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北京建筑工程学院硕士学位论文 摘要 磷回收强化生物除磷影响因素试验研究 摘要 我国城市污水处理厂进水碳源较低，往往成为影响生物脱氮除磷效果的限制 性因素。针对这一问题，以b c f s 工艺为试验对象，试验研究化学磷回收强化生物 除磷的影响因素。试验先用人工配水方式模拟低碳源城市生活污水，考察b c f s 工艺的运行效果。针对系统由碳源不足引起的出水t p 恶化问题，应用前期已校正 的t u d 模型进行试验模拟定向，确定了厌氧上清液侧流磷回收强化生物除磷的运 行策略。随后，分别通过工艺和小试试验研究了厌氧上清液侧流比对系统营养物 去除的影响以及化学磷沉淀最佳p h 等参数。在此基础上，引入真实生活污水验证 b c f s 工艺生物除磷性能，并应用t u d 模型预测与真实生活污水运行结果进行对比。 最后，通过厌氧释磷和缺好氧吸磷小试试验，分析了中试试验过程中由于进水负 荷过高造成的生物除磷受抑制现象。 厌氧上清液侧流磷回收试验结果显示，化学磷沉淀最佳p h 范围为9 0 - 9 5 。 调节测流上清液至p h ：9 0 ，实现化学磷回收，效率可达8 0 - 9 0 。在s r t = 3 0d ， c o d p = 3 7 5 ，侧流比为3 0 时，通过化学磷沉淀可回收进水t p 负荷的6 4 ，同 时使出水t p 浓度降至1m gp l 以下。 真实生活污水试验结果显示，由于进水t n 负荷过高( 9 0 - 1 2 0m gn l ) ，导 致出水t n 平均浓度达5 2 0m gn l ，去除率仅为5 5 。与此同时，生物除磷也受 到n 0 。一强烈抑制，系统几乎完全失去了生物除磷作用。 n 0 。对生物除磷影响小试试验表明，溶液中c o d 量的多寡决定着n 0 3 一对磷释放 的抑制作用。n o 。作为电子接受体吸磷效率最低，磷吸收率只有4 9 ；以n 0 。一十0 2 同时作为电子接受体时，磷吸收率次之，吸收率为8 0 ；以0 2 为电子接受体时效 率最高，吸收率为8 2 。 人工配水、真实污水以及小试试验揭示，在正常城市污水浓度范围内，进水 北京建筑工程学院硕士学位论文摘要 碳源不足限制脱氮除磷的问题可以通过厌氧上清液侧流磷回收的方式得以解决， 不仅回收了磷资源，同时也强化了生物除磷作用。 关键词：生物除磷，化学磷回收，侧流比，真实生活污水，厌氧释磷，吸磷 北京建筑工程学院硕士学位论文摘要 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nf a c t o r sc o n t r o l l i n gb i o - - pr e m o v a l e n h a n c e db yc h e m i c a lp h o s p h a t er e c o v e r y a b s t r a c t b a s e do nt h ea c t u a l i t yo ft h el o wc o d e m u e n ti no u rm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t s a l w a y sb e c a m et h er e s 仃a i nf a c t o r so fb i o pr e m o v a l s ow eb a s e do n t h eb c f st e c h n o l o g yt oa n a l y z et h a te x p e r i m e n t a ls t u d yo nf a c t o r sc o n t r o l l i n gb i o p r e m o v a le n h a n c e db yc h e m i c a lp h o s p h a t er e c o v e r y f i r s t l y , t h i st a s ku s i n gt h e m a n u a lm i xw a t e rs i m u l a t ed o m e s t i cw a s t e w a t e ro fl o wc o d ( c o d = 3 0 0m g l 1 a i m t h et p e f f i u e n tw a st o oh i g h ( 5m g l ) b e c a u s eo ft h ec o ds h o r t a g e t h e nw ea d o p t t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ne n h a n c i n gb i o pr e m o v a lb yc h e m i c a lp h o s p h a t er e c o v e r y a tt h es a l t l et i m el a b s c a l ee x p e r i m e n t sw e r eu s e dt os t u d yt h eb e s tp ho fc h e m i c a l p h o s p h a t er e c o v e r y t h r o u g ht h em a t hm o d e l i n gt e c h n o l o g yg u i d et h ep i l o t s c a l e e x p e r i m e n t a l a n a l y z i n gc o m b i n e dc h e m i c a lp h o s p h a t er e c o v e r y ( 1o 、2 0 、3 0 ) c o u l di m p r o v et h ec a p a c i t yo fb i o pr e m o v a l n e x tw et o o kt h er e a ld o m e s t i c w a s t e w a t e rv a l i d a t et h eb i o pr e m o v a lo fb c f st e c h n o l o g y b yt h el a b s c a l ea n a l y z e d t h ew a t e rq u a l i t yc h a r a c t e ra n du s i n gt h em a t hm o d e l i n gt e c h n o l o g ye v a l u a t e dt h e p i l o t s c a l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a tt h ee n dt h el a d s c a l ee x p e r i m e n t so fa n a e r o b i c p r e l e a s ea n da n o x i c a e r o b i cp u p t a k ea n a l y z e dt h epr e s t r a i n i n gp h e n o m e n o ni nt h e p i l o t - s c a l es y s t e m c h e m i c a lp h o s p h a t er e c o v e r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eb e s tp hw a s 9 0 , - 一9 5 b a s eo nt h eg r o u n dw a t e r , t h e r ew o u l db ep r e m o v a l8 0 9 0 w h e nt h e s i 盯w a s3 0d a y s ，c o d pw a s3 7 5 ，w i n li n c r e a s i n gt h es t r i p p i n gr a t i ou pt o3 0 ，t h e a v e r a g ep e f f i u e n tw e n td o w nt o1m gp l a n d6 4 o ft h ei n f l u e n tp 1 0 a d i n gc o u l db e r e m o v e d d o m e s t i cw a s t e w a t e re x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tb e c a u s eo ft h eh i g h n e f f i u e n t ( 9 0 一- 12 0m l ) ，t h ea v e r a g en e f f i u e n tw e n td o w nt o5 2m gn l ，t h e r e m o v a le f f i c i e n c yw a s5 5 b i o pr e m o v a lg o tr e s t r a i n t h e nh a v en oe n h a n c i n g b i o pr e m o v a lp r o g r e s s t h el a b s c a l ee x p e r i m e n t a lo fb i o pr e m o v a lb yn 0 3 。r e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h en 0 3 。s t r e n g t hr e s t r a i np - r e l e a s eb yt h ea m o u n to fc o dq u a l i t y a s t h ee l e c t r o na c c e p t o r so np u p t a k e ，t h e0 2w a st h eb e s t ，t h en 0 3 + 0 2w a st h es e c o n d , t h en 0 3 w a st h el a s t ，a n dt h ea b s o r p t i v i t ya r e8 2 ，8 0 ，4 9 k e y w o r d ：b i o pr e m o v a l ，c h e m i c a l pr e m o v a l ，s t r i p p i n gr a t i o ，d o m e s t i cw a s t e w a t e r , a n a e r o b i cp r e l e a s e ，p - u p t a k e 北京建藏工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，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，均己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。 学位论文作者签名：弘鹕年 日期：2 0 0 8 年1 2 月 北京建筑工程学院硕士学位论文 绪论 1 1 课题研究背景 1 绪论 随着工业的飞速发展和城市化水平的加快，人类社会对水资源的需求大量增 加，已超出可利用水资源的开采潜力，形成了所谓的水量性缺水。另一方面，水 体污染使原本可利用的水资源变得不可利用，形成水质性缺水，进一步加剧了水 资源短缺的程度。因此，解决水资源短缺问题，即要在水量上开源、节流，同时 也必须控制水污染。 水污染中氮( n ) 、磷( p ) 污染越来越引起人们的重视。氮、磷污染是指随着 人类对环境资源开发利用活动的日益增加，使大量含氮、磷营养物质的生活污水、 工业废水排入江河湖泊中，增加了受纳水体的营养物质负荷。其直接后果是藻类 和其它水生生物、植物大量繁殖，使水体在短时间内呈现水体衰老的状况，造成 水体质量恶化和水生态环境的结构破坏，即水体的富营养化引。 从水体中藻类对氮、磷需要的关系看，磷是引起水体富营养化的关键因素? 。制， 一般认为当水体中总磷达到0 0 1 5m g l 时就可引起水体富营养化呵1 。从来源看， 进入自然水体中磷的既包括点源污染( 污水集中排放) ，也包括非点源污染( 农业 等面源) 。据欧洲磷酸盐协会( c e e p ) 的调查，欧洲水体中磷：1 1 来自清洗剂的 使用、2 3 来自人体排泄物、4 9 来自农业、7 来自工业、1 0 来自天然磷矿蹲1 。 也即，水体中的磷约4 1 来自点源污染，5 9 来自农业面源污染及天然磷矿。目前， 对于面源污染尚无有效的控制手段。控制点源污染就成了缓解水体富营养化关键 技术措施，污水中的磷必须得到有效去除。为此，世界各国对生活污水处理中p 的排放标准提出了越来越严格的要求：1 9 9 5 年5 月欧共体( e c ) 城市污水处理指南 u w w t d 要求排入“敏感水体达到8 0 t p 去除率；德国和奥地利等国颁布的“污 水排放法”要求处理出水的t p 浓度低于1m gp l 。我国现行的污水排放标准中 对t p 的处理目标要求如下：现有生活污水厂一级排放标准为1 0m gp l ，二级排 放标准为2 0m gp l ；改扩建项目一级排放标准为0 5l u gp l ，二级排放标准为 1 0m gp l t g - n 1 。为了满足这样日益严格的排放标准，就必须开发有效的工程技术 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 措施。 1 - 2 传统磷污染控制方法概述 从去除机理上，传统磷污染控制方法可分为生物、化学和物理化学方法。 1 2 1 生物除磷 生物除磷，即利用生物生长对磷的营养需求实现磷的去除，包括微生物的作 用和水生生物的作用。 根据微生物的细胞组成c h ：0 0 科n p 。呲，p 元素约占细胞干重的2 。即微生物 每生长lg ，可摄取0 0 2gp ，从而使环境中的p 量减少。某些水生生物生长对p 的需求较高，若能有效地控制其生长、繁殖，就能获得较好的除磷的效果。我国研 究人员对水网藻、刚毛藻等藻类，采用筛绢制成的网袋进行了中间实验。实验结果 表明。：j 黜，在富营养化水体中氮、磷浓度为污水一级、二级处理出水浓度条件下， 水网藻6 日内磷的最大去除率为9 1 。刚毛藻与水网藻一样，对水质也有良好的净化 效果_ 引。此外，国内外还有不少学者研究了采用水域浮床无土种植法置埠1 ，种植水 稻等水栽生物，通过生物的吸收吸附作用，去除水体中的氮磷元素，以实现变废为 宝、净化水质的目的，并使水体产生良性循环n 伸3 。生物除磷最大的优点是运行成 本低，但仅靠生物生长的营养需求对p 的去除总量有限。 1 2 2 化学除磷 化学除磷，即投加化学药剂使磷酸盐以化学沉淀形式从污水中分离出来，1 8 7 0 首次在英国成为一种实用的污水处理方法乜h 引。1 9 世纪后期，英美等国广泛采用 化学沉淀法处理污水，但不久即被生物处理所取代，其原因是化学沉淀法引入了 新的化合物，而且该法的试剂消耗量大，运行费用高，产生大量且易造成二次污 染的污泥，这些问题在当时不能得到很好的解决忙钆2 矾。到了2 0 世纪8 0 年代，为 进一步提高污水中的有机物和磷的去除程度，又开始重新重视化学沉淀。常用的 化学除磷种类有：铝盐除磷，铁盐除磷，钙盐除磷，镁盐除磷。 ( 1 ) 铝盐除磷 铝盐除磷的反应式：a 1 3 + + h n p 0 4 卜一a i p o 。l + n h + 2 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 铝盐起主要混凝作用的是a l 。( o h ) ，而碱式氯化铝等溶液中就富含 a l 。( 0 h ) 等成分，故能与水体中的悬浮物和胶体等迅速发生吸附架桥、卷扫及夹 杂等作用，最终生成网状 a l ( 0 h ) 。 沉淀而达到净化水的目的。j a m e s 等0 6 巍利用 a 1 ：( s o 。) 。1 8 h ：0 作为混凝剂处理平均t p 浓度为9 6m gp l 养殖废水，磷的去除 率达到8 9 ，最终出水中磷的含量为0 3m gp l 。 ( 2 ) 铁盐除磷 铁盐除磷的反应式：3 f e 2 + + 2 p 0 3 4 一f e 。( p o 。) ：l 常用于污水化学除磷的铁盐包括f e c l 。、f e e l ：和f e ：( s 0 4 ) 。这些都是可以在市 场上大批量购买到的化工产品，钢铁工业的酸洗废液也是重要的f e c l ：和f e s 0 4 的来 源，只要来源稳定、纯度满足要求，就可通过以废治废，大幅度降低除磷费用瑚3 。 ( 3 ) 钙盐除磷 c a ( o h ) 。投入水体后与磷酸根离子发生沉淀作用产生的沉淀物为羟基磷灰石 ( c a s ( o h ) ( p 0 4 ) 3 ) ，反应方程式：5 c 矿+ 4 0 盯+ 3 h p 0 一c a 5 ( 0 h ) ( p 。l + 3 h ：0 。 在沉析过程中，对于不溶解性磷酸钙的形成起主要作用的不是c a 2 + ，而是o h - 离子， 因为随着p h 值的提高，c a 。( o h ) ( p 0 4 ) 。的溶解性降低，废水的除磷效果逐步提高。但 在p h 值为9 5 到1 0 5 的范围内，除了会产生c a 3 ( p 0 4 ) ：沉析外，还会产生c a c o , ，这 也是导致在池壁或渠、管壁上结垢的原因。 ( 4 ) 镁盐除磷 磷酸氨镁法是近几年国际上非常流行的废水除磷方法，磷酸氨镁法除磷的反应 方程式：2 + + p 0 3 吖+ 6 h 2 0 一n h 。p 0 4 6 h , oi 。 该方法可以利用的镁源除了常见的镁盐及镁的氧化物和氢氧化物外，卤水及海 水等其他含镁物质都是廉价的镁源，并且除磷效果不逊于镁盐。l e e 等汹。”比较了3 种镁源：卤水、无钙海水和氯化镁在废水脱氮、除磷中效果的差别，发现除了卤水 的脱氮效果稍逊其他两种镁源外，三者除磷效果无明显差别，废水中磷的去除率可 达7 5 8 1 。 化学除磷系统最大的特点是可以通过控制药剂投加量来控制除磷效果，宏观 除磷效果显著。但化学沉淀因为遵循溶度积原理，在接近溶度积时沉淀便不是很 明显，通过单独的化学除磷就很难使出水达到满意的低浓度要求。 3 北京建筑工程学院硕士学位论文 绪论 1 2 3 物理化学方法除磷 这里简单介绍下电解法、电渗析法、吸附法。 ( 1 ) 电解法：电解法常采用铜、铝、铁等材料做电极，以去除污水的污浊物质。 相对于其它的废水处理而言，电解法装置简单，控制容易，如今直流、交流电解 法处理废水技术己经工业化。电解法去除污水中磷的效率高，曾有日本科学家神 代和幸试验使用碳、铝、铜或铁为电极，必要时可以添加电解质氢氧化钠，在直 流0 5 a 的条件下，电解家庭污水2 h ，使磷的去除率高达9 9 5 ，还有研究报道毛刺， 将电解与不循环相比，可以使磷的去除率提高约4 0 。电解优点还在于同时脱氮， 降低c o d 。，和b o d 。，电解法的主要缺点是沉淀生成量及电极材料消耗量较大，运行 费用较高。 ( 2 ) 电渗析法：电渗析是一种膜法分离技术，它利用施加在阴阳膜对之间的电 压去除水溶液中的溶解物质。在利用电渗析法去除磷时，预处理和离子选择性显 得特别重要。高选择性的防污膜仍在发展中，其目的在于使电渗析系统成为一个 去除水中营养物的实用方案之一。全面的磷去除工艺，必须有浓废水的处理或处 置措施。电渗析工艺只是改变一种离子或多种离子的浓度。电渗析器的出水有二 股，一股的浓度较低，另一股的浓度较高，因此电渗析系统必须包括电室中产生 的高浓度废水的处置设施。 ( 3 ) 吸附法：吸附法主要是利用吸附剂吸附废水中的要去除组分从而达到处理 目的。吸附剂是具有很强吸附能力的多孔物质，主要有活性炭、膨润土和一些天 然的吸附剂如玉米棒子、椰子壳和棕搁纤维。拧脚，此外还可以微生物和塘沟污泥 中的腐殖质作吸附剂睁n 1 。据报道“2 1 ，以天然沸石、膨润土为基材，经氯化镁和 氯化铝处理并活化而制得的新型吸附剂f m a 和b m a 对磷有良好的吸附能力，用来 处理含磷废水时，磷的去处率在9 5 以上。且饱和吸附磷后的吸附剂，可用洗脱 液进行洗脱，洗脱率达1 0 0 ( f 拟) 和8 1 ( b m a ) 。 1 3 强化生物除磷( e b p r ) 1 9 5 9 年，印度的s r i n a t h 等人首次在污水处理工艺的好氧阶段发现p 的过量 吸收( 远超过微生物生长需求) 现象。l c v i n 和s h a p i r o “p 盯3 ( 1 9 6 5 ) 在若干个污水处 4 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 理厂进行了第一次生物除磷现象的系统研究。通过观察得到的主要结论是水中正 磷酸盐的浓度在无氧状态下增加，在好氧状态下减少。在实验观察的基础上，l c v i n 和s h a p i r o “引提出，这种磷的过量现象是一个生物的过程，而不是化学沉降的结果。 随后，在污水工艺设计上开始充分考虑到磷的超量吸收，生物除磷的效率得到大 幅提升，因此称为强化生物除磷( e b p r ) 。 1 3 1 强化生物除磷的机理 目前关于强化生物除磷普遍接受的机理是：一些具有特殊功能的菌种( 聚磷 菌：p a o s ) 在厌氧条件下，分解体内储存的多聚磷酸盐( p o l y - p ) ，产生能量用于 吸收水中的挥发性脂肪酸n 1 ，并以p o l y - b - h y d r o x y a l k a n o a t e s ( p h a ) 的形式贮存 于生物体内，同时向水中释放大量正磷酸盐( p 0 4 孓) ；当环境变为好氧缺氧状态 时，聚磷菌( p a o s ) 则以0 2 n 0 3 - 为电子受体分解细胞内贮存的p h a ，产生能量 摄入水中的正磷酸盐并以p o l y - p 形式储存于细胞内。好氧缺氧环境摄入的磷量大 于厌氧环境释放的磷量。随厌氧好环境的交替，p 在细胞体内大量富集，随污泥 排放从水中脱离而实现磷的去除( 图1 - 1 ) 。 厌氧状态 图1 - 1 强化生物除磷机理 好氧缺氧状态 p h a 的化学结构组成主要取决于原水中有机底物的种类。如果用乙酸盐作为 碳源，p h a 组成以p o l y - b h y d r o x y b u t y r a t e ( p h b ) 为主；如果用丙酸盐为碳源，则 以p o l y - 1 3 - h y d r o x y v a l e r a t e ( p h v ) 为主。通常在一个水厂的生物中，可以发现多种 5 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 p h a 的混合物：删到。生物体内的另一聚合物糖原( g l y c o g e n ) 也提供一定的能 量，但其主要作用是提供还原力，从而调节细胞内的氧化还原平衡。 1 3 2 聚磷细菌( p a o s ) 污水生物除磷中的主角聚磷微生物的研究对于进一步改良生物除磷工 艺，深入理解环境中磷的生物地球化学循环，都有着非常重要的意义。但是对于 除磷系统中的优势菌种一直没有明确的定论。据文献资料报道，聚磷微生物主要 是a c i n e t o b a c t e r ( 不动杆菌属) 瞄3 训。其特点是能在体内吸收大量的有机磷。在 除磷系统中可达6 0 以上。a c i n c t o b a c t c r 存在于水体中和土壤中，其营养物质主 要是有机酸和乙醇。在物质代谢过程中通常需要溶解氧( d o ) ，也有一些只需结 合态氧如硝酸盐等。 除a c i n e t o b a c t e r 外，还有一些微生物如k l e b s i e l l ap n e n m o n i a ，m i c r o t h r i xs p p ， b a c i l l n sc e l e n $ ，p s e n d o m o n a ss p p ，c i t r o b a c t e rf r e m m d i i ，a e r o m o n a ss p p ，m o r a x e l l a s p p ，a e r o b a c t e ra e r o g e n e s ，s t r e p t o e o c c n sf a e c n l i s 和a r t h r o b a c t e r 等也能在体内吸 收磷。这些细菌统称为聚磷菌射。 但是越来越多的研究对于a c t i n o b a c t e r i a 的相对重要性都产生了怀疑，认为b p r o t e o b a c t e r i a 中的菌种一直表现为占优势，即使是在非除磷系统中也是如此刮。 l e e 等渤州研究了利用原位荧光杂交技术( f i s h ) 确定聚磷微生物的可行性，采 用3 3 p i ( 微生物生态学研究中常用的放射性示踪迹) 研究了属于1 3 和y p r o t e o b a c t e r i a 亚纲的具有聚磷功能的细菌，研究表明聚磷菌主要隶属于1 3 - p r o t e o b a c t e r i a 亚纲，b p r o t e o b a c t e r i a 比a c i n e t o b a c t e rs p p 和y p r o t e o b a c t e r i a 亚 纲的其它细菌的强化生物除磷( e b p r ) 工艺中起着更为重要的作用。 k o n g 等抽幻利用染色方法和f i s h 技术，研究了某s b r 生物膜中的微生物。研 究表明，细菌群落中的1 3 - p r o t e o b a c t e r i a 亚纲和r h o d o c y c l u s 类微生物直接与 磷的去除效率有关，大部分r h o d o c y c l u s 类微生物在厌氧条件下能同化醋酸和 p o l y 一1 3 _ h y d r o x y a l k a n o a t e s ( p h a ) ，在好氧条件下能同化3 3 p i ，另外一些 a c t i n o b a c t e r i a 也能同化3 3 p i 。 6 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 1 3 3 强化生物除磷工艺 实现e b p r 的关键是使活性污泥在厌氧啼缺氧哼好氧区之间形成动态循环。在 此种运行模式驯化作用下，活性污泥中聚磷菌( p a o s ) 形成稳定种属，并占据较大 优势。自早期以单独除磷为目标的厌氧好氧( a o ) 工艺开始，e p b r 工艺向着实 现同步脱氮除磷及节能高效的方向不断发展，出现了p h o r e d o x 、a 2 o 、改良氧化 沟、u c t 、j o h a n n e s b u r g 、m u c t 、b c f s 等众多工艺。 其中a 2 o 工艺( 图1 - 2 ) 发展虽然只有2 0 多年，但其工艺简单，能兼顾脱氮除 磷，并有较好的效果，在国内外发展迅速，成为众多城市污水处理厂的首选工艺。 但多年来的运行经验及实验研究表明a 2 o 工艺存在固有缺欠，即硝化菌、常规异 养菌( 0 h 0 ) 和聚磷菌在有机负荷、泥龄( s r t ) 及碳源需求上存在着矛盾和竞争。 其中最突出的问题为o h o 和p a o s 在碳源( v f a ) 上的竞争。如图1 - 2 所示，当回流 污泥中含有一定浓度的n o 。时，进入厌氧池后o h o 就会优先消耗水中的v f a 进行 反硝化，从而抑制p a o s 进行厌氧释磷。 混合液回流 图l - 2 传统g o 工艺流程 为了消除回流污泥中n 0 3 。对厌氧释磷的干扰，1 9 8 4 年e k a m a 等人提出的 u c t ( u n i v e r s i t yo fc a p et o w n ) 工艺，见图卜3 。u c t 工艺不是将污泥直接回流到 厌氧池，而是首先回流到缺氧池，使污泥经反硝化后再回流到厌氧区，这样可在 缺氧池内进行反硝化将n 0 3 尽可能去除。在u c t 工艺的运行实践中也发现了反硝 化除磷现象2 删。 7 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 进 混合液回流 图1 - 3u c t 工艺流程 但是当进水t k n c o d 较高时，缺氧区无法实现完全的脱氮，仍有部分硝酸 氮进入厌氧区，所以将缺氧区一分为二，各尽其责，使工艺更加清晰有效，同时 也避免了u c t 工艺的回流交叉现象，使工艺运行更加容易控制，此工艺称为m u c t 工艺，是对u c t 工艺的改进，所以也称之为改良型u c t 工艺( 见图1 - 4 ) 。删c t 工 艺有两个缺氧池，前一个接受二沉池回流污泥，后一个接受好氧区硝化混合液， 使污泥的脱氮与混合液的脱氮完全分开，进一步减少硝酸氮进入厌氧区的可能。 混合液回流 图1 - 4m u c t 工艺流程 在工程实践中，为最大程度地从工艺角度创造反硝化除磷菌( d p b ) 的富集条 件哺毹，荷兰代尔夫特理工大学( t ud e f l t ) k l u y v e r 生物技术试验室研发出一种新 型的u c t 工艺一b c f s 。与u c t 不同的是，b c f s 工艺被扩展为5 个反应单元、3 个 内循环和一个侧流除磷单元( 见图1 5 ) 。这种变型方式极大地改进了u c ，r 的工艺性 能，而且较好地利用了可以获得的有机物质。从流程上看，b c f s 工艺在主流线上 较u c t 工艺增加了两个反应池。第一个增加的反应池介于u c t 工艺的厌氧池与缺氧 池中间，即接触池，起到第二选择池的作用。厌氧池出水中含少量溶解性c o d ，仍 可在后续好氧环境中为丝状菌生长创造机会。增加接触池后，回流污泥与来自于厌 氧池的混合液充分混合，几乎吸附了所有厌氧出水中的残余c o d ，从而最大限度地 北京建筑工程学院硕士学位论文 绪论 降低丝状菌膨胀发生的可能性。 污水 图l - 5b c f s t 艺流程5 增加的第二个反应池是缺好氧池。介于u c t 工艺缺氧池和好氧池之间，目的 是形成低氧环境以获得同时硝化与反硝化，从而保证出水含有较低的总氮浓度。 这个新增设的反应池体积约为全部反应池总体积的1 3 ，仅在以下三种情况时适 当曝气：( 1 ) 好氧池溶解氧( d 0 ) 浓度太低；( 2 ) 混合池中氧化还原电位( r e d o x ) 太低；( 3 ) 缺氧池中r e d o x 太低。对应增加了好氧池与混合池之间的混合液回流 一内循环b ，以增加硝化或同时硝化与反硝化的机会，为获得良好的出水氮浓度 创造条件。 为了实现磷回收，设置了一个离线磷沉淀单元：通过侧流的方式引出厌氧池 上清液至磷沉淀池，沉淀反应后上清液回流至接触池参与后续生物反应。由于各 反应器中厌氧池的磷浓度最高( 约3 0m gp l ) ，可投加少量的化学药剂而获得较 高的沉淀效率。离线操作的方式避免了化学沉淀与生物固体的混合，易于实现磷 资源的回收。同时，通过化学沉淀方式去除一部分进水t p ，就相应降低了后续生 物除磷的负荷，相对提高了进水c p 。因此化学磷回收对生物除磷具有强化作用。 1 3 4 强化生物除磷的影响因素 污水生物除磷作用是一个复杂的过程，其中不仅要求系统运行的稳定，包括 溶解氧( d i s s o l v e so x y g e nd o ) 、硝酸盐、温度、s r t 等因素，还受污水水质成 份等因素的影响。 9 北京建筑工程学院硕士学位论文 绪论 ( 1 ) d o 和n 0 3 d o 和n 0 3 对生物除磷既存在有利的影响，也存在不利的影响。一方面，磷 的超量吸收需要0 2 n 0 3 - 等电子受体的参与。另一方面，磷的释放必须保持一个 严格的厌氧状态，d o 和n 0 3 进入厌氧区会对生物除磷产生不利影响。在实际运 行中，生物除磷主要受n o s - 的影响。一旦硝酸盐进入厌氧区：短期而言，v f a 将 优先用于反硝化，导致厌氧释磷因缺乏基质( a ) 而不能充分进行；长期而言， p a o s 在碳源竞争中处于劣势，不能成为优势菌种，导致强化生物除磷的失效汹“。 ( 2 ) 温度 温度对生物除磷也有正反两面的影响。对生物体：温度降低，厌氧释磷和好氧吸 磷转化速率下降，导致释磷和吸磷量的降低；但与此同时，微生物衰减速率下降，系 统内生物量增加，总聚磷能力增加。对混合菌群：低温条件下，厌氧区内各种微生物 同聚磷菌对底物的竞争强度降低，聚磷菌的数量增加3 。此外，温度对活性污泥的 沉淀性能也有影响，进而影响出水t p 。 ( 3 ) s r t 强化生物除磷系统中磷的最终去除是通过剩余污泥排放实现的，因此s r t 对 生物除磷具有关键影响。s r t 越短，排除系统的污泥量越多，但同时过量吸磷效 应越不显著( 生物体内p 的含量减少) 。s r t 越长，过量吸磷效益越强( 生物体 内p 的含量增加) ，但剩余污泥排放总量减少；此外，过长的s r t 还容易导致过 量曝气( p a o s 储存的糖元被氧化，聚磷菌生长受限) 和细胞衰减加剧( p o l y - p 以溶解的方式释放) 等不利影响。一般而言，要取得较好的生物除磷效果，s r t 不应小于1 5 d 。 ( 4 ) 污水水质成份 污水中存在易降解的基质是生物除磷的重要条件，尤其是短链有机酸与醇类 化合物的存在，可促使能贮存聚合磷的细菌大量增殖，并能提高细菌吸收磷的特 性。研究人员发现，p a o s 的聚磷能力与其体内贮存的碳水化合物( 主要是p h a ) 的量有关，当体内碳水化合物含量高时，p a o s 的聚磷能力强；反之，则p a o s 的聚磷能力相应下降。如果生活污水中易生物降解的有机质含量高的话，就会促 进聚磷菌的除磷性能。 1 0 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 1 4 进水低碳源对强化生物除磷的限制 在进水碳源充足的条件下，聚磷菌在好氧环境中几乎能将环境中的正磷酸盐 全部摄入体内，进而通过固液分离获得极低的出水p 浓度。一般认为，单独的生 物除磷系统，获得较好的生物除磷效果所需的进水b o d p 最少为2 0 ；单独生物 脱氮所需的b o d n 最少为4 5 。我国城市生活污水处理厂进水水质条件一般为： b o d = 2 0 0 - 3 0 0m g l ，t n = 5 0 一- 6 0m gn l ，t p = 6 8m gp l 。可见，实际进水 碳源很可能成为影响脱氮除磷效果的限制因素。 1 5 化学除磷与生物除磷的结合 针对进水碳源不足，有两种应对措施：一是外加碳源；二是通过系统内化学 磷回收相对提高后续生物除磷所需c o d p 。外加碳源不仅从经济上不切实际，还 会增加剩余污泥的产量。如果能从系统内实现化学磷回收，不仅能达到强化生物 除磷的目的，而且还能同时减少曝气量和剩余污泥产量。基于这一考虑，化学除 磷与生物除磷的结合越来越受到世界各国学术和工程界的关注。 早期的化学除磷辅助生物除磷主要采取在线投加( 至好氧池或出水等处) 金 属离子的方式。由于投加点处正磷酸盐浓度较低，受溶度积规则的限制，即使投 加大量的金属离子也很难获得理想的出水p 浓度。此外，向曝气池直接投加化学 药剂还会导致污泥龄长的细菌( 如硝化细菌) 一并沉淀，以及产生难于处理的化 学污泥的问题。 为了克服在线投加化学药剂的缺点，出现了离线辅助化学除磷工艺。离线化 学除磷( p h o s t r i p 工艺) 由l e v i n ( 1 9 9 6 ) 首先在2 0 世纪6 0 年代设计并应用( 图 1 6 ) 。如图1 - 6 所示，一部分回流污泥被引入一个维持厌氧环境的“磷分离罐 ( s t r i p p e r ) ，并向磷分离罐中加入乙酸和原水，以刺激磷的释放。当泥、水分离 后，上清液便成为磷酸盐富集的水流，因此可被投以化学药剂进行混凝沉淀或结 晶沉淀。 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 图1 _ 6p h o s t r i p ( 磷分离) 工艺流程 为了实现最小的药剂投加量及磷资源的回收，b c f s 工艺提出了一种新的解 决方案，即厌氧上清液侧流磷回收( 图1 5 ) 。通过侧流的方式引出厌氧池上清液 至磷沉淀池，沉淀反应后上清液回流至接触池参与后续生物反应。由于各反应器 中厌氧池的磷浓度最高( 约3 0m gp l ) ，可投加少量的化学药剂而获得较高的沉 淀效率。离线操作的方式避免了化学沉淀与生物固体的混合，易于实现磷资源的 回收。s m o l d e r s 等人( 1 9 9 6 ) 的实验显示 们，采用厌氧上清液磷回收辅助生物除磷 后，生物除磷对有机物的需求量可减至2 ：l 。 1 6 课题研究的目的、内容和方法 1 6 1 课题研究的目的 b c f s 在工艺设计上避免了o h o 和p a o s 在碳源( a ) 上的竞争，并充分 考虑了反硝化除磷节省碳源的作用，为生物脱氮除磷提供了良好的工艺条件。前 期试验研究表明，在进水碳源水平较高( c o d = 4 5 0 - - 一5 0 0m g l ，t p = 8m gp l ，t n = 5 0 6 0m gn l ) 条件下，b c f s 工艺可获得良好稳定的运行效果，出水水质为：t p = o 5 m gp l 、t n = i om gn l 、c o d = 2 5m g l 。但进水低碳源条件仍可能成为影响b c f s 工艺运行效果的限制性因素。为此，本课题采用人工配水，首先考察b c f s 工艺在 进水低碳源条件下( c o d = 3 0 0m g l ，t p = 8m gp l ，t n = 5 0 - - - 6 0n a gn l ) 的运行效 果，重点在于探讨应对进水碳源缺乏的运行措施( 厌氧上清液侧流磷回收强化辅 1 2 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 助生物除磷) ，随后采用真实生活污水进行验证。具体包括： 1 化学磷回收厌氧上清液最佳测流比的确定； 2 不同p h 条件对化学磷沉淀效率的影响； 3 b c f s 生物除磷工艺对真实生活污水处理效果的试验研究； 4 n 0 3 - x 寸厌氧释磷的影响。 1 6 2 课题研究的内容 为达到上述目的，课题分为三部分- j 、试、中试研究和数学模拟。 本课题首先用人工配水模拟低碳源( c o d = 3 0 0m g l ) 城市生活污水，为解决碳 源不足引起的出水t p 严重超标问题，采用化学磷回收强化生物除磷，同时从小试 试验研究了化学磷回收最佳p h ，通过数学模拟技术指导中试试验，从厌氧池上清 液三个侧流比( 1 0 、2 0 、3 0 ) 分析了化学磷回收对生物除磷的强化作用。 然后取真实生活污水验证b c f s 工艺的生物除磷能力，通过小试试验分析真 实污水的水质特征，为数学模拟提供可靠数据，同时应用数学模拟技术进行试验 定向和评价分析。最后通过厌氧释磷和缺好氧吸磷的小试试验，研究中试系统在 处理真实生活污水时磷抑制的现象。 1 6 3 课题研究的方法 l 、化学分析：对水样进行常规水质分析，包括c o d 、t p 、p 0 4 3 、t n 、n i - 1 4 + 、 n 0 3 - 等的测定分析订。 2 、物理分析：对系统中的污泥浓度( s s 、v s s ) 进行测定；利用显微镜观测污 泥中生物相；利用r o 、o p r 测定仪观测系统中缺好池、好氧池及厌氧池中微生物 的生长的环境指标。 3 、数学模拟：应用数学模拟技术进行试验定向，以快速确定试验的关键方向和 内容。 1 7 论文梗概 论文主要分为6 个章节：第l 章，绪论。概要的阐述了传统磷污染的控制方法， 强化生物除磷的机理和工艺，化学除磷和生物除磷的结合；第2 章，试验方法及装 1 3 北京建筑工程学院硕士学位论文绪论 置。阐述了b c f s 工艺中试试验装置及运行，配合中试试验研究影响因素的小试试 验方法。第3 章，化学磷回收对生物除磷的强化作用。用数学模拟技术分析低碳源 进水运行影响，p h 对化学除磷的影响，最后是模拟预测和中试试验。第4 章，真实 生活污水的试验研究。分析了真实生活污水水质特征及进水水质对营养物去除的影 响，最后应用数学模拟技术对结果对比分析。第5 章，n o 。一对厌氧释磷、缺好氧吸 磷的对比分析。阐述了厌氧释磷的影响因素和缺好氧的吸磷对比。第6 章，将本 研究中的主要结论进行总结，并对进一步研究的方向和方法提出合理化建议。 1 4 北京建筑工程学院硕士学位论文 试验方法及装置 2 1 试验概述 试验方法及装置 根据荷兰某污水处理厂实际运行工艺参数设计了b c f s 中试装置。首先采用人 工配水模拟实际低碳源进水条件，结合数学模拟考察b c f s 中间试验系统在低碳源 情况下的运行效果。针对b c f s 中间试验系统在低碳源情况下生物除磷效果恶化问 题，应用数学模拟技术进行试验定向，确定了以厌氧上清液磷回收辅助生物除磷 的应对措施。随后分别以1 0 ，2 0 和3 0 的侧流比进行试验验证，并通过通过小 试研究确定化学磷沉淀的最佳p h 值。获得低碳源条件的最佳运行策略后，取真实 生活污水考察b c f s 中间试验的脱氮除磷效果。最后通过厌氧释磷和缺好氧吸磷 的小试试验，研究b c f s 中试系统在处理真实生活污水时由于进水t n 负荷过高 造成的生物除磷受抑制现象。 2 2 中试试验装置及运行管理 2 1 1 工艺流程 试验装置采用b c f s 工艺，它是一种新型的生物营养去除( b n r ) 工艺，其 工艺流程如图1 5 所示。如第一章中所述，它是u c t 工艺的变型。整个装置包括 6 个池体，依次是厌氧池、接触池、缺氧池、缺氧好氧池( 后简称“缺好池”) 、 好氧