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西安建筑科技大学硕士学位论文 m s b r 脱氮除磷特性及影响因素研究 专业：环境工程 硕士生：王韬 指导教师：王志盈教授 摘要 氮、磷是造成水体富营养化的主要元素，研究从污水中去除氮和磷元素，具有重 要的现实意义。本试验通过改变运行方式研究了生物脱氮除磷的特性和影h 向因素，得 出阻下结论： s b r 以全程曝气运行时，随着温度的降低和污泥负荷的升高，对有机物的去除效 果稳定、良好，平均去除率达到8 3 - 3 ；对氨氮的平均处率达到8 5 6 。对磷的平均 去除率为6 4 _ 3 ， s b r 以厌氧好氧方式运行时，可以达到完全除磷的效果。厌氧释磷的最大速率为 3 0m g p g m l s s - h ，平均释磷速率为3 3 8m g p g m l s s h ；好氧聚磷的最大速率为1 4 m g p 幢m l s s h ，平均速率为7 6 4m g w g m l s s h 。在本系统中，厌氧释磷需要3 0 4 5 m i n 就可以达到峰值，好氧聚磷需要3 0 m i n 就可以完成。 m s b r 以厌氧哆于氧方式运行时，对厌氧段采用分段进水，提高了厌氧释磷和好氧 聚磷的最大速率和平均速率。通过改变进水比证明，厌氧段的进水仅需3 0 左右就可 以满足生物除磷对碳源的要求。 m s b r 以厌氡缺氧好氧方式运行时，缺氧段可以观察到较为明显的反硝化聚磷效 果，且效果稳定。当投加6 6 m l 硝态氮和对厌氧段，缺氧段分别分段进水时，城市污 水的反硝化聚磷在3 5 m m 内完全进行。反硝化聚磷量和反硝化聚磷速率都随第一次进 水量的减少而升高的现象。当投加6 6 m g l 硝态氮时，反硝化聚磷量的理论最大值为 9 ，3 1 m l ，m s b r 在进水比为2 比8 时，反硝化聚磷量为5 2 m l ，反硝化聚磷最大速 率为3m g p g m l s s h 。试验结果比较得出，由于在多点迸水下的反硝化聚磷过程消耗 了细胞内p h b 储存物，导致好氧段的聚磷速率下降，但可节约好氧段的空气消耗。 根据本试验结果，在城市生活污水生物脱氮除磷工艺中，可以采用改变进水比和 反硝化聚磷的运行方式，优化运行参数、提高脱氮除磷效率、节能降耗。 关键词：生物脱氮除磷m s b r 运行方式分段进水反硝化聚磷城市污水 r e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d i n f l u e n c ef a c t o r so f b i o l o g i c a ln i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s r e m o v a li nm s b r s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n g t a o t u t o r ：p r o f e s s o rw a n g z h i y i n g a b s f 嗽c t i ti s v e r ys i g n i f i c a n t t or e m o v en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf r o mw a s t e w a t e r b y c h a n g i n go p e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c ef a c t o r so fb i o l o g i c a l n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sr e m o v a lw e r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u h ss h o w e da s f o l l o w ： w h e ns b r o p e r a t e di na e r o b i cc o n d i t i o n ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fo r g a n i c sw a s s t a b l ea n da v e r a g e dr e m o v a l e f f i c i e n c y i s a s h i g h a s8 3 3 t h e a v e r a g e d r e m o v a l e f f i c i e n c y o fn h 4 + - ni sa s h i g ha s 8 5 6 a n dt h e a v e r a g e d r e m o v a le f f i c i e n c yo f p h o s p h o r u s i s6 4 3 w i t 】lt h ed e c r e a s e o f t e m p e r a t u r e a n dt h ei n c r e a s eo f s l u d g e l o a d i n g p h o s p h o r u s c a nb er e m o v e d c o m p l e t e l yw h e n s b ro p e r a t e di na n a e r o b i c o x i c c o n d i t i o n t h em a x i m u mr a t eo fr e l e a s i n gp h o s p h o r u si s3 0m g p g m l s s h ，a n dt h e a v e r a g e dr a t e o fr e l e a s i n gp h o s p h o r u si s3 3 8m g e g m l s s h ：t h em a x i m u mr a t eo f a c c u m u l a t i o no fp h o s p h o r u sw a s1 4m g p g m l s s h ，a n dt h ea v e r a g e dr a t ew a s7 ，6 4 m g p g m l s s h i n t h i ss y s t e m i tt a k e s3 0 4 5m i nt or e l e a s ep h o s p h o r u sc o m p l e t e l y , w h i l e t h ea c c u m u l a t i o n o f p h o s p h o r u s n e e d3 0 m i n t h ea v e r a g e da n dm a x i m u mr a t e so ft h er e l e a s i n ga n da c c u m u l a t i o no f p h o s p h o r u sc a n b e i m p r o v e d ，w h e nm s b ro p e r m e d i na l t e r n a t i v ea n a e r o b i c o x i ca n d s t e p - f e e d i n a n a e r o b i cp h a s e t h er e s u l ts h o w e dt h a ta b o u t2 0 n 3 0 o fi n f l u e n ti se n o u g ht or e m o v e p h o s p h o r u s ，a n dt h er e l e a s eo fp h o s p h o r u sd e c l i n ew i t ht h ed e c r e a s i n go f t h ea m o u n to f f i r s ti n f l u e m d e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n c a nb ef o u dw h e nm s b r o p e r a t e di na n a e r o b i c a n o x i c o x i cc o n d i t i o n d e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a f i o np r o c e s sw a sc o m p l e t e di n3 5 m i nw h e n6 6 m g ln 0 3 一- nw a sa d d e di n t o t h er e a c t o ra n ds e c o n d a r yi n f l u e n t i n gi na n o x i c p h a s e t h e o r e t i c a l l y , t h ea m o u n to f t h ed e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o nc a ng e tt h em a x i m u mv a l u e 西安建筑科技大学硕士学位论文 9 3l m g l w h e n6 , 6m g ln 0 3 - - n w a sa d d e di n t ot h er e a c t o r w h e nt h er a t i oo f i n f l u e n t w a s2 0 t h ea m o u n to f t h ed e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n w a s5 2m g 几，a n dt h em a x k n u r n r a t eo ft h ed e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o nw a s 3m g p g m l s s h a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，o p t i m i s t i n gt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r , i m p r o v i n g t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fd e n i t r i f y i n ga n dd e p h o s p h o u s ，s a v i n ge n e r g yc a nb ea c h i e v e d t h r o u g hc h a n g i n gt h er a t i oo f i n f l u e n ta n do p e r a t i n gm o d eo fd e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n i nt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s k e y w o r d s ：b i o l o g i c a ln i v o g e n a n d p h o s p h o r u sr e m o v a l ；m s b r ；o p e r a t i n gm o d e ；s t e p f e e d ； d e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n ；m u n i c i p a lw a s t e w a t e r 声明 本人郑重声明我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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名：王稻 关于论文使用授权的说明 日期：汐夸，2 0 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、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、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文储虢王韬翩签名多丝吼哆f 如 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 中国水资源总量约为2 8 1 万亿立方米，居世界第6 位，但久均水资源2 3 0 0 m 3 ， 公顷均水资源2 8 5 0 0 m 3 ，仅相当于世界人均占有量的i 4 ，公顷均占有量的4 5 ，排在 世界第1 2 1 位，是世界1 3 个贫水国家之一【1 】。在全国6 0 0 多座建制市中，有近4 0 0 座城市缺水，其中缺水严重的城市达1 3 0 多个。与此同时，水环境污染严重。水资源 短缺和水环境污染已成为制约我国经济和社会发展的重要因素。 水在自然循环中，由非污染环境进入水中的化学物质，称为自然杂质或本底杂质； 由污染环境进入水中的化学物质，称为污染物。进入水体( 地表径流和地下径滚) 中 的污染物量超过了水体自净能力或纳污能力，而使水体丧失规定的使用价值时，称为 水污染【2 】o 水污染的主要来源由以下几种【2 】： ( 1 ) 向自然水体排放的各类废水； ( 2 ) 向自然水体直接倾倒的固体废弃物、垃圾堆放场所的渗出液和淋洗雨水； ( 3 ) 大气污染地区的酸雨及其它淋洗降水； ( 4 ) 大气中有害的沉降物及水溶性气体； ( 5 ) 淋洗植被后溶入了化肥和农药的( 降水) 径流： ( 6 ) 航道中船舶的漏油、废水级固体废弃物。 污水排放引起的水体污染由如下几种基本类型：需氧型污染、毒物型污染、富营 养型污染、感官型污染及酸碱和热水等其它型污染。 解决水资源问题的途径一般说来有三条：一是水资源开发，即通过开发新的水资 源来满足用水的需求；二是水资源合理调配，即在不增加现有水资源总量的前提下， 合理调配农业、工业、环境和生活用水的比例，用有限的水资源保证最大限度的经济 发展；三是水资源再生，即在可能的范围内将使用过的水资源直接或间接的进行重复 利用，从整体上减少对水资源总量的需求。采取哪条途径解决水资源问题要看所在地 区的实际情况，近年来国际上提出的一个原则是“在可持续发展的前提条件下开发和 利用水资源”。 控制水污染的基本途径是降低污水的污染强度，可以从两方面入手：一是减少污 染因子的产生量；一是减少污染因子的排放量【”。从另外个角度来看，一方面是改 进生产技术，减少污染；另一方面就是进行污水处理。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 污水处理技术和工艺 城市污水分为两大类：生活污水和工业废水。 污水造成的污染危害，以及应采用的防治措施，都取决于污水的特性，及其中污 染物的种类、性质和浓度。 控制污水水质由三个基本目的拉j ：( 1 ) 满足污水再用( 循环或持续再用) 对水质 的要求；( 2 ) 满足有价值物质回收工艺对水质的要求：( 3 ) 满足污水排放对水质的要 求。 污水水质控制方法可概括为以下三类【2 j ： ( 1 ) 分离处理通过各种外力的作用，使污染物从废水中分离出来。一般来说， 在分离过程中并不改变污染物的化学性质。 ( 2 ) 转化处理通过化学的或生物化学的作用，改变污染物的化学性质，使其 转化为无害的物质或可分离的物质，后者再经分离去除。 ( 3 ) 稀释处理通过稀释混合，降低污染物的浓度，达到无害化的目的。 根据以上三类污水水质控制方法，针对不同污水性质，可以有许多具体的污水处 理方法，污水生物处理是其中最重要和最普遍的一种。 污水生物处理技术是水环境保护和废水治理工程领域的一个得到广泛应用并长 期以来发挥着十分重要作用、经济有效的工程技术方法。废水生物处理是利用自然晃 中广泛存在的大量依靠有机物生活的微生物氧化降解污水中污染物的方法。在自然界 中，有多种微生物不但能氧化分解一般的有机物并将其转化为稳定的无机物，而且还 具有转化有毒有害有机污染物的能力。借助于微生物这些特殊功能，并为其生长繁殖 创造良好的环境条件，可实现对废水中污染物的去除从而净化废水。 污水生物处理技术是现代生物工程技术的一个组成部分，是水环境保护和废水治 理工程领域的一个得到广泛应用并长期以来发挥着十分重要作用、经济有效的工程技 术方法。该方法由a r d e n 和l o c k e t t 发明，并于1 9 1 4 年在英国建成世界上第一个活性 污泥法废水生物处理试验厂，经过近一个世纪的研究，其应用得到了快速发展，并开 发了多种更经济合理、处理能力更强、运行更为稳定的处理技术，己成为废水处理领 域的主导技术。 生物处理需要提供众多的环境条件，从处理方法的分类角度看，最基本的环境条 件是氧的存在与否。提供溶解氧，主要依靠好氧菌和兼性厌氧菌的生化反应来完成处 理过程的方法，称为好氧生物处理法；隔绝与氧的接触，主要依靠厌氧菌和兼性厌氧 西安建筑科技大学硕士学位论文 菌的生化反应来完成处理过程的方法，称为厌氧生物处理法。 1 2 1 好氧生物处理 好氧生物处理时，一部分被微生物吸收的有机物氧化分解为简单无机物( 如二氧 化碳、氢、氨、硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐等) ，同时释放出能量，作为微生物自身生 命活动的能源；另一部分有机物则作为其生长繁殖所需要的构造物质，合成新的原生 质【2 1 。 废水的好氧生物处理，根据微生物在废水所处的状态或存在的形式，可分为悬浮 生长法和附着( 或固定) 生长法两大类。其中活性污泥法是典型悬浮生长工艺，而生 物膜法则是典型的附着生长工艺。活性污泥法是当今世界范围内应用最为广泛的一种 生物处理工艺，具有处理能力高、出水水质较好等优点，存在的问题是基建与运行费 用较高、能耗较大、管理复杂、易出现污泥膨胀和污泥上浮，对氮、磷等物质去除效 果有限等。生物膜法作为与活性污泥法平行发展起来的生物处理工艺，在许多情况下 不仅能代替活性污泥法用于城市污水的二级生物处理，而且还具有一些独特的优点， 如运行稳定、抗冲击负荷、更为经济节能、无污泥膨胀问题、具有一定的硝化与反硝 化功能、可实现封闭运转防止臭昧等，存在的问题是运转操作上伸缩性差、空间效果 差、容积负荷低等。 1 2 2 厌氧生物处理 厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度的有机工业废水、城镇污水的污泥、动植 物残体及粪便等。 有机物在厌氧条件下的降解过程分成三个阶段。第一个阶段是水解阶段，废水中 的大分子有机物和不溶性有机物水解为溶性小分子有机物：第二阶段为产酸和脱氢阶 段，水解形成的溶性小分子有机物被产酸细菌作为碳源和能源，产生短链的的挥发酸， 有些产酸细菌能利用挥发酸生成乙酸、氢和二氧化碳；第三阶段为产甲烷阶段。专性 厌氧菌将产酸阶段产生的短链挥发酸( 主要是乙酸) 氧化成甲烷和二氧化碳。 厌氧生物处理的主要优点有：能耗低；可回收生物能源( 沼气) ：每去除单位质 量底物产生的污泥量少：具有较高的有机物负荷的潜力。其缺点是处理后出水的c o d 、 b o d 较高；水力停留时间长；产生恶臭等。 传统的厌氧消化池由于产甲烷细菌的增殖率很低，不得不采用很长的水力停留时 间，一般为1 0 2 5 d ，存在体积很大，容积负荷很低的问题。近年来国内外进行了广 西安建筑科技大学硕士学位论文 泛的研究，出现了不少新的厌氧工艺和新型的厌氧反应器，包括；两相厌氧法、厌氧 接触法、厌氧流化床反应器、生物膜反应器和升流式厌氧污泥床反应器等。 1 3 脱氦除磷技术的发展与应用 1 3 1 氨、磷的来源和危害 进入水体的氮、磷来源主要有以下几个方面【3 】：工业和生活污水未经处理直接进 入水体：污水厂出水；面源性的农业污染物( 农药等) ；城市来源( 含磷洗涤剂等) 。 氮和磷是造成水体富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 的主要元素。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。所以 从研究废水中去除氮和磷元素，减少和避免富营养化，具有重要的现实意义。就水体 的富营养化而言，当水体中磷的含量高于o 5m g 几时，会加速水体的富营养化：当水 体中磷的含量低于0 5m g l 时，则能控制藻类的生长；当水体中磷的含量低于o 0 5 m g l 时，藻类几乎停止生长1 6 j 。 过量的氮除了会引起水质富营养化以外，还对水环境有其它的危害： ( 1 ) 氨氮进入水体后被硝化细菌氧化而消耗水体中的溶解氧； ( 2 ) 游离氨由于会影响鱼腮中氧的传递而成为鱼类的有毒物质( 对大部分鱼类 而言，水体中游离氨对鱼的致死量为l m g 1 ) ： ( 3 ) 氮氮被氧化为硝酸盐后进入人体会形成亚硝酸盐和亚硝胺等，从而导致变 性血红蛋白血症及致变、致畸、致癌。 污水脱氮( d e n i t r i f i c a t i o n ) 和除磷( p h o s p h o r o u sr e m o v a l ) 的方法很多，包括物 理化学法、生物处理法和生物一化学联合法。物理化学法有投加混凝剂、吹脱、离子 交换等；生物处理法是利用些微生物( 聚磷菌、硝化菌、反硝化菌等) 的新陈代谢 活动来去除氮和磷；而生物一化学联合法则是以生物处理为基础，投加化学药剂，以 提高脱氮除磷效果。 1 3 2 生物脱氮技术 污水生物处理过程中氮的转化包括氨化、同化、硝化和反硝化作用 3 】： 氨化作用：污水中的有机氮主要以蛋白质和氨基酸的形式存在。其中蛋白质会被 水解为氨基酸，而氨基酸又通过脱氨基作用后进入三羧酸循环，代谢后形成氨氮。脱 氨基方式有氧化脱氨、还原脱氨、水解脱氨和减饱和脱氨等f 4 】。 同化作用：污水中的一部分有机氮和氨氮会被同化为微生物细胞的组成成分。按 细胞干重计算，微生物细胞中约含氮1 2 5 i ”。 西安建筑科技大学硕士学位论文 硝化作用：污水中的氨氮会被亚硝酸菌氧化为亚硝酸盐，硝酸菌将亚硝酸盐进一 步氧化成硝酸盐。氨氮氧化成硝酸盐的硝化反应是由两组自养型好氧微生物通过两个 过程来完成的。第一步先有亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s 、n i r t o s o c c u s 、n i t r o s o s p i r a 等) 将氨氮( n h 4 + 和n h 3 ) 转化为亚硝酸盐( n 0 2 一) ；第二步再由硝酸菌( n i t r o b a c t e r 、 n i t r o c o c c u s 等) 将亚硝酸盐氧化成硝酸盐( n 0 3 一) 。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌。 硝化菌属专性好氧菌，它们利用无机化合物如c 0 3 2 - 、h c 0 3 - 和c 0 2 作碳源，从n h 4 + 或n 0 2 - 的氧化反应中获得能量。 反硝化作用：硝酸盐一部分会被反硝化菌的同化作用( 合成代谢) 还原成n h 3 - n ， 用以新微生物细胞的合成；另一部分会被反硝化菌的异化作用( 分解代谢) 还原成氮 气。 生物脱氮反应器的主要部分是缺氧反应器和好氧反应器。缺氧反应器是生物脱 氮的主体，反硝化菌在以有机物为电子供体，以硝酸盐为电子受体将氮去除。好氧反 应器的作用有三【5 1 ：一是吹脱水中的氮气，防止沉淀池污泥上浮；二是在好氧条件下 去除水中剩余的有机物，以提高出水水质；三是提高水中溶解氧含量，以防止在沉淀 池中产生脱氮作用。生物脱氮系统的基本流程如图卜l ： 混合液回流 r 一一1 一唪卜区丑上臣丑坚 ：污泥回流；剩余污泥排放 一一一+ 图1 - 1生物脱氯的基本流程 生物脱氮的主要工艺如下： 1 两相活性污泥法脱氮工艺 两相活性污泥法脱氮工艺( 如图卜2 所示) 分别将除碳、氮化、硝化和反硝化在 三个反应器中独立进行，并分别设置污泥回流系统。此工艺较易控制运行条件，可同 时获得良好的去除有机物和脱氮效果。但存在流程长、构筑物多、基建费用高、需外 加碳源等问题，现在应用较少。 2 a o 工艺 a 0 脱氮工艺( 如图卜3 所示) 是一种前置反硝化工艺。该工艺将脱氮池前置， 能利用进水碳源而不需外加碳源；而反硝化产生的碱度还可以补充硝化过程中碱度的 消耗。该工艺具有流程简单、工程造价低的优点。 西安建筑科技大学硕士学位论文 甲醇 f i i l 一! ! ! 塑一一一一_ 皇! 量望逞型 放 一望鋈堕一坚! 曼! ! 堡盐垫 图卜2 两相活性污泥法脱氮工艺 混合液回流 r ：污泥回流! 剩余污泥排放 一一一一一一 图卜3a o 脱氨工艺 3 a 2 o 工艺 a 2 o 工艺( 如图卜4 所示) 是a n a e r o b i c a n o x i c o x i c 的简称。该工艺具有 脱氮除磷的双重功效。 混合液回流 _ ： 污泥回流 ；剩余污泥排放 一一一一一一一+ 图i - 4a 2 o 工艺 4 b a r d e n p h o 工艺 b a r d e n p h o 工艺( 如图卜5 所示) 是由硝化段和反硝化段相互交替组成的工艺。 在该工艺中，第一缺氧段利用原水碳源和好氧段回流液，反硝化速率快，第二缺氧段 则是利用内碳源进行反硝化，因而反硝化速率较低。 混合液回流 i 一一j ： ； 污泥回流 ：剩余污泥排放 一一一l 一- 一一一+ 图1 5 b a r d e n p h o 脱氮工艺 西安建筑科技大学硕士学位论文 图1 - i 国外脱氮工艺的部分应用实例 上表是各种脱氮工艺在国外的一些应用实例。 1 3 3 生物除磷技术 磷是微生物生长的必要元素，在传统的活性污泥系统中，磷占污泥干重的1 5 2 3 【3 】。但在特定的条件( 厌氧好氧交替) 下，某些微生物能摄取比普通活性污泥 高3 7 倍的磷量，这就是“聚磷菌”( 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 ，简称 p a o s ) 。 污水生物除磷技术的发展起源于生物超量摄磷现象的发现。早在1 9 5 5 年， g r e e n b u r g 等人就提出活性污泥可吸收超过微生物正常生长所需要的磷且【3 1 。在5 0 年 代末6 0 年代初，s f i n a t h 等人在污水处理厂的运行中观察到活性污泥的超量摄磷现象， 但对其原因无所知 3 】。通过7 0 年代所开展的研究工作才弄清了实现生物除磷的运行 条件，并有意识地将其工程化，设计、建成了生产性污水除磷工程。到8 0 年代和9 0 年代，通过全面的基础研究、生产性试验和工程运行总结，污水生物除磷技术在理论 上和实践上都获得了重大突破。总的来说，污水生物除磷技术经历了5 个发展阶段 3 1 ： 1 、对具有明显除磷能力的污泥和生产性污水处理厂进行了观测和试验研究，证 明了除磷作用的生物学本质和生物诱导化学沉淀的辅助作用； 2 、认识到好氧区之前设置厌氧接触区，污泥进行厌氧好氧交替循环的必要性， 从而开发了多种生物除磷工艺流程，并开始工程化应用； 3 、在试验研究和工程实践中认识到避免缺氧或好氧性电子受体( 硝态氮或溶解 西安建筑科技大学硕士学位论文 氧) 进入厌氧区的必要性，开发了优化生物除磷性能的工艺技术和运行技术； 4 、认识到简单低分子量( 可快速生物降解) 基质的作用及存在的必要性，引入 了生物化学和生物力能学理论，使污水生物除磷技术进入了定量化模拟和优化阶段； 5 、人工强化除磷系统的快速生物降解基质( 低分子有机物) 供给，建立了污水 生物除磷的数学模型，污水生物除磷技术在世界范围内得到了广泛重视和应用。 生物除磷的主要工艺如下： 1 a o 工艺 a o 工艺( 如图卜6 所示) 是最基本的除磷工艺。在该工艺中，聚磷菌在厌氧 条件下释放磷；在好氧条件下摄取比厌氧释放的高几倍的磷量。 l 一一一一亟幽煎上型叁望堡塑! 垫 图卜6a o 工艺 2 a 2 o 工艺 如图卜4 所示，在厌氧池中，聚磷菌释磷；在缺氧池中，微生物利用回流的硝酸 盐同时进行脱氮除磷；在好氧池中，聚磷菌过量摄取磷。 3 p h o s t r i p 工艺 p h o s t r i p 工艺( 如图卜7 所示) 的特点是将回流污泥处于厌氧条件，一方面释磷 后的污泥回流，具有很高的摄磷能力；另一方面是在厌氧池中富含磷的上清液中投加 化学药剂( 如石灰) ，通过沉淀、排放含磷的化学污泥。此工艺也可称作生物化学除 磷法。 l 一i t 一一一! 曼垦堕一一上j 基金! i 遇! 韭l 曼， t 含磷化学污泥 4 b a r d e n p h o 工艺 图卜7 p h o s t r i p _ 1 2 艺 西安建筑科技大学硕士学位论文 b a r d e n p h o 工艺( 如图卜8 所示) 通过回流好氧池出水，降低了进入厌氧池的硝 酸盐量，从而减少了硝酸盐对厌氧释磷的影响。该工艺水力停留时间较长。 混合液回流 一一一 l 一鱼堑避一一一上垩塑型芝暮 图卜8 b a r d e n p h o 工艺流程图 5 u c t 工艺 u c t 工艺( 如图卜9 所示) 最大的特点是控制了硝酸盐进入厌氧池( 硝酸盐是厌 氧释磷的抑制因素) 。 混合液回流混合液回流 l 一一i ： 污泥回流 ! 剩余污泥排放 一一一一一 图卜9u c t 工艺流程图 6 p h o r e d o x 工艺 p h o r e d o x 工艺( 如图卜1 0 所示) 能保证很好的脱氮除磷功能。 墨盒婆回远 【一堕遏旦塑一一j 塑睑型型& 图1 1 0 p h o r e d o x 工艺流程图 7 a p 工艺 a p ( a c t i v a t e d p r i m a r y ) 工艺( 如图卜1 1 所示) 通过对初沉污泥的发酵产生乙 酸盐等有利于聚磷菌的基质，保证后继a 0 系统的除磷条件。 8 、1 p 工艺 v i p 工艺( 如图卜1 2 所示) 通过三套回流系统为生物除磷提供了良好的运行条 西安建筑科技大学硕学位论文 件。该工艺具有释磷和聚磷的速率快、泥龄较短、负荷较高、反应池体积小等特点。 初沉池h 厌氧池 好氧池i l 一! 童逝型塑一一一上一塑! j 墅重鎏! ! 堡整r 一一圃 图卜1 1a p 工艺流程图 警= = = = = = = = = = = = j 一堕。 l 鱼鎏墅l 一型至塑鎏塑坠 图卜t 2v i p 工艺流程图 下表是各种生物除磷工艺在国外的一些应用实例。 图1 - 2 国外除磷工艺的部分应用实例 1 3 4 生物脱氮除磷技术的研究现状 目前，城市污水处理技术提出的个新概念是：可持续生物除磷脱氮工艺。它是 以除磷脱氮为主要对象的生物营养物去除( b n r ，b i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ) 工艺 【7 j 。以下是世界上目前在脱氮除磷方面的几种新技术m ： 审 西安建筑科技大学硕士学位论文 一、反硝化聚磷 在污水生物除磷实践中，南非开普敦大学( u c t ) 研究人员最早发现专性好氧细 菌不是唯一对磷的生物摄放起作用的菌种，兼性反硝化菌也有着很强的生物摄放 磷现象。反硝化菌的生物摄放磷作用被荷兰代尔夫特工业大学( t ud e l f t ) 和日本 东京大学( u t ) 研究人员合作研究确认，并冠名为“反硝化除磷” ( d e n i t r i l y i n g d e p h o s p h a t a t i o n ) 。在磷的生物摄放过程中，反硝化菌以硝酸盐氮取代氧作为电子受 体，也就是说反硝化菌能将反硝化脱氮和生物除磷这两个原本认为彼此独立的过程合 二为一。显然，在结合的除磷脱氮过程中，c o d 和氧的消耗均能得到相应节省。比 较传统的专性好氧菌的除磷工艺，反硝化聚磷能分别节省5 0 和3 0 的c o d 与氧的 消耗量，相应减少剩余污泥量5 0 。在反硝化聚磷过程中由于c o d 需要量的减少， 过剩的c o d 因此能被分离，并使之甲烷化，从而避免c o d 单一的氧化稳定。归因于 曝气能量的减少，以及过剩c o d 甲烷化后能量的产生，这种综合的能量节约最终会 导致释放到大气的c 0 2 量的明显减少。因此，具有反硝化聚磷菌功能的处理系统可以 被视为可持续处理工艺。 二、亚硝化反硝化脱氮 传统上，两个已得到充分确认的生物途径，硝化与反硝化被应用于污水处理的生 物脱氮。这种传统生物脱氮途径从可持续发展角度看并不是最佳的，因为充分地氧化 氨氮到硝酸氮首先要消耗大量能源；其次，还需要有足够的碳源来还原硝酸盐到氮气。 对这一传统脱氮途径的改进可借助于新近由荷兰t ud e l f t 研发的一种中温亚硝化技 术- - s h a r o n 来实现。在亚硝化反硝化途径中，亚硝酸氮为仅有的中间过渡产物： 这一途径无论对氧化还是还原均能起到最小量化的作用，意味着0 2 和c o d 消耗量的 双重节约。显然，亚硝化反硝化脱氮途径可以成为一种可持续的脱氮技术。 三、厌氧氨氧化 荷兰t ud e l f t 研究人员在研究亚硝化反硝化脱氮的同时还试验确认了一种新 的氨氮转换途径，这使得氨氮以亚硝氮作为电子受体而被直接氧化至氮气成为可能。 这种厌氧条件下的氨氮氧化与亚硝化过程相结合在工程上能够实现氨氮的最短途径 转换，这就意味着生物脱氮过程中能源与资源消耗量的最小化完全可能。与传统脱氮 工艺相比较，由厌氧氨氧化与亚硝化工艺相结合的单的完全自养转换方式是- - ；f e e 最可 持续的污水脱氮途径。 1 4 s b r 技术的发展与应用 序批式活性污泥法( s e q u e n c i n g b a t c ha c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s ) 是污水生物处理 法中的一种3 1 。在序批式反应器( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，简称s b r ) 中，生化反 西安建筑科技大学硕士学位论文 应和泥水分离在同一反应器中进行。所谓序列问歇式有两种含义【6 】：一是运行操作在 空间上是按序列、间歇的方式进行的；二是每个s b r 反应器的运行操作在时间上是 按次序排列间歇运行的。在最早发明活性污泥法时就采用这种运行方式，由于当时受 到自动化控制水平的制约而未能得到推广应用。近年来，随着工业和自动化控制技术 的飞速发展，为s b r 的应用提供了非常有利的条件。 s b r 工艺的操作过程分为五个阶段：进水期、反应期、沉淀期、排水期和闲置期。 s b r 是种理想的时问序列推流式反应器装置。一方面，对于单个运行过程而言， s b r 在停止进水后，开始进行生化反应。虽然整个反应器内是完全混合的，但存在一 种污染物的浓度梯度，即f m 梯度( 这种梯度是按时间序列变化的) 。另一方面，对 于整个处理系统而言，由于任何两个连续周期的进水互不相混，因而是一种严格的推 流式运行。这种特性使得s b r 工艺具有良好的抗冲击负荷能力和防止污泥膨胀的性 能。s b r 工艺的主要性能特点如下【6 l ： l 、工艺流程简单、造价低； 2 、良好的处理效果； 3 、具有较高的脱氮除磷效果； 4 、良好的污泥沉降性能； 5 、对进水水质水量的波动具有较好的适应性。 从2 0 世纪7 0 年代开始，在美国对s b r 工艺进行了系统的研究，并与1 9 8 0 年在 美国国家环保局( u s e p a ) 的资助下，在印第安纳州的c u b e r 城改建并投产了世界上 第一个s b r 法污水处理厂。此后，日本、德国、澳大利亚和法国等都对s b r 工艺进 行了应用研究。我国是近2 0 年才开始对s b r 污水生物处理工艺进行研究的。1 9 8 5 年， 上海市政设计院为上海吴淞肉联厂设计投产了我国第一座s b r 污水处理站，设计水 量为2 4 0 0 v d 。经几年的实际运行实践表明了良好的处理效果。湘潭大学、清华大学、 同济大学等单位也相继对s b r 的运行及工艺特性进行了系统的研究。 目前，开发的新型s b r 工艺有d a t - l a t 工艺、i c e a si 艺、c a s s 工艺、u n i t a n k 工艺、m s b r 等。 对于脱氮除磷而言，s b r 系统采用限制曝气或半限制曝气运行方式可以在时间序 列上实现厌氧缺氧好氧的组合并控制每个部分的时间，就能得到较好的脱氮除磷 效果。s b r 工艺可以在进水阶段通过搅拌维持厌氧条件以促进聚磷菌的释磷；也可以 在缺氧条件下方便地投加原污水( 或甲醇) 或提高污泥浓度等方式以提供有机碳源作 为电子供体使反硝化过程加快完成；还可以在好氧条件下增大曝气量、反应时间和污 塑茎壅堑型堡奎兰堡圭耋堡丝圣 泥龄来强化硝化反应及聚磷菌过量摄磷过程的顺利进行。而且由于不需要污泥回流和 混合液回流，降低了运行费用。 s b r 脱氮除磷系统的运行序列如图卜1 3 所示。 进水隧夏二二二二二二二二二二二二二二二 厌氧磁琵弦琵琵琵 二二二二二二二二二二二 缺氧 二二二二二磁缓滋豇二二二二二二二 好氧 二二二二二二二二盈缓弦缓缓缓匝 静沉 二二二二二二二二二二二二二二磁珏 出水 二二二二二二二二二二二二二二二弼 图卜1 3 s b r 脱氮除磷系统的运行序列 对于按照图卜1 3 所示的s b r 脱氮除磷系统而言，其工艺的存在的主要问题如下 出水含有硝酸盐，带入下一周期会影响厌氧释磷作用： 体积交换比为0 5 的s b r ，反硝化脱氮效率最高也只能达到5 0 ： 聚磷菌和反硝化菌对碳源进行竞争，不利于反硝化的进行。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 课题的研究目的、技术路线及研究意义 2 1 课题的研究目的 本课题研究的目的如下： 1 在不同运行方式条件下，解决生物脱氮除磷的矛盾及其对碳源的竞争； 2 研究城市污水的反硝化除磷工艺的特性，确定并优化运行参数，给实际处 理工艺提供指导。 2 2 课题的技术路线 本课题研究的技术路线如图2 - 1 所示。 城市污水 2 3 课题的研究意义 图2 - 1 课题技术路线图 本研究是国家自然科学基金重点课题西部干旱缺水地区水资源再生利用研究 ( 5 0 1 3 8 0 2 ) 的部分，旨在高效、低耗的前提下，把脱氮除磷的传统技术和现代技 术优化组合，形成一个针对城市污水的具有脱氮除磷功能的生物反应器。研究该反应 器对城市污水的脱氮除磷效果，确定并优化运行参数，为该系统应用于实践提供技术 和理论支持。该系统的应用将在节能降耗、提高出水水质等方面具有重大的现实意义 和广阔的应用前景。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1 试验装置 3 试验概况 本试验采用的实验装置是本课题组独立设计、制作的。整个装置主要由反应器、 搅拌器、加热装覆、曝气装置、自动控制系统和进、出水装置组成。试验装置图见图 3 一l 。 图3 - 1 试验装置图 本反应器为长方体型灰塑料容器，有效容积8 0 0 l ，内设温度监测仪、加热器和 搅拌器。反应器的时间序列由时间控制开关自动控制。反应器所使用的所有用电器由 时间控制开关自动控制。反应器的交换比为0 5 ( 即上一周期反应完的一半水量留在反 应器中) ，进水和出水时间均为固定值0 5 h 。本反应器的进水取自西安市污水处理厂 的初沉池出水( 在该厂初沉池出水分配井内设潜水泵，通过管路抽水至反应器) 。本 反应器的出水采用自吸泵抽水。本反应器采用限量曝气方式( 即进水完毕后再开始曝 气) ，由空气压缩泵连接微孔曝气头进行曝气。反应器内泥、水的混合由减速电机带 动搅拌桨完成。反应器的温度由温度控制仪和加热器联合控制。 西安建筑科技大学硕士学位论文 c o d c ，重铬酸钾法 p 0 4 3 - _ p铝锑抗分光光度法 n h 。+ n纳氏试荆光度法 n 0 2 n n 一( 1 一萘基) 一乙二胺光度法 n 0 3 一- n 紫外分光光度法 温度 温度控制仪 ph值phs，3c精密酸度计 m l s s 重量法 生物相 光学显微镜 d o 便携式溶解氧测定仪 o r p 便携式氧化还原电位测定仪 3 3 试验内容及方案 本次试验的内容是针对城市污水进行的生物脱氮除磷特性的试验研究。在本试验 采用的s b r 和改进型序批式反应器( m o d i f i e d s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，简称m s b r ) ( 改进s b r 的方式有改变运行方式、进水方式等) 中，遥过在不同的时间序列、运 行方式等条件下探求生物硝化反应和反硝化反应在接近实际运行条件下的反应规律、 运行参数以及环境因素对其的影响情况。 本部分试验在全程曝气方式、a 0 方式、多点进水和反硝化聚磷( a a o ) 等 方面进行试验研究。 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 城市污水的脱氮特性 废水中的氮一般以有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等四种形态存在。废水 生物脱氮的基本原理是在传统二级生物处理中将有机氮转化为氨氮的基础上，进行氨 氮的硝化作用和硝酸盐氮的反硝化作用。 4 1生物脱氮的机理分析 4 1 1 生物硝化反应 生物硝化反应是在好氧条件下，亚硝酸菌( 亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和 亚硝酸球菌属) 将氨氮氧化为亚硝酸盐的反应和硝酸菌( 硝酸杆菌、螺菌属和球菌属) 将亚硝酸盐氧化