是传统a 2 0 工艺的改良工艺。这两种工艺在传统a z o 工 艺基础上又增加了由缺氧池至厌氧池的混合回流，避免了污泥回流对厌氧释磷的不利影 响，从而提高了系统的除磷效果。 硝| 化腽台 姻毓 缺氧回流 1 垴 污泥回流 i 捧泥 图1 5u c t 工艺流程 f 培1 5 p r o c e s sf l o wo fu c r 图1 6g l j c t 工艺 f i g 1 6 p r o c e s sf l o wo fm u c r 大连理工大学硕士学位论文 q t g a a r d 等对u c t 工艺的研究中发现，有6 0 左右的c o d 在厌氧池中以p h a 的形 式彼吸收；在后续缺氧池中，1 3 的c o d 以p h a 形式被消耗，同时伴随有吸磷现象的 发生。由此可以得出，在u c t 工艺中缺氧池对强化生物吸磷具有重要贡献作用，即约 有3 0 左右的磷酸盐是在缺氧池中被去除的【矧。 荷兰d e l f t 科技大学对当地g e n e m u i d e n 和h o l t e n 两个污水厂u c t 除磷工艺运行结 果的对比研究发现，运行良好的h o l t e n 污水厂约有3 0 - 5 0 的m l v s s 含有聚磷菌， 而5 0 的聚磷菌具有反硝化能力，即d p a o s 的数量己占总聚磷菌的一半，因此系统的 除磷效果很好，出水的总磷浓度为o 1m g l 1 2 4 1 。 b c f s - i - 艺 b c f s 工艺是由荷兰d e l f t 科技大学开发的，为最大程度从工艺角度创造d p a o s 富 集条件的一种变形u c t 工艺，其工艺流程如图1 7 所示。 图1 7b c f s 工艺 f 培1 7 p r o c e s sf l o wo f b c f s b c f s 工艺由5 个反应池和3 个循环组成，并在厌氧段设立了化学除磷段，提高了 工艺的整体去除效率。与u c r 工艺不同的是，回流污泥与厌氧段混合液在接触池相 混合，利用厌氧末剩余的c o d ，反硝化脱除回流污泥中的部分硝酸盐，剩余部分的硝 学啊袋与q b 中的硝酸赫进入缺氧区，在d p a o s 作用下同时反硝化和超量吸磷。保证了厌 氧区绝对厌氧的状态，避免了p a o s 与反硝化菌对有机物的竞争；混合池内一般d o 控制在o 5g m 3 左右，起到同时硝化反硝化的作用，以降低出水中的总氮浓度。 该工艺在荷兰已成功应用于工程实践中，其独具匠心的同心圆构型，实现了紧凑的 工艺设计，出水总磷低于o 2m g l ，总氮低于o 5m g 刖围 ( 2 ) 双污泥系统脱氮除磷工艺 d e p h a n o xt 艺1 2 1 , 擒卅 w a n n e r ( 1 9 9 2 ) 首次提出d e p h a n o x 双污泥反硝化脱氮除磷工艺雏形，其工艺流程见 图1 8 ，k u b a 、彭永臻等国内外学者进行了深入研究。 序批式膜生物反应器反硝化除磷脱氨研究 图1 8d e p h a n o x t 艺 f i g 1 8p r o c e s sf l o wo f d e p h a n o x 回流污泥在厌氧池中进行释磷并将p h b 储存于体内后。在中沉池中进行泥水分离： 分离后的富含氨氮的上清液进入固定膜反应器进行硝化反应，沉淀的污泥则跨越硝化反 应器直接与固定生物膜反应器流出的硝化液在缺氧池内混合，通过利用氧化内碳源 p h b ，以n 0 3 作为电子受体反硝化吸磷：最后，污泥混合液在好氧池内短时曝气，进行 二次吸收剩余的磷。可见，d c p h a n o x 双污泥系统可实现利用最少的c o d 消耗量，获得 最大的脱氮除磷效率。 a 2 n s b r 工艺 图1 9a n s b r 工艺流程图 h g 1 9 s c h e m a t i cd i a g n u no f a 2 n s b ro p e r a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 a 2 n s b r 田刮工艺是一种新型的双污泥反硝化除磷工艺，由两个独立的厌氧，缺氧序 批式反j 应暑导( a u a c r o b i c a n o x i cs b r ) 和硝化序批式反应器( s b rf o rn i t r i f i c a t i o n ) 组成，如图 1 9 所示。和单污泥工艺相比，该工艺采用后置反硝化而不是前置反硝化工艺，避免从 好氧池向缺氧池大量回流污泥。特别是，a 2 n s b r 工艺中，硝化菌与d p b 相互独立， 为硝化菌和d p b 创造了各自最佳的生长环境，避免了反硝化菌和d p b 对有机物的竞争， 满足了硝化反应所需的最小泥龄。因此，从理论上来说可以达到1 0 0 的除磷效率。 ( 3 ) 工艺存在的问题 3 0 l 单污泥脱氮除磷工艺中为满足聚磷菌在厌氧条件下充分释磷，污泥和混合液回流次 数多、回流量大，不易管理，因而增加了运行成本。同时存在如下几个问题：低温 时，实现完全硝化反应需要很长的污泥停留时间，一般s r t 1 5d ：聚磷菌、反硝 化菌磷菌、反硝化异养菌和硝化菌共生于一个体系中，反硝化聚磷菌的富集程度不够， 微生物对基质和营养物的竞争力不强。 双污泥脱氮除磷工艺解决了聚磷菌和反硝化菌对碳源竞争的问题，满足了硝化菌长 泥龄的最佳生境，但其代价是工艺构筑物较多，工艺结构复杂。同时各种生化反应关系 错综复杂，外部条件控制繁多，如污泥性质极佳时才能保证泥水分离，因而丝状菌膨胀 问题制约其发展；污泥强的吸附性能，有可能将有机物引入缺氧段，影响缺氧吸磷的效 果。 1 3 3 反硝化除磷工艺的影响因素 ( 1 ) 进水c n 和c p 值 废水反硝化除磷工艺中，厌氧段有机基质的含量、种类及其与微生物营养物之间的 比例关系是影响聚磷菌释磷及吸磷效果的一个重要因素。反硝化除磷系统首先要求提供 给厌氧段足够的可降解c o d ( h a t ) ，其越充足则合成的p i - i b 越多。k e r e n - j e s p e r s e n 的研 究表明【3 ，缺氧条件下的吸磷率、反硝化率是聚磷菌体内p h b 储量的函数；h a c 的消 耗量( p i t b 量) 与缺氧段的反硝化率及吸磷率间存在一定的线性关系；缺氧条件下的吸磷 率是p h b 的一阶方程。从这些函数关系可知，厌氧段提供的c o d ( h 缸) 充足与否，直 接关系着缺氧段反硝化和吸磷能力的强弱。 按照理想的除磷理论，碳源( 电子供体) 和氧化剂( 电子受体) 不能同时出现，否 则脱氮和除磷的效果都会受到影响。但在实际工程中不可能达到完全的理想条件，因此 在提供给厌氧段充足碳源及缺氧段足量硝酸盐的同时，应注意适度原则，使进水的c 、 n 和p 符合最佳比例关系，以达到最佳的处理效果。当进水c n 值较高时，一方面， n 0 3 量不足将导致吸磷不完全而使出水的磷含量偏高；另一方面，有可能使厌氧段的 h a c 投量超过了d p a o s 合成p h b 所需要的碳源量，过剩碳源在后续缺氧段被反硝化菌 序批式膜生物反应器反硝化除磷脱氮研究 用于反硝化而未进行吸磷。进水c n 值较低时，则会因n 0 3 过量而造成反硝化不彻底。 一般认为，若要使处理出水中的磷含量控制在1 - 0m g r l 以下，进水中的b o d 5 厂f p 应控 制在2 3 0 。k u b a 等在研究厌氧缺氧s b r 工艺的运行特征时发现c n 值为3 4 时，此 时除磷率几乎达到1 0 0 2 ”周康群掣3 2 】在进行反硝化聚磷生产性研究时发现，当 c o d p o ；为1 2 时，p o ：的去除率为9 6 。 ( 2 ) 溶解氧( d o ) 由于磷是在厌氧条件下释放、好氧缺氧条件下吸收而得以去除，所以d 0 对磷的去 除速率、去除量有很大影响。控制反硝化除磷工艺中厌氧段的厌氧条件极为重要，它直 接影响到聚磷菌在此段的生长情况、释磷能力及对有机基质合成p i - i b 的能力。厌氧段 中的d o 应严格控制在0 2m 以以下，一般用氧化还原电位( o r p ) 来度量。研究表明， o r p 值和磷含量之间呈良好的相关关系，当o r p 为正值时，聚磷菌不释磷；而当o r p 为负值时，绝对值越高则其释磷能力越强。一般研究认为应把o r p 控制在 2 0 0 3 0 0 m v 叩】。但在实际运行中，因污泥或污水回流以及厌氧段未在封闭条件下运行。 常会将氧气带入厌氧段，为此可在原工艺基础上前置一个厌氧段或实现厌氧段封闭运行 来解决这个问题。 ( 3 ) 硝态氮( n 0 3 、n 0 2 ) 在生物除磷工艺中，硝酸盐的去除是除磷的先决条件。有资料表明，如果厌氧段存 在硝酸盐，就会导致反硝化聚磷的失败，这是由于厌氧段存在n 0 3 ，反硝化菌就能优先 利用碳源进行反硝化，而抑制聚磷菌的释放和p f i b 的合成i ”。但缺氧段的吸磷效果又 与所含的硝酸盐量有关。所以应严格控制厌氧段的厌氧条件，以避免在厌氧段发生硝化 反应而产生n 0 3 。，并在缺氧段另外投加n 0 3 以提供电子受体来保证p h b 的过量吸磷。 m e r z o u k i 等在考察硝酸盐投量对a 2 n s b r 工艺除磷效果的影响时发现：系统的除 磷效果主要依赖于缺氧段所投加的硝酸盐量及s l 州3 卯。研究表明，n 0 2 的积累会对除磷 起到抑制作用。k e r e n - j e s p e r s e n 在研究固定生物膜反应器厌氧缺氧交替运行条件下的释 磷、吸磷情况时发现：当缺氧段的硝酸盐负荷增高时，能观察到亚硝酸盐的积累，同时 随着硝酸盐量的减少吸磷也相应减少，一旦系统中的硝酸盐被消耗尽，即使系统中还存 在大量的亚硝酸盐，吸磷也随之停止，取而代之的是开始放磷p “。该现象表明，系统中 的聚磷菌无法以亚硝酸盐作为电子受体进行吸磷。亚硝酸盐的积累是由缺氧段初期过高 的硝酸盐浓度造成的。所以，在实际研究中硝酸盐应分批、数次、小剂量投加，或使好 氧时间尽量长，来达到完全硝化反应，以免造成亚硝酸盐的积累。但m e i n h o l d 持不同 观点【捌，他认为当亚硝酸盐浓度不是很高( 4 5m gn 0 2 - n l ) 时，其可作为吸磷的电 子受体；但当浓度较高( 8m gn 0 2 。- n l ) 时，亚硝酸盐才会对缺氧吸磷完全起抑制作用。 大连理工大学硕士学位论文 d a e s u n g l e e 等人的研究支持这一观点，并认为，以n 0 2 为电子受体时的吸磷速率快于 以n 0 3 。为电子受体的吸磷速率p _ 7 】。 ( 4 ) 碳源种类 碳是微生物生长需要量最大的营养元素。在除磷脱氮系统中，碳源大多消耗于释磷、 反硝化和异养菌正常代谢等方面。资料表明，聚磷菌在利用不同碳源的过程中，释磷速 率和p h a 合成种类均存在着明显的差别。e v a n s ( 1 9 8 3 年) 等学者的实验结果表明，在 厌氧段投加丙酸、乙酸、葡萄糖等简单有机物能诱发磷的释放，其中以乙酸产生的效果 最好。因此可以在厌氧段投加以乙酸为代表的低分子挥发性脂肪酸( w a s ) 来提高聚磷菌 的释磷量，增加其体内有机物贮存，从而为缺氧段的大量吸磷创造条件。值得注意的是， 碳源只有投加在厌氧段才能使出水的磷含量减少，如将碳源投加在缺氧段则会优先支持 反硝化而使出水硝酸盐和亚硝酸盐的浓度降低，却不发生吸磷反_ 应i 圳。但也有研究认为， 当一定量的电子受体( 0 2 或n o d 和电子供体( 乙酸盐) 同时存在时，d p a o s 仍具备缺 氧吸磷的能力【3 9 】。 ( 5 ) 污泥停留时间( s r t ) 泥龄的长短对除磷脱氮效果亦有直接的影响，且反硝化除磷脱氮工艺的双、单污泥 系统由于硝化段设置方式的不同，其对s r t 的要求也不同。资料表明，泥龄短，单位 重量的污泥含磷量高，剩余污泥量多，因而除磷效率高。但也有报道认为，s b r 反硝化 除磷系统中，较长的污泥停留时间( s r t 为1 5 d ) 对除磷更有利( 此时的除磷率比s r t = 7 5 d 时高1 8 倍) ，这是由于较短的s r t 使反应器中的聚磷菌被淘汰。但另一方面，s r t 过长会出现磷的“自溶”现象，造成磷的溶解及排泥量的减少，从而导致除磷效果降低 p ”。此外，温度对s r t 的选择也有一定影响。因此反硝化除磷系统最佳的s r t 值，与 温度变化范围、工艺组合方式和工艺运行要求等有关，应通过实验来确定。 ( 6 ) p h 值 p h 值对d p a o s 厌氧释磷影响较大，随着p h 值增大则p c 值也随之提高( 即消耗 单位乙酸将会有更多的磷释放) ，但当d h 值过高时，将引起磷酸盐沉淀，p c 值会有 所降低。k u b a 在研究p h 值对a 2 n s b r 工艺处理效果的影响时，得到了类似的结果， 同时还指出，p h 值对d p a o s 反硝化除磷系统的影响和其对传统除磷系统的影响有相似 之处，但由于在p h = 8 时会出现磷酸盐沉淀，实际的p c 值比理论值少2 0 ，他的发现 和s m o l d e r s 研究p h 值对a os b r 工艺运行影响的结果一致【加】。 ( 7 ) 其他影响因素 2 0 l m l s s 序批式膜生物反应器反硝化除磷脱氮研究 通常系统中的m l s s 越大，说明d p a o s 含量越多，则厌氧段的释磷效果越好，且 在缺氧段d p a o s 的吸磷能力也更强。但m is s 也不能过大，否则不仅会给沉淀分离带 来困难，还会增加污泥处理成本。 搅拌 厌氧区和缺氧区不需供氧，但要使反应充分则搅拌必不可少，以使污泥处于悬浮态。 容积交换比 要提高a 2 n s b r 工艺的脱氮率，最可行的方法是增大a