（模式识别与智能系统专业论文）脱氮除磷系统中出水水质控制与磷循环的研究.pdf

fyiiilllilllllf18uiii9lllllf6llllfl9llfll5lll114rlllul - - i l 京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签字： 弓孑走 日期：砷，7 年；月石日 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 本人同意将所著硕士学位论文孵盘嘞石：螂目b k 噘，j 例为确 7 l 粥和确乞 著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编权授权北京建筑工程学院研究生 处行使。上述授权的范围包括：北京建筑工程学院自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作权问题引起的责任。 北京建筑工程学院须依照我国著作权法的有关规定，充分尊重本人享有的著作权权 利( 包括获酬权) 。 本授权有效期5 年。 论文作者( 签章) ：御洲年岁月彳日 篷耋需茏垃弘蹁翩鼠。锚，6 厦邮编：舢夕了 电话：刀口一墨i f 钐- 9 歹 传真： 7 手机：，如亏力巧0 电子信箱：七陋唧。矽彬删勿们 摘要 摘要 本研究对生物膜a 2 o 复合工艺的运行效果进行了研究。在两种不同填料：h 型组 合填料和s p r - 1 型填料挂膜运行期间，考察了复合工艺的污水处理效果以及低碳源情况 下复合工艺的抗冲击负荷能力；并分析了在不同工况下系统内磷的平衡循环情况。 研究结果表明，从静态挂膜试验结果可知，h 型组合填料比s p r - 1 型填料的挂膜速 度要快：在动态试验中，生物膜a 2 o 复合工艺对c o d 、t n 和t p 的处理效率分别平均 为：9 5 、7 0 和8 0 ；复合系统c o d 、t n 、n 时- n 和t p 的出水浓度分别稳定在平 均9 s m g l 、1 2m g l 、8m g l 和i m r d e 。c o d 、t n 、n h 4 + - n 均可以达到城镇污水处理 厂污染物排放标准g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 一级a 出水标准；出水t p 浓度有所升高在一级b 的 范围内。其次，生物膜a 2 o 复合工艺的抗冲击负荷能力很强。在低碳源( c n = 4 ；c p = 2 4 ) 情况下，出水c o d 、t n 、n h 4 + - n 均可以维持在一级a 水平，t p 出水为1 2 m g l 为二 级标准。同时，复合工艺的污泥产率明显降低，减量效率达6 0 以上。再次，不同工况 下系统内的磷平衡值随着挂膜成熟后的稳定运行而降低，系统内磷含量减少的原因为一 部分用于系统内生物量的增长，一部分被贮存于胞外聚合物中，这两部分的含磷量分别 为2 3 和7 2 8 。这对于不同工况下，系统的出水磷浓度可以稳定保持在较低水平 起到了一定作用。总体来看，生物膜a 2 o 复合工艺在不同工况下的处理效果均很好。 同时经过比较和分析，s p r - 1 型填料比h 型组合填料在长期稳定、经济地运行方面更加 行之有效。 本研究的成果对于今后污水处理厂改、扩建的方案选择和实际的应用具有一定的参 考价值。 关键词：生物膜a 2 o 复合工艺；脱氮除磷；低碳源；污泥减量 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i ss t u d ym a i n l yr e s e a r c h e do nt h ep o l l u t a n t sr e m o v a le f f i c i e n c y b yu s i n g t h e b i o f i l m a 2 oh y b r i dp r o c e s s d u r i n gt h er u nt i m eo fh y b r i dp r o c e s sw i t ht w od i f f e r e n tk i n d s o fc a r r i e rw h i c ha r eh t y p ec o m b i n e dc a r d e ra n ds p r - 1 - t y p ec a r r i e r , n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a le f f e c to fh y b r i dp r o c e s s 、析t l ln o r m a lc a r b o ns o u r c ea n dl o wc a r b o ns o u r c ew a s s t u d i e d , m e a n w h i l e ，p h o s p h o r u sb a l a n c ea n dc i r c u l a t i o nw i t h i nt h es y s t e mu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sw a sa n a l y z e d t h er e s u l to fl a b s c a l es t a t i ce x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a th - t y p ec o m b i n e dc a r r i e ri sf a s t e r t h a nt h eb i o f i l mg r o w t hr a t eo fs p r - - 1 - t y p e c a r r i e r t h el a b s c a l ed y n a m i ce x p e r i m e n t a lr e s u l t s w a ss h o w nt h a tf i r s t l y , h y b r i dp r o c e s sh a sah i g ht r e a t m e n te f f i c i e n c yt oc o d ，t nr e m o v a l a n dc a nr e m o v et pa tt h es a m et i m e t h er e m o v a le f f i c i e n c yr e s p e c t i v e l yw a s9 5 ，7 0 a n d 8 0 ，t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no fc o d ，t na n dn h 4 + - nw a sr e s p e c t i v e l y9 5 m g l ， 12 m g l ，8 m g la n di tc a l lr e a c ht h eg r a d ea o fn a t i o n a ld i s c h a r g es t a n d a r d s ( g b18 918 2 0 0 2 ) ， t h ee f f l u e n tc o n c e n t r a t i o no ft pw a si n c r e a s e di nlm g lw h i c hr e a c ht h eg b18 918 - 2 0 0 2s t a i r b s e c o n d l y ，b i o f i l m - a oh y b r i dp r o c e s sh a sah i g ha b i l i t yt or e s i s ti m p a c tl o a d ，i nt h ec a s e o fl o w c a r b o ns o u r c et h e e f f l u e n to fc o d ，t n ，n 1 4 4 + - nc a nb es i l lm a i n t a i n e da tt h e g b18 918 - 2 0 0 2s t a i ra i nt h es a m et i m e ，t h ee f f l u e n to ft pw a s1 2 m g lw i t h i nt h es e c o n d a r y l e v e l m e a n w h i l e ，t h es l u d g ep r o d u c t i o nr a t eo fh y b r i dp r o c e s sw a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，t h e s l u d g er e d u c t i o nr a t ew a sm o r et h a n6 0 t h i r d l y , 懿t h es t a b l eo p e r a t i o no fh y b r i dp r o c e s s ， t h ee q u i l i b r i u mv a l u eo fp h o s p h o r u st r a d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw i t h i nt h es y s t e mw a sr e d u c e d t h er e a s o nf o rt h er e d u c t i o no fp h o s p h o r u sw i t h i nt h es y s t e mw a si ti sa sp a r to ft h eb i o m a s s f o rg r o w t h ，t h eo t h e ri ss t o r e di nt h ee x t r a c e l l u l a rp o l y m e r s t h ep h o s p h o r u sc o n t e n to ft h e t w op a r t sr e s p e c t i v e l yw a s2 3 a n d7 2 8 i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ns t a b i l i z i n gt h e e f f l u e n tc o n t e n to fp h o s p h o r u sa tl o w e rl e v e li nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s o v e r a l l ，t h e r ei sa e f f e t i v er e m o v a lr a t eo fp o l l u t a n t si nb i o f i l m - a z oh y b r i dp r o c e s s t h r o u g hc o m p a r i n ga n d a n a l y z i n g ，s p r - 1 - t y p ec a r d e rh a sb e c o m em o r ee f f e c t i v ei nr e m o v i n go r g a n i cn u t r i e n t s e c o n o m i c a l l ya n ds t a b l yi n t h el o n gr u n t h er e s u l to ft h er e s e a r c hh a ss o m er e f e r e n c ef o rt h ep r o g r a mo p t i o n so fr e b u i l d i n ga n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h es e w a g et r e a t m e n tp l a n ti nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：b i o f i l m a 2 oh y b r i dp r o c e s s ，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 ， l o wc a r b o ns o u r c e ，s l u d g er e d u c t i o n i i - 北京建筑工程学院硕士学位论文原创性声明 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景：。1 1 1 1 富营养化现状1 1 1 2 污水处理厂升级改造问题2 1 2 污水脱氮除磷基本理论及其工艺发展4 1 2 1 活性污泥法理论发展4 1 2 2 生物膜法理论发展5 1 2 3 活性污泥工艺进展7 1 2 4 生物膜法工艺进展1l 1 2 5 复合式污水脱氮除磷处理工艺发展1 2 1 3 课题研究的目的、内容、方法1 3 1 3 1 课题研究的目的1 3 1 - 3 2 课题研究的内容1 3 1 3 3 课题研究的方法1 3 1 4 论文梗概13 第2 章试验装置与方法1 4 2 1 试验内容概述1 4 2 2 静态试验装置1 4 2 3 动态试验装置。1 4 2 3 1 动态试验主要设备1 5 2 3 2 动态试验控制系统1 6 2 3 3 动态试验进水1 6 2 3 4 反应器的启动1 7 2 4 检测项目和方法18 2 5 取样控制19 第3 章生物膜a 2 o 复合工艺污水处理效果研究2 0 3 1 生物膜挂膜培养2 0 3 2c o d 去除效果分析2 4 3 3 氮的去除效果分析2 5 3 4 磷的去除效果分析2 7 3 5 污泥减量效果分析2 9 目录 3 6 系统节能降耗效果以31 3 7 本章小结31 第4 章生物膜a 2 o 复合工艺低碳源进水处理效果研究3 4 4 1c o d 去除效果分析3 4 4 2 氮的去除效果分析3 5 4 3 磷的去除效果分析3 8 4 4 本章小结。4 0 第5 章生物膜a 2 o 复合工艺系统磷循环的研究4 1 5 1 系统磷平衡计算4 l 5 2 系统磷细菌的作用分析4 3 5 3 系统胞外聚合物变化分析4 5 5 4 本章小结4 8 第6 章结论与建议4 9 6 1 结论4 9 6 2 建议5 0 参考文献一51 致j 谢。5 7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 富营养化现状 随着我国经济得不断发展，城市化进程得不断加快，随之而来的水污染问题即氮、 磷的过量排放引起的水体富营养化问题是我国乃至国际上最为关注的水环境问题之一。 富营养化【l 】是指湖泊、水库和海湾等封闭、半封闭水体及某些滞留河流( 水流速度 l m l m i n ) 水体由于氮和磷等营养素的富集导致某些特征藻类如蓝、绿藻和其他水生植 物异常繁殖异样微生物代谢频繁、溶解氧含量降低、水体透明度下降、水质恶化发腥变 臭导致水生生物大量死亡，最终破坏湖泊生态系统。 当水体中总磷浓度大于o 0 2 m g l 或总氮浓度高于0 2 m g l 时则被视为富营养化水 体。从我国近几年的统计结果表明，富营养化湖泊的数量占调查湖泊比例已经上升至 7 8 。从对全国大、中、小型水库的调查结果表明：为中营养状态的水库个数为4 3 6 1 处于富营养状态的水库数目为3 0 8 。我国的江河湖库及近海海域普遍受到不同程度的 污染，总体上呈加重的趋势。根据相关监测表明：中国七大水系中，不适合作为饮用水 源的河段接近4 0 ，城镇河段中7 8 的河段不适合作饮用水源，城市地下水5 0 受到污 染 2 1 。全国湖泊和水库氮磷污染有加重趋势，水体藻类大量繁殖，且生存期长，覆盖面 广，爆发次数多。太湖八十年代初以中营养为主，八十年代后期中营养中富营养，九 十年代中期大部分已为中富营养富营养，目前中富营养化面积占7 5 左右，夏季富营 养或重度富营养占全湖面积1 0 左右【3 】。其中对于太湖的治理到2 0 1 0 年规划将基本解 决太湖富营养化问题实现湖区生态系统转向良性循环。规划如表1 1 【4 】所示： 表1 - 1 太湖水质目标状况对比表( 单位：m g l ) 、 t a b l e1 - 1w a t e rq u a l i t yo b j e c t i v e so fc o m p a r a t i v es i t u a t i o ni nt a i h ul a k e 第1 苹绪论 国外地区的一些水系也有不同程度的富营养化现像，如法国里昂下游地区河流中的 叶绿素值很高；日本第二大湖霞浦湖的水质由于蓝藻暴发急剧恶化，随着长期的治理目 前恢复到了相当于我国四类水体水质；开罗市由于建造阿斯旺大坝使尼罗河水文发生变 化使得其供水水源产生水体富营养化现象。国际经济合作与开发组织经过对水体富营养 化现象展开的研究表明，有近八成的湖泊富营养化是由于磷元素的问题，有约1 0 左右 是由于氮元素的关系。通过1 9 6 0 年到2 0 0 8 年对黄河3 1 2 个监测点氮含量的连续监测， 从1 9 6 0 年尤其1 9 9 0 年以后一直在增加，而其中河口的富营养化的限制因子是浊度和磷 浓度【5 】，并且随着对水污染处理、控制力度的进一步加深，人们发现磷污染远比氮污染 危害大。当水体中总磷的浓度高于0 0 2m gp l 时便可能导致水体富营养化现象，有关 研究表明，向水体中每排放l g p 就会有9 5 0 9 藻类( 干重) 生长【6 】。因此，控制水体富 营养化现象产生的最主要因素是限制氮、磷尤其是磷这一营养物质的排放。 1 1 2 污水处理厂升级改造问题 随着2 0 0 7 年太湖水华的爆发，我国对水环境质量要求进一步提高，中国城镇污水 厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 对污水厂的出水也越发严格，新建城市污水处理厂 必须考虑氮磷去除问题，已运行的一些污水处理厂开始进行改造，增加或强化脱氮和除 磷功能。由富营养化问题引申出的一系列相应的对策【7 1 ，首先就是要保证各地区的污水 处理率，根据我国城市污水处理及污染防治技术政策，到2 0 1 0 年全国城市和建制镇的 污水平均处理率不低于5 0 ，重点城市的污水处理率不低于7 0 ，并要求积极开展对新 技术、新工艺、新材料的不断创新研究。富营养化问题的关键不只是水中营养物的浓度 限制，还要控制流入水体的营养盐的总负荷量。相对于较难通过技术手段加以解决的面 源磷污染，点源磷污染则可以运用污水处理、收集等手段加以防治。因此，我国对于控 制污水处理厂出水氮磷浓度的标准越来越严格，目前已经将排放标准提升至一级a 标 准，即t n 浓度小于1 5 m g l ，t p 浓度小于0 5 m g l 。 目前我国的用水现状是生活用水在不断上升，而工业用水在逐渐下降，全国污水厂 共有1 0 1 8 座，其中二、三级处理厂为1 9 2 4 座。到2 0 0 8 年我国的污水量是3 6 4 8 8 亿m 3 ， 再生水的用量是2 3 6 2 亿m 3 ，污水处理率为7 0 1 6 ，集中处理率为5 7 2 5 。从2 0 0 6 年 到2 0 0 8 年三年平均增长的处理量为7 9 3 万m 3 。所以说污水再生回用的基础和前提就是 对污水实现脱氮除磷的深度处理【8 1 ，因此更加有必要研究简便高效的污水脱氮除磷新技 术。目前有低于2 0 的污水厂达不到一级a 的指标，在北方地区低的碳氮比使污水处 理厂处理效果波动很大，目前对于t n 小于1 0 m g l 的要求很多地区污水处理厂都满足 不了。在污水厂升级改造方面，考虑到出水磷浓度可以先用化学沉淀的方法控制住，故 现在都是先满足脱氮率的基础上再考虑除磷，也就是先使t n 达到一级a 的标准再考虑 第1 荦绪论 磷的问题，这种方法也是最经济的。同时考虑到反硝化菌和聚磷菌对于碳源的竞争问题引 出了一些新工艺如u c t 、倒置a 2 o 、u n i t a n k 工艺等( 对于u n i t a n k 工艺的介绍中 没有提到除磷率的问题，也就是说其实该工艺的出水磷主要靠大量投加絮凝剂使出水磷 达标的) ；还有考虑外加碳源；进行多级a o 工艺以利用污水中的碳源；利用污泥中的 碳源；投加载体以提高生物量，对于目前全国以a 2 o 工艺为主流工艺 9 - 1 6 】的改造上( 如 表1 2 所示) 可考虑这种方法，这样无需新建大型处理水池，在好氧段投加填料后变为 活性污泥一生物膜复合工艺，既可以解决碳源不足问题也可以解决冬季水温低于1 2 时 候的处理效果欠佳的问题。 表1 - 2 a 2 o 工艺在国内的应用情况 t a b l e1 - 2t h ea p p l i c a t i o no f a 2 op r o c e s si nd o m e s t i cr e g i o n 回顾“十一五”【l7 】期间水污染物总量控制情况，在2 0 0 4 年时候i - h i 类水体低于 4 0 ，总体污染物开始下降是从2 0 0 7 年开始的，目前全国1 2 0 个城市没有污水厂。其 中地市级1 2 个，县级1 0 8 个，设计能力处理负荷小于6 5 ( 多数的原因是小县城建造 大污水厂，进水总量本身就低) 所以说我们在不断建造污水处理厂的同时也要考虑水厂 的污泥处理问题，因为如果泥不好好处理就会又进入河流进而造成循环污染河流。综合 考虑现状以及未来的发展，在“十二五”期间我们需要做的工作是通过制定行业政策推 3 第1 荦绪论 动水处理发展；研究面源污染、污泥处理、管网建设等矛盾进步解决棘手的难题；全 国污水日处理能力达到1 5 亿吨，出水达到一级a 标准，地表水要达到类标准；大于 1 0 万吨日的污水厂必须进行污泥处理，并以消化、填埋为主流工艺；污水再生率要达 到1 8 0 0 万吨天。综之，在污水处理厂升级改造方面，不仅要更好地解决和处理传统脱 氮除磷工艺中存在的矛盾和弊端使其提高处理效果，还要考虑到改造的修建投资费用和 最终实现稳定可靠的运行效果。 1 2 污水脱氮除磷基本理论及其工艺发展 自然环境中微生物种类繁多，水域中含有各种微生物所需的营养，因此其也是微生 物的自然生长环境。微生物在其繁殖过程中，从外界不断吸取营养物质，并通过代谢作 用将污水中营养物去除。随着我国近年来湖泊河流富营养化问题的日趋严重，减少氮磷 营养物向水体的排放已成为控制水体富营养化的最根本途径。目前污水生物处理方法分 为好氧法和厌氧法，好氧法根据微生物的生长状态又分为活性污泥法和生物膜法。随着 世界各国对污水脱氮除磷技术的不断深入研究，其相应的基础理论也进行了一系列的演 变和革新。 1 2 1 活性污泥法理论发展 于1 9 世纪2 0 年代起就开始了对污水活性污泥法去除理论的一些假设。如今已被证 实的一些初期理论如吸附理论、酶化学理论、絮凝理论、胶体理论、微生物理论等。早 在1 9 2 3 年有人提出【1 8 】，活性污泥由各种胶集的丝状和单细胞细菌及其他生物组成，微 生物对污水中营养物进行摄取和同化作用后完成污水中有机污染物的转化过程；有相关 研究人员于1 9 4 2 年提出污水中有机物的去除是由多种机理作用而成【1 9 j 。其中包括：贮 存一代谢理论、死亡一再生理论、维持理论、内源呼吸理论、存活一非存活理论。 1 2 1 1 生物脱氮机理 早在1 9 世纪末就首次报道过有关微生物的氨化以及硝酸盐或亚硝酸盐的还原作用。 2 0 世纪初分别提出了硝化和反硝化的概念，之后这一机理成为公认的脱氮理论。污水生 物脱氮是在硝化和反硝化菌参与的过程中将氨氮转化为氮气将其从污水中去除。由于该 反应过程中转化基质和参与的微生物种类都不同【2 1 1 ，故所需的反应条件也各不相同。 硝化反应是先由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝态氮，再通过硝酸菌将亚硝态氮装化为硝态 氮的过程。反硝化过程是通过化能异氧兼性缺氧型微生物的一类反硝化菌，在缺氧条件 下利用有机碳源将产生的硝酸盐或者亚硝酸盐还原为氮气。整个过程的反应方程式分别 为： ( 1 ) 反硝化过程： 第1 苹绪论 n o ；+ 5 h + 寸1 2 n 2 + h 2 0 + o h 一 ( 1 1 ) ( 2 ) 硝化过程： n o ；+ 3 h + 专1 2 n 2 + h 2 0 + o h 一 ( 1 2 ) 埘j + 3 2 0 2 专n o ；+ 日2 0 + 2 h + ：n o ；+ 1 2 0 2 一n o r( 1 3 ) 脱氮过程本身就是一个矛盾体1 2 2 1 ，硝化反应要求污泥龄较长的硝化菌；反硝化需要 较短泥龄的反硝化菌。同时还有一些生理机制的差异，这些都或多或少影响到脱氮工艺 的高效稳定运行。 1 2 1 2 生物除磷机理 目前为止普遍认可的生物除磷机理为聚合磷酸盐积累微生物吸收释放原理，即聚磷 菌在厌氧状态下水解体内的a t p 形成a d p 和能量，同时将包内聚磷酸盐分解以磷酸盐 的形式释放出去，同时利用糖原水解产生的辅酶氢和能量摄取废水中的有机物合成有机 颗粒p h b 于体内。好氧阶段聚磷菌利用体内贮存的p h b 分解产生能量合成a t p 并超量 吸收环境中的磷酸盐以聚磷的形式贮存在体内，总的反应方程式分别为： ( 1 ) 厌氧过程： a t p + h 2 0 专a d p + h 3 p 0 4 + 能量 (1-4) ( 2 ) 好氧过程： a d p + h 3 p q + 能量专a t p + h 2 0 ( 1 5 1 随着人们对聚磷菌自身对硝酸盐作用的思考和研究于1 9 7 8 年，o s b o m 和n i c h o l l s l 2 3 】 发现不仅在好氧条件下微生物有超量吸磷的现象，在缺氧条件下也发现了相同的现象。 这类微生物就是后来所谓的反硝化除磷菌d p b ，这种细菌不仅能够以氧作为电子受体在 好氧状态下去除酬2 4 1 ，同时也能够以硝酸根作为电子受体在缺氧状态下超量吸收磷，实 现磷的去除。在各种b n r 工艺中都普遍存在d p b ，它的除磷效率要高于p a o s 2 5 1 。同 时对于强化生物除磷内源过程的研究表明好氧和厌氧环境下发生的现象是不同的，但是 在整个过程中磷的吸收和释放以及损坏的细胞数等始终是一个常数，故糖原的分解是由 3 h v 发酵过程产生p h a 应用不同的模型和机理表述系统中好氧和厌氧条件下的内源过 程。 1 2 2 生物膜法理论发展 生物膜是一种活跃地生长发育着的单一或者混合微生物群体，并不可逆转地附着在 一种活跃或者非活跃的表面。生物膜法作为一种高效的污水处理方法，其结构形态等特 征很大程度影响着系统处理功能的稳定运行。生物膜在载体表面的分布是非均匀相不连 第l 审绪论 续的，厚度也是小均匀的，像孔洞、桥渠构造在膜中是普遍存在的。从扫描电镜图片来 看，成熟生物膜上的微生物种类和形态有一定的多样性有可以深入到内部的孔渠结构。 生物膜以一个功能化的有机体，其中的种群分布是按照系统的各种功能需求而优化组成 的。其中种群分布具有如下些特征：丝状微生物数量较多、厌氧和兼性厌氧菌的比例 高、含有较多高等微型动物包括有线虫、轮虫、蜗牛等，它们具有松散的生物膜和促进 生物膜脱落的功能，进而使生物膜不断更新并保持良好的净化功能和活性。有研究表明 在不添加接种污泥的条件下载体上的微生物附着生长主要分为：适应期、增长期和稳定 期三个阶段。而且在不同阶段微生物相的种群分布不同，适应期阶段填料上基本没有生 物膜生长仅有少许丝状菌繁殖其中；增长期以丝状真菌为主同事有少量短杆菌并出现累 枝虫和少量线虫轮虫等后生动物，此时生物膜拥有的基本生物群落分布渐渐生成；在稳 定期阶段，生物膜则由大量丝状菌构成，原生动物的数量进一步明显增加，相对稳定的 生物群落特征逐渐形成并趋于完善。 在生物膜的构成中一般由微生物细胞和胞外聚合物构成。有研究表明细胞生物量仅 为生物膜中有机物很小的一部分，有约8 0 有机碳存在于细胞外。在胞外聚合物 ( e x t r a c e l l u a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ：e p s ) 中主要是蛋白质和多糖，而且不同微环境下的胞 外聚合物中的成分比例也是不同的。e p s 作为支撑物质使许多微生物可以长时间固定在 膜的特定位置，使底物利用上更加专一，对于具有互利关系的种群相互更加接近，并形 成了协同分工、功能多样的微生物共生体，这些微生物最终聚集而成一种复杂而稳定的 生态体系。e p s 同时也是活性污泥絮体中继水分和细胞后的第三大组成部分【2 砚9 】，其 来源有二：一是由细菌细胞新陈代谢分泌的高分子聚合物，聚集在细胞外部形成凝胶状 的基质，二是来自于污废水中的化合物，即污泥所处的基质环境，因此，e p s 在活性污 泥絮体中普遍存在。这种聚合物聚集在细胞外部形成保护层以抵制外界环境的压力，同 时也起到储备碳源和能源的作用。多数研究【3 5 】表明，e p s 的7 0 8 0 的组分为蛋白质 和多糖，剩余的2 0 3 0 来自于腐殖成分，糖醛酸，核酸和脂类等。e p s 被认为是决定 絮凝体物理化学性质和生物性质的关键物质 3 6 1 。微生物被胞外聚合物包裹或固定在污泥 絮体中，为污泥微生物细胞提供了一个适应的环境，使其生长代谢。胞外聚合物【3 7 3 9 j 对污泥絮体的沉降性能、絮凝性能以及脱水性能均有重要影响。 生物膜形成的的影响因素也有很多，膜生成的条件和时间为：( 1 ) 存在清洁的可用 于聚集的固体表面；( 2 ) 存在有利于生物膜快速形成的基质；( 3 ) 集结的细胞松散地附 着于膜；( 4 ) 聚集的细菌牢固地附着：( 5 ) 微生物群落形成并产生胞外聚合物；( 6 ) 群 落向上向外扩展并形成规则和不规则结构；( 7 ) 生物膜成熟新的菌种进入膜内并开始生 长；( 8 ) 原生动物不断会捕食膜上的细菌；( 9 ) 成熟的生物膜开始脱落并循环交替重复 进行生长；( 1 0 ) 形成了顶级群落。v i l l a s e f i o r 掣删研究了不同碳源机制对生物膜形成的 第l 章绪论 影响，其中生物膜的结构取决于培养机制的类型。h e r m a n o w i c z 4 i j 认为浓度和水力边界 层的厚度对生物膜结构有很大影响，当外部传质限制显著时生物膜便发育成开放结构， 当浓度边界层减小，外部传质加强时候则生物膜的厚度增加。故而水文条件、营养水平、 基质类型和温度等都是形成生物膜的主要影响因素。随着水深度的增加膜上的主要化学 成分含量也在逐渐降低，在高流速环境下生物膜易形成单层结构，在低流速环境下生物 膜多形成复杂结构。不同的水域环境生成的膜上所含的化学成分差异也比较大。 1 2 3 活性污泥工艺进展 生物处理技术主要分为好氧法和厌氧法两大类。与好氧法相比厌氧法有着诸多优点 如：有机负荷高，污泥产量低、应用范围广，对水温适应范围大等。但也有一些缺点如： 由于厌氧微生物增殖缓慢，所以厌氧处理设备启动时间长，出水水质差，一般在厌氧处 理后串联好氧生物处理，厌氧法则主要用于高浓度的有机工业废水的处理当中。基于此 城市污水水质相对稳定，水量较大一般使用好氧法，好氧工艺可分为三大类即自然生物 处理法，生物膜法，活性污泥法。 活性污泥工艺是一种利用活性污泥为主体的污水净化工艺，它历史悠久，有很多的 改良工艺，在城市污水处理的工程实际中，被证明是可靠和行之有效的。传统活性污泥 法只是对污水中b o d 5 、c o d 的去除，而不考虑脱氮除磷，在它的基础上发展了很多既 有传统活性污泥法特点又有脱氮除磷功能的新工艺。污水生物脱氮工艺的基本原理是在 好氧条件下通过硝化反应先将氨氮转化为硝酸盐，再通过缺氧条件下的反硝化反应将硝 酸盐氧化还原成气态氮从水中去除。污水生物除磷工艺是一个动态过程，它是通过厌氧 段和好氧段交替操作，利用活性污泥的超量吸磷作用，使细胞磷含量相当高的菌群体能 在处理系统的基质竞争中取得优势，剩余污泥含量可达到3 - - - 7 ，从而使出水磷浓度 降低。因此所有生物脱氮除磷工艺都包含厌氧、缺氧、好氧三个不同过程交替循环。按 照构筑物的组成形式、运行性能以及操作方式的不同，可将已有的分成几种生物脱氮除 磷工艺：脱氮工艺、除磷工艺、同步脱氮除磷工艺。 ( 1 ) 脱氮工艺 b a r d e n p h o 脱氮工艺污水首先进入第一个缺氧池，该单元主要任务为脱氮，含 硝态氮的污水通过内循环来自第一好氧反应器，本单元的第二功能为污泥释放磷，含磷 污泥是从沉淀池中回流来的。经过第一缺氧池处理后的混合液进入第一好氧反应器，其 功能为去除b o d 5 ，去除由原废水带入的有机污染物，还有硝化作用。混合液进入第二 缺氧池，该单元功能与第一反应器相同，一是脱氮，二是释放磷。污水进入第二好氧池 吸收磷并进一步硝化去除b o d 5 ，然后进入二沉池进行泥水分离。上清液作为处理水排 放，含磷污泥一部分作为污泥回流，一部分作为剩余污泥排放。 第l 章绪论 进水 图1 - 1b a r d e n p h o 脱氮工艺 f i g 1 1b a r d e n p h on i 仃o g e nr e m o v a lp r o c e s s ( 2 ) 除磷工艺 a o 法除磷工艺该工艺为没有硝化的生物除磷工艺，即厌氧好氧生物除磷工 艺。其最主要的特征是高负荷运行，泥龄短水力停留时间短。 进水 泥 图1 - 2 a o 除磷工艺 f i g 1 - 2a op h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s ( 3 ) 同步脱氮除磷工艺 五段改良b a r d e n p h o 脱氮除磷工艺 早期的b a r d e n p h o 生物脱氮除磷工艺由于混合液回流中含有硝酸盐，反硝化细菌会 第1 章绪论 进水 图l - 3 五段改良b a r d e n p h o 脱氮工艺 f i g 1 - 3b a r d e n p h on i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sw i t hi m p r o v e df i v ep a r a g r a p h s s b r 工艺 s b r 工艺的基本特征是在一个反应池中完成污水的生化反应、沉淀、排水、排泥、 处理设施比一般氧化沟还要简单。s b r 工艺的概念和操作灵活性使其易于引入厌氧好 氧除磷过程或缺氧好氧除氮过程，通过调整运行周期以及控制各工序时间的长短，可实 现对氮磷的高效去除。s b r 工艺有很多种类型，除了常规的s b r 工艺之外还有d a t - i a t 工艺，u n i t a n k 工艺、c a s t 工艺、c a s s 工艺和i c e a s 工艺等。i c e a s 工艺和d a t - i a t 工艺均采用连续进水方式，使进水的控制系统变得简单，但因为主反应区前面缺乏一个 厌氧段，因此除磷的效果不够理想，d a t - i a t 工艺的回流比比较大，运行费用偏高。与 合建式氧化沟一样，由于在一个较长停留时间的曝气系统内，只有5 0 左右的池容用于 曝气，所以s b r 工艺的容积利用率也不高。 a 2 o 工艺 为了达到同步除磷脱氮的目的在a o 工艺中增设缺氧区，构成a 2 o 工艺。其主要 流程为：进水首先进入厌氧区，同时从二沉池流出的富含磷的回流污泥一并进入厌氧池。 在厌氧池的主要生物反应是磷的释放，兼性厌氧发酵菌将进水中的部分易生物降解的大 分子有机物转化为小分子中间发酵产物挥发性脂肪酸( v f a ) ，聚磷菌吸收这些小分子 有机物将其以p h b 的形式储存在细胞内，同时将聚磷菌细胞内的聚磷水解为正磷酸盐， 释放到水中，污水中的溶解性磷酸盐的浓度升高。其过程中所释放的能量可以供聚磷菌 在厌氧环境下维持生存，进入厌氧池中的大部分溶解性有机物被利用，即c o d 浓度下 降；回流污泥中的n 0 3 。- n 进入厌氧池后迅速利用原水中的易降解有机物而被还原为氮 气释放，所以厌氧池出水的n 0 3 - - n 浓度极低，因为硝态氮还原为氮气要利用易生物降 解有机物，因此该池中的c o d 也会因此而降低。不过，由于回流污泥中的n 0 3 。n 进入 到厌氧池后会优先利用易降解有机物，因此如果大量的硝态氮被引入到厌氧池将会影响 聚磷菌释放磷所需的溶解性有机物，不能使厌氧池形成较好的厌氧条件，不利于大分子 有机物厌氧发酵为小分子有机物，从而对磷的释放不利；随进水带到厌氧池中的n h 4 + n 9 第1 章绪论 一部分由于细胞的合成即同化作用而被去除，并且从二沉池流出的回流污泥进入到厌氧 池即对厌氧池起了稀释作用，降低了池中的n h 4 + - n 浓度。 厌氧池的出水进入到缺氧池，缺氧池的首要生化功能是反硝化脱氮。混合液进入到 缺氧池后，反硝化菌利用污水中存在的的有机基质将回流混合液( 从好氧池回流到缺氧 池) 中的n 0 3 - n 进行反硝化反应，将硝态氮还原为氮气释放到空气中，有效地完成反 硝化反应，系统中的氮得到去除，同时污水中的c o d 得到进一步的去除。其次在该段 能够发生磷的释放或吸收反应，或者同时存在。此外，缺氧池中还可能会发生生物吸磷 或释磷反应，或者两者反应同时进行。混合液从缺氧池进入好氧池，在这一池中要完成 多种生化反应，进一步去除c o d 、硝化及吸磷等。混合液经厌氧池及缺氧池后，有机 物分别被聚磷菌和反硝化菌利用，浓度已经非常低，这有利于自养硝化菌的生长繁殖， 充分发挥其有效的硝化功能。因为好氧中的有机物浓度已经很低，聚磷菌的生长繁殖及 吸磷反应所需的能量主要是靠分解体内储存的p h b 。聚磷茵在好氧池过量吸收的溶解性 磷酸盐以聚磷酸盐的形式储存在细胞体内，混合液进入n - 沉池后经过沉淀、泥水分离， 将富含磷的污泥从系统中分离出来，达到去除磷的效果。有机氨氮在好氧池中被氨化进 而被硝化，n h 4 + - n 浓度会大大降低，n 0 3 - n 浓度升高，消耗池中的碱度。随后混合液 进入二沉池，经过沉淀，泥水分离，排出上清液。污泥沉积于二沉池的泥斗，部分作为 剩余污泥外排，其余污泥回流到前端的厌氧反应器。通过控制污泥排放量的多少可以控 制系统的污泥龄以此维持系统污泥浓度的稳定。 ， 进水 图1 4 a 2 o 工艺 f i g 1 - 4a 2 op r o c e s s 氧化沟工艺 氧化沟即循环曝气池，是由荷兰的p a s v e e r 所开发的一种污水生物处理技术，属于 活性污泥法的一种变法。在流态上氧化沟介于完全混合和推流态之间，氧化沟内混合液 停留时间长，可以认为氧化沟内混合液的水质接近一致，从这个意义上说，氧化沟内流 态是完全混合式。曝气装置的下游，溶解氧浓度从高到低变动甚至出现缺氧段。这种独 特的水流状态有利于活性污泥的生物聚凝作用，而且可以将其区分为富氧区、缺氧区， 1 n 第1 章绪论 用以进行硝化反硝化取得脱氮作用。氧化沟本身已具备脱氮功能，虽然在氧化沟中会出 现聚磷菌获取能量