（环境工程专业论文）ao中试脱氮工艺运行控制的基础研究.pdf

摘要 为减轻水体富营养化，实现污水脱氮除磷，目前，o 与a 2 o 是应用较广泛 的生化处理工艺。其中，实现a o 工艺的亚硝酸氮积累不但可以减少供氧量，降 低电耗，减少碳源投加量，而且剩余污泥量少，这对于低c 刷比生活污水高效脱 氮具有重要意义。 试验中考察了0 工艺的处理效果，系统对于c o d 和氨氮具有良好的去除效 果。当进水有机负荷和氨氮负荷一定时，随着d o 浓度和m l s s 的增加，硝化效率 增加，出水氨氮浓度降低，但不可忽略的是增大m l s s 导致运行费用的增加。由 于进水c 斛较低，仅为3 左右，所以总氮去除率较低。 虽然很多因素导致亚硝酸氮的积累，但不同的废水、不同的工艺控制亚硝酸 氮积累的主要因素有所差异。本试验中应用中试a 0 试验装置处理实际生活污 水，在常温条件下，p h 在7 2 7 6 之间，污泥龄为1 5 天时，控制d o 维持较低浓 度。基于亚硝酸菌和硝酸菌的溶解氧饱和常数不同，控制d 0 浓度可实现硝化菌 群活性或结构的变化；维持低d 0 浓度，亚硝酸菌活性增加，而硝酸菌活性减弱， 因此活性污泥中硝酸菌被逐渐抑制，长期运行在低d o 浓度可实现硝酸菌的完全 抑制或部分淘洗，系统中亚硝酸菌成为优势菌群，从而获得持久稳定的亚硝酸氮 积累。 通过控制d 0 浓度，在o 中试工艺中两次实现“亚硝酸氮积累破坏恢复 重现”的过程。其它影响因素，如温度、口h 值、f a 浓度、s r t 等均不是关键因 素，较低的d o 水平不但可以实现亚硝酸氮的积累，同时有利于能耗的降低，这 为实际运行提供了参考。 从两个阶段的试验来看，亚硝酸氮积累破坏的越彻底相应恢复的过程的就越 漫长，通常情况下由于传质阻力的限制液相主体中d 0 浓度要高于微生物絮体内 部的d o 浓度，所以在恢复阶段后期适当提高d o 浓度( o 7 m l ) 可加速程硝酸 氮积累的形成。 本课题还对原有的a 0 系统进行改造，进行a 2 ，0 工艺脱氮除磷特性的研究， 主要考察内循环回流比、p h 值、温度等因素对系统脱氮除磷效果的影响，对a 2 o 工艺提出如下改进措施：内循环回流比一般取2 0 0 3 0 0 为宜，此时脱氮率可达 8 0 以上，除磷效率也较好，运行费用也不会太高：如果系统中的m l s s 较低， 则系统的硝化效果较差，而高m l s s 对氨氮去除较好；试验中温度始终控制在2 0 以上，该温度在硝化反应的最适宜温度范围内，此时氨氮去除率较高。温度对 磷的去除影响较小，因为聚磷菌有高、中、低温三种；p h 值对除磷的影响尤为 深远，当厌氧段p h 值为7 5 时，a 2 o 系统中的脱氮除磷效果最好；试验还初步探 讨了同步硝化反硝化反应的控制理论，维持系统低d o 水平，系统会实现较好的 同步硝化反硝化反应。 关键词0 中试工艺；亚硝酸氮积累；a 2 c i 工艺；生物脱氮除磷 i i a b s t r a c l a b s t r a c t a oa n da o p r o c e s sw e r ew i d e 】yu s e dj nt h es c a l eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r o u s r e m o v a la 1 1 ds o l v i n gt h ep r o b l e mo fe u t r o p h i c a t i o n n i t r i t ea c c u m u l a t i o ni na ，o p r o c e s sh a sm a n ya d v a n t a g e si nn i t m g e na n dp h o s p h o r o u sr e m o v a l ，s u c ha s ，l e s s o x y g e ni sn e e d e di na e r o b i cp h a s e ，l o we n e r g ya n de x t r ac a r b o nc o n s u m p t i o n ，l o w e x c e s ss l u d g cp r o d u c t i o n ，t h a th a ss i g i l 诳c a n c eo nh i 曲n i t r o g e nr e m o v “f o ri o wc n m t i od o m e s t i cw a s t e w a t e l t h ee 脏c t so fc o d ，n i 仃o g e na 1 1 dp h o s p h o m sr 、v m o v a li nt h ed i l o ts c a l ea o r e a c t o rw e r es y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d w h e nt h e o r g a n i c1 0 a d i n gr a t e sa n d 猢o n i al o a d i n gr a t e sw e r er e i a t i v e l yc o m 姐t ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fd oa 1 1 dm l s s c o n c e n t r a t i o n ，t h ee f n u e n ta i l l m o n i ad e c r e a s e d b u tt h ec o s tw i l li n c r e a s e d u et om e i n c r e a s i n go fm l s s b e c a u s et h er a t i oo fc nw a sn e a r3 ，t h e1 _ nr e m o v a lr a t ew a s r e l a t i v e l yl o w a l t h o u 曲m a n yf a c t o r si e a dt on i 打i t ea c c 眦u l a t i o n ，t h em a i nf a c t o ri sv a r i a b l ei n d i f f b r e n tw a s t e w a t e ra 1 1 dp r o c e s s w a s t e w a t e ro fl o wc nr a t i ow a st r e a t e db y p i l o t - s c a l e 刖0p r o c e s sa tn o n n a lt e m p e m t u r e ，s r l w a sa b o u t15d a y s ，p hw a s b e t w e e n7 2t o7 6 ，c o n t r o l l i n gt h ed oa t1 0 wl e v e l d u et ot h ed i 虢r e ms a t u r a t i o n b e t w e e n 锄m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i a ( a o b ) a n dn i 们t eo x i d i z i n gb a c t e r i a ( n o b ) a t l o wd oc o n c e n t r a t i o n ，t h ea c t i v i t ya 1 1 dq u a n t i t yo fa o bi n c r e a s e dw h e r e a sn o b d e c r e a s e d ，s ot h en o bi nt l l es y s t e mw a sr e s t r a i n e dg m d u a l l ya n dt h ea o bb e c 锄e d o m i n a n ti nt h ep h e n o m e n ao fi l i m t ea c c u m u l a t i o n ，i tc o u l da b t a i ns t a b l en i t r i t e a c c u m u l a t i o n nw a sr e a l i z e d n i t r i t ea c c u m u l a t i o n d i s 印p e 黝c e r e c u h e n c e ”i na op r o c e s sb y c o n t r 0 1 l i n gd oc o n c e n 矗a t i o n o t h e rf a c t o r s ，i e t e m p e r a t u r e ，p h ，f r e e 锄m o n i a ( f a ) c o n c e n t f a t i o n ，s r tw e r en o tt h ek e y 舭幻cl o wd oc o n c e n t r a t i o nn o to n j yr e a j i z e d t h en i t r i t ea c c u m u l a t i o nb u ta l s os a v e d e n e r g y d ow a st h ek e y 角【c t o ra f f e c tm en i t r i t ea c c u m u l a t i o ni nt h et 、v op h a s er e s e a r c h ，m e m o r ec o m p l e t e l yd i s 印p e a r a n o eo fn i t r i t ea c c u m u l a t i o n ，m em u c ht i m ew a sc o s tt o 北京工业大学工学顾士学位论文 r e c u ri t d 0c o n c e n 仃a t i o ni n1 i q u i dw a s h i g h e r t h a ni nt h eb i o m a s sd u e t oi n h i b i t i n g o fd 0t r a n s f e r e r ，s oi l i t r i t ea c c m u l a t i o nc o u l db ea c c e l e r a t e db yi n c r e a s i n gd o c o n c e n ”a t i o n ( o 7 m l ) i nt h ep h a s eo f r e c u r i n c e r e s e a r c ho nn i t r o g e na n dp h o s p h o r o u sr e m o v a li na 2 op r o c e s sw a sm a d e ，w e m a i n l ya n a l y z e di n t e m a lr a t i o ，p h ，t e m p e r a t u r ea n ds oo n ，t h er e s u l tw e r ea sf o l l o w s ： i tw a sf i t f u l t h a tt h ep a r 锄e t e ro fi m e m a ir a t i ow a s2 0 0 3 0 0 ，m en i t r o g e nr e m o v a l r a t ew a sa b o v e8 0 a i l dp h o 印h o r o u sr e m o v a lr a t ew a sg o o di i ln o th i 曲o p e r a t i o n c o s t a m m o n i ar e m o v a ir a t ew a sc o n s i s t e mw i mt 1 1 em l s si nt h es y s t e m ，h i 曲 m l s sw a sp r o p i t i o u st o 锄m o n i ar e m o v a l t e m p e r a t u r ew a sc o n t r o l l e da b o v e2 0 ， t h a t t e m p e m t u r e s c a l ew a sf i t m lt on i t r i f i c a t i o na 1 1 dh i g h 猢o n i ar e m o v a l t e m p e m t u r ec o u l dn o ta f 诧c tp h o s p h o r o u sr e m o v a lb e c a i l s et h e r ew e r et h r e ed i f 艳r e n t t y p e so fp o l y pb a c t e r i a ( h i g ht e m p e r a t u r c ，m i d d l et e m p e r a t u r e ，1 0 wt e m p e r a t u r e ) ， s o m ew e r es p e c i a ie l s en o t p hh a dm u c he 丘e c to nt h ep h o s p h o r o u sr e m o v a l h i g h 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 lm t ew 硒g a i n e di na 2 os y s t e mw h e nt h ep hi n a n a e r o b i cp h a s ew a s7 5 a c c o r d i n gt op h o s p h o m l l sr e m o v a l ，i tn e e d e dd i 虢r e 呲 d oc o n c e m r a t i o na td i f r e r e n tb i o l o g i c a lr e a c tp e r i o di na 2 0s y s t e m a n a e r o b i c p h a s ee n s u r e db a c t e r i aa b s o r bo 唱a n i ca i l d r e l e a s ep h o s p h o r o u su n d e ra n a e r o b i c s t a t i o n p o l y pb a c t e r i ak e p t t 1 1 e r r e s p i m t i o na n d协k i n gp h o s p h o r o u s疗o m w a s t e w a t e re 行毫c t i v e l yi nt l l eo x i cp h 硒e s i r l l u l t a l l e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ( s n d ) w a ss t u d i e di nm er e s e a r c h ，s n dw a sg a i n e db yc o n t r o l l i n gl o w d 0c o n c e n t r a t i o n k e yw o r d sp i l o t s c a l ea op r o c e s s ；n i t r i t ea c c m u l a t i o n ；a 2 op r o c e s s ；b i o l o g i c a l 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 i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 呷事上月 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲文雪耆导师躲哆如矗日期：加d _ 7 第l 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 水体富营养化 第1 章绪论 富营养化是指氮、磷等无机营养物大量进入湖泊，海湾等相对封闭，水流缓 慢的水体，引起藻类和其它水生植物大量繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化，其 它水生生物大量死亡的现象。一般来说，总磷和无机氮分别为2 0 m m 3 和 3 0 0 m m 3 ，就可以认为水体己处于富营养化的状态。富营养化问题的关键，不 是水中营养物的浓度，而是连续不断地流入水体中的营养盐的负荷量，因此不能 完全根据水中营养盐浓度来判定水体富营养化程度。水体中营养物的极限负荷量 有两种表示方法：1 ) 单位体积负荷量：( m 3 y e a r ) 2 ) 单位面积负荷量： ( i n 2 y e a r ) 。 据研究，如进入水体中的磷大部分以生物代谢的方式流入时，则贫营养湖与 富营养湖之间的临界负荷量是：总磷为o 2 o ，5 ( m 2 y e a r ) ，总氮为5 1 0 个 ( m 2 y e a r ) 。总之，对发生富营养化作用来说，磷的作用远远大于氮的作用， 磷的含量不很高时就可以引起富营养化。 富营养化可分为天然富营养化和人工富营养化。在自然条件下，由于水土流 失、蒸发和降水输送等过程会使水体中的营养物质逐渐积累，使一些湖泊从贫营 养向富营养化发展，逐渐由湖泊变成沼泽，最后变成旱地。不过这一自然过程需 要几千年甚至几万年才能完成。但是人类活动的影响会急剧的加速这一过程，特 别是现代生活中人类对环境资源开发利用活动日益增加，工农业迅速发展，大量 的营养物质进入并积累在湖泊、海湾中，导致富营养化可以在短时期内出现。以 美国e r i e 湖为例，由于大量的营养物质排入e r i e 湖，该湖在1 9 0 0 年到1 9 7 0 年 的7 0 年间发生的富营养化进展相当于过去1 0 ，o o o 年的发展果。富营养化问题 已经成为全世乔范围内普遍存在的环境问题”1 。 对于我国来说，现有湖泊、水库等水体两千多个。天然湖水总贮水量约为 7 0 7 7 m 3 亿，占我国水资源总量的2 7 。这些水体具有饮用、工农业生产用、水 产养殖、旅游及水上运输等多项功能，尤其作为饮用水水源的功能相当重要。近 年来随着工农业迅速发展，城市人口猛增，大量的工业废水、生活污水未得到应 有的治理就直接排放到水体中，由此而造成的水体富营养化问题日益受到重视 北京广业大学t 学顿十学位论文 氮、磷过量排放引起的水体富营养化是当前最为关注的环境问题之一。控制 水体富营养化，防止水体污染的根本途径就是对污染源进行治理，控制污染物的 排放量，使污水处理厂出水中的氮、磷含量必须达到一定的标准。污水排放标准 的日趋严格是日前普遍的发展趋势；以控制富营养化为日的的氮、磷脱除已成为 污水处理的主要目标。我国2 0 0 2 年最新颁布的污水排放标准要求所有排污单位 最后出水氮磷的含量根据接纳水体的等级分别为t p 小于l m 叽，氨氮小于 5 m l ，总氮小于1 5 m l 。因此，无论是新建污水厂还是己有污水厂都面i 艋着污 水深度脱氮除磷的要求。 1 1 2富营养化的危害 1 1 2 1 水中含藻多 水体富营养化最突出的表现是藻类数量大，一般富营养化水体中藻体个数在 1 0 万个l 以上。这必然要增加沉淀池( 或气浮池) 排泥量，使滤池运行周期缩 短、反冲洗水量增加。部分穿透滤池的藻类会引起出水的色度升高、臭味加重， 其代谢产物还会引起管网中微生物再度繁殖。这不仅对水体自身的生态结构、功 能带来不利的影响，而且造成以该类水体水为水源的净水厂的运行管理困难，严 重的可以使净水厂出水量和水质得不到保证，甚至使水厂停止运行。 1 1 2 2 臭气强 现已查明富营养化水体中可能产生臭气的物质有十余种，其中藻类是主要的 ，上物臭物，这些藻类能散发出腥味异臭，并向湖泊四周的空气扩散，直接影响、 烦扰人们的正常生活，给人以不舒适的感觉。同时，这种腥臭味也使水味难闻， 大大降低了饮用水的水质质型”。 1 1 2 3 有机物浓度高 富营养化湖泊水中藻类及水生生物大量繁殖，它们在新陈代谢、细胞分解过 程中分泌有机物，其残骸在降解、腐烂过程中也产生有机物，很多属“三致”物质， 藻类有机物不仅是形成致癌物三卤甲烷的前体物，还会干扰混凝过程，影响处理 效果，供水管网中的有机物会加重管道腐蚀，增加输水能耗，同时溶入水中的铁 屑和重金属离子会使管网的水质更加恶化。 1 1 2 4 向水体释放有毒物质 富营养化对水质的另一个影响是某些藻类能分泌、释放有毒物质，如蓝藻门 的不定腔球藻( c f 0 妒 口p r f “珊幽6 m 川) ，铜锈微囊藻( 伽r d 钞，插口p r m ”d 阳) ， 水华鱼腥藻( 爿 d 6 口p 疗咖踟棚p ) 等分泌藻青朊( p 砂砂册) 、肝毒素和神经毒素 等毒性物质。其次，富营养化水体在厌氧时会产生硫化氢、甲烷和氨等有毒、有 害气体，而水藻产生的某些有毒物质，在制水过程中更增加了水处理的技术难度， 第l 审绪论 既影响制水厂的出水率，同时也加大了制水成本费用。 1 1 2 5 底泥中铁、锰释出 由于富营养化湖水溶解氧减少，可能使深层水体里厌氧状态，氧化还原电位 降低，底泥中铁、锰释出，出现“红水”或水体发黑现象。造成水源水质恶化，水 处理难度增加。 1 1 2 6 氨氮的含量高 由于水中氮的各种形态可以互相转换，所以排入湖泊的氮化合物中除已有的 一部分氨氮外，其它形态也可以转化为氨氮。对于加氯消毒的水厂，不仅提高了 产水成本，而且增加了卤化物的生成量，影响出水水质。 因此，对于污水中氮的去除就显得格外重要，直接关系到人们的身体健康以 及整个生物圈的存亡。 1 1 3 生物脱氮控制的必要性及重要性 由以上内容可以看出，去除氨氮的重要性不容置疑，但是如何更好、更高效 的脱氮，是需要解决的重点。因此，生物脱氮控制的研究就更重要。 由于污水处理的运行费用是庞大的、长期的，如果通过有效的控制能将城市 污水处理厂的运行费用节省l ，也是个天文数字，因此，加强城市污水处理系 统自动控制的研究非常必要。发达国家在污水二级处理普及以后投入大量资金和 科研力量加强污水处理设施的检测、运行和管理实现了计算机控制、报警、计 算和瞬时记录。美国在2 0 世纪7 0 年代中期开始实现污水处理厂的自动控制，目 前主要污水处理厂已实现了工艺流程中主要参数的自动测试和控制。2 0 世纪8 0 年代以来在美国召开了两次水处理仪器和自动化的国际学术会议，会上发表的数 百篇论文反映出水处理自动化己发展到实际水平。与国外相比，我国污水处理自 动化控制起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统， 国产自动控制系统在污水处理厂中应用很少。 尽管污水生物处理领域非常适合应用智能控制技术，但是由于智能控制领域 相对较新而很少有坏境工程师熟悉它，因此关于这方面的研究从8 0 年代起步，目 前大多处在试验室理论研究和系统仿真阶段，国外将部分研究成果应用于实际污 水处理厂，都取得了比较理想的效果。 北京1 二业大学1 = 学硕士学位论文 1 2 生物脱氮的机理及其影响因素 1 2 1 传统生物脱氮的机理 1 2 1 1 从微生物学探讨生物脱氦机理 生物脱氮过程中起主导作用的是硝化细菌和反硝化细菌，它们各自的主要菌 种见表1 1 。 硝化细菌的主要特点是自养性，生长率低，好氧性，依附性，对环境因素十 分敏感；反硝化细菌的主要特点是异养型兼性厌氧菌。 表1 1生物脱氮的优势菌种 r a b l el 一1d o m i 船n fb a c t e r i ai nb i 0 1 0 9 i c a ln j t r o g e nr e l n o v a l 硝化细菌 反硝化细菌 亚硝酸细菌硝酸细菌 n n r o s o m o n o i sn t r o b n c l e ra c h r o m o b n c f e r n t r o s o s p i r n n n r o s p 眦 4 已r d 6 口c f p r n t t r o s o c c u sn t l r o c o c c u s a l l i g e 舵s n i t r o s o t o b h sb n c i | l h s r o v o b n c t e r i u m m i c r o c o c c u s p s e h d o m o n n s p r o t e m s 1 2 1 2 从化学反应角度探讨生物脱氮机理 生物处理中氮的转化，去除氮包括被同化成新细胞及通过硝化、反硝化而被 转化为分子氮气并逸入大气n 图1 1 为生物处理中氮的转化过程。 1 2 1 2 1 硝化反应 生物处理中硝化作用的生化机理硝化作用是指氨氮被氧化成亚硝酸氮，然后 进一步氧化成硝酸氮的过程： 氨化反应，以氨基酸为例反应式为： r c h ，n h s o o h + o ，墨垫! ! 堡_ r c o o h + c o ，+ n h 、 硝化反应，反应式为： 朋玎+ d 2 塑丝乌崛+ d + 2 h + + 能量 凹+ 以a 堂堕一暖+ 能量 第1 章绪论 有机氮( 蛋白质，尿素) 细菌分解和水解 氨氮 硝化 有机氮 亚硝酸氮 硝化 硝酸氮 自溶和自身氧化 反硝化 有机碳 有机氮 ( 细菌细胞) ( 净生长) 氨氮 图1 1生物处理中氮的转化 f g u r el 11 豫n s f e r m a t j o no f n i t r o g e ni nb i o l o g j c a l t r e a t m e n t 硝化反应的总反应式为： 吁菇+ 2 q _ o f + 爿j o + 2 h + + 能量 亚硝化菌( m 护d 朋d 疗甜) 和硝化菌( 矶r d 6 口c 胞，) 在反应中起催化作用， 这两种高度特定型的细菌都是专性需氧微生物，即它们只在氧分子存在的条件下 发挥作用。这些细菌也是以无机物为营养的细菌，它们在氧化反应中利用可氧化 的无机物质作为电子供体，以产生代谢过程中所需要的能量。 l _ 2 1 2 2 反硝化反应 生物处理中反硝化作用的生化机理是指氧化念氮，通常是亚硝酸氮和硝酸氮 被还原为气态氮( m d 和v ，) 的过程。在硝酸氮到氮气的过程中，氧化水平较 高的氮化合物( + 5 价) 被还原为分子氮( 0 价) ，与此同时，有机基质作为反硝 化过程中的电子供体被氧化，整个过程如下： 2 r o ，+ 5 何2 爿( 碳源) 2 + 2 洲一十4 月：d + 5 爿 n 0 ：+ 2 e 上n o ：+ e 三j n o + e 三专n ，o 三n ， 懈一还原为的过程，由连续四步完成。式中：1 为硝酸赫还原酶：2 为亚硝酸盐还原酶；3 为氧化态还原酶：4 为氧化亚态还原酶。 北京t 业大学工学硕十学位论文 1 2 2 生物脱氮新工艺 1 2 2 1s h a r o n 工艺 s h a r o n 工艺巧妙的利用了在高温下( 3 0 3 5 ) 亚硝酸菌的最小泥龄小于 硝酸菌最小泥龄这一特性，采用连续反应器( c s t r 反应器) ，通过控制系统的水 力停留时间使之介于硝酸菌和亚硝酸菌的最小泥龄之间，从而将硝酸菌淘汰，维 持了亚硝酸盐的积累。s h a r o n 工艺中，温度和p h 值被严格控制，保证氨氮的 亚硝酸化，最终使系统中的亚硝酸盐积累率达到l o o ，同时通过间歇曝气实现 好氧条件下氨氮亚硝酸化和缺氧条件下亚硝酸盐的反硝化。具体内容见本论文第 4 章的介绍。 1 2 2 2a n a m m o x 工艺 1 9 9 0 年，荷兰d e l r 技术大学k 1 u y v e r 生物技术实验室丌发出a n a m m 0 x 工艺 ( a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n ) 。该工艺的特点是：在厌氧条件下，以硝酸氮为 电子受体，将氨转化为氮气的生物氧化过程。最近研究表明，亚硝酸氮是一个关 键的电子受体。由于该菌是自养菌，因此不需要添加有机物来维持反硝化。实验 研究发现，厌氧反应器中氨氮浓度的降低与硝酸氮的去除存在一定的比例关系。 发生的反应可假定为： 5 n h 4 + + 3 n 0 3 。一4 n 2 + 9 h 2 0 + 2 h 十 g = 一2 9 7k j m o ln h 4 + 最近研究表明，亚硝酸氮也可作为电子受体进行如下反应： n h 4 + + n 0 2 - n 2 + 2 h 2 0 g = 3 5 8k j m o ln h 4 + 根据化学热力学理论，上述反应的g 1 6 时，表明进水c o d 偏高，虽然c o d 在缺氧池被降解了一部 分，但进入好氧池的c o d 仍然偏高。过量的c o d 刺激新细胞的繁殖，使混合液 其它菌群的生长速率加快，同时c o d 对硝化菌有抑制作用，占优势的硝化菌群 逐渐变为劣势，硝化功能减弱，出水氨氮偏高。过度繁殖的细胞，使得污泥结构 松散，不易沉降，耗氧速度加快。当c 小比例偏小时，表明进水基质不足，反硝 化速率降低，影响脱氮效果，使得出水硝酸氮偏高，沉积在二沉池的污泥处于厌 氧状态，利用硝酸氮进行呼吸，结果也使得二沉池出现浮泥现象。对于上述情况， 采取如下对策：加强来水监测，调整c n 比例：针对污泥沉降比大，污泥不易沉 降，选择不同的絮凝剂，进行试验，优化选择絮凝剂，增强污泥沉降性能。 】2 3 4 内循环硝化液回流比 内回流比影响的现象和特征：出水氨氮或硝酸氮偏高。产生这一现象的原因 是内回流比过大，硝化时间过短，反硝化时间充分，出水氨氮偏高，内回流比过 小，硝化时间充分，反硝化时间不充分，出水硝酸氮偏高。采取的对策：内回流 比不必过大，因为内回流比大既消耗动力，又将d o 携带到反硝化池，影响脱氮 效果，为保证脱氮效果也不必过小，一般调整内回流比在3 0 0 q o o 。 1 2 3 5 活性污泥回流量 为了使活性污泥沉降比控制在1 5 一2 5 ，污泥浓度保持2 3 l ，经过大量 的实践操作和对尘化池中污泥性质的监测，证明将污泥回流量控制在3 0 时污泥 性质最好，测得此时处理后的出水水质全部优于城市污水二级处理排放标准。 1 2 3 6 水力停留时间( h r t ) 水力停留时间( h r t ) 是反映生物反应器能力的重要指标，是与水力负荷直 接相关的设计参数，研究水力停留时间亦即水力负荷对于系统处理效能的影响规 律具有重要的工程指导意义。好氧反应器要求的水力停留时间一般为8 h 以上； 厌缺氧反应器要求的水力停留时间一般为1 5 2 o h 。 1 3 o 工艺的特点和本课题的研究内容 1 3 1a o 工艺的特点 a 0 工艺是7 0 年代末，由美国、南非等国家专家探索成功的一种对氮、磷 和有机物具有较理想去除效率的新工艺。 托京1 业赶竿1 掣n 6 h 。卑位论互 a ，0 工艺生物脱氮主要是依靠硝化细菌和反硝化细菌的作用柬完成的。在好 氧池内污水中含碳有机物被氧化分解的同时，氨氮通过硝化细菌的作用被氧化成 硝酸氮，然后随混合液回流至厌氧池( 实际上为缺氧池) 内，被硝化的污水中的 硝酸氮通过反硝化细菌的作用，还原为氮气而逸入大气中：生物除磷的原理亦是 通过厌氧好氧过程来完成的，在缺氧池内，污水中的除磷生物将体内的聚磷酸盐 水解成游离的i f 磷酸赫，而在好氧池内，又大量的吸收磷，使液相中的磷转移到 固相的污泥中，最终随泥排出。 a 0 工艺体积小，对水质的适应性强，耐冲击性能好，出水水质稳定，不会 产生污泥膨胀。其工艺流程图见图1 3 。 硝化液同流 图1 3a o 法工艺流程 f 培u r el 3f i o wc h a no f a op r o c e s s o 工艺是去除氮磷的经济有效方法与普遍二级处理后再进行三级处理相 比，不仅投资和运营成本低廉，并且有效地防止了污泥膨胀和浮渣的形成，减少 了大量难以处理的化学污泥。在投资和运营费相同的情况下，o 工艺处理的出 水，不但氮、磷有较好的去除效果，c o d 、b o d 等去除率也有所提高。由于其 出水水质较好，在后处理的过滤消毒等过程中可以不投加絮凝剂。因此，该工艺 处理生活污水具有良好的运行效果。其c o d 去除率为7 5 9 0 ，悬浮物去除 率为7 0 9 0 ，b o d 去除率在2 5 左右。其处理能耗比以往节省1 0 也o ， 不但适应大型污水处理厂，同样适用于中、小型污水处理1 7 】。 1 9 7 5 年，v o e t s 等在处理高浓度氨氮废水的研究中，发现了硝化过程中 n 0 2 n 积累的现象，首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念。其基本原理 是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后通过反硝化作用将亚硝酸氮还原为氮气， 是经n h 4 + n n 0 2 n n 2 这样的途径完成，整个过程较全程硝化反硝化大大缩 短。短程硝化的标志是有稳定且较高的n 0 2 。n 积累，即亚硝酸氮积累率较高。 根据硝化反应的化学计量学，与全程硝化反硝化脱氮相比，短程硝化反硝化 具有以下几个优点： 1 ) 在硝化阶段可节约2 5 左右的需氧量，降低了能耗； 2 ) 反硝化过程可减少约4 0 的有机碳源，降低了运行费用； 笫l 辛绪论 3 ) n 0 2 n 的反硝化速率通常比n 0 3 n 的高6 3 左右： 4 ) 减少了5 0 的污泥产量； 5 ) 反应器的容积可减少3 0 一4 0 左右； 6 ) 可减少投加碱度和外加碳源的量。 1 3 2 本课题的研究内容 本课题的重点和特点就是在于实现o 中试脱氮工艺处理低c n 比的实际 生活污水的亚硝酸氮积累以及对连续流系统中短程硝化的研究。 首先，考察a 0 工艺的去除效果，由于a o 工艺受多种因素影响，例如： p h 、温度、污泥回流比、进水c o d 、进水氨氮浓度、溶解氧浓度、内循环回流 量等。重点考虑不同进水条件下，a o 工艺的脱氮效果，同时也对影响脱氮效果 的因素进行了探讨分析，了解各种因素对去除效果的影响，旨在改进工艺的脱氮 效果，提高工艺运行效率。 其次，考察了系统的亚硝酸氮积累现象。虽然很多因素导致亚硝酸氮的积累， 但不同的废水、不同的工艺控制亚硝酸氮积累的主要因素有所差异，本试验中应 用中试a o 试验装置处理实际生活污水，在常温条件下，p h 在7 2 7 6 之间， 污泥龄为1 5 天时，基于亚硝酸菌和硝酸菌的溶解氧饱和常数不同，有效的控制 d 0 浓度可以实现亚硝酸氮的积累。同时，在o 中试工艺中实现了两次“亚硝 酸氮积累破坏恢复重现”的过程，其中，d 0 是主要的影响因素。其它因素， 如温度、p h 值、f a 浓度、s r t 等均不是关键的影响因素，较低的d o 水平不但 可以实现亚硝酸氮的积累，同时有利于能耗的降低，这为实际运行提供了参考。 最后，对于原有的o 系统进行改造。通过改变硝化液内循环的位詈，将 原有的前两个缺氧格室改造为厌氧格室，并将原有的前两个好氧格室改为缺氧格 室，好氧格室由原来的6 个减为4 个，每个格室的体积不变，二沉池的参数没有 改动。改造后变为具有脱氮除磷功能的a 2 o 系统。进行a 2 o 工艺脱氮除磷特 性的研究，主要考察内循环回流比、p h 值、温度、反应器结构等因素对系统脱 氮除磷效果的影响，试验还初步探讨了同步硝化反硝化反应的控制理论，维持系 统低d o 水平，系统会实现较好的同步硝化反硝化反应。对a 2 o 工艺提出改进 措施，从而提高该工艺的整体处理效果。 北宸t 业人学t 学顺f 学位论文 第2 章试验材料与方法 2 1 试验用水的来源与水质 试验采用北京工业大学家属区化粪池的生活污水，进水水质指标如表2 1 所 示，进水c o d 为l o o 3 0 0 m l ，平均浓度为2 4 8 6 m l ，进水总氮( t n ) 为 7 0 l l o m l ，平均浓度为8 4 9 m l ，由此可知生活污水c n 比较低，仅约为3 。 表2 1试验进水水质 t a b i e2 lw a t e rq u a j i t yo f w a s t e w a t e r 2 2 试验设备与仪器 进水管 水箱 进水管 搅拌机= 二， 一一一一 一 l 一一 一 一 进水泉 ， ，；2 三釜圣至墨量 一斗 。， 一，。r ：，p ”一 = 二一- = 三一：= 一 内循环回流 污泥回流 二二鼓风机 图2 一la o 试验装置图 f i g u r e2 - fs c h e m a “cd i a g r a m0 f “p e r j m e n c a fe q u j p m e mo f a op r o c e s s 本试验中采用的a o 工艺模型主要由合建式缺氧好氧反应器和竖流沉淀池 组成，材质为有机玻璃。合建式反应器分为两廊道，每个廊道长1 2 0 c m 、宽2 5 c m 、 高5 0 c m 、超高1 0 c m ，反应器总有效容积为3 0 0 l ；沿池长方向上设置许多竖直 向插槽，配以相应的插板，可以将整个反应器沿池长方向分成若干个小格，在每 个插板上开一个直径为2 d m m 的圆孑l 安放时使相邻圆孑l 上下交错有助于整个反 应器内形成推流；在反应器顶部稚置一根曝气干管，设置若干个小阀门，由橡胶 田 第2 帚试验材料i 方法 管连接烧结砂头作为微孔曝气器，实验前半段采用空气压缩机供气，后半阶段由 实验室统一供气，气量由转子流量计计量。在缺氧段设置搅拌器用于保持泥水混 合均匀；在距池底2 0 c m 的高度上每隔1 0 c m 设置一个取样口，在活性污泥培养 阶段也起到了中位管的作用；反应器各廊道底部设有放空管；用两个加热棒控制 水温。进水、污泥回流和a 0 法混合液回流量分别用三台蠕动泵控制。沉淀池 沉淀区呈圆柱形，直径为6 0 c m ：污泥斗呈截头倒锥体，倾角为6 0 0 ；采用中心 管进水、周边三角堰出水。试验装置如图2 1 所示。 本试验所用主要仪器和设备见表2 2 表2 - 2 主要仪器和设备 设备及仪器名称型号设备及仪器名称型号 x i n m a o m e t t l e r u v 一7 5 0 4 c 型紫外 t o l e d ob sl i n e 分光光度计精密天平o fb “a i l c e s 可见分光光度计 a b 2 0 4 - s w t wi n o l a bo x iw t wi n o l a bp h l e v e l2 实验室台式 1 e v e l2 实验室台式 溶解氧仪o r p 测试仪 溶解氧仪0 r p 测试仪 w t wi n o l a bp h t d b 系列温度测 1 e v e l2 实验室台式 p h 测试仪 温度控制仪量控制仪 p h 测试仪 l z b 型玻璃转子b t o o 6 0 0 m 气体流量计兰格蠕动泵 流量计y z l 5 1 5 电热恒温干燥箱h h s 11 6 0 0电热鼓风干燥箱c s l 0 1 e 型 电动搅拌器d 6 0 2 f 型系 2 3 试验的启动与运行控制 2 3 1 污泥的培养与驯化 本试验采用接种法培养驯化活性污泥。所用种污泥取自北京高碑店污水处理 厂的二沉池，污泥呈灰黑色，用实际生活污水间歇培养。培养初期，在反应器停 止曝气一段时间后，沉淀下来的污泥裹挟大量微小气泡上浮，搅动后污泥重新下 沉，同时拌有大量气泡溢出，发生了反硝化引起的污泥上浮现象，说明种污泥中 含有一定量的硝化与反硝化菌。 北京 = 业大学丁学顾卜学位论支 经过初期的培养，污泥呈橙黄色，经显微镜检出大量草履虫、钟虫和轮虫，检测 进出水氨氮浓度确认已经培养出较多的硝化细菌检测发现出水存在亚硝酸盐积 累现象，进入正式试验阶段。 2 3 2 试验的运行与控制 每天检测反应器中的m l s s ，s v ，定期排放剩余的污泥，控制反应器内所 需要的污泥浓度。反应过程中在线检测d 0 、o r p 和p h 。并根据这些参数的实 时变化控制好氧段曝气量，混合液回流比和污泥回流比。采样直接来自于反应器 的每个格室及系统的进水和出水，根据参数变化，基本上每天采样测定c o d c r 、 氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮、p 0 4 、m l s s 等指数。 2 4 分析项目与方法 本试验的分析项目和采用的方法见表2 3 表2 - 3 分析项目和方法 分析项目检测方法 分折项目检测方法 麝香草酚分光光度 c d d c r重铬酸钾法 n o - 一n 法 纳氏试剂分光光度 n h ：一n s 矿l o o m l 量筒 法 n ( 1 萘基) 乙二 n o 一n d o 。p h 温暖w t w 系列仪器 胺光度法 p o d 3 钼锑抗分光光度法0 r pw t w 测定仪 m l s s滤纸重量法 t n 过硫酸钟氧化法 第