（环境工程专业论文）a2ombnr联合工艺脱氮除磷性能研究.pdf

舢| j j jj j j j j 川j j j j j j j i j j l j j i j j i j i i 川舢 y 1910 2 4 3 m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o uu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys c l e n c ea n c il e c n n 0 1 0 9 y s t u d y o nt h ep r o p e r t i e so fn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l o fa 2 o m b n rc o m b i n e d p r o c e s s m a s t e rc a n d i d a t e ：g u oy u ny u n s u p e r v i s o r ：p r o f l iy 0 n g m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g s u z h o uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e p a n m e n t o fe n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 1 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 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研究成果。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年上月耸日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆、中国科学技术信息研究所的中国学位论 文全文数据库等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复印件和 电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、 保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览 服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文； 同意学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的 部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 指导教师签名： 日期：之业年月盟日 日期型年上月孚日 苏州科技学院硕十学何论文 摘要 摘要 连续流a 2 o m b n r 联合工艺( m b n r 为改进生物膜强化脱氮反应器， m o d i f i e db i o f i l m - n i t r i f l c a t i o nr e a c t o r ) 是一种在a 2 o 工艺基础上改进的新型生物 处理工艺，是在a 2 0 工艺段后增加一个生物膜段，使硝化细菌与其他细菌分开 生长，从而实现分相培养的双泥工艺。 基于前阶段试验研究成果，选取最佳的泥龄为5 d ，内回流比为2 0 0 ，保持 进水流量为1 l m ，污泥回流比为8 0 ，分别考察进水c o d 、t n 和t p 容积负荷 对联合工艺的影响，并研究了在较低c n 比( c o d t n ：3 1 1 ) 和c p 比( c o d t p ： 2 5 6 5 ) 条件下联合工艺的运行状况。研究结果如下： 进水c o d 、t n 和t p 容积负荷对联合工艺c o d 和n h 4 + n 的去除影响很小。 进水c o d 容积负荷对t n 和t p 的去除有一定的影响：随着进水c o d 容积负荷 的增大，系统t n 的去除率范围在6 9 7 7 ，当平均进水c o d 容积负荷为o 8 7 3 k g c o d ( m 3 d ) 时，t n 去除率最大；t p 去除率范围在6 5 7 1 ，平均进水c o d 容积负荷为0 6 7 3c o d ( m 3 d ) 时，t p 去除率最大。进水t n 容积负荷对t n 和t p 的去除有一定的影响：随着进水t n 容积负荷的增大，t n 的去除率范围为 6 5 7 4 ，平均进水t n 容积负荷为o 0 9 8 k g t n ( m 3 d ) 时，t n 去除率最大；t p 去除率范围为7 0 7 9 ，平均进水t n 容积负荷为0 0 7 7k g t n ( m 3 d ) 时，t p 去 除率最大。进水t p 容积负荷对t n 去除几乎没有影响，对t p 的去除有一定的 影响：t p 去除率范围7 0 8 0 ，当平均进水t p 容积负荷为o 0 0 6 9k g t p ( m 3 d ) 时，t p 去除率最大。 进水c n 比和进水c p 比对系统c o d 和n h 4 + n 的去除几乎没有影响。进 水c n 比对联合工艺的脱氮除磷性能有一定的影响：c o d t n 比从3 增大到1 1 左右时，t n 的去除率从6 5 左右上升到7 5 左右；c o d t n 比值从3 增大到7 左右时，t p 去除率从5 5 左右上升到7 5 左右，比值从7 增大到1 l 左右时， t p 去除率再下降至7 0 左右。进水c p 比对联合工艺的脱氮性能几乎没有影响， 对系统的除磷性能有很大的影响：当c o d 肿比从2 5 左右增大到6 5 左右时， t n 的去除率保持在7 1 左右，t p 的去除率从4 0 左右增大到8 0 左右，除磷 性能有很大程度的增强。 关键词：容积负荷，c n 比和c p 比，脱氮除磷 苏州科技学院硕十学何论文 a h s t r a c t a b s t r a c t c o n t i n u o u sf l o wa z o m b n rc o m b i n a t i o np r o c e s s ( m b n ri st h em o d i f i e d b i o f i l m - n i t r i f i c a t i o nr e a c t o r ) i sak i n do fn e wi m p r o v e db i o l o g i c a l t r e a t m e n tp r o c e s s b a s e di nt h ea 2 op r o c e s s i ti sat w o - s l u d g ep r o c e s st h a tab i o n l ms e c t i o ni sa d d e d a r e ra 2 op r o c e s st om a l ( en i t r i f y i n gb a c t e r i aa i l do t h e rb a c t e r i a 伊o ws e p a r a t e l ya n d a c h i e v ep h a s es e p a r a t i o nc u l t i v a t i o n o nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u se x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，s e l e c tt h eb e s ts l u d g ea g ef o r5 d a y s ，t h er e f l u xr a t i of o r2 0 0 ，t h en o wr a t ef o r1l h ，a n ds l u d g er e t u mr a t i of o r8 0 t h e ni n v e s t i g a t et h ei m p a c to nt h ec o m b i n a t i o np r o c e s so fi n f l u e n tc o d ，t n 锄dt p v o l u m el o a dr e s p e c t i v e l y a n dt h eo p e r a t i o n a lc o n d i t i o no ft l l ec o m b i n a t i o np r o c e s s w 嬲d i s c u s s e du n d e rt h el o w e rc nr a t i o ( c o d t n ：3 - 1 1 ) a 1 1 dc pr a t i o ( c o d t p ：2 5 6 5 ) t h er e s u l t sa r ea u sf o l l o w s i n f l u e n tc o d ，t n 锄dt pv o l u m ei o a dh a dl i t t l ee f f e c to nt h er e m o v a l0 fc o d 锄dn h 4 + n b yt h ec o m b i n a t i o np 眦e s s i n f l u e n tc o dv o l u m ej o a d h a dc e n a i ne 脯c t 伽t h er e m o v a lo ft n 锄dt p ：w i t ht h ei n c r e 弱eo fi n f l u e n tc o dv o l u m el o a d ，1 1 qr e m o v a ir a t eo ft h es y s t e mr a n g e d b e t 、v e e n6 9 a n d7 7 ，w h e nt h ea v e r a g ei n f l u e n tc o dv o l u m el o a dw 丛o 8 7 3k g c o d ( m d ) ， t nr e m o v a lr a t er e a c h e dt h em a x i m u m ；t pr e m o v a l 豫t e舢g e db e t 、v e e n6 5 锄d71 ，w h e n t h ea v e r a g ei n f l u e n tc o dv o l u m el o a dw 舔0 6 7 3c o d ( m d ) ，t pr e m o v a lr a t er e a c h e dt h e m a x i m u m i n f l u e n tt nv o i u m el o a dh a ds o m ee f f - e c to nt h er e m o v a lo ft n 锄dt p ：w i t ht h e i n c r e 雏e0 fi n f l u e n tt nv o l u m el o a d ，t nr e m o v a lr a t er a n g e db e n t w e e n6 5 锄d7 4 ，w h e nt h e a v e r a g e i n f l u e n tt nv o l u m el o a dw 嬲 0 0 9 8 k 洲( m 3 + d ) ，t nr e m o v a l r a t e他a c h e dt h e m a x i m u m ；t p 陀m o v a lm t e 佑n g e db e t w e e n7 0 锄d7 9 ，w h e nt h ea v e 翰g ei n n u e n tt nv 0 l u m e l o a dw 舔0 0 7 7k g t n ( m 3 d ) ，t pr e m o v a lr a t e 陀a c h e dt h em a x i m u m i n f l u e n tt pv o l u m el o a dh 弱 l i t t l ee f r e c to nt nr e m o v a la n dh a ds o m ee f r e c to nt h et pr e m o v a l ：t p 他m o v a lm t em g e d b e t 、v e e n7 0 锄d8 0 ，w h e nt h ea v e r a g ei n f l u e n tt pv o l u m el o a dw 船0 0 0 6 9k g t p ( m d ) ，t p r e m o v a lr a t er e a c h e dt h em a x i m u m l n f l u e n tc nr a t i o 锄di n f l u e n tc pr a t i 0a l m o s th a d1 n l ee f f - e c to nt h er e m o v a l0 fc o d 锄dn h 4 + - n i n f l u e n tc nr a t i oh a ds o m ee 仃e c t0 nt h en i 仃0 9 e n 锄dp h o s p h o m sr e m o v a l ：w h e n c o d t nr a t i oi n c r e e d 厅o m3t 01 l ，t nr e m o v a le f f i c i e n c yr o s e 舶m6 5 t 07 5 ；w h e nc o d t nr a t i oi n c r e 舔e d 舶m3t o7 ，t pr e m o v a lr a t er o s e 舶m5 5 t 07 5 ，锄dw h e nt h er a t i 0 i n c r e 弱e df r o m7t o1 1 t p 他m o v a lr a t ef e l lt o7 0 i n f l u e n tc pr a t i oh a dl i n l ee f f e c to nt h e n i t r o g e nr e m o v “锄dh a dg 陀a te 骶c t0 nt h ep h o s p h o m sr e m o v a i ：w h e nc o d t p r a t i oi n c r e e d f r o m2 5t 06 5 ，t n 他m o v a lr a t em a i n t a i n e da t71 ，锄dt pr e m o v a le f f i c i e n c yr o s ef r o m4 0 t 0 1 1 苏州科技学院硕十学何论文 a h s t r a c t 8 0 ，t h a tp h o s p h o r u s 陀m o v a lp e r f 0 r t l l a n c eh a dg r e a t l ye n h a n c e d k e y w o r d s ：v b l u m el o a d ；c nr a t i o 锄dc pr a t i o ；n i t r o g e n 醐dp h o s p h o r u sr e m o v a l i i i 苏州科技学院硕十学何论文 f 1 录 量曼蔓量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼璺曼曼曼鼍曼曼曼曼璺量曼舅曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼曼墨曼曼皇皇曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量曼舅舅曼 目录 摘要i a bs t r a c t i i 第一章绪论 第二章生物脱氮除磷技术2 2 1 生物脱氮理论2 2 1 1 硝化反应2 2 1 2 反硝化反应3 2 1 3 脱氮影响因素3 2 2 生物除磷理论4 2 2 1 生物除磷机理4 2 2 2 影响因素6 2 3 传统a 2 o 工艺的缺陷7 2 4a z o 的改进8 2 4 1 工艺改造8 2 4 2 基于微生物发展的生物脱氮除磷新技术1 3 2 4 3 提高系统运行管理水平，研发高效的过程控制策略1 4 2 5 生物膜法1 4 2 5 1 生物膜法概述1 4 2 5 2 悬浮填料生物膜法的特点1 5 2 6 本研究的意义1 6 第三章实验装置与方法 1 9 3 1 实验装置1 9 3 2 试验水质2 0 3 3 分析测定方法2 0 3 4 前期研究总结2 2 3 5 实验方案2 4 第四章进水负荷对联合工艺的影响 4 1 进水c o d 容积负荷对联合工艺的影响2 5 4 1 1 对各种污染物去除率的影响2 5 4 1 2 对c o d 去除的影响2 6 4 1 3 对系统脱氮性能的影响2 7 4 1 4 对系统除磷性能的影响2 9 4 2 进水t n 容积负荷对联合工艺的影响3 1 i v 4 3 - 3 对系统脱氮性能的影响3 7 4 3 4 对系统除磷性能的影响3 9 4 4 本章小结4 l 第五章进水营养比( c n 和c p ) 对联合工艺的影响4 2 5 1 c n 对联合工艺的影响4 2 5 1 1c n 比对系统脱氮性能的影响4 2 5 1 2c n 比对系统除磷性能的影响4 5 5 1 3c n 比c o d 去除的影响4 6 5 2c p 对联合工艺的影响4 6 5 2 1c ，p 比对系统除磷的影响4 6 5 2 2c p 比对系统脱氮的影响4 7 5 2 3c p 比对c o d 去除的影响4 9 5 3 本章小结4 9 第六章结论与建议。5 0 6 1 小结5 0 6 2 建议51 参考文献 致谢 作者简介 苏州科技学院硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着我国经济和城市建设不断发展，城市的规模不断扩大，城镇人口的不断 增加，城市的用水量和排水量都在不断扩大，加剧了城市用水的紧张和水质污染 程度。据监测，目前全国多数城市受到一定程度的点源和面源污染，且有逐年加 剧的趋势。 据2 0 0 9 年中国环境状况公报【i 】，2 0 0 9 年全国地表水污染依然较重。七大水系 总体为轻度污染，浙闽区河流为轻度污染，西北诸河为轻度污染，西南诸河水质 良好，湖泊( 水库) 富营养化问题突出。 水体污染的根源来自工业排放的污水、城镇生活污水以及农业化肥、农药流 失等。城市污水是造成水体污染的重要污染源，城市污水厂建设，是一项减轻或 者防止水体污染的重要对策。近年来，我国城市污水处理厂加大了一些工程建设， 2 0 0 8 年，全国共统计1 6 9 2 座城市污水处理厂，比上年增加4 3 4 座；设计日处理能 力9 0 7 9 万吨，比上年新增1 5 0 0 万吨。全年共处理废水2 3 7 3 亿吨。城镇生活污水 处理率达到5 7 4 【。 水体富营养化是世界性问题，大量的研究已经证明，污水中的氮和磷是导 致受纳水体富营养化的主要原因之一。常规的污水处理技术主要去除有机物和悬 浮固体，对氮和磷的去处效率较低。许多发达国家对排放污水中的氮和磷含量都 做了限定，并要求污水处理厂达到除氮除磷的要求。污水脱氮除磷的技术可分为 物理法、化学法和生物法。相对而言，生物脱氮除磷技术投资少、运行操作简单、 无二次污染而被广泛应用。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 ) 对所有排放污水中氮、磷含量都做出了明确的规定，排放标准日趋严格，因此今 后新建的城市污水处理厂也要考虑采用更高效脱氮除磷技术措施，一些老的城市 污水处理厂也要部分改造，采取脱氮除磷工艺，从而保证达标排放。， 连续流工艺不需要复杂和高要求的自控系统，因此目前的应用较为广泛，其 中a 2 o 工艺是我国城市污水处理厂中应用最广泛的同步脱氮除磷工艺。但a 2 o 工艺由于氮和磷的去除机理和途径趋于复杂，每一步生化反应过程的目的不同， 对微生物的组成、基质类型及环境条件的要求也各不相同，因此要在一个系统中 同时完成脱氮和除磷的过程，不可避免地产生各种矛盾，这就要求我们根据实际 状况和需要，对传统工艺进行改进，使之能够解决实际问题。 目前，针对一些老污水处理厂脱氮除磷效果不显著，如何在不改变其原有水 力停留时间的前提下将其改造为具有高效脱氮除磷性能的新工艺是当前城市污 水厂升级改造的又一难题。 苏州科技学院硕十学位论文 第_ 章牛物脱氮除磷技术 第二章生物脱氮除磷技术 2 1 生物脱氮理论 水中存在着有机氮、氨氮、硝态氮等形式的氮，而其中城市污水中的氮以氨 氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即 通过氨化作用转化为成氨氮，而后经硝化过程转化变为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮， 最后通过反硝化作用使硝态氮转化成氮气，而逸入大气。由此可见，进行生物脱 氮可分为氨化一硝化一反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快。在一般废水处 理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化。硝化和反硝化反应过 程中所参与的微生物种类不同、转化的基质不同、所需要的反应条件也各不相同 【2 卅。 2 1 1 硝化反应 硝化是氨氮在有氧条件下经硝化菌作用转化为硝酸盐氮的过。硝化分两步进 行，并由微生物来实现。首先，亚硝酸单胞菌属( n i 仃o s o m o n a s ) 将氨氮氧化为 亚硝酸盐氮；然后硝酸杆菌属州i t r o b a c t e r ) 将亚硝酸盐氧化为硝酸盐氮。可以用 公式2 1 和2 2 表示其过程，公式2 3 为总反应过程。亚硝酸杆菌和硝酸菌统称为 硝化菌，均属好氧的化能自养菌。在此氧化过程中硝化菌获得了生长所需的能量 【3 4 1 。从生物化学角度，硝化过程并非仅仅指上述两个过程，它涉及多种酶和多 种中间产物，硝化过程。 m 4 + + 3 d 2 专2 移2 一+ 2 日2 d + 4 h + g o ( 形) = 一2 7 0 u ( 聊d 蝴。+ 一)( 2 1 ) 加2 + o 5 q 一0 3 一 g o ( ) = 一8 0 五y ( m d f 0 2 一一) ( 2 - 2 ) 总反应为：m 4 + + 2 d 2 专d 3 一+ h 2 d + 2 h +( 2 - 3 ) 硝化菌多为化能自养型，革兰氏染色阴性，不生芽孢的短杆状细菌和球菌， 广泛存在于土壤中，这类细菌以c 0 2 为碳源，从无机物的氧化中获得能量。硝化 菌的主要特征是生长速率低，这主要是由于氨氮和亚硝酸氮氧化过程产能速率低 所致。氨氮转换为亚硝酸氮时所产生的能量大约为亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮时 所产生能量的4 5 倍，所以，在稳态条件下，生物处理系统中不会产生亚亚硝酸 盐的积累，所以，硝化反应中速率限制步骤是亚硝化菌属将氨氮转化为亚硝酸盐 氮的过程。 2 苏州科技学院硕十学位论文第_ 章乍物脱氮除磷技术 2 1 2 反硝化反应 反硝化反应是将硝化过程中产生的硝酸盐或者亚硝酸盐还原为氮气的过程。 反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物，其反应需在缺氧的条件下进行。反 硝化过程中，硝态氮通过反硝化菌的代谢活动，可能有两种转化途径，即：同化 反硝化( 合成) ，最终形成有机氮化合物，成为菌体的组成部分；另一为异化 反硝化( 分解) ，最终产物是气态氮。生物反硝化过程式可由公式2 4 和2 5 表示。 d ：一+ 3 h + ( 电子供体有机物) jo 5 ，+ h 2 d ( 2 - 4 ) d ，一+ 5 日+ ( 电子供体有机物) 一o 5 ，+ 日，d ( 2 - 5 ) 反硝化过程中的n o 。n 是通过反硝化菌的同化作用和异化作用来完成的。同 化作用是n o 。n 被还原成n h 3 n 贮存在细胞体内，异化作用是将n o x n 还原成 n o 、n 2 0 和n 2 等气体，主要是n 2 。异化作用出去的氮约占总去除量的7 0 7 5 。 硝态氮的反硝化还原过程基本可以表示为： d ，j 坞d ，驾d j 型b ，d j 2 堂乌 2 1 3 脱氮影响因素 由于生物脱氮和除磷都是通过微生物的生命活动实现的，所以影响这些微生 物活性的参数，如温度、p h 值、溶解氧、毒物浓度等，都对其去除效率产生重 要影响【5 。7 1 。 ( 1 ) 温度 生物活性与温度密切相关，温度过低，生物处于休眠状态，过高则使之变性 失活。温度对硝化与反硝化速率的影响遵从a 砷m i u s 方程，但温度对反硝化的 影响与反应器类别及硝酸盐负荷有关，附着生长型反应器和负荷低的系统受温度 的影响较小。硝化反应的温度范围为5 4 0 ，适宜温度为2 0 3 0 ，反硝化的适 宜温度为2 0 4 0 ，低于1 5 ，硝化反硝化速率极低。 ( 2 ) p h 值与碱度 硝酸菌、亚硝酸菌和反硝化菌的最适宜p h 值分别为是6 o 7 5 、7 o 8 5 和7 o 7 5 ，超出这些范围其活性迅速下降，特别是硝化茵对p h 值的变化十分 敏感，因此生物脱氮系统最好是在6 o 8 o 之间运行。在硝化反应过程中，理论 上每氧化1 9 氨氮需消耗减度7 1 4 9 ( 以c a c 0 3 计) ，对于一般的废水，硝化所 需碱度往往不够，必须补充，以防止p h 值降低。在反硝化过程中，理论上每还 原lg 的n 0 3 - n 产生3 5 9 ( 以c a c 0 3 计) 的碱度，这可以补充硝化过程的部分 碱度。 苏州科技学院硕十学何论文 第一章牛物脱氮除磷技术 ( 3 ) 溶解氧 硝化反应必须在需氧条件下进行，一般建议硝化反应时的环境溶解氧为 2 o m g 几。溶解氧的浓度不仅影响硝化反应速率，而且影响代谢产物。在低溶解 氧条件下，亚硝酸化毛杆菌将大量产生n ：o 等代谢产物。反硝化过程需要较为严 格的缺氧条件，溶解氧含量不宜大子o 5 m g l ，因为分子态氧不仅与硝酸盐竞争 电子供体，而且抑制硝酸盐还原酶的合成与活性。 ( 4 ) c n 和c p 比 生物脱氮是利用生物生长过程的生化作用，因此必须有足够的碳源，所需碳 源一般以废水的c o d 或b o d 。与碳、磷的比值表示。通常认为，为了保证脱氮除磷 效果，脱氮系统的b o d 。t k n 应在4 6 之以上。 ( 5 ) 污泥龄( s r t ) 为使脱氮过程中的硝化细菌能在反应器中存活并维持一定的数量，微生物在 反应器中的停留时间，即污泥龄必须大于硝化细菌的最小世代时间。硝化细菌的 能量利用能力较差，一般只能利用氧化n h 。+ 一n 和n o 。一一n 所产能量的5 1 4 ，因 此其生长率比异样型细菌低一个数量级。理论上，污泥龄大于3 d 就可以得到满 意的硝化效果，但实际脱氮系统所需的污泥龄比3 d 大得多，通常需要l o 2 5 d ， 脱氮率才不受污泥龄的影响。 ( 6 ) 其他影响因素 废水中是否含有有毒有害物质，关系着脱氮效果的好坏。另外，系统中厌氧 区及缺氧区不需供氧，但使污泥处于悬浮态的搅拌是必须的。 生物脱氮过程本身就是一个矛盾统一体。一方面，硝化反应需要污泥龄较长 的硝化菌和好氧条件；另一方面，反硝化需要污泥龄较短的反硝化菌和缺氧条件。 同时，二者对有机物的存在也是有矛盾的：自养硝化菌在大量有机物存在时，对 氧气和营养物质的竞争不如好氧异养菌从而致使反应器内异养菌成为优势菌种； 而反硝化反应需要有机碳源作为电子供体完成脱氮过程。因此硝化和反硝化菌生 理机制的差异导致了生物脱氮反应器的不同组合，如将硝化与反硝化由同一污泥 来完成的单污泥工艺和由不同污泥完成的双污泥工艺。前者通过交替的好氧和厌 氧段来实现。后者则通过使用分离的硝化和反硝化反应器来完成。 2 2 生物除磷理论 2 2 1 生物除磷机理 生物除磷主要是利用聚磷菌( 属于不动杆菌、气单胞菌属和假单胞菌属等) 在厌氧状态下释放磷和在需氧状态下蓄积磷的作用。根据h o l m e r s 提出的活性污 4 苏州科技学院硕十学何论文 第章十物脱氮除磷技术 泥化学组成经验式c 6 0 h 8 7 0 2 3 n 1 2 p 估算，磷在活性污泥中的含量为2 左右，但 在厌氧需氧活性污泥中，污泥含磷量达3 8 。磷在活性污泥中的吸收的原 因，迄今尚无定论。b 2 u r g m a n 等人认为主要在细菌细胞内形成了磷酸钙晶体沉淀； l e n i n 等人认为主要是生物学原因，是聚磷菌的代谢特性决定的。 传统的生物除磷理论是“聚合磷酸盐( p o l y - p ) 累积微生物”一p a o 的摄放磷原 理：在厌氧好氧交替运行条件下驯化出聚磷菌( p a o ) 一类的微生物，它能够过量 的，在数量上超过其生理需要的，从外部环境中摄取磷，并将磷以聚合磷的形背 贮存在体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷的效果。生彩 过程通常包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程，其代谢模式如图2 1 所示，兵六r r 的诱导驯化机制如下瞒j ： b 厌氧状态 有机物颗粒 聚磷颗粒 图2 1 聚磷菌微生物释放磷、吸收磷的代谢过程 在厌氧条件下，聚磷菌充分吸收醋酸盐或其他挥发性脂肪酸( v f a ) ，并以生 物聚合物的形式贮存在细胞内( 主要是p h b 和碳源) 。这一代谢过程所需的能量主 要来自其细胞内贮存的聚磷酸盐。聚磷酸盐是一种高能分子，在厌氧状态下水解 并放出大量的能量，为微生物吸收有机底物并在细胞内把这些有机底物转化为 p h a 所用。与此同时，聚磷酸盐水解生成了正磷酸盐释放到污水中，所以厌氧状 态下p h a 合成的同时伴随着正磷酸盐的释放。另外生物体内的另一聚合物糖原也 提供一定的能量，其主要作用是提供还原力n a d h 2 ( 它在转化过程中是必需的) ， 从而调节细胞内的氧化还原平衡。 在好氧条件下，此时聚磷菌则利用胞内贮存的p h a 提供生长所需的能量和碳 源。p h b 被氧化成c 0 2 ，而n a d h 2 被释放并转化为a t p ( 三磷酸腺苷) 。a t p 产生 能量用于聚磷菌的生长，聚磷菌在生长的同时不断在细胞体内以聚磷酸盐的形式 贮存磷和合成糖元质物质，此时吸收的磷大大超过了厌氧时释放的磷，实现了磷 苏州科技学院硕十学何论文 第_ 章乍物脱氮除磷技术 的超量吸收，因而出水中磷大大降低，实现了除磷的目的。工艺产生了富磷活性 污泥，这些污泥一部分作为接种污泥被循环回流到厌氧反应器，另一部分则作为 剩余污泥被排出，从而将磷从系统中去除，取得高效稳定的除磷效果。 2 2 2 影响因素 ( 1 ) 温度 对于良好的生物除磷工艺，无论水温高低，都能成功运行。温度对除磷的影 响有如下一些不同的观点，s h a p i r o ( 1 9 6 7 ) 所做的活性污泥样品静态试验结果表 明：水温从1 0 升到3 0 时磷的比释放速率提高了4 倍，这一结果意味着低温运 行时厌氧区的停留时间要更长一些，以保证发酵作用的完成和基质的吸收。朱 还兰等在四个不同温度下对s b r 生物除磷工艺的试验结果表明：温度对污泥的厌 氧释磷有较大的影响，0 时磷的释放量很小，温度为1 7 、2 7 、3 7 时，前 三小时的平均放磷速率分别为0 8 7 、1 2 3 、2 6 m ( 1 h ) 。温度每升高1 0 ，放磷 速率增加近一倍。顾夏声认为：在一定范围内除磷速率一般随温度的增加而下 降，并解释其原因为除磷菌是嗜冷性细菌。 ( 2 ) p h 值与碱度 生物除磷的适宜p h 值大致范围是6 5 8 0 。徐乐中认为：生物除磷要求厌氧区 存在有机酸，所以p h 值宜小于等于7 o 。根据p h 值对一株不动杆菌最大比生长 率的影响的研究表明：p h 值为8 5 时最大比生长率4 2 ，p h 值为7 0 时为8 5 ， p h 值低于6 0 时微生物不再生长。 ( 3 ) 溶解氧 控制生物脱磷系统中厌氧段的溶解氧浓度极为重要，因为这不仅影响聚磷菌 的释磷能力及其利用有机底物合成p h b 的能力，而且由于氧的存在，促成了非 聚磷菌的需氧生长消耗有机底物，使发酵产酸菌得不到足够的营养来产生短链脂 肪酸供聚磷菌使用，造成聚磷菌的生长受抑制。所以厌氧段的溶解氧浓度应控制 在0 2 m g l 以下。在需氧段，为供给足够的溶解氧以维持聚磷菌的需氧呼吸，一 般溶解氧浓度应控制在1 5 2 5 m l 。 ( 4 ) c n 和c p 比 脱磷系统中进水的b o d 5 厂r p 至少应在1 5 以上，一般在2 0 3 0 。 ( 5 ) 污泥龄( s r t ) 除磷污泥的污泥龄较短，当泥龄从3 0 d 降到5 d 时，脱磷率从4 0 上升到8 7 。 一般建议以脱磷为主要目标的系统的污泥龄宜控制在3 5 7 d 。 ( 6 ) 废水水质的组成 废水中有机底物的组成成分，特别是生物可降解性的成分， 6 苏州科技学院硕十学何论文第一章乍物脱氮除磷技术 脱磷系统中存在“气单胞菌属_ 发酵产酸嵊磷”的连锁关系。但气单 胞菌属能否充分发挥这种发酵产酸的能力，取决于废水的水质情况。气单胞菌也 是一类能利用n 0 3 - n 作为电子受体的兼性反硝化菌，只要存在n 0 3 n ，气单胞 菌属对有机物的发酵产酸作用就会受到抑制，从而影响聚磷菌的释磷和p h b 的 合成，使脱磷系统的除磷效果下降甚至遭到破坏。因此，应控制厌氧区的n 0 3 n 含量。 2 3 传统a 2 o 工艺的缺陷 a 2 o 工艺虽然是我国城市污水处理厂中应用最广泛的同步脱氮除磷工艺， 但由于氮和磷的去除机理和途径趋于复杂，每一步生化反应过程的目的不同，对 微生物的组成、基质类型及环境条件的要求也各不相同【引。因此要在一个系统中 同时完成脱氮和除磷的过程，不可避免地产生各种矛盾，这就要求我们根据实际 状况和需要，对传统工艺进行改进，使之能够解决实际问题。传统a 2 o 脱氮除 磷工艺中存在的主要问题是泥龄，碳源，硝酸盐，系统的硝化和反硝化容量，释 磷和吸磷容量问题等等1 1 0 。i l j 。 ( 1 ) 泥龄 反硝化细菌和聚磷菌都是短泥龄的微生物，泥龄越短，反硝化速度越快，除 磷效果越好【1 2 】。泥龄过长会使得排泥量降低，除磷率下降，并且会造成这两种细 菌的活性；而反硝化细菌繁殖速度慢，世代周期较长，长泥龄有助于提高硝化效 率，过短泥龄会使硝化细菌无法成为优势菌群，影响系统的硝化效果。因此，在 单污泥系统中，这三类细菌存在泥龄的矛盾。 ( 2 ) 碳源 在脱氮除磷过程中，反硝化细菌和聚磷菌之间存在的主要矛盾是竞争碳源引 起的。厌氧条件下，聚磷菌可以利用挥发性脂肪酸( v f i a ) 合成体内的p h b ，同 时完成释磷过程。进水中v f a 越高，释磷速度越快，除磷效果越好。但是在a 2 o 工艺中，反硝化细菌可以优先于聚磷菌利用v f a 进行反硝化脱氮，一旦v f a 含 量过低，就会影响聚磷菌的除磷效果。系统中碳源不足，会给系统稳定运行造成 较大困难，过量碳源对系统中脱氮会产生负面作用，好氧硝化短的有机质浓度过 高，会使得异样聚快速生长，抑制硝化细菌的功能，影响系统硝化性能。 ( 3 ) 硝酸盐 由于反硝化速度快于释放磷的速度【l3 1 ，因此厌氧条件下存在硝酸盐时，反硝 化菌会抢先消耗易降解的c o d ，如v f a 等，造成聚磷菌难以获得充足有机物， 抑制了释磷作用。为了提高系统脱氮能力，含氮有机物必须充分硝化，部分硝酸 盐岁好氧段回流污泥进入厌氧段，严重影响了聚磷菌的释磷效果。 苏州科技学院硕十学何论文第二章牛物脱氮除磷技术 ( 4 ) 系统的硝化和反硝化容量问题 硝化不充分，出水氨氮升高，反硝化性能收影响，反硝化不充分，出水硝酸 盐含量就会升高。系统的硝化和反硝化能力首先取决于各自相应区域的水利停留 时问或者有效容积。配置恰当的硝化和反硝化容量，充分发挥它们的作用，是脱 氮除磷工艺中的一个重要问题。 ( 5 ) 释磷和吸磷的容量问题 释磷和吸磷相互关联的，在a 2 o 工艺中，吸磷和硝化是同步的，硝化时间 长，吸磷容量通常不成问题，从整个系统来看，厌氧释磷过程更为关键，因此， 厌氧条件下，反硝化细菌和聚磷菌的竞争，影响到了释磷的容量，从而影响整个 系统的除磷效果。 除了这些系统的内在矛盾之外，a 2 o 脱氮除磷工艺污水处理厂运行费用较 高，管理水平低，没有根城市污水水质水量的波动性较大，导致难以实现稳定可 靠地运行，没有根据进水水质的变化和处理目标对系统的控制参数进行优化。我 国同发达国家比，主要是在运行管理和过程控制方面存在较大的差距【l4 1 。 因此，如何对a 2 o 工艺进行优化改进，解决内在矛盾和运行弊端，提高脱 氮除磷效果，使其经济高效运行，是一个具有深远意义的课题l l 5 1 7 】。 2 4a 2 o 的改进 基于传统脱氮除磷工艺存在的问题及其产生问题的原因，且从经济性的角度 出发，近年来国内外学者主要从三个方面来研究a 2 o 工艺的改进措施：一对现 有工艺进行改造；二是研究不同于传统理论的生物脱氮除磷新技术运用于传统的 a 2 o 工艺中；三是提高系统运行管理水平，研发高效的过程控制策略，使系统 运行效果稳定高效。 2 4 1 工艺改造 ( 1 ) 单泥系统改良 一是解决硝酸盐干扰释磷问题提出的工艺，如u c t 、m u c t 、v i p 【1 8 j 等工艺； 二是直接针对碳源不足而采取解决措施，如补充碳源、改变进水方式和回流 污泥等，为反硝化和除磷重新分配碳源，进而形成的一些新工艺，如j h b 工艺， 倒置a 2 o 工艺，取消混合液回流的a 2 o 工艺，a + a 2 o 工艺，多点回流传统 a 2 o 工艺，多点进出水倒置a 2 o 工艺等。 u c t 、m u c t 、v i p 工艺1 9 之1 1 u c t 工艺是在a 2 o 工艺的基础上对回流方式作了调整以后提出的工艺，其与 8 苏州科技院硕十学何论文 第章乍物脱氮除磷技术 a 2 o 工艺的不同之处在于沉淀池污泥是回流到缺氧池而不是回留到厌氧池，同时 增加了从缺氧池到厌氧池的混合液回流，这样防止了好氧池出水中的硝酸盐氮进 入到厌氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而影响在厌氧过程中磷的充分释放。由缺氧 池向厌氧池回流的混合中b o d 浓度较高，而硝酸盐很少，为厌氧段内所进行的发 酵等提供了最优的条件。 为了使得进入厌氧池的硝态氮尽可能少，保证污泥具有良好的沉淀性能，简 化u c t 工艺后得到了m u c t 工艺。缺氧池被分为两部分，第一缺氧池接纳回流污 泥，然后由该反应池将污泥回流至厌氧反应池，污泥量比值约为o 1 。硝化混合 池回流到第二缺氧池，大部分反硝化反应在此区间进行。m u c t 工艺基本解决了 u c t 工艺所存在的问题，最大限度的消除了向厌氧段回流液中的硝酸盐量对摄磷 产生的不利影响，但由于增加了缺氧段向厌氧段的回流，其运行费用较高。 工艺流程上v i p 工艺与u c t 工艺类似，差别在于v i p 工艺的厌氧段缺氧段和 好氧段的每一部分都有两个以上的池子组成，通常反应池采用分格方式，将一系 列体积较小的完全混合式反应格串联在一起。这种形式形成了有机物的梯度分 布，充分发挥了聚磷菌的作用，提高了厌氧池磷的释放和好氧池磷的吸收速度， 因而比单个大体积的完全混合式反应池具有更高的除磷效果。缺氧反应池的分格 使大部分反硝化反应都发生在前几格，有助于缺氧池的完全反硝化，这样在缺氧 池的最后一格硝酸盐的量很少，基本没有硝酸盐通过缺氧池的回流液进入厌氧 池，保证了厌氧池严格的厌氧环境。与u c t 工艺相比，v i p 采用高负荷运行，其 泥龄比u c t 工艺短，混合液中活性微生物所占的比例较好，因而运行速率高，除 磷效果好，所需的相应反应池的容积也较小。 取消混合液回流的a 2 o