（环境工程专业论文）交互式反应器处理南方城市污水的研究与应用.pdf

摘要 我国南方城市污水普遍具有低碳而氮磷浓度偏高的特点。针对这一特点， 同济大学开发了生化物化交互式反应器，本试验以武汉市汉阳地区生活污水进行 中试处理规模的试验研究，该反应器通过生物脱氮除磷，并辅以化学混凝，达到 对氮磷营养盐较好的去除效果。在试验过程中，研究反应器针对不同水温和进水 浓度，切换多种不同运行模式，并对各种模式进行比对和运行参数进行优化调整， 以达到提高处理效果的目的。 在研究过程中，中试规模反应器主要运行的模式有预缺氧+ a a o 倒置 a a o 两种模式。在预缺氧+ a a o 模式下。当进水水温低于1 8 ，平均进水 c o d t n 为5 4 4 、c o d t p 为4 5 6 、有机负荷0 1 5 k gc o d k gm l s s d 时，t n 的去除率约1 3 2 ，t p 的去除率8 9 5 ；当水温在1 8 , - - 2 2 ，平均进水c o d 厂r n 为4 6 4 、c o d t p 为4 6 ，有机负荷o 1 3 k gc o d k gm l s s d 时，t n 的去除率约 3 0 ，t p 的去除率4 0 ；当水温在2 2 以上，平均进水c o d 仃n 为4 3 6 、c o d ，r p 为4 7 3 ，有机负荷0 2 0 k gc o d k gm l s s d 时，t n 的去除率约3 7 8 ，t p 几乎 没有去除。中试反应器运行倒置a a o 模式时，进水按3 ：7 的比例分别进入缺 氧区和厌氧区，当控制好氧区d o 在o 5 1 0 m g l 运行低氧模式，平均进水 c o d t n 为3 5 6 、c o d t p 为3 6 2 ，有机负荷o 1 4 k gc o d k gm l s s d 时，t n 的去除率约6 2 4 ，t p 的去除率2 9 9 ，硝化产物中亚硝酸盐的累积率可以达到 6 0 以上。当水温在1 8 以下，平均进水c o d t n 为4 4 0 、c o d f r p 为2 8 4 6 ， 有机负荷0 2 5 k gc o d k gm l s s d 时，t n 的去除率约3 8 6 ，t p 的去除率5 6 。 根据中试交互式反应器的研究结论，在汉阳地区建设了设计规模1 0 0 0 0 m 3 d 交互式反应器示范工程。示范工程通过投加脱水干化的污泥后闷曝的方法快速启 动，在2 0 0 6 年3 5 月期间，示范工程运行稳定，出水达到城镇污水处理厂污 染物排放标准( b g l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中一级b 的出水要求。通过交互式反应工艺和 氧化沟工艺、传统a 2 o 工艺的对比，交互式反应工艺的吨水建设投资、占地面 积、能耗等指标上均具有明显的优势，因此，交互式反应器是一种集约化、高效 低耗的新型反应器，具有良好的推广前景。 关键词：城市污水，脱氮除磷，交互式反应器 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sc o l n f f l o nt h a tl o wc a r b o ns o u r c eb u th i g hn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa r et h e m a i nc h a r a c t e r so fw a s t e w a t e ri ns o u t hc h i n a a c c o r d i n gt ot h i st r a i t ，t o n g j i u n i v e r s i t yh a sd e v e l o p e di n t e r a c t i v er e a c t o ra n d ap i l o tp r o c e s so fi n t e r a c t i v er e a c t o r i ss t u d i e dt ot r e a tm u n i c i p a ls e w a g eo fh a n y 锄gd i s t r i c ti nw u h a nc i t y t h i sr e a c t o r u t i l i z eb i o l o g i c a ld e n i t r i d ea n dd e p h o s p h o r i z a t i o n , a i d ew i t hc h e m i c a lc o a g u l a t et o a c h i e v es a t i s f y i n ge f f e c to f r e m o v i n gn u t r i e n ts a l ts u c ha sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i n t h ep r o c e s so ft e s t ，d i f f e r e n tl e v e lo fw a t e rt e m p e r a t u r ea n di n f l u e n tc o n t e n t , a n d c o m b i n a t i o no fa l lk i n d so ft e c h n i c a lp r o c e s sa l es t u d i e dt oe v a l u a t ei n f l u e n c eo f o p e r a t i n gc o n d i t i o n s a n dd i f f e r e n tt e c h n i c a lp r o c e s s e sa l es w i t c h e da n do p e r a t i n g p a r a m e t e r sa l ea d j u s t e di no r d e rt oa c h i e v eo p t i m i z a t i o no f t r e a t m e n t i nt h ep r o c e s so fs t u d y , t e c h n i c a lp r o c e s s e sw h i c ht h ei m e r a c t i v er e a c t o rh a d o p e r a t e da r em a i n l yt h ef o l l o w i n gt w om o d e l s ：p r e - a n o x i a + a a oa n di n v e r t e da a o u n d e rt h em o d e lo fp r e - a n o x i a + a a o ，w h e ni n f l u e n tt e m p e r a t u r ei sb e l o w1 8 。 a v e r a g ec o d t no f i n f l u e mi s5 4 4 c o d t pi s4 5 6 、o r g a n i cl o a di so 1 5 k gc o d & g m l s s d ，r e m o v a lo ft ni sa b o u t1 3 2 ，r e m o v a lo ft pi sa b o u t8 9 5 ；w h e n i n f l u e n tt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n1 8 也2 ，a v e r a g ec o d t no fi n f l u e n ti s 4 6 4 ， c o d 厂i 甲i s4 6 、o r g a n i cl o a di so 1 3 k gc o d & gm l s s 也r e m o v a lo ft ni sa b o u t 3 0 ，r o n o v a lo ft pi sa b o u t4 0 ；w h e ni n f l u e n tt e m p e r a t u r ei sa b o v e2 2 c 。a v e r a g e c o d t no f i n f l u e n ti s4 3 6 c o d t pi s4 7 3 、o r g a n i cl o a di so 2 0 k gc o d k gm l s s d ，r e m o v a lo ft ni sa b o u t3 7 8 ，r e m o v a lo ft pi sf e w u n d e rt h em o d e lo f i n v e r t e da a o ，i n f l u e n c ep a r t l yg o e st ot h ea n o ) 【i aa r e aa n da n a e r o b i ca r e aa c c o r d i n g t ot h ep r o p o r t i o no f7 ：3 w h e nd oo fa e r o b i ca r e ai sc o n t r o l l e db e t w e e n0 5 - 1 0 m g l i nt h em o d e lo fl o w - o x y g e n ，a v e r a g ec o d 厂i no fi n f l u e u ti s3 5 6 ，c o d ，r pi s3 6 2 、 o r g a n i cl o a di so 1 4 k gc o d k gm l s s d ，r e m o v a lo f l ni sa b o u t6 2 4 ，r e m o v a lo f t pi sa b o u t2 9 9 a c c u m u l a t i o no fn i t r i f i c a t i o np r o d u c t - n i t r i t ec a na c h i e v ea b o v e 6 0 w h e nw a t e rt e m p e r a t u r ei sb e l o w1 8 ，a v e r a g ec o d t no fi n f l u e n ti s4 4 0 ， c o d 厂i pi s2 8 4 6 、o r g a n i cl o a di so 2 5 k gc o d k gm l s s d r e m o v a lo f l ni sa b o u t 3 8 6 r e m o v a lo f t pi sa b o u t5 6 b a s e do nt h er e s e a r c ho np i l o tp r o c e s so f i n t e r a c t i v er e a c t o r ，d e m o n s t r a t i o n p r o j e e to f i n t e r a c t i v er e a c t o rw h o s ed e s i g ns c a l ei s1 00 0 0m 3 dw a sc o n s t r u c t e di n h a n y a n gd i s t r i c t d e m o n s t r a t i o np r o j e c ti n i t i a t e df a s tt h r o u g hs t u f f m ga e r a t i o na f t e r n a b s t r a c t a d d i n gd r i e ds l u d g e d u r i n gt h ep e r i o do f m a r c h t om a yi n2 0 0 6 ，w a t e rq u a l i t yo f d e m o n s t r a t i o np r o j e c ti ss t a b l e ，t h eq u a l i t yo f e f f l u e n tc o n f i r mt oc l a s so n ebo f e f f l u e n ti nr e g u l a t i o no f d i s c h a r g es t a n d a r do f p o l l u t a n t sf o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) c o m p a r i n gi n t e r a c t i v er e a c t o rt oo x i d a t i o nd i t c h a n da 2 op r o c e s s ，t h ec o n s t r u c t i n gi n v e s tp e rt o nw a t e r 、c o n s t r u c t i o na r e aa n dr u n n i n g c o s to f i n t e r a c t i v er e a c t o rt a k eo b v i o u sa d v a n t a g e t h e r e f o r e ，i n t e r a c t i v er e a c t o ri sa n e w l yk i n do f r e a c t o rw h i c hi si n t e n s i f i c a t i o n , h i g l le f f i c i e n c ya n dl o wc o n s u m p t i o n , a sw e l l 嬲h a sab r i g h tp r o s p e c t k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls e w a g e ，i n t e r a c t i v er e a c t o r , d e n i t r i d ea n dd e p h o s p h o r i z a t i o n l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：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，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：秀略 | w 司年 月阳日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年，月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 躲糍 矿- 7 年3 月询e l 第一章绪论 第一章绪论 我国水资源的总量为2 8 万亿m 3 ，位居世界第四，但人均水量仅为世界水 量的1 4 ，属于贫水的国家之一，再加上水资源在不同地区的不同季节分布极不 均匀，以及主要河流、湖泊的水体污染，更加剧了我国的水资源危机。 2 0 0 5 年中国环境状况公报报道，国家环境监测网七大水系的4 1 1 个地表水 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 l 、3 2 和2 7 ，具体如图1 1 所示。其中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、 松花江水质较羞，海河污染严重。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰 酸盐指数和石油类。 图1 12 0 0 5 年七大水系水质类别比例分布 2 0 0 5 年，2 8 个重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的湖( 库) 2 个，占7 ； 类水质的湖( 库) 6 个，占2 1 ；i v 水质的湖( 库) 3 个，占1 1 ；v 类水质的 湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质湖( 库) 1 2 个，占4 3 ，见表1 1 。其中， 太湖、滇池和巢湖水质均为劣v 类。主要污染指标为总氮和总斛”。 表1 12 0 0 5 年重点湖库水质类别 监测统计的5 个城市内湖中，昆明湖( 北京) 和玄武湖( 南京) 为v 类水质， 西湖( 杭州) 、东湖( 武汉) 和大明湖( 济南) 为劣v 类水质，主要污染指标是 总氮和总磷；昆明湖和西湖处于轻度富营养状态，玄武湖、东湖和大明湖处于中 度富营养状态。 第一章绪论 大量的工业废水和生活污水未达到排放标准而排入水体是造成海洋、河流和 湖泊严重污染的重要原因之一。2 0 0 5 年，全国废水排放总量为5 2 4 5 亿吨( 其中， 工业废水排放量为2 4 3 1 亿吨，生活污水排放量为2 8 1 4 亿吨) ；化学需氧量排放 量为1 4 1 4 2 万吨( 其中，工业排放量为5 5 4 8 万吨，生活排放量为8 5 9 4 万吨) ； 氨氮排放量为1 4 9 8 万吨( 其中，工业排放量为5 2 5 万吨，生活排放量为9 7 3 万吨) ，均比2 0 0 4 年有所增加。与欧、美各国8 0 9 0 的污水处理率相比，我 国污水处理率较低，大量的污水未经处理直接排入江河，流域污染加剧。引起水 体富营养化的主要营养成分有：有机碳、氮、磷、钾、铁等。污水中的有机碳经 常规的二级生物处理后可明显减少；而氮、磷之外的其它成分在富营养化发生过 程中的需求量极低，不成为富营养化的限制因子。因此引起藻类大量繁殖的主要 因子是氮和磷【2 】。因此城市污水处理工艺必须从过去只考虑去除有机物和悬浮颗 粒为主要水质目标转化为有机物和氮磷营养盐的联合去除。工艺也朝着注重生化 处理、物化处理、生态处理相结合，同时开始加强智能传感与模糊控制方面研究， 注重污水再生利用等方向发展。 1 1 生物脱氦除磷原理及工艺 目前普遍认为，建造污水处理厂处理城市污水是解决城市水污染问题最重要 和最有效的技术措施。目前具有脱氮除磷功能的污水处理工艺正在逐步取代以去 除有机物为主的传统二级生物处理工艺成为主流。生物脱氮除磷工艺有很多种， 主要是根据微生物的生长条件和供氧方式的不同进行分类，但其最基本流程为通 过厌氧一好氧过程实现除磷、缺氧一好氧过程进行脱氮。 1 1 1 生物脱氮 1 1 1 1 生物脱氮原理 ( 1 ) 氨化作用( a m m o n i f i e a t i o n ) 微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放 线菌都能分解蛋白质及其含氮的衍生物，其中分解能力强并释放出n i - 1 3 微生物 称为氨化微生物。氨化作用无论在好氧还是厌氧，中性、酸性还是碱性环境中都 能进行，只是作用的微生物种类不同、作用的强弱不一【3 1 。由于氨化反应速度很 快，在一般的生物处理设备中均能完成，通常在生物脱氮工艺中不将其作为控制 步骤。 ( 2 ) 硝化作用( n i t n f i c a t i o n ) 2 第一章绪论 氨氮氧化成硝酸盐的硝化反应是由两组自氧型好氧微生物通过两个过程来 完成。在有氧的条件下，氨氮首先由亚硝酸菌( n i t r o s o m o n a s ) 氧化为亚硝酸盐，继 而亚硝酸盐再由硝酸菌( n i t r o b a c t e r ) 氧化为硝酸盐，这一过程称为硝化作用。噩 硝酸菌和硝酸菌的特征如表1 2 所示。 表1 2 亚硝酸菌和硝酸菌的特征 硝化过程的反应式如下 4 1 ： 5 5 n h ；+ 7 6 0 2 + 1 0 9 鹏必g h s 0 2 n + 5 4 n 0 ；+ 5 7 2 0 + 1 0 4 h 2 c 0 3 ( 1 1 ) 4 0 0 n o ；+ n h ；+ 4 h 2 c 0 3 + h c o ；+ 1 9 5 呸叠! 堕尊g 马q + 3 h 2 0 + 4 0 0 n o ；( i 2 ) 将式( 1 1 ) 和( 1 - 2 ) 合并，得总反应式为： n h 4 + 1 8 6 0 2 + 1 9 8 2 h c 0 ；塑些塑望 o 0 2 1 c 5 h 1 0 2 n + i 0 4 4 h 2 0 + 0 9 8 2 n o ；+ 1 8 8 1 h 2 c 0 3 ( 1 - 3 ) 式中c 5 h 7 0 2 n 为亚硝酸菌和硝酸菌的细胞组成分子式。 根据式( 1 1 ) 和( 1 - 2 ) 计算，亚硝酸菌和硝酸菌的产率分别为o 1 4 6 9 g n f h + - n 和0 0 2 9 gn o f - n 。由式( 1 3 ) 可知，每氧化1 9 n i m + - n 为n 0 3 - - n 需要消耗碱度 7 0 8 9 ( 以c a c 0 3 计) 。当式( 1 3 ) 中h c 0 3 的系数取2 时，则计算得出每氧化 l g n i - h + - s 为n 0 3 一- n 需要消耗碱度7 1 4 9 ( 以c a c 0 3 计) 。另外，由式( 1 1 ) 和1 - 2 ) 计算得知，氧化l 鲫i + - n 为n 0 2 _ n ，需要3 1 6 9 氧：氧化l g n 0 2 - - n 为n 0 3 - - n ， 需要1 1 l g 氧。转化i g n i 山+ - n 为n 0 3 - - n ，共需要氧4 2 7 9 。 如果不考虑硝化过程中硝化细菌的增殖，硝化过程的氧化反应式为： n h ；+ 1 5 0 2 业n o ；+ h 2 0 + 2 h + ( 1 - 4 ) n o ；+ 0 5 0 2 里n o ；0 - 5 ) 总反应式为： 第一章绪论 删+ 2 d 2 型：墼n o ；+ 2 h + + 日2 0 ( 1 - 6 ) 根据式( 1 - 6 ) 计算，氧化1 9 n h 4 + - n 为n 0 3 - - n ，共需要氧4 5 7 9 。 硝酸球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 等。硝酸菌有硝酸杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 和硝酸球菌属 化能自养菌，利用无机碳化合物如c 0 3 二、h c 0 3 。和c 0 2 作碳源，从n f h + 或n 0 2 一 的氧化反应中获得能量，合成细胞物质。在生理反应条件下，n i - h + 氧化为n 0 2 - 产生的能量为2 4 2 8 3 5 1 7 k j m o l ，所产生的能量亚硝酸菌可以利用5 。1 4 。 n 0 2 - 氧化为n 0 3 - 产能量为6 4 5 8 7 5 k j m o l ，硝酸菌的能量利用率为5 - 一1 0 。 由于硝化反应释能少，为了合成细胞物质，细菌不得不大量氧化氨，试验测得的 异化反应消耗的n 与同化合成的n 之比约为4 6 0 ：1 。正是由于这个原因，硝化菌 的增殖与其它细菌相比是非常缓慢的，需要较长的污泥龄嘲。 由于n h 4 + - n 氧化为n 0 2 - n 时产生的能量，大约为n 0 2 = - n 氧化为n 0 3 - n 时所产生能量的和5 倍。因此要想获得相同的能量，所氧化n 0 2 - - n 的量也必须 相当于氧化s m + - n 的和5 倍。所以，在稳态条件下，生物处理系统内不会产生 于l m g l ( 温度心0 ) ，所以硝化反应中的速度限制步骤是亚硝化菌将n i 山+ - n 氧 硝化作用下只是改变了氮在水中的存在形态，并没有降低水中总氮的含量， 仍未根本去除水中氮的含量，所以还需对n 0 3 一n 进行反硝化作用去除。在反 硝化细菌的代谢活动下n 0 3 一- n 有两条转化途径，即：同化反硝化( 合成) ，最终 产物为有机氮化合物，成为菌体的组成部分；异化反硝化( 分解) ，最终产物为气 用是在缺氧条件下，异养菌以硝酸盐为电子受体，以其它有机物( 碳源) 为电子 供体，使硝酸盐中的氮逐渐从正五价降到零价，形成气态氮( n 2 和n 2 0 ) 从废 一，挚刚q 斋删翁地饲舨龇 4 第一章绪论 n 0 2 - + 3 h ( 电子供体有机物) 一0 5 n 2 + h 2 0 + o h( 1 - 7 ) n 0 3 一+ 5 h ( 电子供体有机物) _ + 0 5 n 2 + h 2 0 + o h - ( 1 - 8 ) 由于2 【h 】+ 【o 】一h 2 0 ，由式( 1 - 7 ) 计算，l gn 0 2 - - n 转化为n 2 时，需要有机 物( 以b o d 表示) 1 7 1 9 。由式( 1 8 ) 计算，转化l g n 0 3 - n 为n 2 时，需要有机物( 以 b o d 表示) 2 8 6 9 。还原l g n 0 2 - - n 或n 0 3 - - n 均可产生3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计) ， 硝化过程中消耗的碱度有近5 0 可以得到回收。 参与这一反应的微生物是反硝化菌。反硝化菌属兼性菌，在自然环境中几乎 无处不在，在污水处理系统中许多常见的微生物都具有反硝化功能。如变形杆菌 ( p r o t e u s ) 、微球菌属( m i c r o c o c c u s ) ，假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、芽孢杆菌 属( b a c i l l u s ) 、产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 、黄杆菌属( f l a v o b a c t e r ) 等，它们都 是兼性细菌。有分子态溶解氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子氧作 为电子受体；无分子态氧情况下，反硝化菌利用硝酸盐和亚硝酸盐中的n ”和 套r 3 作为能量代谢中的电子受体( 被还原) ，0 2 作为受氢体生成h 2 0 和o h - 碱度， 有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定【”。 1 1 1 2 生物脱氮工艺 ( 1 ) 传统活性污泥法( 三级活性污泥法) 脱氮工艺【司 活性污泥法脱氮的传统工艺是由巴茨( b a r t h ) 开创的所谓三级活性污泥法 流程，它是以氨化、硝化和反硝化3 级反应过程为基础建立的。其工艺流程图示 之于图1 _ 3 。 原 旨 剩余污泥剩余污泥剩余污泥 注：虚线表示为可实施的另一方案，投加原污水作为碳源 图1 3 传统活性污泥法脱氮工艺( - - 级活性污泥法流程) 该系统的优点是有机物降解菌、硝化菌、反硝化菌分别在各自反应器内生长 增殖，环境条件适宜，而且污泥在各自的沉淀池回流、分离，反应速度快而且比 较彻底，但处理设备多，反硝化阶段需要外加碳源，该工艺一般应用不多。 除上述三级生物脱氮系统外，在实践中还使用两级生物脱氮系统即将b o d 第一章绪论 去除和硝化两道反应过程放在同一个反应器中进行，如图1 4 所示。 原 一 旨 剩余污泥 剩余污泥 注：虚线表示为可能实施的另一方案，沉淀池i 也可以考虑不设 图1 4 两级生物脱氮系统 ( 2 ) 缺氧一好氧活性污泥法脱氮工艺 即a n o 脱氮工艺，是在上世纪8 0 年代初开创的工艺流程，其主要特点是 将反硝化反应器放置在系统之首，故又称前置反硝化生物脱氮系统，是目前采用 比较广泛的一种脱氮工艺，流程图参见图1 5 。 硝化液回流( 内循环) r 。一一一一一一1 应屿1 回流污泥 剩余污泥 图1 5 缺氧一好氧( a o ) 活性污泥脱氮系统 该系统将硝化反应器内已进行充分反应的混合液的一部分回流至反硝化反 应器中，反硝化反应器中的脱氮菌以污水中的有机物作为碳源，以回流混合液中 的硝酸盐作为电子受体，将硝态氮还原为气态氮( n 2 ) ，不需外加碳源；反硝化 反应所产生的碱度可以补充硝化反应所消耗碱度的一半左右，因此对于含氮浓度 不高的废水( 如生活污水、城市污水) 可以不必另行投加碱度以调节p h 值；本 系统硝化曝气池在后，使反硝化残留的有机污染物得以进一步去除，提高了处理 水水质，而且无需增建后曝气池：由于流程比较简单，装置少，勿需外加碳源， 因此本工艺建设费用和运行费用较低。 本工艺的不足之处是该流程的出水来自硝化反应器，因此出水中含有一定浓 度的硝酸盐，如果沉淀池运行不当，在沉淀池内也会发生反硝化反应，使污泥上 浮，使处理水水质变差：此外欲提高脱氮率，必须加大内循环比，这样势必使运 行费用增高，而且内循环液来自曝气池，含有一定的溶解氧，使反硝化段难以保 6 第一章绪论 持理想的缺氧状态，影响反硝化进程，一般脱氮率很难达到9 0 1 s 。 1 1 1 - 3 生物脱氮的影响因素 生物脱氮包括硝化和反硝化两个过程，任何对硝化反应及反硝化反应造成影 响的因素都会影响最终的脱氮效果。 硝化反应的主要影响因素包括： ( 1 ) 温度 生物硝化反应可以在4 4 5 c 的温度范围内进行，亚硝酸菌最佳生长温度为 3 5 ，硝酸菌的最佳生长温度为3 5 4 2 。温度不但影响硝化菌的比增长速率。 而且影响硝化菌的活性。硝化菌的最大比增长速率与温度的关系遵从 a r r h e n i u s 方程，温度每升高1 0 ，陶增加一倍。在5 3 0 c 范围内，随着温度 升高，硝化反应速率也增加。超过3 0 时，硝化反应速率降低，这是因为超过 3 0 * ( 2 时蛋白质的变性降低了硝化菌的活性。当温度低于4 c 时，硝化菌的活动几 乎停止。对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于1 5 c 即发现硝 化速度急剧降低。低温对硝酸菌的抑制更为强烈，因此在低温条件下( 1 2 1 4 ) 常会出现亚硝酸盐的积累。 ( 2 ) 溶解氧 硝化反应必须在好氧条件下进行，溶解氧浓度也会影响硝化反应速率，一般 建议硝化反应中d o 2 m g l 。对于同时去除有机物和进行硝化反硝化的系统， 硝化菌在活性污泥中约占5 ，大部分硝化菌处于生物絮体内部。低泥龄条件下， 由于含碳有机物氧化速率的增加使耗氧速率也增加，因而减少了溶解氧对生物絮 体的穿透力，使硝化反应速率减小。相反，在长污泥龄条件下，由于耗氧速率较 低，即使溶解氧浓度较低，也可保证溶解氧对生物絮体的穿透力。从而维持较高 的硝化速率。因此，为了维持较高的硝化速率，污泥龄降低时应提高溶解氧浓度。 ( 3 ) p h 硝化反应中每氧化1 9 氨氮要消耗7 1 4 9 ( 以c a c 0 3 计) 碱度。城市污水碱度通 常满足要求，但工业废水或工业废水比重较大的城市污水碱度往往不足，在硝化 反应中如不补充碱度，就会使p h 急剧下降。硝化菌对p h 十分敏感，p i - 1 分别 在7 o 7 8 和7 7 8 1 时亚硝化菌和硝化菌的活性最强，p h 超出这个范围，活 性就大大减小。但在硝化反硝化的处理系统中，反硝化会补充一部分碱度。在 p h 7 o 8 0 范围内，p h 变化对活性污泥硝化速率的影响很小。 ( 4 ) c n 可生物降解含碳物质与含氮物质浓度之比，是影响生物硝化过程的重要因 素。有人认为，只有b o d 5 低于2 0 m g l 时硝化反应才能完成。一般认为处理系 ， 第一章绪论 统的b o d 负荷小于o 1 5 9 b o d s g m l s s d 时，处理系统的硝化反应才能正常进行。 反硝化的主要影响因素包括： ( 1 ) 温度 温度对反硝化速率的影响遵从a r r h e n i u s 方程，同时与反硝化反应器类型( 微 生物悬浮生长型与附着生长型) 及硝酸盐负荷有关。研究表明温度对生物流化床 反硝化的影响比生物转盘和悬浮活性污泥明显小得多。当温度从2 0 降到5 时，为了达到同样的反硝化效果，生物流化床的停留时间为2 0 运行条件下的 2 1 倍，而生物转盘和悬浮活性污泥系统分别为4 6 和4 3 倍。 ( 2 ) p h 反硝化过程的最适宜p h 为7 0 7 5 ，不适宜的p h 影响反硝化菌的增殖和 酶的活性。当p h 低于6 ，0 或高于8 0 时，反硝化反应受到强烈抑制。反硝化过 程中会产生碱度，这有助于把p h 控制在所需范围内。美国环保局推荐工程设计 中可以采用每还原l g n 0 3 - n 可产生3 o g 碱度( 以c a c 0 3 计) 。 ( 3 ) 溶解氧 溶解氧对反硝化过程有抑制作用，这主要是因为氧会与硝酸盐竞争电子供 体，同时分子态氧也会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性。对比实验结果表明， 当溶解氧为0 时硝酸盐的去除率为1 0 0 ，而当溶解氧为2 m g l 时，则无明显的 反硝化作用。一般认为活性污泥系统中溶解氧应保持在o 5 m g l 以下，才能使反 硝化反应正常进行。 ( 4 ) 碳源有机物 碳源物质不同，其反硝化速率也不同。甲醇是一种较为理想的碳源物质，2 5 时其反硝化速率为o 2 l 0 3 2 9 n 0 3 - - n g m l v s s d ，城市污水也含有充足的碳 源。 ( 5 ) c n 比 理论上将l g n 0 3 一- n 还原为n 2 需要2 8 6 9 碳源( 以b o d 5 计) 。一般认为当 反硝化反应区污水的b o d g t k n 值大于4 6 时可以认为碳源充足。在a n o 脱 氮工艺中c n 需求有时需要大于8 ，这是因为城市污水中成分复杂，常常只有一 部分快速生物降解的b o d 可以作为反硝化的碳源物质。 1 1 2 生物除磷 1 1 2 1 生物除磷原理 生物除磷的一个完整的生化代谢模型如图1 6 所示 9 1 。 第一章绪论 厌氧条件( 释磷)好氧( 缺氧) 条件( 吸磷) h a c 一乙酸( c o d ) ；g l y c o g e n 或g l y 一糖原；p o l yp 或p p 一多聚磷酸盐； p h b - - 聚1 3 一羟基丁酸盐；a r p 一三磷酸腺苷；n a d h 2 - - 烟酰胺腺嘌岭二核苷酸( 辅酶) 图1 6 生物除磷生化代谢模型 厌氧条件下，产酸菌分解蛋白质、脂肪、碳水化合物等大分子有机物为可快 速生物降解的基质。这时因废水中没有d o 和缺乏硝态氮，一般无聚磷能力的好 氧菌及反硝化细菌不能产生a t p ，故这类细菌不能摄取细胞外的有机物。但聚磷 菌( p o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i o no r g a n i s m s ，p a o s ) 却能分解细胞内的多聚磷酸盐 产生a t p ，利用a t p 以主动运输方式吸收产酸细菌提供的脂肪酸等可快速生物 降解基质，以p h a ( p o l y 1 3 h y d r o x y - a l k a n o a t e s ，聚1 3 羟基链烷酸) 的形式贮存于 细胞内，同时将分解多聚磷酸盐产生的磷酸排出体外，这时细胞内还会诱导产生 相当数量的聚磷酸盐激酶。p h a ，即p h b ( p o l y - b - h y d r o x y - b u t y r a t e ，聚1 3 羟基丁 酸) + p h v ( p o l y - b - h y d r o x y - v a l e r a t e ，聚b 羟基戊酸) ，以p h b 为主要成分。一旦 进入好氧环境，聚磷菌分解体内的p h b 和外源基质，产生质子驱动力( p r o t o n m o t i v ef o r c e ，简称p m 0 ，将体外的p 0 4 3 一输送到体内合成a t p 和核酸，将过剩 的p 0 4 3 一聚合成细胞贮存物：多聚磷酸盐。此外，好氧条件下，糖原也得到补充。 生物除磷就是利用具有聚磷能力的一类细菌，过量地、超出其生理需要地从 外部摄取磷，并将其以聚合形态贮存在体内，形成高含磷污泥而排出系统，以达 到污水除磷的效果。 由上述可知，污水中磷的生物去除主要通过两个途径：一是微生物细胞合 成中吸收部分磷；二是微生物以聚磷酸盐( p o l y p ) 的形式超量吸收( 1 u x u r yu p t a k e ) 磷。后者是生物强化除磷工艺( e n h a n c e db i o l o g i c a lp h o s p h a t er e m o v a lp r o c e s s , e b p r ) 的主要机理。生物强化除磷工艺可使出水磷浓度降到很低的水平【i i o 2 i 习， 现己广泛应用于城市污水处理的实践。 第一章绪论 1 1 2 2 生物除磷工艺 厌氧一好氧除磷工艺即a p o 工艺是生物强化除磷最常见的工艺，工艺流 程如图1 7 所示： 图1 7 厌氧一好氧除磷工艺流程( a p o 工艺) 本工艺流程简单，既不投药，也不需要内循环，因此建设费用及运行费用都 较低，厌氧反应器能够保持良好的厌氧状态；但是除磷效率难以进一步提高，因 为微生物对磷的过量吸收，也是有一定限度的，特别是当进水b o d 值不高或废 水中含磷量高时更是如此。 1 i 3 城市污水生物脱氦除磷工艺 氮、磷等营养物质进入水体会引发水体富营养化问题，因此在污水的生物处 理过程中，多数情况下要求既去除有机污染物质，又同时去除n 、p 营养物质。 在实际应用中，往往把氮磷的去除结合在一个工艺中加以考虑，由此组成的工艺 目前统称为生物去除营养物( b i o l o g i c a ln u t r i e n tr e m o v a l ，简称b n r ) 工艺。 首次将生物脱氮与生物除磷两种功能结合在一起的是1 9 7 8 年正式提出的5 阶段p h o r c d o x 工艺( 简称p h o r e d o x 工艺) ，又称为改良b a r d e n p h o 工型1 4 i ，如图 1 8 所示。 混合液回流 回流污泥 图1 8p h o r e d o x 生物脱氮除磷工艺 要i：，晰 含 一 翌篓塑 流一 回一 一 一 ； 第一章绪论 混合液回流 图1 9 a 2 ，o 生物脱氮除磷工艺 由于5 阶段p h o r e d o x 工艺的第二级缺氧池有可能造成微生物吸磷后再次释 磷，而这种释磷缺乏能量吸收，故不能在其后的好氧池中过量吸磷。将第二级缺 氧池和好氧池取消，即成为改良p h o r e d o x 工艺【1 5 】，亦即众所周知的a 2 o 工艺( 如 图1 9 所示) 。 在a 2 o 工艺中，污泥直接回流到厌氧区。由于二次沉淀池紧邻好氧区，故 回流污泥中含有一定n 0 3 一，特别是当进水c o d 与凯氏氮( t 1 0 0 的比值较小时， 则通过回流污泥进入厌氧池的n 0 3 一浓度会更高。e k e n m 等人对c o d t k n 的比 值对除磷过程的影响进行了研究发现，当c o d t k n 在虬1 4 之间时，采用a 2 o 工艺不能全部去除硝酸盐。n 0 3 - 进入厌氧区后，在厌氧区会发生反硝化作用， 反硝化菌将竞争聚磷菌所需的有机物而影响除磷效果。针对这一问题，南非的 c a p et o w n 大学进行了研究，开发了u c t ( u n i v e r s i t yo f c a p et o w n ) t 艺( 图1 1 0 ) 以及改良u c t 工艺( 图1 1 1 ) 。从图3 6 可知，u c t 工艺有两个内循环，内循环 i 将硝化液从好氧池回流至缺氧池，内循环i i 将缺氧池的混合液回流至厌氧池， 回流污泥不是直接进入厌氧池而是先进入缺氧池，这样避免了回流污泥中大量硝 酸盐对厌氧池的冲击。改良u c t 工艺是将缺氧池分为两部分，前一部分专为消 耗回流污泥中的硝酸盐而设，且不受内循环i 的硝化液的影响，把硝酸盐的不利 影响降到最低限度。 内循环i i il 、内循环i 峙 回流污泥( 含n 0 3 - )i 剩余污泥 内循环i i 图1 1 0u c t 生物脱氮除磷工艺 内循环i ( 台n 0 3 - ) 图i 1 1 改良u c t 生物脱氮除磷工艺 第一章绪论 与u c t 工艺类似的还有v i p ( v i r g i n i a i n i t i a t i v e p l a n t ) 工艺，如图1 1 2 所示。 v i p 工艺与u c t 工艺的差别在于池型构造和运行参数方面：v i p 工艺中厌氧、 缺氧和好氧三个反应器都是由至少两个串联的完全混合室组成。反应器采用分格 方式可以充分发挥聚磷菌的作用，与单个的完全混合式反应器相比，由一系列体 积较小的完全混合式反应格串联组成的反应器具有更高的除磷效果。其原理在于 有机物的浓度分布，提高了厌氧池的磷释放和好氧池的磷吸收速度。由于大部分 反硝化都发生在前几格，反应器分格也有助于缺氧池的完全反硝化。这样，缺氧 池最后一格的硝酸盐量就极少，基本上没有硝酸盐通过内循环i i 进入厌氧池。 v i p 工艺有机负荷比u c t 工艺高，而且可以采取比u c t 工艺短的泥龄。因此， v 口工艺反应器容积比u c t 工艺小。 内循环i i ll 、内循环i 心 缺氧池好氧池i 回流污泥( 舍n 0 3 、l 剩余污温 图1 1 2v i p 生物脱氮除磷工艺 由上可知，u c t 工艺、m u c t 工艺以及v m 工艺均能很好地解决a 2 o 工艺 中回流污泥硝酸盐对生物除磷的不利影响。但是这种改善需要增加一个混合液回 流，且厌氧池内的m l s s 亦受此回流比大小的影响。由此产生了一种替代工艺， 即j h b ( j o h a n n e s b u r g ) -