（环境工程专业论文）cast工艺强化脱氮除磷及其过程控制的基础研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：x 7 0 3 1 d i s s e r t a t i o nf o rt h ed o c t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g f u n d a m e n t a lst u d yo n e n h a n c e dbi o l o g i c a ln u t r i e n t r e m o v a la n dp r o c e ssc o n t r o l f o rc a s tp r o c e ss c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fd e f e n c e ： u n i v e r s i t y ： m aj u a n p r o f p e n gy o n g z h e n d o c t o ro f e n g i n e e r i n g e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g m a y , 2 0 1 0 b e i j i n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 一 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：马巫卜嗍耻 关于论文使用授权的说明 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) 签名：二琴年导师签名： 摘要 摘要 脱氮除磷是近年来污水生物处理领域的一个研究重点，循环式活性污泥法 ( c a s t ) 以其可实现同步脱氮除磷而极具发展潜力，然而其在国内的应用却表 明，该工艺的脱氮除磷效率并不理想。为了对该工艺的运行机理和脱氮除磷的强 化进行深入研究，采用容积为1 1 5 升的c a s t 工艺试验模型，以生活污水为原水， 对该工艺脱氮除磷的机理及其强化进行了研究，同时详细研究了该工艺反应过程 中溶解氧( d o ) 、氧化还原电位( o r p ) 和p h 值的变化规律，据此建立了一套 实时控制策略并将其应用于工艺的运行过程控制之中，取得了较为稳定的处理效 果，工艺运行得以优化。该研究为c a s t 工艺的运行和控制提供了有益的参考， 并在生物脱氮除磷方面发现了一些新现象。 首先研究了碳氮比、充水比、进水时长对传统c a s t 工艺去除污染物效率的 影响。结果表明，较高原水碳氮比有利于系统总氮( t n ) 和磷的去除。当原水 平均碳氮比为3 6 和4 3 时，t n 平均去除率分别为6 5 1 7 和7 4 0 8 ，而当原水 平均碳氮比为2 8 时，t n 平均去除率仅为5 8 9 2 ；提高原水碳氮比，除磷率也 由1 2 9 分别升至2 9 6 3 和6 9 4 8 。不同充水比的试验发现，降低充水比对除 磷影响不大，而能改善对低碳氮比生活污水t n 的去除，充水比由3 3 降至2 5 和1 6 时，t n 去除率由5 8 9 2 分别升为7 0 5 1 和8 1 3 8 。然而，提高碳氮比 或降低充水比均会使系统发生污泥膨胀。将进水时间由2 h 延至4 h ，系统反硝化 作用得到加强，t n 去除率提高，平均值可达6 7 8 2 ，除磷率为1 7 8 7 。 限制c a s t 工艺脱氮除磷效率的主要因素之一是系统内硝酸盐或亚硝酸盐 的积累。因此，为了强化系统的反硝化性能，在工艺运行过程中增加缺氧搅拌阶 段，并将混合液回流时间延长至整个反应时段( 4 h ) 。改进运行模式后，固定充 水比为2 5 ，连续进水交替运行模式下的t n 平均去除率为7 5 0 5 ，而采用分 段进水可将系统的t n 去除率提高至8 1 4 5 ，并且污泥沉降性能良好。此外， 保证n h 4 + - n 完全硝化，分段进水方式所需的曝气量仅为连续进水方式下的4 3 ； 保持处理水量不变并等量分段进水，脱氮效率随进水次数的增加逐步提高。 尽管增加缺氧段可以提高c a s t 系统的t n 去除效率，但这种固定时长缺氧 好氧的运行方式却没有处于一种优化的状态。交替缺氧好氧运行模式下，主反 应区内o r p 和p h 值变化曲线上的特征点可以准确指示硝化、反硝化反应的结 束。因此，根据系统o r p 、p h 值的变化规律，建立了一种实时控制策略来对好 氧、缺氧时段进行调节。结果表明，应用该策略后工艺运行得以优化，稳定性得 以加强，在反应末端投加适量碳源后，系统最终出水c o d 低于4 0m g l ，n i - 1 4 + - n 低于o 5m g l ，t n 低于2 0m g l ，p 0 4 3 p 在o 5m 叽左右。对温度影响反硝化 北京工业大学博士学位论文 ! i l l 一一一i i i i ! 曼曼皇皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼舅曼曼鼍曼曼蔓曼曼! 曼曼! 曼曼! 曼! 舅 的研究发现，在3 0 i o c 的温度范围内，短程反硝化的比还原速率为全程的1 3 1 2 倍，2 种电子受体的比反硝化速率随温度逐减，且2 0 , - - 1 0 的温度转变较3 0 - 2 0 影响显著，以n 0 2 - - n 的还原受低温影响较大，在相等起始电子受体浓度与p h 值的条件下，温度越低，反硝化过程中2 种系统p h 值增量越大；温度相同，短 程反硝化结束时p h 值变化曲线上峰点的值高于全程反硝化。 处理低碳氮比生活污水时，由于反硝化菌对碳源的竞争，传统4 h 运行方式 下，系统内聚磷菌无法取得优势生长，难以建立理想的厌氧条件，因此，除磷能 力十分低下；提高原水碳氮比后系统的反硝化能力得以加强，并具备一定的除磷 能力，但由于进水阶段主反应区一直曝气，原水中有机碳源未被充分利用，因此 除磷效率并不高，而且原水中易降解有机物的增多易使系统发生粘性膨胀，出水 水质较差。增加缺氧搅拌段后，系统的反硝化性能提高，分段进水交替运行模式 有利于聚磷菌的生长，系统交替出现好氧、缺氧、厌氧条件，这在很大程度上利 用了原水中碳源，改善系统脱氮性能的同时也强化了磷的去除。试验还发现，系 统内不仅存在着传统的好氧聚磷菌，还存在反硝化聚磷菌。 原水碳氮比和碳磷比决定分段进水c a s t 工艺对营养物的去除性能，碳磷比 和碳氮比分别为6 1 9 和5 2 是系统脱氮除磷的最优进水条件，氮、磷的平均去除 率分别高达8 9 3 和9 5 8 ；工艺的除磷性能还取决于对总氮的去除，在原水 中碳源有限的条件下，系统内脱氮反应总是优先进行，其次才是除磷反应；低温 不影响c a s t 工艺的除磷性能，但出水t n 却因n i - - 1 4 + _ n 的不完全硝化保持较高 浓度。 为了实现节能和减少后续反硝化过程中有机碳源的需要量，对c a s t 工艺的 短程硝化进行了研究。结果表明，利用温度变化使a o b 在分段进水c a s t 系统 内富集并将n o b 淘洗出去，能成功实现c a s t 反应器内亚硝酸盐的积累，n 0 2 累计率可长期稳定在9 0 以上，采用实时控制策略可同步除磷并达到进一步节约 能耗的目的。 本课题还对游离亚硝酸( f n a ) 对反硝化过程的抑制作用进行了深入研究。 结果表明，f n a 而非n 0 2 才可能是抑制反硝化过程的真正因素。f n a 为o o l m g l 加0 2 5m g l 的浓度范围内硝酸盐还原能力受抑制程度为6 0 ，当f n a 浓 度大于o 2m e ：l 时，硝酸盐还原反应被完全抑制。交叉抑制试验研究发现，亚 硝酸盐还原能力受n 0 3 - 的抑制影响较小，不同浓度n 0 3 抑制后亚硝酸盐还原速 率恢复达9 0 以上。然而，硝酸盐还原能力的恢复取决于f n a 投加量，不同浓 度抑制剂条件下其速率恢复3 0 4 7 2 5 4 ，恢复程度受抑制时间和抑制剂的投 加方式影响较小。 关键词循环式活性污泥法；实时控制；脱氮；除磷 - - q a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , b i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lh a sb e e nm a i n l ys t u d i e di n t h ef i e l do fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t c y c l i ca c t i v a t e ds l u d g et e c h n o l o g y ( c a s t ) i sa p r o m i s i n gp r o c e s s f o ri t s p e r f o r m a n c eo fs i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lf r o mw a s t e w a t e r h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o no fc a s ti nd o m e s t i ca r e a s s h o w e dt h a tl o w e rn u t r i e n tr e m o v a le f f i c i e n c i e sw e r eo b t a i n e di nt h i ss y s t e m a sa r e s u l tab e n c h s c a l ec a s tr e a c t o r ( 115 l ) f e dw i t hd o m e s t i cw a s t e w a t e rw a so p e r a t e d t oi n v e s t i g a t ei t so p e r a t i o nm e c h a n i c sa n df i n dan o v e lm e t h o dt oe n h a n c e 也en u t r i e n t r e m o v a l p e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ，t h ep r o f i l e so fd i s s o l v e do x y g e n ( d o ) ， o x i d a t i o n r e d u c t i o np o t e n t i a l ( o r p la n dp hw e r ee v a l u a t e d af e a s i b l er e a l t i m e c o n t r o ls t r a t e g yw a sd e v e l o p e da n de m p l o y e di nt h eo p e r a t i o nc o n t r o lo fs y s t e m r e s u l t ss h o w e dt h a to p e r a t i o nw a so p t i m i z e da n das t a b l ep e r f o r m a n c ew a so b t a i n e d b ye m p l o y i n g t h es t r a t e g i e s n ep r e s e n ts t u d yi se x p e c t e dt op r o v i d eag o o dr e f e r e n c e f o ro p e r a t i o na n do p t i m i z a t i o no fc a s tp r o c e s s m o r e o v e r , s o m en e wp h e n o m e n a w e r ef o u n dd u r i n gt h ep r o c e s so fb i o l o g i c a ln 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 f i r s t l y , t h ee f f e c t so fc o d 厂r nr a t i o ，v o l u m ee x c h a n g er a t i o ( v e r ) a n df i l l i n g l e n g t ho nt h en u t r i e n tr e m o v a le 街c i e n c yo fc a s tw e r ei n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o w e d m a ta h i g h e rc o d 厂t nr a t i oo fw a s t e w a t e rw a sf a v o r a b l ef o rn i t r o g e nr e m o v a l w h e n t h ea v e r a g ec o d 厂t nr a t i oo f i n f l u e n tw a s3 6a n d4 3 t h em e a nn i t r o g e nr e m o v a lw a s 6 5 17 a n d7 4 0 8 ，r e s p e c t i v e l y w 1 1 i l et h ea v e r a g ec o d 厂t nr a t i oo f2 8 。t h em e a n n i t r o g e nr e m o v a lw a s5 8 9 2 p h o s p h o r u sr e m o v a le 衔c i e n c yw a si m p r o v e df r o m 12 9 t o2 9 6 3 a n d6 9 4 8 t h er e s u l t so fi n v e s t i g a n t i o no nd i f f e r e n tv e rs h o w e d t h a t ，d e c r e a s i n gv e rh a r d l ya f f e c t e dp h o s p h o r u sr e m o v a lb u ti m p r o v e dt h e p e r f o r m a n c eo fn i t r o g e nr e m o v a lw h e nt r e a t i n gl o wc o d 厂i nr a t i od o m e s t i c w a s t e w a t e r a tav e ro f2 5 a n d16 t h et o t a ln i t r o g e nr e m o v a le 衔c i e n c yw a s 7 0 51 a n d81 38 ，r e s p e c t i v e l y n e v e r t h e l e s s ，i n c r e a s i n gc o d 厂t nr a t i oo r d e c r e a s i n gv e re x p o s e dt h es y s t e mt ot h er i s ko ff i l a m e n t o u sb u l k i n g w h i c hr e s u l t e d i nas l u d g el o s sf r o me m u e n t m e nf i l l i n gl e n g t hw a se x t e n d e df r o m2 ht o4 h t h e d e n i t r i t i c a t i o nw a se n h a n c e d t h et o t a ln i t r o g e nr e m o v a le 街c i e n c yw a si m p r o v e dt o 6 7 8 2 a n dt h ep h o s p h o r u sr e m o v a le 伍c i e n c yw a sl7 8 7 t h ea c c u m u l a t i o no fn i t r a t eo rn i t r i t ew a sam a i nf a c t o rt h a t1 e dt ol o w e rn u t r i e n t r e m o v a le f f i c i e n c i e si ns y s t e m a sar e s u l t a n o x i cm i x i n gp h a s e sw e r ei n t r o d u c e di n t o t h eo p e r a t i o no fs y s t e ma n dt h em i x e dl i q u o rr e c y c l et i m ew a se x t e n d e dt ow h o l e c y c l el e n g t ht oe n h a n c et h ed e n i t r i f i e a t i o nc a p a b i l i t y u n d e rt h em o d i f i e do p e r a t i o n m o d ew i t l lv e ro f2 5 at nr e m o v a le f f i c i e n c yo f7 5 0 5 a n dab e t t e rt nr e m o v a l e f f i c i e n c yo f81 4 5 a sw e l la sg o o ds l u d g es e t t l i n gp e r f o r m a n c ew e r ea c h i e v e dw i t h c o n t i n u o u s - f e e d i n ga n ds t e p f e e d i n gp a t t e r n ，r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，t h ea e r a t i o n r a t eo ft h es t e p - f e e d i n gm o d ew a so n l y4 3 t h a to ft h ec o n t i n u o u s f e e d i n gm o d e m c l 北京工业大学博士学位论文 皇皇曼曼曼皇! 曼曼皇曼鼍曼! 鼍o ；二 i 。 i 曼曼! 曼! 皇曼! 皇皂曼曼皇曼皇曼曼曼 w h e nt h er e m o v a lr a t eo fn h 4 十- nw a sa b o v e9 9 c o n s e q u e n t l y , u s i n gt h e s t e p f e e d i n gm o d ec o u l dr e d u c et h eo p e r a t i o nc o s tg r e a t l y t h en i t r o g e nr e m o v a l e f f i c i e n c yi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gf e e df r e q u e n c i e su n d e rt h ee q u a lf e e dm o d ew h e n t r e a t i n gs a m ea m o u n tw a s t e w a t e r t h et nr e m o v a le f f i c i e n c yw a si m p r o v e db yt h ei n t r o d u c t i o no fa n o x i cp h a s e s h o w e v e r , t h eo p e r a t i o nm o d ew i t hf i x e da e r o b i ca n da n o x i cl e n g t hw a sn o to p t i m i z e d u n d e ra n o x i c a e r o b i ca l t e r n a t i n go p e r a t i o nm o d e ，t h ec h a r a c t e r i s t i cp o i n t so no r p a n dp hp r o f i l e sc a ni n d i c a t et h ee n do fn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n a sar e s u l t ，a r e a l t i m ec o n t r o ls t r a t e g yw a sd e v e l o p e dt oa d j u s tt h ea e r o b i ca n da n o x i cp e r i o d 1 1 1 e o b t a i n e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e o p e r a t i o nw a so p t i m i z e da n dt h es t a b i l i t yw a s e n h a n c e da st h er e a l - t i m ec o n t r o ls t r a t e g yw a se m p l o y e d c o d ，n h 4 1 。- na n dt nw a s l o w e rt h a n4 0m g l ，0 5m g la n d2m e r l e ，r e s p e c t i v e l yw h i l eo n l yr e q u i r i n gs m a l l a m o u n to fe x t e r n a lc a r b o ns o u r c e m o r e o v e r , as t a b l ea n de f f i c i e n tp h o s p h o r u s r e m o v a lr a t ea b o v e9 0 w a sa c h i e v e dw i t he f f l u e n tp 0 4 3 - pa r o u n d0 5m g l t h e e f f e c to ft e m p e r a t u r eo nd e n i t r i f i c a f i o na n ds h o r t c u td e n i t r i f i c a t i o nw a sa l s o i n v e s t i g a t e d t w ot y p e so fd e n i t r i f i c a t i o np r o c e e d e dd r a s t i c a l l y a n dt h ea v e r a g e s p e c i f i cd e n i t r i f i c a t i o nr a t e ( r d s ) o fs h o r t - c u td e n i t r i f i c a t i o nw a s1 312t i m e sg r e a t e r t h a nt h a to fd e n i t r i f i c a t i o nu n d e rt h es a m et e m p e r a t u r e w i mt h ed e c r e a s e o f t e m p e r a t u r e ，b o t hs p e c i f i cd e n i t r i f i c a t i o nr a t e ss l o w e dd o w n ，w h e r e a st h ec h a n g eo f 2 0 - 1 0 。ch a dg r e a t e ri n f l u e n c eo nt w ot y p e so fd e n i t r i f i c a t i o nt h a nt h a to f3 0 2 0 a n dt h ed e n i t r i f i c a t i o no fn i t r i t ew a si n f l u e n c e db yl o wt e m p e r a t u r ee v e nm o r eg r e a t l y w h e nt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o na c c e p t o r sa n dp hv a l u ew e r es a m e ，p h v a l u ep r o d u c e di nt h et w os y s t e m si n c r e a s e dw i lt h ed e c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ea n d t h ea p e xo np h p r o f i l eo fs h o r t c u td e n i t r i f i c a t i o nw a sh i g h e r a tt h es a m et e m p e r a t u r e n e p h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yw a sq u i t el o wi ns y s t e mw h e nt r e a t i n gl o w c o d - 1 1 nr a t i ow a s t e w a t e r , w h i c hw a sr e s u l t e df r o md e n i t r i t i e r sc o m p e t i n gf o rc a r b o n s o u r c e t 1 1 i sm e a n st h a t1 0 w e rd e n i t r i f i c a t i o ne f f ic i e n c yw e a k e n e dt h en i t r o g e n r e m o v a le f f i c i e n c y t h u s ，p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( p a o s ) c o u l dn o tg r o w u pd o m i n a n t l yd u et ol a c ko fp e r f e c ta n a e r o b i ce n v i r o n m e n t i n c r e a s i n gc o d t n r a t i oc o u l de n h a n c ed e n i t r i f i c a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h es y s t e mh a dac a p a c i t yo f p h o s p h o r u sr e m o v a l h o w e v e r , t h ec a r b o ns o u r c ec o u l dn o tb ef u l l yu t i l i z e da n d p h o s p h o r u sr e m o v a lw a sn o th i g hd u e t oc o n t i n u o u sa e r a t i o nd u r i n gf e e d i n gp e r i o di n t h ec o m p l e t em i xz o n e m o r e o v e r , i n c r e a s i n gr e a d i l yd e g r a d a b l eo r g a n i c se x p o s e dt h e s y s t e mt ot h er i s ko ff i l a m e n t o u sb u l k i n g ，w h i c hr e s u l t e di nas l u d g el o s sf r o m e f f l u e n t d e n i t r i f i c a t i o nc a p a c i t yw a si m p r o v e da st h em i x i n gp e r i o dw a si n t r o d u c e d a n ds t e p f e e d i n gm o d ew a sf a v o u r a b l ef o rt h eg r o w t ho fp a o s a l t e r n a t i n ga e r o b i c ， a n o x i ca n da n a e r o b i cc o n d i t i o n sp r e s e n t e di nt h es y s t e m ，w h i c he n a b l e dt h ec a r b o n s o u r c ei nt h ei n f l u e n tw a sf u l l yu t i l i z e d t h u s ，p h o s p h o r u sa sw e l ln i t r o g e nr e m o v a l p e r f o r m a n c e w a se n h a n c e d i tw a g a l s of o u n d t h a t d e n i t r i f y i n g p o l y p h o s p h a t e a c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ( d n p a o s ) e x i s t e di nt h es y s t e mb e s i d e s i v - 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o x i d i z i n gb a c t e r i a ( a o b ) a c c u m u l a t e di n t h e s y s t e ma n dn i t r i t e o x i d i z i n gb a c t e r i a ( n o b ) w a sw a s h e do u tb a s e do nt e m p e r a t u r e c h a n g e n i t r o g e nr e m o v a lv i an i t r i t ep a t h w a yw a ss u c c e s s f u l l ya c h i e v e dw i t ha v e r a g e n i t r i t ea c c u m u l a t i o nr a t ea b o v e9 0 i nt h es y s t e mf o ral o n gp e r i o da n de n e r g yc o u l d b es a v e di nf u r t h e rw i t hr e a l t i m ec o n t r o ls t r a t e g yu t i l i z e d t h ei n h i b i t o r ye f f e c to ff r e en i t r o u sa c i d ( f n a ) o nd e n i t r i f i c a t i o nu n d e rv a r i o u s p hc o n d i t i o n sb yu s i n gab i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ( b n r ) s l u d g ew a sa l s o i n v e s t i g a t e di nt h ep r e s e n ts t u d y i tw a so b s e r v e dt h a tn i t r a t er e d u c t i o np e r f o r m a n c e h a dam u c hs t r o n g e rr e l a t i o n s h i pw i t hf n at h a nt h a to fn i t r i t ec o n c e n t r a t i o n ，i m p l y i n g t h a tf n a ，r a t h e rt h a nn i t r i t e ，i s l i k e l yt h er e a li n h i b i t o ro nn i t r a t er e d u c t i o n t h e n i t r a t er e d u c t i o na c t i v i t yo ft h eb i o m a s sw a sf o u n dt ob ei n h i b i t e da b o u t6 0 i nt h e r a n g eo fo 0 1 0 0 2 5m gh n 0 2 - 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