（模式识别与智能系统专业论文）生物脱氮除磷工艺中的化学辅助除磷试验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 近年来，我国水体富营养化现象日趋严重，这严重威胁着饮用水安全。随着国家对 污水排放要求的提高，通过投加化学药剂来强化除磷效果将逐渐被应用于实际生产实践。 但对化学辅助除磷工艺尚缺乏足够的应用数据，因此有必要对该技术进行全面系统的研 究。 本试验以实际城市污水为研究对象，通过烧杯实验对5 种常用的化学除磷药剂：三 氯化铁、硫酸亚铁、三氯化铝、聚合氯化铝、聚合硅酸硫酸铁的除磷效果进行分析，优 选出最佳的除磷药剂；将优选出的化学药剂投加到倒置a 2 o 反应器进行中试，通过中 试确定药剂的最佳投加点及最佳投加量；对倒置a 2 o 反应器沿程取样进行分析，探索 化学辅助除磷与生物除磷之间的协同效应；对单纯生物工艺和化学辅助除磷工艺的剩余 污泥进行消化试验，研究药剂投加对剩余污泥消化性能的影响效果，为其进一步资源化 利用提供依据。 除磷药剂优选试验结果表明：铁系对磷的去除效果优于铝系，其中硫酸亚铁的除磷 效果最佳。当f 们p = 1 2 时，可使t p 降至0 4 8 m g l ，满足一级a 排放标准 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) ，当f 讥p = 1 6 时，硫酸亚铁对溶解性磷酸盐的去除率高达9 6 3 7 ， 并使出水t p 含量降为0 3 8 m g l ；同步除磷药剂主要通过对溶解性磷酸盐的去除来提高 系统对磷的去除效率的；从药剂对磷的去除效果、经济性、易得性等方面综合考虑，建 议选择硫酸亚铁作为生物化学同步除磷的首选药剂。 投加点的优化试验结果表明：好氧区末端投加效果较优，在按照絮凝剂中金属与去 除磷元素的摩尔比( f e t p ) 为1 6 ：1 投加硫酸亚铁的条件下，其对t p 、p 0 4 3 。的去除率 比在厌氧区末端投加分别提高了4 1 9 、3 8 6 ，而对c o d e r 、t n 、n h 3 - n 、s s 的去除 率影响较小。 投加量的优化试验结果表明：当f e t p 1 6 时，t p 去除率随药剂投加量的增加而 增加，自7 6 0 7 增加至9 0 0 6 ；当f e t p 1 6 时，t p 的去除率无明显增加趋势，稳定 在9 0 左右，出水t p 含量均小于0 5 m g l ，满足城镇污水处理j r 一污染物综合排放标准 ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 一级a 排放标准。当f e t p = 1 6 时，c o d e r 、n h 3 n 、t n 、s s 的去 除率分别为7 5 5 4 、9 3 4 8 、3 4 2 5 、9 2 1 9 ，除t n 外，其他指标出水均可满足一级 a 排放标准；当f e t p ，1 6 时，c o d e r 、n h 3 - n 、t n 、s s 等的去除率无明显增加趋势。 山东建筑大学硕士学位论文 随着f e s 0 4 投加量增加，出水总f e 含量也呈上升趋势，当f e t p 1 6 时，出水总f e 含 量能满足地表水环境质量标准g b3 8 3 8 - - 2 0 0 2 中对于集中式饮用水地表水源地铁的 浓度的规定( 2 0 , - - - - 3 0 ，c o d t k n 9 时，方可在厌氧区获得良好的释磷效果。e w a l i e e t a l e l 8 】的报道中认为去除l m g 溶解性磷大约需要2 0 m g v f a c o d 。a b u - g h a r a r a h 和 r a n d a l l e l 9 】的研究也认为每去除l m g p 至少需要2 0 m g i - i a c c o d 。生物除磷需要满 足以下几个条件：存在聚磷菌；有厌氧和好氧期；存在易生物降解物质和 相当高浓度的磷，其中易生物降解物质往往是影响生物除磷效果的限制因素。运 行良好的生物除磷工艺出水中的磷可达l m g l ，因此，对于中高浓度污水( b o d 5 在2 0 0 m g l 左右及以上) 或者对出水中磷要求不严的场合，采用生物除磷工艺是 比较合适的选择【2 0 1 。 s t r e i c h e n ( 1 9 9 0 ) 2 1 1 等人通过研究认为，假单胞菌属和气单胞菌属可占聚磷 菌数量的1 5 - - 2 0 ，而不动杆菌仅占1 1 0 。但较多的报道认为，虽然不动 杆菌并非惟一的聚磷菌，但在生产性生物处理系统中不动杆菌储存聚磷的能力最 强，在生物除磷系统分离出的细菌中不动细菌数量居多。近年来，采用非培养的 方法对包括不动杆菌在内的聚磷菌进行大量研究的结果表明，生物除磷系统中的 微生物是多样化的【2 2 】，l i u 等( 1 9 9 5 年) ，g i e s e k e 等( 2 0 0 2 年) 研究发现在以乙 酸盐为碳源的s b r 反应器中具有较高除磷能力的活性污泥中至少包含三种主要 微生物。 6 山东建筑大学硕士学位论文 兼性厌氧反硝化除磷细菌d p b ，可利用0 ：或n 0 3 一作为电子受体，基于体内的聚 一1 3 羟基丁酸盐( p h b ) 和糖原等的生物代谢原理与传统的a o 法中p a o 极为相似。 在厌氧阶段，可溶解性b o d 被降解为低分子有机物，被d p b 迅速吸收之后大量繁殖， 同时水解细胞内的聚合磷酸盐将产生的无机磷酸盐排出细胞外，利用此过程产生 的a t p 、d p b 合成大量的p h b 贮存体内；而在缺氧阶段，d p b 以n 0 3 一作为氧化p h b 的 电子受体，利用降解p h b 产生的a t p ，大部分供给d p b 细菌合成( 包括糖原的合成) 和维持生命活动，一部分则用于过量摄取水中无机磷酸盐并以聚合磷酸盐的形式 储存于细胞体内，同时n 0 3 + 被还原为n ：。如此在厌氧、缺氧交替运行条件下，即 可实现d p b 反硝化效果。研究表明瞳3 i ，创造厌氧、缺氧交替的环境就可筛选出以 n o 。一作为电子受体的d p b 。当微生物依次经过厌氧、缺氧和好氧3 个阶段后，约占 5 0 的聚磷菌既能利用0 2 又能利用n 0 s 一作为电子受体来吸收磷，而剩余的微生物仅 能利用0 2 作为电子受体，f l p d p b 的除磷效果相当于总聚磷菌的5 0 左右。这一结果 表明，除了0 ：可作为电子受体外，n 0 。一也可以作为氧化d p b 的电子受体；污水生物 除磷系统中的确存在d p b 微生物，并且通过驯化可得到富集d p b 的活性污泥乜钔。 影响生物除磷的因素有很多，其中主要的有c o d p 的比值、d o 浓度和n o x 浓度等。 生物除磷要求c o d p 的比值大于3 0 ，系统才能有效工作，磷的去除率随 c o d p 的比值上升而上升。s i e b r i t z 的试验表明，磷的去除与污水中快速降解的 c o d 浓度密切相关【2 5 1 。 溶解氧浓度对生物除磷影响很大。厌氧放磷过程必须保持严格的厌氧状态 ( d o o 2 m g l ) ，一旦有氧，兼性厌氧菌就不会诱导放磷；而好氧区则应保持一定 浓度的溶解氧，使聚磷菌能利用好氧代谢氧化磷酸化释放出的大量能量充分吸收 磷。根据工程实践经验，好氧池出水端d o 值为1 5 - 2 0 m l l 时除磷效果较好【2 6 1 。 n o x 的存在也会影响厌氧池放磷，其影响有两个方面：一是产酸菌可利用 n o ，作为最终电子受体氧化有机物而抑制厌氧发酵和产生挥发性脂肪酸；二是 反硝化菌可利用n o 。进行反硝化与聚磷菌竞争易降解的有机基质，而前者的竞 争能力远大于后者，因此抑制和破坏了磷的释放。只有当厌氧池中的溶解氧浓度 降低到2 m g l 以下时，厌氧放磷彳能币常进行。此外，温度、p h 、泥龄等也是 生物除磷的重要影响因素。 山东建筑大学硕士学位论文 d b p 在厌氧段的释磷量和p h 的大小有关系、k u b a 等在5 种不同的p h ( 6 o 8 o ) 下，对d b p 在厌氧段的释磷量和h a c 消耗量进行了研究，p h 的大小对h a c 的消耗量没有影响，但是对释磷量有影响，d p b 厌氧状态释磷的适宜p h 值范围 是6 0 7 0 t 2 7 1 。 ( 2 ) 污水生物除磷工艺【1 0 】 生物除磷工艺有很多种，如a o 工艺、a 2 0 工艺、u c t 工艺、s b r 工艺等。 厌氧好氧工艺( a o 工艺) ：图1 1 为厌氧好氧工艺流程图 污水出水 图卜1a 0 法除磷工艺流程 该工艺主要优点：工艺简单；厌氧段置于好氧段前，有利于抑制丝状菌生长， 防止污泥膨胀，且减轻好氧段的负荷；停留时间短，泥龄也较短；在同一系统中 完成脱氮除磷功能；剩余污泥含磷高，有利于综合利用；投资运行费用低，因而 得到广泛应用，是目前生物脱氮除磷的主流工艺。缺点：面临着碳源、硝酸盐、 泥龄等方面的矛盾，脱氮除磷效果难以同步提高。其结果往往是脱氮超过了标准， 除磷却达不到要求；二沉池有磷释放，所以在污水除磷过程中，一般除磷效率只 达到7 5 ，出水含磷在l m l 左右，效率难以再提高。 厌氧缺氧好氧( a a o ) 工艺：厌氧缺氧好氧工艺是在厌氧好氧工艺的基 础上，中间加了一级缺氧过程，它不但能有效的去除b o d 和磷，还能进行硝化、 反硝化。当进水中t p 为1 0 m g l 时，除磷效率可达到8 5 9 0 ，a a o 法在废 水处理流程中设置厌氧、缺氧、好氧段，为除磷脱氮供了有利条件。其具体运行 过程为：进水进入厌氧段，聚磷菌释放磷，进人缺氧段，聚磷菌继续放磷，同时 异养型反硝化菌对硝酸盐进行硝化，将其还原为氨气从水中逸出，进入好氧段， 聚磷菌大量吸磷，由于自养型硝化菌进行作用，将氨氮硝化为硝酸盐一混合液回 流到厌氧段重复以上过程一二沉池，污泥沉淀回流出水。除磷脱氨是在重复的厌 氧缺氧好氧过程中完成，使磷氮的出除率提高。a a o 法的优点在于除磷脱氮 效果较好，无需投约，厌氧和缺氧段只进行缓速搅拌，故运行费用低。但该工艺 山东建筑大学硕士学位论文 中污泥增长有一定的限度，因此除磷效果难于再提高。另外，a a o 工艺中聚磷 菌厌氧释磷、好氧吸磷，硝化菌硝化反硝化菌反硝化，完成每一过程都有不同的 环境要求，硝酸盐对厌氧释磷不利【2 引。这个矛盾使a a o 工艺实际运行中除磷 脱氮效果不稳定，除磷效果好时脱氮效果不好。脱氮效果好时除磷效果不好。目 前a a o 工艺在国内外应用非常广泛。张波掣2 9 】在此基础上，将a a o 工艺的 厌氧缺氧环境倒置运行，将厌氧区置于缺氧区之后，反硝化优先获得碳源，既 提高了缺氧区的反硝化速率，又避免了回流污泥中硝酸盐对厌氧区的不利影响。 这种布置方式使倒置a a o 工艺的厌氧区的厌氧程度更充分，从而强化了微生 物的过度吸磷能力。因此，尽管倒置a a o 工艺释磷水平低，但由于厌氧环境 充分，微生物过度吸磷动力大，其生物除磷功能反而优于常规a a o 工艺 3 0 】。 u c t 工艺：图1 2 为u c t 工艺流程图 污水 图1 2i j c t 除磷工艺流程 厌氧好氧、厌氧缺氧好氧工艺中污泥都直接回流到厌氧区。由于二沉池紧 接在好氧池后，回流污泥中有较高的n 0 3 。，进入厌氧区会发生反硝化作用，反 硝化菌将和除磷菌争夺有机物，从而影响除磷效率。南非开普敦大学开发的u c t 工艺把污泥回流到厌氧区，克服了这一缺点，以维持较好得出磷效果。 s b r 工掣3 0 】：此工艺是由美国i r v i n e t 3 1 1 在2 0 世纪7 0 年代开发的，它是 一个间歇式的活性污泥系统，活性污泥的曝气、沉淀、出水、排放和污泥回流均 在同一个池中完成，该工艺对自动化要求很高。由于近几年来自控技术和计算机 技术的发展，作为s b r 工艺的操作控制问题现已得到解决，从而使依赖于自控 系统的s b r 工艺得到了迅猛发展。它的整个处理过程实际上是在一个反应器内 进 ，的，该工艺通过程序化自动控制充水、反应、沉淀、排泥和闲置五个阶段， 实现对废水的生化处理。s b r 工艺的整个操作通过自动控制装置完成，其最大 的操作特点是在原污水流入反应器的过程中，可以根据废水水质和工艺要求的不 q 出水 山东建筑大学硕士学位论文 同，分别采用灵活的曝气方式和充水、反应时间，实现不同的处理。由于其在运 行时间上的灵活控制，为实现除磷脱氮提供了极为有利的条件。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菌过量摄磷过程的顺 利完成；也可以在缺氧条件下方便地投加原污水或提高污水浓度等方式以提供有 机碳作为电子供体使反硝化过程更快地完成，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。由s b r 工艺反应工序可以看到，只有在 a a o 法工艺中才能完成的复杂的除磷脱氮过程，在s b r 法工艺中仅仅在单一 反应器的一个运行周期中即可完成。s b r 工艺因具有工艺流程简单，构筑物少， 造价低，占地省，运行方式灵活，反应器内同时实现脱氮除磷，耐冲击负荷高， 污泥活性高，易沉降等优点【3 2 1 ，从国内的研究情况来看，s b r 法是一种高效、 经济、可靠的适合我国国情的废水生物处理方法。 强化生物除磷( e b p r ) 工艺：是一种经济有效的除磷工艺，相对于化学除 磷工艺，它勿需另外投加化学药剂，其出水磷浓度通常可达到1 0 m g l 以下，有 时甚至会低于o 3 m g l t 3 3 1 ，因而目前得到较为广泛的研究与应用。该工艺的主要 特征是污水依次流过厌氧区和好氧区，而活性污泥交替地在厌氧区和好氧区中循 环。目前普遍接受和认同的一个观点是该种运行模式有利于聚磷菌( p a o s ) 的 富集和生长【3 4 1 。 改进的u c t 工艺一b c f s 工艺：为了最大程度地创造d p b 的富集条件，荷兰的 d e l f t 工业大学研发了该工艺，见图1 3 。 内循环q l 污水 图1 - 3b c f s 工艺图 b c f s 工艺是在u c t 工艺基础上增设2 个反应池，接触池和混合池；增加了2 个混合液循q q 1 和q 3 。接触池是厌氧的，一方i f l j 使得问流污泥和来自厌氧池的 混合液在池内充分混合以吸附剩余的c o d ；另，。方面可使回流污泥中的硝酸盐 l o 出水 山东建筑大学硕士学位论文 氮被迅速反硝化脱除，有效防止丝状菌引起的污泥膨胀。混合池的低氧环境，可 最大程度地保证污泥再生而不影响反硝化或除磷，容易控制s v i 值，最大程度地 利用d p b 以获得最少的污泥产量。u c ，i i 原有的内循环q 2 功能是为了分别维持一个 较严格的厌氧区和缺氧区以防止硝酸盐氮和氧的进入。新增循环q l 的功能是为 了增加硝化或同时反硝化的机会，从而获得良好的出水氮浓度。q 3 贝1 是起辅助 回流污泥向缺氧池补充硝酸盐氮的作用。该工艺能够保证t p o 2 m g l ，t n 5 m l 的出水水质【2 4 3 5 1 。 a 2 n i 艺：是基于缺氧吸磷的理论而开发的新工艺，是采用生物膜法和活性 污泥法相结合的双污泥系统。原水首先进入厌氧段，反硝化聚磷菌( d p b ) 在此 吸收其中的易降解c o d ( c o d r a ) 并以多聚物聚b 羟基烷酸( p h a ) 的形式贮存 在胞内，同时水解胞内的聚磷，以磷酸盐的形式释放在混合液中。随后混合液经 过中沉池快速分离后，富含氨氮和磷酸盐的上清液流向生物膜硝化段。而中沉池 沉淀下来的d p b 污泥超越了生物膜硝化段直接进入缺氧段。在此d p b 以胞内的 p h a 为电子供体，以硝化段提供的n 0 3 - 作为电子受体，完成反硝化脱氮和过量吸 磷反应，达到“一碳两用 的目的【3 8 1 。而在a 2 n i 艺中，厌氧段是微生物吸收 利用进水中的有机碳源、为后续除磷脱氮提供电子供体的主要场所。因此，厌氧 段h r t 长短对系统的除磷和脱氮效果和系统的处理能力起着关键的影响【3 9 1 。 当然各种生物除磷工艺还要很多，在此就不一一详述。 l 422 污水化学除磷技术 生物除磷作为一种经济有效的除磷技术被广泛采用，但在对出水总磷控制严 格的地区( 磷 2 5 时，二沉池出水的磷 3 0 时，二 沉池出水的磷 l ，i n 冬3 n ) ，这些铝的多核 络合物往往具有较高的正电荷和比表面积，能够迅速吸附水中带负电荷的杂质， 中和胶体电荷，降低胶体芎电位，促进胶体脱稳、凝聚和沉淀，从而表现出良好 的除磷效果【4 3 】。进一步的分析证明，铝盐起主要混凝作用的是a i l 3 ( o h ) 3 4 5 + ，而 碱式氯化铝等溶液中就富含a 1 1 3 ( o h ) 3 4 5 + 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 i ( o h ) 3 m 沉淀而达到 净化水的目的。j a m e s 等【删利用a 1 2 ( s 0 4 ) 3 1 8 h 2 0 作为混凝剂处理平均t p 浓度 为9 6 m g 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 3 m g l 。 但是，目前我国广泛使用的铝軎 ；：混凝剂，大部分都是用废铝灰为原料制成的， 其本身的卫生质量较差，而且铝是一种慢性毒物，因而作为水处理混凝剂受到很 大的局限。研究结果表明，经用铝盐混凝剂处理后出水中的铝含量大幅度增加， 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 且其中相当多的铝是易被人体( 生物体) 吸收和结合的铝。如果这种处理出水直 接排入江河，给下游的饮用水源造成污染。 铁盐 用于废水除磷的铁盐有三价铁盐和亚铁盐两种形式。f d + 和p 0 4 3 的反应和铝 盐十分相似： f e 十+ p 0 4 弘+ f e p 0 4 、【 ( 1 2 ) f d + 和p 0 4 3 。的反应的方程式如下： 3 f e 2 + + 2 p 0 4 孓- - * f e 3 ( p 0 4 ) 2 j ，( 1 3 ) 常用于污水化学除磷的铁盐包括f e c l 3 、f e c l 2 和f e = 2 ( s 0 4 ) 3 。它们都是可以在 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 2 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。但是，f d + 在p h 值为7 5 - 8 5 的碱性条件下不易生成沉淀，这在一 定程度限制了二价铁盐在废水除磷中的应用。为了改善沉淀性能，常用曝气的方 法将f d + 氧化为f d + ，如亚铁盐在曝气生物滤池( b a f ) 除磷中的应用【4 5 】。 王立立【徊等人研究结果表明，铁盐在投加量较低时，在适当的混凝搅拌强度 条件下，三价铁盐和聚合硫酸铁对总磷去除率增加均在7 0 以上，混凝后过滤可 使出水中总磷降至0 s m g l 以下。刘召平【4 7 1 等也用铁盐进行了化学同步除磷的研 究，试验结果表明：对于总磷质量浓度在2 - - - 4 m g l 左右的一般城市污水，采用 铁盐化学同步除磷工艺能够稳定地达到t p 9 0 ，总氮2 5 。混凝剂可采用铝盐、三价铁盐、石灰等，不能采用亚铁盐。 直接沉淀工艺为北欧国家很多处理厂所采用，磷去除率可达9 0 以上，有机物去 除率大约为7 5 ，因此是一种很经济有效的处理工艺。在初沉池前加药时，由于 废水中的多种物质都可能与药剂反应，所以药耗高、产泥量大，同时降低了初沉 池出水的有机碳浓度，不利于后续的生物脱氮除磷，因此一般不采用在初沉池前 1 4 水 山东建筑大学硕士学位论文 加药的工艺。 协同沉淀 协同沉淀工艺是指将化学混凝剂投加到活性污泥生混凝剂处理工段，生化池 即为混凝池，生物污泥与化学污泥在随后的沉淀池一同沉淀，工艺流程见图1 5 。 混凝剂 进v ! ) 怔三h 至乎旺 h 型水 图1 - 5 协同沉淀除磷工艺流程图 该工艺初沉池水力停留时间约为3 h ，曝气时约为5 h ，二沉池约为3 h ，总水力 停留时间约为1 1 5 h ，去除效率：s s - - 9 0 ，b o d 9 0 ，总磷 9 0 ，b o d 9 0 ，总磷 9 5 ，总 氮2 5 。混凝剂可采用铝盐、三价铁盐、石灰等，不能采用亚铁盐。后沉淀工 艺的出水磷浓度一般为0 5 m g l ，如采用过滤为最终固液分离手段，出水磷浓度 可降至0 1 m g l 以下，通常是将后沉淀的化学污泥打回到初沉段与初沉污泥共沉， 这可使污泥更易于浓缩并有助于提高初沉池的处理效率。化学后沉淀处理对生物 处理起到把关作用，在负荷高时可防止敏感的生物污泥的流失，因此在除磷的同 时也提高了b o d 等去除效果。 1 5 课题研究背景、内容及i f l 的 本课题在生物除磷的基础上，通过投加化学除磷药剂提高磷酸盐去除效果， 将生物法与化学法有机结合，充分发挥各自在污水除磷方面的优势，以期提高城 市污水处理厂的磷去除效率，进而从源头上削弱水体富营养化的恶化趋势，对于 缓解山东省的水资源供需矛盾，改善山东省的生态环境，维持可持续的经济增长， 保障南水北调的水质安全具有十分重要的现实意义。 1 5 1 课题研究背景 目前，城市污水处理厂的氮磷去除以生物法为主，其进水通常难以同时满足 生物脱氮及生物除磷对碳源的需求，往往导致系统除磷效率低下。另外，生物脱 氮处理工艺对外界环境的抗冲击负荷能力较差，这也导致了设计有脱氮除磷功能 1 6 山东建筑大学硕士学位论文 的污水处理厂难以实现良好的除磷效果。其次，在污水处理厂的剩余污泥处理过 程中，回流的上清液中携带大量的磷酸盐，增加了处理系统的磷酸盐负荷，使得 出水磷酸盐浓度偏高。本研究在生物脱氮除磷工艺的基础上，通过投加化学药剂， 实现辅助化学除磷与生物除磷之间的协同效应，提高城市污水处理厂的除磷效 果；优化药剂投加，降低运行成本，使出水中的磷酸盐浓度达到或优于国家排放 标准，为化学辅助除磷的应用提供理论依据。 近年来，在污水处理厂的运行过程中，当出水总磷浓度超标时，通常也采用 投加化学药剂来降低出水的磷酸盐浓度，即化学除磷与生物除磷相结合，这也是 污水除磷工艺的发展趋势。 对于传统活性污泥法而言，其生物除磷作用较弱，出水磷的达标排放主要依 靠投加化学药剂来保证。对于设计具有生物脱氮除磷功能的污水处理厂，化学辅 助除磷的投加点及投加量也都对系统的生物除磷能力具有不确定的影响效果： 当投加量过高时，正磷酸盐将生成化学沉淀，从而不利于聚磷菌吸磷；当储存的 多聚物非常有限时，聚磷菌不能在厌氧条件下吸收底物，结果使聚磷菌对比于非 聚磷菌的一些优势都削减了；这意味着在辅助投加化学试剂时存在着危险的有害 的循环：过量投加一聚磷吸收量减少一聚磷菌量减少一生物除磷量减少一需要加 大投加量一聚磷菌量减少一等等。厌氧池末端的磷酸盐浓度最高，从化学 沉淀角度来看，投加点在此投加最合理，但是否对生物除磷最为有效还值得进一 步探讨。 到目前为止，有关化学辅助除磷的研究和实际工艺运行方面的资料较少，有 关剩余污泥处理中的磷酸盐内循环问题的系统研究报道也相对较少，化学药剂投 加后的污泥性能也值得进一步研究，这些问题的解答将对设计具有生物脱氮除磷 能力的污水处理厂运行产生深远的影响。 1 5 2 课题研究内容 本课题在生物脱氮除磷工艺优先满足生物脱氮需求的前提下( 控制适宜的污 泥龄和回流比) ，通过在生化反应池内投加化学协同除磷药剂，提高系统对磷的 去除效果。分析不同药剂种类、投加方式( 不同投加点) 对除磷菌新陈代谢过程、 微生物絮凝性能的影响规律，揭示化学协同除磷药剂对生物强化除磷性能的影响 1 7 山东建筑大学硕士学位论文 规律及其影响机理，为城市污水处理厂的氮、磷强化去除提供理论基础。 1 5 3 课题研究目的 本课题主要是针对生物除磷的缺点，通过投加化学药剂，实现辅助化学除磷 和生物除磷的协同效应，提高城市污水厂的除磷效果；通过优化药剂投加，降低 运行成本，使出水中的磷酸盐浓度达到或优于国家排放标准，很好地满足我国污 水处理厂运行过程中的总磷去除问题，对化学辅助除磷的工艺设计提供理论的指 导。从源头上削弱水体富营养化的恶化趋势，对于缓解山东省的水资源供需矛盾， 改善山东省的生态环境，维持可持续的经济增长，保障南水北调的水质安全具有 十分重要的现实意义。 1 8 山东建筑大学硕士学位论文 2 1 试验装置 第二章试验材料与研究内容 试验采用两套完全平行的倒置a 2 o 工艺系统进行对比研究，每套工艺的处 理量为o 5 2 8 m 3 d 。试验工艺流程图如图2 1 所示。 l 群倒置a 2 0 反应器 出水 2 撑倒置a 2 0 反应器 回流污泥剩余污泥 图2 - 1 化学辅助除磷试验工艺流程图 试验装置为镀锌铁皮材质，所有表面均进行防腐处理，总长1 2 0 c m ，宽为 6 0 c m ，有效水深4 2 c m 。反应器用隔板等分为8 个格( 按水流方向依次为1 8 格) ， 其中l 、2 格为缺氧区，3 、4 格为厌氧区，5 - - 8 格为好氧区，各区体积比约为 1 ：1 ：2 。其中，缺氧区长6 0 e r a ，有效容积7 5 6 l ，水力停留时间为3 4 4 h ；厌氧区 长为6 0 c m ，有效容积7 5 6 l ，水力停留时间3 4 4 h ，两区均用搅拌浆搅拌，电机 转速为6 0 r m i n ；好氧区长1 2 0 c m ，有效容积1 5 1 2 l ，水力停留时间6 8 7 h ，采用 电磁式空气泵曝气，气量为8 0 l m i n 。系统术端为有机玻璃材质的圆形竖流式沉 淀池，有效容积为5 3 o l ，水力停留时问为2 4 1 h ，沉淀池中间进水，顶端出水， 底部设有排泥管和污泥回流管。回流污泥由污泥泵回流到反应池，并在缺氧池的 前端完成泥水混合。污水由潜污泵从细格栅出水处抽到水箱内，经计量泵计量后 进入反应器中，在反应器以推流方式运动。 1 9 山东建筑太学硕士学位论文 2 2 试验水质 图2 - 2 化学辅助除磷试验装置实物照片 本试验进水为光大水务济南水质净化二厂进水经过细格栅后的出水，其水质 情况见表2 1 。 表2 - 1 进水水质 2 3 试验内容 ( 】) 通过烧杯试验选择虽佳投加化学药荆。烧杯试验选取5 种常用的化学 除磷鲥剂：三氯化铁( f o c l 3 6 h 2 0 ) 、硫睦眶铁( f e s 0 4 7 h 2 0 ) ，三氯化铝 ( a i c i3 6 h 2 0 ) 、聚合氯化铝p a c ( a 1 2 0 j 质量分数1 02 ) 、聚合砖酸硫酸铁 p s f ( 1 0 9 l ) 。试验水样取自运行稳定的倒置a 2 0 中_ f _ l c 试验装置好氧池混合液。通 2 0 山东建筑大学硕士学位论文 过该试验确定最佳投加的化学药剂，为下一步动态运行提供药剂选择的依据。 ( 2 ) 在倒置a 2 0 工艺中投加被选择化学药剂，研究在不同投加点以及药剂 投加量条件下的系统脱氮除磷效果，探索辅助化学除磷与生物除磷之间的最佳协 同效应，提高系统对磷的去除效率，优化药剂投加，降低运行成本，使出水磷酸 盐指标达到或优于国家排放标准，为化学辅助除磷的应用提供理论依据。 通过在倒置a 2 0 工艺的厌氧池末端和好氧池末端投加化学辅助除磷药 剂，通过比较处理效果来确定最佳投加点。 ( d 在2 套平行倒置a 2 0 装置的最佳投加点按照去除磷元素与絮凝剂中金属 的不同摩尔比投加化学除磷药剂，待系统运行稳定后检测进出水水质，通过分析 选出最佳药剂投加量。 ( d 利用静态试验比较2 种污泥( 投加药剂与不投加药剂) 在好氧消化和厌 氧消化时污泥性能的变化，使用的污泥取自试验现场两套对比反应器的回流污泥 ( 工艺均为倒置a 2 0 ，其中一套投加化学除磷药剂) ，通过分析2 种污泥的沉降 性能、减量化效果、消化过程中磷的释放情况等指标，找出适合化学辅助除磷工 艺剩余污泥处置的方法。 2 4 试验检测内容与方法 试验检测指标和分析方法见表2 2 。 袁2 - 2 检测指标和分析方法 检测指标分析方法 p h 计法 重量法 过滤烘干水分后称重法 重铬酸钾法 钠氏试剂分光光度法 过硫酸钾氧化+ 紫外分光光度法 过硫酸钾氧化+ 钼锑抗分光光度法 钼锑抗分光光度法 邻啡哕啉分光光度计法 2 l 出i ； 一 一 时民 山东建筑大学硕士学位论文 第三章除磷药剂优选试验 化学除磷的基本原理是通过投加化学药剂形成不溶性磷酸盐沉淀，然后通过 固液分离将磷从污水中除去。磷的化学沉淀分为几个步骤：沉淀、凝聚、絮凝、 固液分离。磷酸盐沉淀中化学剂的水解产物可与磷酸盐发生化学吸附并进行络合 反应形成络合物共同沉淀，在一定条件下，磷酸盐沉淀可能是化学络合起主要作 用，而不是以电性中和为主。不同的药剂所发生的水解反应不同，与磷酸盐发生 的反应也不同，加上药剂与生物之间的协同作用使得除磷机理更加复杂，故需要 通过试验来优选化学除磷药剂。 目前，除磷药剂优选方面的研究主要通过烧杯试验进行 4 7 , 5 1 , 5 2 1 ，尚未模拟除 磷菌协同下的药剂优选效果，而在化学同步除磷系统中，存在药剂与生物之间的 协同作用，可能对化学除磷效果产生某种影响，故在模拟除磷菌协同下的药剂优 选试验更具实际工程应用参考价值。 本试验是以实际城市污水为研究对象，在污水生物法处理过程中，投加几种 常见的除磷药剂以强化除磷效果，考察不同药剂对磷的去除效果，优选出最佳化 学同步除磷药剂，以期为化学同步除磷的工程应用提供依据。 3 1 试验所选药剂 本试验选取5 种常用的化学除磷药剂：三氯化铁( f e c l 3 6 h 2 0 ) 、硫酸亚铁 ( f c s 0 4 7 h 2 0 ) 、三氯化铝( a i c l 3 6 h 2 0 ) 、聚合氯化铝p a c ( a h 0 3 质量分数 1 0 2 ) 、聚合硅酸硫酸铁p s f ( 1 0 9 l ) 。 3 2 试验方法 试验水样取自运行稳定的倒置a 2 0 中试试验装置好氧池混合液。取混合液 2 0 l ，沉降1 5 m i n 后撇去上清液，均匀分盛于6 个l l 的烧杯中并补充水厂进水 至l l ，慢速搅拌2 小时以模拟厌氧环境，曝气1 5 小时，分别在6 个烧杯中按 照去除磷元素与絮凝剂中金属的摩尔比( t p m e ) 为：l ：o 、l ：0 4 、1 ：0 8 、l ：1 2 、 1 ：1 6 、l ：2 投加化学药剂，再曝气o 5 小时以模拟好氧环境，沉降1 5 m i n ，自烧 杯水面下5 c m 处取上清液分析。 2 2 山东建筑大学硕士学位论文 3 3 试验结果与分析 3 3 1t p 去除效果 5 种不同同步除磷药剂下的t p 去除情况见图3 1 所示。 1 6 1 4 1 2 皇1 o 凹 昌o 8 鲁0 6 0 4 0 2 0 0 r+ 硫酸亚铁+ p a c + p s f 专一三氯化铝* _ 一三氯化铁 0 40 81 21 62 0 图3 - 1m e t p 与t p 去除效果 从实验现场可见，化学药剂的投加明显改变污泥的沉降性能。从图3 1 可以 看出，随着药剂投加量的增加，出水t p 含量显著降低。其中，硫酸亚铁较其它 药剂除磷效果好，在其投加量为m e t p = i 2 及m e t p = i 6 时，可达到一级a 标 准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) ( t p ，1 2 时，硫酸亚铁、p s f 对溶解性总磷的去除率趋于稳定且 去除效果明显优于其他药剂，当m e t p = 2 时，硫酸亚铁、p s f 对溶解性总磷的 去除率均可达8 5 以上，而三氯化铁、p a c 、三氯化铝对溶解性总磷的去除率分 别为7 5 6 4 、6 0 5 1 、5 6 7 3 。从溶解性总磷的去除率上来看，硫酸亚铁、p s f 效果较好，若采用它们为除磷药剂，建议按m e t p = i 2 投加，这样才能取得较高 的效果价格比。 3 3 3 可溶性磷酸盐去除效果 5 种不同同步除磷药剂下的溶解性磷酸盐去除情况见图3 3 所示。 葶 槲 篮 稍 占 8 o _ + 硫酸弧铁+ p a c + p s f * 三氯化铝+ 三氯化铁 图3 3m e t p 与可溶性磷酸盐去除率 结合图3 2 、图3 3 ，不难看出不同药剂对溶解性磷酸盐去除规律与对溶解 性总磷去除规律大体桐i r d ，这足由于溶解性磷酸盐在溶解性总磷中占的比例较 2 5 山东建筑大学硕士学位论文 大，所以对溶解性磷酸盐的去除率将直接影响对溶解性总磷去除率，对总磷的去 除效果也有较大的影响，而化学药剂对溶解性磷酸盐的去除效果非常明显。从图 3 3 中可看出，出水溶解性磷酸盐的去除率随着药剂投加量的增加而呈增加趋势。 其中硫酸亚铁的效果最好，在m e t p = 1 6 时，其对可溶性磷酸盐去除率达到最大 值9 8 0 6 ，明显优于其它药剂。而p a c 和三氯化铝对溶解性磷酸盐的去除效果 都低于铁系的混凝剂，这一点与对可溶性总磷的去除规律一致。 3 3 4 非溶性磷酸盐去除效果 5 种不同同步除磷药剂下的颗粒态磷去除情况见图3 4 所示。 m e t p 图3 - 4m e t p 与不可溶性磷去除率 图3 4 为m e t p 与不可溶性磷去除率关系图，从图中可以看出化学药剂的 投加对不可溶性磷的去除效果并没有明显增加，只是略有增加，而且可以看出各 药剂的去除效果相差不大。这是由于不可溶性磷的去除主要是通过活性污泥的吸 附将其去除的，化学药剂虽然能够提高活性污泥的絮凝性能，增强其对不可溶性 磷的吸附能力，但是活性污泥具有巨大的表面积，而表面积上有含有多糖类的黏 性物质【5 6 1 ，是吸附性能很好的生物絮凝剂，与活性污泥的絮凝效果相比，化学 药剂的絮凝效果并不明显。 3 3 5 药剂投加量与出水t p 含量相关性分析 为了能够为药剂投加量提供一个参考依据，在较优的同步除磷药剂硫酸砸 2 6 踟加；加m o 毋姗篮求攀拍巢曝 山东建筑大学硕士学位论文 铁投加下对絮凝剂中金属与迸水磷元素的摩尔i ：匕( f e t p ) 与出水t p 和出水p 0 4 3 的相关性进行了分析，研究结果分别见图3 5 和图3 - 6 所示。 1 6 1 4 1 2 j1 0 箸0 8 山 _ 0 6 0 4 0 2 0 0 o 0o 4 0 8 0 7 0 6 o 5 o 4 0 3 o 2 o 1 o 0 81 21 6 f e t p 图3 - 5 f e t p 与出水t p 关系图 00 4o 81 21 6 f e t p 图3 - 6f e t p 与出水p 0 。卜关系图 从图3 5 ，图3 - 6 中可以看出，当f e t p 1 6 时，f e t p 与出水t p 和出水 p 0 4 3 均具有很好的相关性。通过这个相关性可以根据要求达到的出水磷含量找 到一个最佳药剂投加量，当然这种相关性应根据具体的进水水质、水处理工艺等 情况通过试验得出。 1 8 i l l 0 d 山* 丑 山东建筑大学硕士学位论文 3 4 小结 ( 1 ) 通过对5 种常用除磷药剂对城市污水的同步除磷效果分析，铁系对磷 的去除效果优于铝系，其中硫酸亚铁的除磷效果最佳。当f e 厂r p = 1 2 时，可使 t p 降至0 4 8 m g l ，满足一级a 排放标准( g b l8 9 18 - 2 0 0 2 ) ，当f e t p _ 1 6 时， 出水t p 最低，达0 3 8 m g l 。 ( 2 ) 同步除磷药剂主要通过对溶解性磷酸盐的去除来提高系统对磷的去除 的。当f e 厂r p = 1 6 时，硫酸亚铁对溶解性磷酸盐的去除率高达9 6 3 7 。 ( 3 ) 在f e t p 1 6 条件下，硫酸亚铁中铁与进水磷元素的摩尔比( f e t p ) 与出水t p 和出水p 0 4 3 一的均呈现较好的相关性，其关系式分别为y = 1 4 0 6 7 e 0 8 3 4 8 x ，r 2 = 0 9 8 7 和y = 0 7 0 0 6 e - 1 3 0 1x ，r 2 = 0 9 9 5 9 ，通过这个相关性 可以根据要求达到的出水磷含量找到一个最佳药剂投加量，为投加量的选择提供 参考，当然这种相关性应根据具体的进水水质、水处理工艺等情况通过试验得出。 ( 4 ) 从药剂对磷的去除效果、经济性、易得性等方面综合考虑，建议选择 硫酸亚铁作为生物化学协助同步除磷的首选药剂，按照m e t p = i 6 投加，以便取 得较好的除磷效果。 2 8 山东建筑大学硕士学位论文 第四章化学辅助除磷试验结果与分析 化学辅助除磷工艺是指将一定量的化学除磷药剂投加到反应器中，在充分发 挥生物除磷的基础上辅助除磷，以满足出水达到排放标准。因不需要增加额外的 构筑物，而且除磷效果明显而稳定，该工艺在污水处理中得到了广泛应用。在此 工艺中，由于化学和生物的协同作用，其对有机物、总磷和悬浮固体的去除效果 显著优于传统的生物脱氮除磷工艺。而药剂的投加位置及投加量对出水t p 含量 及运行成本产生很大影响，故需对药剂投加点及投加量进行优化。 为了对化学辅助除磷工艺进行优化，本试验利用两套倒置a 2 0 反应器处理 城镇污水，以化学除磷药剂硫酸亚铁为辅助除磷药剂，通过动态试验来选择最佳 的药剂投加点及最佳的药剂投加量，进而对此工艺进行优化以期为实际工程应用 提供参考。 4 1 投加点优化研究 对于向活性污泥法处理系统中投加化学药剂辅助除磷的药剂投加点一般考 虑两个投加点：厌氧池末端和好氧池末端。从化学反应角度考虑，投加点可选在 厌氧池末端，因为在厌氧条件下，聚磷菌将体内的聚合磷酸盐释放出来，此时水 中的p 0 4 孓浓度最高，这有利于化学药剂与p 0 4 3 反应产生不可溶或微溶性物质而 将磷从水中除去。从经济角度考虑，减少药剂投机量可使运行成本大为降低，而 在好氧池末端，由于聚磷菌对磷的超量吸收使水中磷酸盐浓度较低，此时投加药 剂可大量节省药剂使用量【5 。7 1 。但化学药剂投加到污泥中除磷的机理复杂，不能 单从化学反应角度考虑，故需通过试验来确定最佳投加点。鉴于此本试验通过在 倒置a 2 0 工艺的厌氧池末端和好氧池末端投加化学辅助除磷药剂f e s 0 4 ，通过 比较处理效果来确定最佳投加点。 按照去除磷元素与絮凝剂中金属的摩尔比( t p m e ) 为1 6 ：1 投加药剂，硫 酸亚铁在不同投加点投加对污水处理的效果见表4 1 。 2 9 山东建筑大学硕士学位论文 表4 - 1 不同投加点投加各指标去除率( ) 从表4 1 可以看出，在不同的投加点投加药剂，对c o d e r 、t n 、s s 等的去 除率没有明显的差距。而对于磷的去除，在好氧区末段投加比在厌氧区末端投加 效果更好，其中t p 去除率比在厌氧区投加高出4 百分点达9 4 0 6 。综合分析， 确定最佳投加点为好氧区末端。 4 2 投加量优化研究 在2 套平行装置好氧区末端按照絮凝剂中金属与去除磷元素的摩尔比( f e t p ) 为：1 4 ：1 、1 5 ：1 、1 6 ：1 、1 7 ：1 、1 8 ：1 投加化学药剂硫酸亚铁，待系统运行 稳定后检测进出水水质。 4 2 1t p 的去除效果 不同f e s 0 4 的投加量对t p 的去除效果见图4 - 1 。 6 5 警 4 c 每 3 钲r 山 f - , 卜 l o 1 4 ：1 1 5 ：l1 6 ：11 7 ：l1 8 ：l f e t p 1 0 0 8 0 承 6 0 瓣 4 0 笾 稍 2 0 o 图4 - 1 不同投加量对t p 的去除效果 山图4 1 可知，随着硫酸亚铁投加量的增加，水中t p 的去除率的增加趋势 明显，但硫酸亚铁的投加量与t p 的去除率并非成直线关系。当f e t p 一 ；一1 6 时，t p 的去除率 没有明显增加趋势，稳定在9 0 左右。当f e t p 1 6 ，出水t p 含量均小于 山东建筑大学硕士学位论文 0 5 m g l ，达到一级a 排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 。从达到一级a 排放标准及运 行成本上考虑，f 们p _ 1 6 为最佳投加量。 从化学反应上分析，在硫酸亚铁的投加过程中有如下反应： 3 f 一十+2 p 0 4 _ f e 3 ( p 0 4 ) 2 j ,( 4 1 ) 4 f e 2 + - i - 0 2 + 4 h + - - - , , 4 f e 3 + + 2 h 2 0 ( 4 2 ) f e 3 十+ p 0 4 3 一f e p 0 4 上( 4 3 ) 可知，硫酸亚铁溶于水后，f e 2 + 一方面与p 0 4 3 形成难溶性的盐，一方面 被氧化后形成f e 3 + 与p 0 4 3 生成难溶性的盐。另外还伴随着强烈的水解反应发 生，在水解的同时发生聚合反应，生成具有较长线性结构的多核羟基络合物， 如f e 2 ( o h ) 2 4 + 、f e 3 ( o h ) 4 5 + 、f e 5 ( o h ) 8 7 + 、f e 7 ( o h ) 1 2 9 + 、f e 9 ( o h ) 2 0 7 + 、f e l 2 ( o h ) 3 4 2 + 等，这些羟基络合物能有效