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太原理工大学硕士研究生学位论文 s b r 工艺同步脱氮除磷的实验研究 摘要 本研究在全面分析国内外除磷脱氮工艺技术现状及其存在问题的基 础上，综合考虑生物除磷与脱氮对环境条件的要求，并结合s b r 工艺运行 操作灵活的特点，设计运行方式，通过控制泥龄、温度、p h 等影响因素， 最终达到优化除磷与脱氮的效果。 根据我国n 、p 处理的特点，在实验室配制污水( 相当于城市污水水 质) ，进行s b r 法处理污水脱氮除磷效果的试验研究工作。 通过实验确定的s b r 法处理城市污水的脱氮除磷的运行方式为：瞬 时进水，厌氧搅拌2 5 小时，好氧8 小时，缺氧搅拌3 小时，然后沉淀 排泥排水，周期为1 4 h 。在一个典型的周期内，本论文通过水中各种污染 物的变化情况，分析了各种污染物的去除机理。并研究s b r 脱氮除磷的主 要影响因素。在s b r 系统内进行同步脱氮除磷的影响试验表明： ( 1 ) s b r 法在去除有机物的同时，具有良好的脱氮除磷功能。当进水 c o d 、t p 、t n 、n h ；一n 浓度分别为5 2 5 4 m g l 、1 1 9 m g l 、5 0 3 m g l 、 3 4 6 9 m g l ( 取平均值) 时，出水浓度可以分别达到2 5 3 8 m g l 、o 8 3 m g l 、 4 7 7 m g l 、3 6 1 m g l ，去除率分别达到9 5 ，17 、9 3 0 1 、9 0 5 2 、8 9 5 8 。 ( 2 ) 通过试验，确定了同时满足硝化和除磷的污泥龄为1 5 天。 ( 3 ) 当好氧段p ( d o ) 控制在2 - - - 3m g l 时，该工艺有高效的脱氮除磷 性能，且节省能耗。 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 ( 4 ) c n 增高可提高脱氮除磷效果，但当c n 达到8 以后，碳源已不 是脱氮除磷的限制性因素。c n p 失衡将影响剑脱氮除磷效果。 关键词：脱氮除磷，s b r 工艺，污水处理，城市污水，硝化反硝化， 硝化反硝化菌，聚磷菌 2 太原理】：大学硕士研究生学位论文 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h0 ni 己e m o v a lo fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sb ys b rs i m i ，t a n e o u s i a b s1 、r a c t i nt h i s w o r k ，b ya n a l y z i n gt h e c u r r e n tc o n d i t i o no ft h e b i o l o g i c a l p h o s p h o r u s a n d n i t r o g e n r e m o v a l p r o c e s s a n dt h e p r o b l e m s o ft h e p r o c e s s e s ，c o n s i d e r i n gt h ee n v i r o n m e n tr e q u i r e m e n t o ft h eb i o l o g i c a lp h o s p h o r u s a n dn i t r o g e nr e m o v a li ng e n e r a l ，i n t e g r a t i n gt h ef l e x i b l ec h a r a c t e r i s t i ci nt h e r u n n i n go fs b rp r o c e s s ，d e s i g nm o v e m e n tw a y b yc o n t r o l l i n gi n f l u e n c i n g f a c t o ro f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a ls u c ha ss r t 、t e m p e r a t u r e 、p h ，t h e s e m e a s u r e sc a no p t i m i z et h ee f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lf i n a l l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u st r e a t m e n ti n o u rc o u n t r y , t h es e w a g e ( t a n t a m o u n tt oc i t ys e w a g ec h a r a c t e r i s t i c ) i sc o n f e c t e d i nt h el a b ，s ot h ee x p e r i m e n ta n dr e s e a r c ho ft h ee f f e c to fs b r p r o c e s sr e m o v i n g n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc a nb ec a r r i e do n t h eo p e r a t i o nw a yo fs b rp r o c e s s r e m o v i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u st h r o u g he x p e r i m e n t a li d e n t i f i c a t i o ni st h e f o l l o w i n g ：w a t e rc o n n e dr a p i d l y , a n a e r o b i cr o t a t i n g ( 2 5 h ) ，a e r a t i o n ( 8 h ) ，a n o x i c ( 3 h ) ，a e r a t i n g ( 2 0 m i n u t e s ) ，t h e np r e c i p i t a t e ，d i s c h a r g eo fm u d ，w a t e re l i m i n a t i o n ， t h ec y c l ei s14h o u r s i nat y p i c a lc y c l et h er e m o v a lm e c h a n i s mo fv a r i o u so f p o l l u t a n ti sa n a l y s e di nt h i sp a p e rt h r o u g ht h ec h a r g ec o n d i t i o no fv a r i o u so f 3 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 p o l l u t a n ti nw a t e r t h ec o n c l u s i o n sa b o u tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a li n s b ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s b rp r o c e s s c a nr e m o v eo r g a n i s m ，o nt h em e a n w h i l e ，i th a sw e l l f u n c t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l w h e nt h ec o n s i s t e n c eo fc o d ，t p , t n ，n h 3 no fi n f l u e n ta r e5 2 5 4 m g l 、11 9 m g l 、5 0 3 m g l 、3 4 6 9 m g l ，t h e c o n s i s t e n c eo f e f f l u e n ta r e2 5 3 8 m g l 、0 8 3 m g l 、4 7 7 m g l 、3 6 1 m g l ，a n dt h e r a t e so f r e m o v a lr e a c h9 5 1 7 、9 3 0 1 、9 0 5 2 、8 9 5 8 1 5 d ( 2 ) t h r o u g hr e s e a r c h ，t h eh r ta b o u tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a li s ( 3 ) c o n t r o l l i n gp ( d o ) a t 2 3m g ld u r i n gf i n eo x y g e n ，s b rp r o c e s s i n g h a v eh i g hf u n c t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，a n ds a v ee n e r g y c o n s u m p t i o n ( 4 ) a si n c r e a s i n gc n ，t h ee f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o l l i sr e m o v a lc a n i m p r o v e w h e nc nr e a c h8 ，c a r b o ns o u r c ei sn o tr e s t r i c t i v ef a c t o ro fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a l k e yw o r d s ：n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，s b rt e c h n o l o g y , w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，m u n i c i p a ls e w a g e ，n i t r i f c a t i o n - d e n i t i f i c a t i o n ，n i t r i f y i n g a n dd e n i t r i l y i n gb a c t e r i a ，a c c u m u l a t i o np h o s p h o r u sb a c t e r i a 4 太原理r 大学硕士研究生学位论文 符号说明 论文中出现的主要符号及其对应中文含义列于下表中，以供参阅。其它符号在论文 中的出现处均有说明。 符号对应表 t h ec o r r e s p o n d i n gm e a n i n go f t h es i g n s 5 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做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 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 正鹏 隰! ! 2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 日期：鲨墅：垒 太原理：r 大学硕十研究生学位论文 第一章绪论 1 1 我国水资源与水环境现状及面临的问题 1 1 1 我国的水资源现状 我国是一个水资源贫乏的国家，水资源总量为2 8 1 0 1 2 n 1 3 ，人均水资源量为 2 3 4 0 m 3 ，仅为世界平均水平的1 4 ，是世界1 3 个缺水国家之。近2 0 年来，由于经济 的持续快速发展和城市化进程的加快，城市缺水尤为突出，缺水范围不断扩大，缺水程 度日趋严重。 掘水利部门预测，到2 0 3 0 年我国人1 ：3 增至1 6 亿时，人均水资源将降到1 7 6 0 m 3 ， 已接近国际公认的水资源紧张标准【l 】；全国实际可能合理利用的水资源约为( 8 0 0 0 - - 9 5 0 0 ) 1 0 8 m 3 ，而到2 0 5 0 年，全国总需水量将达( 7 0 0 0 8 0 0 0 ) 1 0 8 i t l 3 ，己接近可合 理利用水量的极限，未来我国水资源的形势十分严峻【2 j 。 我国水资源的主要特点是地区分布不均匀，水资源的分布与人口、耕地的分布不相 适应。我国北方人口占全国总人口的2 5 ，但水资源占有量不足全国水资源总量的1 5 ， 南方人口占全国的3 5 ，而水资源总量为全国的4 5 。另一方面，北方耕地面积占全国耕 地面积的3 5 ，而水资源量仅占全国的1 5 。相反，南方耕地面积占全国2 5 ，而水资源 量却占全的4 5 。虽然南方地区水资源尽管比较丰富，但由于水体污染加剧了一些地区 的缺水程度。水质型缺水也相当严蚓4 1 。如长江三角洲和珠江三角洲，由于水体受到污 染，成为污染型( 水质型) 缺水区1 3 1 。 我国水资源的另一特点是：降雨量和河流径流量的季节变化和年度变化很大，丰水 年和枯水年交替出现，造成旱涝灾害频繁出现的恶果，严重地影响了农业生产。随着人 口的进一步增加、人民生活水平的提高和生产的发展，我国对水资源的需求仍将持续地 增长。水资源的短缺和水污染的加剧己成为我国社会和经济发展的主要制约因素。 1 1 2 我国水环境的现状 当前我国水环境状况是：从全国的范围来看，水污染以有机污染为主，主要污染指 标是c o d 、氨氮和挥发酚等。具体地晚：全国主要河流有机污染普遍，主要湖泊富营 太原理j ：人学硕十研究生学何论文 养化严重，地下水受到污染并丌采过度，近岸海域办受到一定污染。 2 0 0 6 年，全国地表水总体水质属中度污染。在国家环境监测网( 简称囡控网) 实际 监测的7 4 5 个地表水；i ：i 测断面中( 其中，河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i 1 1 1 类，、v 类，劣v 类水质的断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。主要污染指标为高锰 酸盐指数、氨氮和石油类等。与上年相比，全国地表水总体水质保持稳定。 主要河流污染状况 2 0 0 6 年，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河等七大水系总体水质与上 年基本持平。 国控网七大水系的1 9 7 条河流4 0 8 个监测断面中，i i 类，、v 类和劣v 类水 质的断面比例分别为4 6 、2 8 和2 6 。其中，珠江、长江水质良好，松花江、黄河、 淮河为中度污染，辽河、海河为重度污染。主要污染指标为高锰酸盐指数、石油类和氨 氮。 袁卜12 0 0 6 年七大水系水质类别比例 t a b l e l - 1t h ew a t e rq u a lit yc l a s s i f i e ds c a l eo f t h es e v e nw a t e rs y s t e m o fc h i n ai n2 0 0 6 七人水系 i 、i i 类( )i i i 类( )类( ) v 类( )劣v 类( ) 长江5 81 81 257 黄河 1 83 22 502 5 珠江5 82 41 5o 3 松花江 32 14 872 l 淮河 52 13 773 0 海河1 481 11 05 7 辽河 2 781 7 54 3 总体 2 71 92 352 6 七大水系监测的9 8 个国控省界断面中，l i i i 类，、v 类和劣v 类水质的断面 比例分别为4 3 、3 1 和2 6 。海河和淮河水系的省界断面水体为中度污染。 长江水系长江水系总体水质良好。1 0 3 个地表水国控监测断面中，i i 瑾类，i v 、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为7 6 、1 7 和7 。主要污染指标为石油类、氨氮 和五日生化需氧量。 长江干流总体水质为优。云南昭通段和安徽芜湖段为轷度污染，其余河段水质为优或良 好。与上年相比，干流水质无明显变化。 2 太原理。 大学硕十研究生学位论文 长江支流总体属轻度污染，水质状况与上年持平。雅砻江、嘉陵江、乌江、沅江和 汉江水质为优：大渡河、岷江( 岷江眉山段为轻度污染，主要污染指标为石油类) 、湘 江和赣江水质良好( 赣江南昌段为中度污染，主要污染指标为溶解氧和氨氮) ；沱江水 质轻度污染 长江三峡库区水质为优，6 个国控监测断面均达到或优于i i i 类水质。与上年相比， 水质无明显变化。 长江国控省界断面水质良好，与上年相比，省界断面水质无明显变化。2 0 个国控断 面中，i 1 类水质占8 5 ，、v 类占1 0 ，劣v 类占5 。 黄河水系黄河水系属中度污染。4 4 个地表水国控监测断面中，i i 、m 类，类和 劣v 类水质的断面比例分别为5 0 、2 5 和2 5 。主要污染指标为石油类、氨氮和五日 生化需氧量。 黄河干流属轻度污染，水质与上年持平。干流宁夏段、内蒙古包头段、河南三门峡 段、山东菏泽段水体为轻度污染；其它河段水质为优或良好。 黄河支流总体为重度污染，水质与上年持平。伊河和洛河水质优良；灞河、大黑河、 沁河和伊洛河为轻度污染；渭河( 陕西段污染尤为严重) 、湟水河、北洛河、汾河和涑 水河为重度污染。 黄河国控省界断面水体为中度污染。1 1 个省界断面中，1 l 、m 类水质断面占4 6 ， 类占1 8 ，劣v 类占3 6 。 珠江水系珠江水系总体水质良好。3 3 个地表水国控监测断面中，i i i i 类、类 和劣v 类水质的断面比例分别为8 2 、1 5 和3 。主要污染指标为石油类和氨氮。 珠江干流总体水质良好，水质与上年持平。广东长洲断面和莲花山断面水质为轻度 污染，其它断面水质均为优或良好。珠江省界断面水质总体为优。7 个国控省界断面均 达到或好于1 1 1 类水质。 松花江水系松花江水系属中度污染。4 2 个地表水国控监测断面中，1 l 、i i i 类，、 v 类和劣v 类水质的断面比例分别为2 4 、5 5 和2 1 。主要污染指标为高锰酸盐指数、 石油类和氨氮。 松花江干流为轻度污染，水质与上年持平。吉林省吉林市段、松原段和黑龙江哈尔 滨上游段水质良好，其余河段为轻度污染。松花江国控省界断面水质为轻度污染。 淮河水系淮河水系属中度污染。8 6 个地表水国控监测断面中，l l 、i 】j 类水质的断 3 太原理上人学硕十研究生学位论文 面比例为2 6 ，i v 、v 类为4 4 ，劣v 类为3 0 。主要污染指标为石油类、高锰酸盐指 数和五同生化需氧量。 淮河干流整体届轻度污染。与上年相比，淮河干流水质好转。安徽段为轻度污染， 其余河段水质为优或良好。淮河国控省界断面总体属中度污染。与上年相比，水质无明 显变化。3 2 个省界断面中，i i i 类水质断面占1 6 ，i v 、v 类占5 3 ，劣v 类占3 1 。 海河水系海河水系总体为重度污染。6 3 个地表水国控监测断面中，i - i l l 类水质 占2 2 ，i v 、v 类占2 1 ，劣v 类占5 7 。主要污染指标为五日生化需氧量、高锰酸盐 指数和氨氮。海河国控省界断面总体属重度污染。2 0 个断面中，i 1 1 l 类水质断面占 3 0 ，i v 、v 类占3 0 ，劣v 类占4 0 。 辽河水系辽河水系属重度污染。3 7 个地表水国控监测断面中，i i 、l 类水质的断 面比例为3 5 ，i v 、v 类为2 2 ，劣v 类为4 3 。主要污染指标为五同生化需氧量、石 油类和氨氮。 辽河干流属中度污染。1 3 个地表水国控监测断面中，i i 、i i i 类占3 1 ，i v 、v 类 占3 1 ，劣v 类占3 8 。老哈河水质良好，东辽河和西辽河为轻度污染，辽河为重度污 染。与上年相比，水质好转。 辽河水系省界断面水体为重度污染。3 个水质监测断面中，老哈河甸子断面( 辽 蒙) 为i i 类水质，福德店断面( 吉、蒙一辽) 为劣v 类水质，东辽河四双大桥断面( 吉 辽) 为劣v 类水质。 浙闽区河流浙闽区河流总体水质良好，与上年相比，水质无明显变化。3 2 个地表 水国控监测断面中，l - i i i 类水质断面占7 5 ，i v 、v 类占2 5 ，无劣v 类水质断面。 主要污染指标为石油类、氨氮和五日生化需氧量。 西南、西北诸河 西南诸河西南诸河水质良好，与上年相比，水质无明显变化。1 7 个地表水国控监 测断 面中，i i n 类水质断面占8 2 ，i v 类占6 ，劣v 类占1 2 。主要污染指标为 铅、高锰酸盐指数、石油类。 西北诸河西北诸河水质良好，与上年相比，水质无明显变化。2 8 个地表水国控监 测断面中，i i 】类水质断面占8 2 ，i v 类占1 4 ，劣v 类占4 。主要污染指标为氨 氮。 主要湖泊污染状况 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 0 0 6 年，2 7 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的湖( 库) 2 个( 占7 ) ，i i i 类水质的湖( 库) 6 个( 占2 2 ) ，i v 类水质的湖( 库) 1 个( 占4 ) ，v 类水质的湖( 库) 5 个( 占1 9 ) ，劣v 类水质的湖( 库) 1 3 个( 占4 8 ) 。其中，巢湖水质为v 类，太湖 和滇池为劣v 类。主要污染指标为总氮和总磷。水库水质好于湖泊，富营养化程度较轻。 袁1 - 22 0 0 6 年重点湖库水质类别 t a b l e l 一2t h ew a t e rq u a li t yo fk e yl a k ea n d r e s e r v o i ri n2 0 0 6 水系个数i 类( )i i 类( )类( )类( ) v 类( )劣v 类( ) 二湖 3o 0o012 大型淡水湖 9o11l24 城市内湖 5o0 -10 o4 大型水库 1 0014o23 总计 2 7o261 51 3 2 0 0 6 年比例( ) o72 241 94 8 2 0 0 5 年比例( ) o 7 2 11 l 1 84 3 太湖湖体高锰酸盐指数、总磷年均值分别达n i i i 类、类水质标准，但因总氮 污染严重，湖体水质为劣v 类，处于中度富营养状态。 在2 1 个国控监测点位中，无i 类水质，v 类和劣v 类水质点位分别占1 4 和 8 6 。主要污染指标为总氮。与上年相比，湖体水质无明显变化。 太湖环湖河流为中度污染。与上年相比，水质无明显变化。主要污染指标为氨氮、 五日生化需氧量和石油类。 滇池滇池湖体总体为劣v 类水质。主要污染指标为总磷、总氮和氨氮。草海处于 重度富营养状态，外海处于中度富营养状态。与上年相比，外海水质变差。 8 7 个地表水国控监测断面中，i i 、i i i 类水质断面占2 0 ，i v 、v 类占4 9 ，劣v 类占3 l 。 滇池环湖河流为重度污染。与上年相比，水质无明显变化。主要污染指标为氨氮。 8 个地表水国控监测断面中，1 1 类水质断面占1 2 、i v 类占2 5 、劣v 类占6 3 。 巢湖巢湖湖体水质总体为v 类。主要污染指标为总氮、总磷。与上年相比，巢湖 水质好转。巢湖处于中度富营养状态( 其中，西半湖处于中度富营养状态，东半湖处于 轻度富营养状态) 。 巢湖坏湖河流1 2 个地表水国控监测断面中( 包括两个纳污控制断面) ，1 1 1 类水质断 面占8 ，i v 、v 类占6 7 ，劣v 类占2 5 。土要污染指标为总磷和总氮。 其它大型淡水湖泊9 个重点国控大型淡水湖泊中，兴凯湖为l l 类水质：洱海为1 1 1 类 5 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 水质；镜泊湖为i v 类水质；洞庭湖、鄱阳湖为v 类水质；洪泽湖、南四湖、达赉湖和白 洋淀为劣v 类水质。主要污染指标为总氮和总磷。与t 年相比，南四湖和鄱阳湖水质略 有下降，其它大型淡水湖水质无明显变化。 营养状态评价表明：洱海、鄱阳湖为中营养状态：洞庭湖、洪泽湖、南四湖、镜泊 湖为轻度富营养状态；达赉湖为中度富营养状态；白洋淀为重度富营养状态。 表卜32 0 0 6 年9 个重点大型淡水湖泊水质状况 t a b l e l 3t h ew a t e rq u a l i t ys t a t eo fn i n el a r g ek e yl i m n e t i cl a k ei n2 0 0 6 水质 湖库名称营养状态指数营养状态主要污染指标 2 0 0 6 年2 0 0 5 年 洱海4 2巾营养i l ii i i 洞庭湖 5 8 轻度富营养 vv总磷 共泽湖5 6轻度富营养劣v劣v总氮 南四湖 5 6 轻度富营养劣v v 。 总氮 都网i 湖 4 7 中营养 v 总磷 镜泊湖5 6轻度富营养高锰酸盐指数 达赉湖 6 7 中皮富营养劣v劣vp h 、高锰酸盐指数、总氮 白洋淀8 9重度富营养劣v劣v总氦、氨氮、总磷 兴凯湖 项目不全朱计算 i li i 地下水污染状况 根据2 0 0 6 年1 6 3 个城市的地下水水质监测结果，主要监测点的地下水水质以良好 较差为主。深层地下水水质优于浅层地下水，开采程度低的地区地下水水质优子开采程 度高的地区。 在开展浅层地下水水质监测的1 2 5 个城市中，与2 0 0 5 年相比，主要监测点地下水 水质呈恶化趋势的城市有2 1 个，主要分布在东北、西北、华东、中南等地区；水质基 本稳定的城市有9 5 个，全国各地均有分布；水质呈好转趋势的城市9 个，呈零星分布。 在丌展深层地下水水质监测的7 5 个城市中，与2 0 0 5 年相比，主要监测点地下水水 质呈恶化趋势的城市1 2 个，主要分布在东部沿海地区：水质基本稳定的城市5 8 个，全 国各地均有分布：水质呈好转趋势的城市5 个，呈零星分布。 近岸海域污染状况 根据2 0 0 7 年中国海洋环境质量公报，我国近岸海域污染形势依然严峻。近岸 6 太原理工大学硕十研究生学 市论文 局部海域水质略有好转，但污染程度依然严重；近海大部分海域为清洁海域；远海海域 水质保持良好状态。全海域未达到清洁海域水质标准的面积约1 4 5 万平方公里，比2 0 0 6 年减少约o 4 万平方公里。严重污染海域主要分布在辽东湾、渤海湾、黄河口、莱州湾、 长江口、杭州湾、珠江口和部分大中城市近岸局部水域。海水中的主要污染物依然是无 机氮、活性磷酸盐和石油类。渤海海域污染依然严重，未达到清洁海域水质标准的面积 约2 4 万平方公里，约占渤海总面积的3 1 ，比2 0 0 6 年增加约0 4 万平方公里。 可见我国水污染主要为有机污染，而湖泊、水库、近岸海域等缓流水体由氮、磷引 起的富营养化污染也十分严重，因此削减污水中的有机物及脱氮除磷也是今后水处理的 重中之重。一 1 1 3 我国水环境保护面临的问题 目前，我国面临的重大水问题主要是：由水资源短缺和水污染加剧构成的水危机制约 了我国水资源的可持续发展；因资金与技术等方面的原因使我国的水处理技术发展滞后， 水污染难以得到有效的控制。由于建设大型城市污水处理厂的投资很大，我国的建设资 金有限，再加上投资渠道不畅，运营管理没有进入市场化，建成运行后还需要大笔运转 费用，这些均制约了我国的污水处理厂建设的进度。 近年来，在各级政府的有力推动下，我国城市污水处理厂的建设正以前所未有的速 度发展。到2 0 0 5 年，城市污水集中处理率要达到4 5 ，2 0 1 5 年达到7 0 。今后数年内， 污水处理厂建设将进入高峰期。这样大规模地建设城市污水处理设施，表明了国家和各 级政府治理城市污水的决心。但是要实现这个计划，不但需要大量的资金投入，还需要 正确的技术指导，使城市污水处理工程在质量上达到要求。 据清华大学紫光顾问公司调查【4 l ，我国污水处理设备运行状况是1 3 运行正常、1 3 不正常、1 3 处于停止状态，这使污水处理厂的运转率只能达到5 0 。事实上，全国目 前已经建成投产运行的污水处理厂中，满负荷运行的不到1 3 。综合考虑我国现有技术 和经济的承受能力，应首先建设一批投资省、占地小、效能高、运行管理便捷和运行成 本低的城市污水处理设施，以推动我国城市污水处理工程建设健康发展。 1 2 水体中氮、磷的来源及危害 1 2 1 水体中氮、磷的来源 进入水体的n 、p 营养来源是多方面的，其中人类活动造成的n 、p 来源是水体中 7 太原理，l ：人学硕十研究生学侮论文 n 、p 的主要外部来源，另外n 、p 进入水体的途径还有自然过程。外源n 、p 主要通过 面污染和点污染进入水体。大多数情况下，氮主要通过面源进入水体，磷主要通过点源 进入水体。常见的面污染源有：农业面源污染、城市雨水径流污染、气载污染物污染、水 土流失、水产养殖等。常见的点污染源：城市污水与工业废水的直接排放、污水处理厂的 尾水排放、生活垃圾场和工业废料场。对各主要污染源的分析如下： ( 1 ) 农业面源污染 农业面源污染主要是农业施肥经流失造成的，大量未被农作物利用的肥料绝大部分 被农业排水和地表径流等途径带入地下水和地表水中，其中主要是化学肥料。人工合成 的化肥和农药是水体中氮、磷元素的主要来源。 ( 2 ) 城市雨水径流污染 城市雨水径流污染包括合流制排水系统中因暴雨期问污水溢流造成的污染，以及分 流制排水系统中初期雨水径流冲刷地表污物造成的污染。雨水径流中污染物含量、形态 与大气环境状况、当地人口密度、地区社会生产活动等因素有关。 ( 3 ) 气载污染物污染 气载污染物主要来源于工业废气、烟尘以及机动车辆尾气等排放后通过降雨或降尘 途径进入水体。因农业施肥造成的氨氮逸出也是气载污染物的一个重要来源。 ( 4 ) 水土流失 水土流失使大量的氮、磷等营养物质进入水体。在污染水体的同时也会造成水体淤 积，加快水体恶化。我国水土流失严重，仅黄土高原每年因水土流失损失的n 、p 等养 分达3 8 0 0 万吨。水土流失不可避免地迫使农业加大肥料用量，从而加大了农业面源污 染。 ( 5 ) 水产养殖 浅海和湖泊水库养鱼过程中残饵、鱼药、鱼类排泄物和化肥是水体中氮、磷污染的 另一主要来源。水产养殖业的n 、p 污染主要受养殖方法、养殖鱼种、养殖密度、饵料 种类及投量不同而有所区别。目前对水体危害最严重的是网箱养鱼。 ( 6 ) 点源污染 各种污水的未经处理直接排放或污水处理厂的尾水排放是主要的氮、磷点污染。常 规的污水二级处理对氮、磷等溶解性盐的去除率仅分别为2 0 5 0 。据报道，有的水体 由于污水排入水体新成的n 、p 浓度比n ，p 造成水体富营养化的临界浓度一般高出一 8 太原理： 大学硕士研究生学位论文 个数量级以上。 ( 7 ) 固体废物堆积场 随着城市的发展和人民生活水平的提高，产生了大量的生活垃圾和工业废料。目前 我国的城市垃圾仅基本做到清运出城进行简易处理，其中少量垃圾被填埋或焚烧，其余 大量垃圾长期直接裸露堆放于城郊或水体附近，随着地表径流和雨水冲刷而污染水体或 她下水，严重危及垃圾场四周人民群众的身体健康。 我国n ，p 等污染物主要来自生活污染源、农业污染、畜禽污染源及工业污染源。 城市人口的急剧增加，生活污水排放量不断增加，绝大部分未经处理直接排入水体；随着 工业的发展，大量未经妥善处理的工业废水排入水体，成为城镇附近水体的主要污染源； 农药、化肥的大量流失，使大量未分解的农药和化肥随地表径流进入湖泊水库，成为水 体n ，p 营养物质的主要来源。 1 2 2 氮磷污染与水体富营养化 大量的含氮化合物进入水体中将恶化水体质量，影响渔业发展和危害人体健康，其 主要危害为： 1 ) 氨氮要消耗水体的溶解氧 氨氮随污水排入水体后，可在硝化细菌作用下被氧化为硝酸盐，氧化每毫克的 n h 4 + n 为n 0 3 一，要消耗水体中的溶解氧4 6 m g 。 2 ) 氨氮会与氯作用生成氯胺 氨氮会与氯作用生成氯胺，而氯胺的消毒作用比自由氯小，这样就影响了氯的消毒 效果。氯胺不仅气味难闻，而且是致癌物质。 3 ) 含氮化合物对人和生物有毒害作用 对大部分鱼类而言，水体中游离氨的致死浓度为l m g l ，硝酸盐和亚硝酸盐在人体 中会转化为亚硝胺，这是一种致癌、致变和致畸物质，严重威胁人体健康。在正常的健 康人体中硝酸盐和亚硝酸盐能很快地被肠胃吸收，被吸收的亚硝酸盐能与人体中的血红 蛋白起反应形成高铁变性血红蛋白。尤其是对不满三个月的婴儿以及年幼动物，他们的 还原系统( 如辅酶( n a d h ) 一变性血红蛋白酶) 的作用发育尚不完全。在这种情况下 交性血红蛋白增加可导致一种特殊的临床症状一变性血红蛋白症。 4 ) 加速水体的“富营养化”过程 “富营养化”是湖泊分类与演化方面的概念。湖泊学家认为天然富营养化是水体衰 9 太原理l 人学硕士研究生学位论文 老的一种表现。过量的植物性营养元素氮、磷排入水体会加速水体的富营养化过程。在 光照和其他环境条件适宜的情况下，水中所富含的磷酸去轮和某蝗形式的氮素足以使水体 中的藻类过量生长，在随后的藻类死r ：和随之而柬的异养微尘物代谢活动中，水体中的 溶解氧很可能被耗尽，造成水体质量恶化和水 生态环境结构破坏，这就是所谓的水体富营养化现象。 在富营养化水体中出现的生物主要是微型藻类，这些藻类的光合作用强度随水中磷 氮含量的增加而成比例地增加，温度、光照强度、有机物、毒物和捕食性生物等许多其 它因素也以复杂的方式相互影响，其中一个因素的变化，又会引起整个群体广泛的链锁 反应。在富营养化时，大量发展的微型藻类，其中最重要的一类是蓝藻( c y a n o p h y c e a e ) 或称蓝细菌( c y a n o b a c t e r i a ) 。蓝藻是含有光合色素的原核生物，但其光合作用的方式却 不同于光合细菌，而与植物和真核藻类相同。虽然蓝藻种类很多，但在富营养化时能大 量繁殖的仅2 0 种左右。每种蓝藻的过度繁殖持续时问不同。当蓝藻过度繁殖时可能造 成水体缺氧，而使繁殖速度减退，从而又释放出磷和氮素，进一步促使其它藻类过度繁 殖，表现出不同藻类过度繁殖的演替现象。虽然蓝藻是引起过度繁殖的最常见最重要的 藻种，但其它一些藻类也能引起过度繁殖。某些海生的腰鞭毛目生物的过度繁殖，能使 海水染成红或褐色，并造成鱼类和其它牛物的大量死亡。 藻类所需要的无机营养与植物相同，需求量大的元素包括碳、氮、磷、氢、氧。c 0 2 是最主要的碳源，氮源是氨氮和硝酸盐，磷源是溶解性磷酸盐类，氢和氧由水拢男要。 藻类生长的限制因素是氮和磷。其含量通常决定藻类的收获量，所以水体中氮、磷浓度 增高会导致水体的富营养化。事实上，现在n 、p 污染所造成的水体富营养化问题己经 越来越严重。 目前我国的某些湖泊，例如太湖、巢湖、西湖和滇池等，都出现了富营养化的现象， 有些还比较严重。就水体的富营养化而言，当水体中磷的含量高于0 5 m g l 时，会加速 水体的富营养化；当水体中磷的含量低于0 5 m g l 时，则能控制藻类的生长；当水体中磷 的含量低于0 0 5 m g l 时，藻类几乎停止生长【5 】。 可见富营养化的危害极大，不仅在经济上造成损失，而且危害人类健康。富营养化 的水体在很多用途方面都被认为是劣质水体。从以下几个方面简述富营养化对水体功能 和水质的影响和危害。 ( 1 ) 使水体衰老，严重的使湖泊变成沼泽甚至湿地。 l o 太原理t 大学硕十研究生学位论文 ( 2 ) 水味变得腥臭难闻。富营养水体会出现许多藻类( 蓝藻) 的过度繁殖，使饮用水 产生霉味和腥臭味。 ( 3 ) 消耗水体的溶解氧。富营养化水体表层；藻类可以获得充足的阳光，并从空 气中获得足够的二氧化碳进行光合作用而放出氧气，因此表层水体有充足的溶解氧。但 在深层水体的溶解氧就很少了。首先，由于表层有密集的藻类，使得阳光难以透射进入 湖泊深层，而且阳光在穿射水层的过程中，被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光合作 用明显地受到限制而减弱，因而溶解氧的来源也就随之减少。其次，湖泊藻类死亡后不 断地向湖底沉积，不断地腐烂分解，也会消耗深层水体大量的溶解氧，严重时可能使深 层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态可以触 发或者加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷，形成富营养水体 的恶性循环。 ( 4 ) 向水体释放有毒物质。富营养化水体中的许多藻类能够分泌、释放有毒有害 物质，不仅危害动物，而且对人类健康产生严重影响。如蓝藻中的丝状藻类过度繁殖后， 产生内毒素进入饮用水中，会使人体出现肠胃炎和严重的变态反应。产生海水“赤潮” 的海生腰鞭毛目生物的过度繁殖，能使鱼类和其它生物死亡，而且，它们被贝壳类动物 食用后，常无明显影响，但当人们食用这种贝壳类动物后，会引起严重的胃病，甚至死 亡。 ( 5 ) 影响供水水质并增加制水成本。湖泊和水库是重要的城市供水水源，约占我 国城市日供水量的1 4 。随着生产发展和人民生活水平的提高，水质水量需求与日俱增。 然而，由于水体富营养化问题目趋严重，以富营养水作水源，会给净水厂带来不少制水 困难，增加处理工艺、增加消毒剂用量、水藻经常堵塞滤池、出水水质不佳。 ( 6 ) 对水生生态的影响。水体一旦出现富营养状态，其正常的生态平衡就被扰乱， 生物种群量会显示出剧烈的波动；某些生物种类明显减少，而另外一些种则明显增加。 这就导致水尘生物的稳定性和多样性降低，从而破坏了湖泊生态平衡。 1 3 污水氦、磷处理的意义及发展状况 1 3 1 污水氦、磷处理的意义 近几年来，据围家环境公报报道我国江河流域普遍遭到污染，不能满足类水质标 准不能作集中水源的河段占8 5 9 。我国城市供水水源有3 0 源于地下水，北方城市 太原理i ：火学硕f ? 研究生学位论文 有5 9 源于地下水。1 9 9 8 年对我国1 1 8 座大型城市浅层地下水的普查表明，北方城 市地下水9 0 遭到污染，其中2 8 已不适合作饮刚水源。污染物# 要有硝酸盐氮、氨 氮、有机物等。我国人口众多，人均 ) h 有资源量少。持续的人 1 增长，地表水和地下水 的污染，使我国水资源短缺严重，我国河川年径流量2 7 2 8 1 0 1 2 m 3 ，居世界第六位， 但人均占有水量仅为2 4 0 0 - - 2 5 0 0 m 3 a ，仅列世界1 1 0 位，为世界人均水量的1 4 ，我国 已被联合国列为1 3 个水资源贫乏国家之一。据1 9 9 7 年统计结果报告【6 j ，缺水城市3 3 5 座，据预测，2 0 1 0 年、2 0 3 0 年和2 0 5 0 年城市需水量将分别达到1 2 9 0 亿m 3 a 、1 7 3 0 亿m 3 a 和2 0 7 0 亿m 3 a 。水资源紧缺是制约中国经济发展难以克服的因素。所以解决 水资源问题，一是节水，提高水资源利用率；二解决水污染问题。 1 3 2 氮、磷处理发展状况 近二十年来，由于水环境的富营养化同趋严重，废水中的氮、磷的去除己成为废水 处理的热点。随着n 、p 污染数量的上升，许多国家和地区立法对n 、p 制定新的排放 标准，出水的排放标准越来越高，迫使人们在处理方法上不断创新，寻找简便、节能、 高效的处理手段与工艺。我国经济发展较快，城市化进程不断加快，污水排放量持续增 加。据中国工程院为国家编制中国可持续发展一水资源战略与国民经济和社会发 展“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标纲要中指出，当2 0 1 0 年、2 0 3 0 年全国污水处理普 及率达5 0 和8 0 时，城市污水对水环境的污染负荷并没有明显减弱。近岸海域、江 河湖泊的污染趋势仍然得不到遏制，原因是污水排放总量也在增长。可见，提高我国城 市污水的处理率已成为当务之急。为了防治日益严重的水体n 、p 污染和富营养化，我 国2 0 0 3 年7 月1 日实施的新的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 对城市二级污 水处理厂出水的n 、p 标准提出了严格的要求。新的标准规定，城市污水排放浓度一级 a 排放标准为：n h 3 一n 5 m g l ，t p 0 5 m g l 。二级排放标准为：n h 3 n 0 3 - - n ( 厌氧) = n 0 2 。- n ( 厌氧) - n 2 ； 由于硝化细菌和反硝化细菌的生态位不同，这两个过程是不能同时发生的，因此， 传统的硝化) 反硝化工艺有：后置反硝化工艺，前置反硝化工艺( a o 工艺、a 2 o 工艺) s b r 工艺等，这些工艺都是将好氧区与缺氧区分开，使硝化、反硝化独立进行。后置反 硝化工艺保证了出水中氮的含量，但一般需外加碳源( 如甲醇等) ；前置反硝化可以利 用新鲜废水中的有机物，无需另加碳源；工艺实现了同一反应器中依次进行硝化和反硝 化，节省了基建费用。虽然硝化、反硝化可以有效地去除废水中的氮，但是它仍然存在 着很多不足之处，硝化菌群增殖速度慢，为了保证出水中氮的去除率，整个系统的水力 停留时间将延长，为了中和硝化阶段产生的酸度必须投加碱，因此处理费用较高。总氮 的脱除主要依靠反硝化过程，但若没有n o ；一n 和n o ：一n ，总氮则无法去除。 1 3 太原理l ：人学硕十研究生学侍论文 ( 2 ) 短程硝化反硝化【8 9 】： n h 3 ( 好氧) 母n 0 2 。