（环境工程专业论文）六箱一体化脱氮除磷工艺水力特性与污泥模型研究.pdf

摘要 六箱一体化脱氮除磷工艺水力特性及污泥模型研究 东南大学 硕士研究生：黄小红 导师：吕锡武教授 摘要 针对我国水体氦磷污染严重的现状，在江苏省科技厅的资助下，东南大学开发了一种新 型的城市污水脱氮除磷工艺，称为多点交替进水五箱一体化脱氮除磷工艺，本文简称六箱一 体化脱氮除磷= 艺。 通过对六箱一体化工艺水力特性与污泥模璎的研究，了解了该反应器的流态特征及其污 泥分布规律，并对系统进行了优化，通过这些研究得到了以下结论： 1 六箱一体化工艺单池是完全混合型，整体具有推流特性，是一种新型的复合反应器， 具有良好的水力流态。 2 总体上说人箱一体化内污泥浓度呈复合指数曲线变化。根据进水点的变化，在不同 一生 的运行阶段内有不同的形式，可以用通式s = + 占( f ) ) p o + ( c + d ( f ) k2 + e 表示。 3 在初始条件为：进水量2 5 l h ，回流比3 0 0 , 5 ，回流污泥浓度为1 0 0 0 0 m g l ，在模式一 ( 3 ，3 2 ) ( 表示两个主体阶段和过渡阶段的时间分别为3 h 、3 h 、2 h ) 、模式- ( 3 3 1 ) 、模式三 ( 2 2 2 ) 、模式四( 2 1 2 1 1 ) f ，根据模型模拟得出四种模式下周期内系统的平均污泥浓度大 小为：模式四 模式三 模式二 模式一；而周期时间是模式一 模式二 模式三 模式四。 即周期时间氏短与周期内系统的污泥浓度大小存在反比关系。 4 污泥浓度分布均匀性与运行模式有关。四种模式下平均污泥浓度最大值与最小值之 比分别是：1 2 1 8 、1 2 5 4 、1 2 2 7 、1 2 5 6 。污泥分布不均的大小为：模式四 模式- - 模式一 模式三。故采用模式一和模式三有利于改善污泥浓度分布的不均匀性。 5 在进水鼋为2 5 l h ，模式一运行条件下，回流比分别为2 0 、3 0 、4 0 的情况下， 系统平衡时的平均污泥浓度分别为1 6 2 8 m g ，i 2 4 4 2 m g ，l ，2 9 3 l m 虮。按照对污泥浓度大小和 节能角度考虑，可将回流比定位在3 0 4 0 。 6 水力停留时间对系统平均污泥浓度有较大的影响，水力停留时间与平均污泥浓度的 大小成正比，但是污泥浓度分布均匀性受水力停留时间影响较小。 综上所示，本文对反应器的水力特性和污泥浓度分布进行了研究，得出了反应器的特点 和影响污泥分布的因素，并提出了改善污泥分布不均得措施。因此本研究具有很好的理论意 义和实用价值。 关键诃：脱氮除磷，流态，污泥浓度分布，模型 h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s & s l u d g em o d e l so ft h ei n t e g r a t e d s i x - t a n k sf o rn 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 o u t h e a s tu n i v e r s i t y p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：h u a n gx i a o - h o n gs u p e r v i s o r ：p r o f l vx i w u a b s t r a c t c o n t r a p o s et h ew a t e rw i t hn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sp o l l u t i o ni no u rc o u n t r y , n e wm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ，n a m e l yi n t e g r a t e dc o m m u t a t i v em u l t i - i n f l e n tw a s t e r w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s sw i t hf i v et a n k sf o rn 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 dt h ei n t e g r a t e ds i x - t a n k sf o r n i t r o g e na n dp h o s 曲o r u sr e m o v a lf o rs h o r ti nt h i sp a p e r , w a sd e v e l o p e db ys o u t h e a s tu n i v e r s i t y w i t ht h ef i n a n c i a ls u p p o r tf r o md e p a r t m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f j i a n g s u t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds l u d g em o d e lo ft h ei n t e g r a t e ds i xt a n k sf o rn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lw e r es t u d l e di nt h i sp a p e r , d e d u c i n gt h a tf l o wp a t t e r n sa n dm l s sd i s t r i b u t i o n t r a i t so ft h er e a c t o r , o p t i m i z a t i o nf o rt h es y s t e mi nf u r t h e r b a s e do nt h er e a r c l lt h ec o n c l u s i o n s c a l lb ed r a w n ： 1 1 r h er e a c t o rh a dc o m p o s i t eh y d r a u l i c sw h i c hw a sc h a r a c t e r i z e db yc o n t i n u o u ss t i r r e dt a n k r e a c t o rf l o wp a t t e r ni ne a c ht a n kw h i l ep l u gf l o wp a t t e r na saw h o l e t h ei n t e g r a t e dp r o c e s s w a san e wc o m p o s i t e dr e a c t o rw h i c hh a d9 0 0 dh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c 2 t h ed i s t r i b u t i o no f m l s si nt h ei n t e g r a t e dp r o c e s sw a sc h a n g i n gi nt h ef o t i l lo f c o m p o s i t e m d e x c u r v ea st i m ew h i c hh a dd i f i e r e n tf o r ma sd i f i e r e n tp o i n to fj n f l u e n t t h eg e n e r a l f o r m u l a e x d r e 端e d a s f o i l o w ：s = s = ( 以+ 丑o ) ) b n + ( c + d o ) ) p d 门) + e 3 o nt h e c o n d i t i o no f f l o w o fj n f l u e n tw a s2 5 l s ，s l u d g er e t u r nr a t i ow a s3 0 呱t h e c o n c e n t r a t i o no f r e t u r ns l u d g ew a s1 0 0 0 0 m g 1 m o d eo o ew h i c hp h e st i m es e t t i n gw a s3 h 、 3 h 2 h 。e x p r e s s i n ga s3 3 2f o rs h o r t ，t h em o d e is i m u l a t e df o u rm o d e sw h i c hw e r e3 1 3 2 、 3 3 ，l 、2 2 陀、2 ，2 ，i r e s p e c t i v e l y , r e a c h e dt h ea v e r a g em l s si ns y s t e mi nc y c l e a s f o f l o w s ：m o d ef o u r m o d et h r e e m o d et w o m o d eo n e w h i l ep e r i o dt i m ew e r e ：m o d e o n e m o d et w o m o d et h r e e m o d ef o u l 4 t h ed i s t r u b i t i o no fm l s sc h a n g e da sf u n c t i o n i n em o d e t h er a t i oo fm a x i m u ma n d m i n i m u m o f a v e r a g e m l s s i n f o u r m o d e s w e r e ；1 2 l s 、1 2 5 4 、1 2 2 7 、1 2 5 6 m o d e o n e a n d m o d et h r e ec o u l di m p r o v e dt h ee q u a l i t yo f d i s t r i b u t i o no f m l s s 5 t h ei n i t i a lc o n d i t i o n 豳f l o wo f i n f l u e n tw a s2 5 l m m o d eo n e t h eb a l a n t ea v e r a g em l s si n s y s t e mw e r e1 6 2 8 m 鲫、2 4 4 2 m g n 、2 9 3 l m g l ，r e s p e c t i v e l y a ss l u d g er e t u r nr a t i ow e r e2 0 、 3 0 、4 0 r e s p e c t i v e l y s l u d g er e t u r nr a t i os h o u l dm o r et h a n3 0 b e c a u s eo f c o n c e n t r a t i o n o fs l u d g e ，m o r e o v e ri fs l u d g er e t u r nr a t i ow a si n c r e a s i n g ，t h ea v e r a g eo fm l s si n c r e a s e d l i u l eb e c a u s eo fs l u d g er e t l z r nc o n c e n t r a t i o nd e c l i n e d t h es l u d g er e t u r nr a t i oc o u l dg ot o 3 0 4 0 6 h r th a dag r e a te f f e c to nt h ea v e r a g em l s sw h i l eh a dt i t t l ee f f e c to ne q u a l i t yo f d i s t r i b u t i o no f c o n c e n t r a t i o no f s l u d g e i nas h o f tw o r d ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e d 出eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s s l u d j 饕d i s t r i b u t i o n t h er e s u l t sw h i c ha l ei m p o r t a n tb o t hi n t h e o r ya n da p p l i c a t i o nb e c a u s eo fe d u c i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c s o f r e a c t o r a n d m e a s u r e o f i m p r o v i n g e q u a l i t y o f s l u d g ed i s t r i b u t i o n g e y w o r d s ：n i t r o g e na n dp h o s p h o u sr e m o v a l ，f l o wp a t t e r n s ，m l s sd i s t d b u t i o n , m o d e l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 第一牵结论 1 1 研究背景 第一章绪论 截止到2 0 0 2 年。我国水资源总量2 8 万亿n l j ，居世界第六位，但人均占有量只有2 3 0 0 m 3 约为世界 人均水平的1 4 ，排在世界第1 2 1 位。是世界上1 3 个贫水国家之一i ij 。而水污染又使我国缺水状况“雪上 加霜”。水资源在全国分布存在很大差异，西北稀少，东南充沛但污染严重，水质性缺水较严重，而且污 染在地域上从南n - t l 覆盖范围很广，水污染己成为制约和困扰我国可持续发展的一大因素，治理被污染的 水环境和防止水资源污染，已成为我国当前迫切需要解决的问题“j 。 湖泊和水库由于特殊的封闭特征，大多处于城市中心地带，受到的污染更严重。湖泊环境的主要问题 是富营养化，顾宗濂把我国的湖泊富营养化分为天然富营养化和人为富营养化，前者过程要经历几千年或 更长时间才能完成而后者则主要是由于人类经济活动引起的氮、磷过量排入水体，使湖泊在儿年时间内 就会出现富营养化现象1 3 , 4 | 。国际上通常采用从影响湖泊富营养化的众多因子中选取叶绿素a ( c h l - a ) 、总 磷、总氮、透明度、高锰酸盐指数等五项指标作为湖泊富营养化评价的统一指标i ，j 。据全国水资源质量评 价，我国1 3 1 个大型湖泊中，富营养化的湖泊6 7 个。城市近郊水体富营养化度普遍偏商，另外，1 1 9 座水 库营养化程度评价表明，6 3 座水库为中营养化，1 3 座水库为富营养化。富营养化问题己成为我国湖泊的 主要环境和生态问题之一。据1 9 9 9 年中国水资源公报：太湖9 3 的湖区水质介丁类劣v 类之间， 主要超标项目为t p 、c o d 及c o d l o j 。 我国水污染严重的流域足中国人口最为密集，经济最为发达的区域，水体富营养化对生态系统、经济 发展和人体健康具有极大的危害。水体富营养化破坏了水体的自净能力，使水体丧失抵御干扰的能力，难 以成为一个自我维持的稳定系统，并会破坏水体的食物链结构，改变水! 植物的栖息环境，严正时会导致 一些物种的灭绝，水体自身的许多同有的生态与环境功能也会p 司富营养化而消，犬；富营养化引起的水体生 态系统变化、景观变化、水体霉臭等会带来很多麻烦，导致巨大的经济损失：根据世界银行和中国有关专 家的研究，水污染在中国造成的经济损失约占g d p 的i 4 6 2 8 4 7 1 ；水体富营养化对人体的最直接危 害是水质下降引起的健康威胁，某些藻类可能会含有难以去除的致病毒素。 我国水污染的核心问题是水体的氮、磷富萤养化，富营养化给人们的生括和生产带来了很大的危害； 为防治水体富营养化问题，我国城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 对城市二级污水 处理厂出水中n 、p 含量做了严格规定，在污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 ) 基础上首次提出了对 t n 的控制要求。另一方面，我国城市污水处理及污染防治技术政策规定，我国污水处理应坚持集中 与分散结合，对于排入封闭或半封闭水体的污水应进行脱氮除磷处理。 1 2 研究的目的及意义 水体富营养化的关键控制因素是对磷的排放控制，排放标准对总磷作了更为严格的规定。目前我国广 泛采用的污水脱氮除磷工艺很难达到如此严格的排放标准。例如氧化沟工艺、a 2 o 工艺，s b r 工艺等， 这些工艺虽然可有效去除c o d ，n h 3 n ，但实际应用中去除氲、磷的效率有限，出水总磷难以稳定在l m g l 以下，更不用说0 5 m g l ，湖泊和近海流域磷富营养化矛盾十分突出。 当前，我国的城市污水处理厂基本上都处于城市郊区，绝大部分的污水处理是通过管网收集，然后集 中到污水处理厂进行处理，这称为末端处理。末端治理的前提是实现污水的集中收集。对有条件铺设排污 管道，实现污水集中收集的城区污水而言。治理的关键和耗资最大的工程通常不是污水处理厂建设或污水 处理技术本身，而是铺设排污管道。实现清污分流和污水的集中收集。然而，由于大城市入口的加剧集中， 城市区的污水基础设施建堤远远跟不上人口增加和城市发展的要求，目前中国城乡结合部地带发展迅速， 新增城区的管网建设费用庞大，按照国家建设部的标准仅滇池、太湖、巢湖、鄱阳湖、洪泽湖和三峡库区， 即使不计算原老城区管网建设与改造，仅新增城区主干管管网建设费用将达到1 5 0 4 6 亿元，还不包括污水 处理厂建设费用和运行费埘【9 j 。同时随着城镇化进程的加快、人民生活水平的提高、旅游行业的发展和农 业生产方式的转变，我国产生了许多分散、相对独立、水量较小的污染源，这些污染源也难以纳入城市污 水管网。 此外，除了管网铺设上存在的不现实性之外，以排污管道将污水收集集中处理也有它的弊端。由于污 东南大学硕士学位论文 水管道的泄漏，加剧了土壤和地下水的污染，相反，地下水进入污水管道中也会导致处理水量的加大；第 二，将所有种类的的污水和雨水混合，造成处理废水的浓度及构成成分在时间上和地点上的巨大变动。 根据太湖流域污染物排放构成调查统计包括村镇生活污水、养殖废水等在内的污染产生的氨氮、总 磷和c o d 分别占流域内这三类污染物总量得5 7 、3 8 和1 6 。其中产生的前两类污染物量已远远超过 来自工业和城市生活的污水，上升为最大的污染来源【l o i 1 l l 。对滇池流域和其它流域的初步研究结果也获得 同样的结论【1 2 l 。 由此可见，我国防治水体富营养化面l 临两个主要问题：一是分散污水的集中处理在经济上和时空上存 在较大的障碍，二是现有的污水处理工艺在脱氮除磷方面存在缺陷，难以满足严格的排放要求。因此，建 设中小型的具有优良脱氮除磷性能的污水处理设施。把分散污水进行小规模收集并就地集中处理，将节约 投资，降低处理成本。对防治水体富营养化产生积极的影响的同时，也为城镇小区生态化、公用建筑污水 处理会用等提供了发展空间。 1 3 国内外研究状况 1 一体化处理方面 u n i t a n k 脱氯除磷工艺是s b r 法的变形和发展，u n i t a n k 主体是被间隔成三个矩形反戍池，池间水力相 通，每池均设有曝气系统，中间池始终作为曝气池，两侧边池交替作为曝气池和沉淀池，外侧的两池设有出水堰 及剩余污浞排放口。污水可以进入三池中任意一池，连续进水，周期交替j 薹行，通过对系统进行灵活的时间和空 间控制，可以实现有机物去除和脱氮除磷，但由于缺少专门的厌氧区，因此除磷效果不理想。国内，彭水兴等研 究了改良的u n l t a n k 工艺【1 3 1 ，即拟在u n l t a n k 池中间的一格分出一部分容积作厌氟池，从边池( 沉淀状态) 中 回流部分活性污泥至厌氧池，改善了u n l t a n k 的除磷效果。东南人学研究了三池年u 五池的一体化工艺，已经取 得了阶段性的成果。 2 实日寸控制技术方面 污水生物处理系统是一个很复杂的动态过程，仅仅依靠同定时问控制，很难获得理想的处理效果。随着实时 控制系统在其它领域的成功应用，越来越多的水处理i ：作者开始探索研究污水处理实日忡0 制策略。近年来实时控 制任美国、欧洲和日本的污永生物处理和生物化学处理中都有典型的成功应用。其中在污水生物处理实时控制研 究中普遍采用的控制参数为d o 、o r p 、p h 。 国内，彭永臻l , 4 1 等研究o r p 和d o 作为s b r 反应器有机物降解平早度的控制参数。实现了反应时间和曝气蹙 的模糊控制；同时还研究了不同碳源对反6 化过程中p h 和o r p 变化规律的影响，实现了通过p h 对碳源投加的 调控。 国外，j u - h y u nk i m a i t s 等利用o r p 和p h 和d o 作为控制参数成功的实现了对处理养猪废水的s b r 工艺的 实时控制，并取得了t o c 和n 的去除率分别为9 4 和9 6 的击除效果。j d j a n g 1 6 1 等利川b o d 生物传感器对 s b r 反应器进行实时控制，大大缩短了系统运行的周期时间，提高了去除b o d 和脱氮除磷的效率，周期时间为 原来的1 ，2 ，但是除磷率为原来的2 倍脱氮率增加了l 乃。 3 话性污泥模型的研刭“ 对于活性污泥模型的研究，早期的模型仅考虑了污水中有机物的去除，没有涉及脱氮除磷，而且这些 模型过于简单，不能对污水处理厂进行动态模拟。针对早期模型的不足，国际水质协会提出了能较为全面 反映反映废水生物处理过程机理的数学模型，相继于1 9 8 7 、1 9 9 5 、1 9 9 9 年推出了活性污泥l 号( a s m l ) 、 2 号( a s m 2 ) 、3 号( a s m 3 ) 模型。这些模型已成为国际上研究活性污泥模型的主导。 在欧美、日本等国，不少工程技术公司已广泛应用模拟技术研发新工艺，变“小试一中试一应用”为“小 试一模拟一应用”，带来了经济与时间的双重节省。 1 4 课题的提出 最初的一体化工艺是s b r 随后在其基础上开发了很多工艺。如s b r 及其改良工艺，一体化氧化沟， u n i t a n k 工艺等。一体化工艺由于其占地面积小，自动化程度高、无污泥和混合液回流。动力节省，有机 物处理效果好等特点而受到越来越多的关注，其中尤以u n i t a n k 为典型代表。然而，上述一体化工艺在运 行中部不同程度地存在一定问题，如容积利用率低脱氮除磷效果不理想、污泥浓度分布不均等。针对我国 城市污水的特点，结合一体化上艺的优缺点，东南大学开发了五箱一体化活性污泥除磷脱氮工艺。五箱一体 化 ：艺的运行原理与u n i t a n k 类似，具备了u n t a n k 的优点，但它增加了池子的格数，流态上更接近推 流式反应器，不同阶段的流程具有a 2 + 0 2 、a + 0 2 等上艺的特点，取得了更高的脱氮除磷效率。但是五箱一 2 第一章绪论 体化也存在着以下不足之处。 ( 1 ) 不能在一个较佳的水力条件下进行泥水分离，边池既作反应池，又作沉淀池，池容利用率不高的缺 点没有完全改善。 ( 2 ) 边池由沉淀转为厌氧需要一定的时间，这样需延长阶段反应时间，但相应的使上游反应池中污泥浓 度下降影响处理效果。 ( 3 ) 阶段三、六进水没有完整经历缺氧，厌氧，好氧，影响脱氮除磷效果。 针对上述问题，开展了多点交替进水五箱一体化脱氮除磷工艺的开发与研究，以下简称六箱一体化脱氮 除磷工艺。 3 第二章课题的理论基础 第二章课题的理论基础 六箱一体化工艺是在u n i t a n k 、五箱一体化脱氮除磷等一体化工艺的基础上发展起来 的，它是通过增加反应池的个数来强化工艺的脱氦除磷效果，其反应机理是建立在常规的脱 氦除磷理论基础上的。张超在对该装置的前期试验中发现了很多超出常规脱氮除磷反应的现 象，并指出该装置的氮、磷去除是以常规的硝化反硝化。厌氧释磷，好氧吸磷为主，同时也 发生了同时硝化反硝化、厌氧氨氧化，反硝化聚磷，内源反硝化等新型的脱氮除磷反应【1 8 】。 2 1 污水处理中对反应技术的研究 2 1 1 污水处理中对反应技术研究现状i ”i i ：z o i 在化工生产过程中，都有一个发生化学反应的生产核心部分，发生化学反应的容器称为 反应器。现在开发新的化工制造过程中，首先研究的是新：f ：艺中反应器的性能。反应器决 定了原材料所能提供的最大产率，而制造过程中的其它操作都是从属丁二这个生产核心部分。 可以说，反应器的设计是现在化工生产研究的主要问题 z h l 2 z 。同样，在污水处理的反应技 术研究中，反应器的设计也越来越重要，因为一个反应技术的开发取决于反应器形式的确定 以及确定这些形式的热力学和动力学的研究情况。在污水处理中，按反应器操作方式和流型 可将反应器类型分为四大类“目：间歇反应器( b r ) 、连续搅拌罐式反应器( c s t r ) 、活塞流反 应器( p f r ) 和阶式c s t r 。反应技术对反应器研究的目的是确定它的经济合理性，即效；罄，效 率越高，在实现同一反应时反戍器所需的容积就越小。根据反应器原理，前述四种反应器中， p f r 反应器的反应效率是最高的。因为b r 存在停i ：时间降低了它的之除效率i “i ；c s t r 由于 是完全混合流态，反应器内不存在浓度梯度，降低了反应速率；而阶式c s t r 只有在串联的 反应器数n 为无穷时它的反应器容积才能与p f r 一致。可见以反应器研究为基础的反应技术 研究对污水处理是很重要的。 污水处理中对反应技术研究的忽视是普遍存在的。过去污水处理的活性污泥曝气池是按 长条形的推流池子设计的，但是由于对反应器研究的忽视，使得按推流漉态概念设计的活性 污泥曝气池，由于曝气池中存在死角、短路流等现象，造成偏离理想流型，难以得到真正的 推流流态，导致按活塞流设计的池子与按完全混合流没计的池子容积相差不丈，从而失去了 推流式反应器在动力学上的优势。 在现有生物处理新技术中，注重了反应技术的研究，并对反应技术加以应用的有a b 法 污水处理技术和v i p _ t 艺等几种。它们在污水处理的高效性、稳定性和经济性上取得了良好 的效果。例如v i p 工艺，它与u c t i 艺相比，在流程上并没有太大改变，但是与u c t 工艺不 同的是其在厌氧池、缺氧池和好氧池内都有两个以上的反应格组成，在反应器类型上变为阶 式c s t r ，而t u c t 的c s t r ，这样反应器就形成整体为推流局部为完全混合流的复合流态。 v i pr 艺在反应技术的改进带来了很好的效果，使得其污泥龄l t u c t j ：艺短、负荷比u c t i 艺高，因而运行速率，除磷效率都比u c t t 艺商，而所需容积却比u c t t 艺小。因此在现代 污水生物处理在反应技术的研究是不能被忽略的，相反应该加以重视。 2 1 2 连续流反应器理论、类型及其特征嗍 随着水体富营养化的加剧，污染排放标准的日益严格，现在大多数污水厂均要考虑污水 的脱氮除磷，随着政策和市场的导向，研究和开发新氆污水脱氮除磷工艺一直是当前的研究 热点，并相继出现了各种具有脱氮除磷的j ：艺，例如各种氧化沟：i ：艺、s b r 及其改良工艺。 在常规的i ：艺中也不断推陈出新，从最初的a o ，i ：艺，通过不断改进和创新，相继出现了 a 2 o 、倒置a 2 o 、4 段b a r d e n p h o 、改良型的b a r d e n p h o j i ：艺( 即五段b a r d e n p h o ) 、u c t 、m u c t 、 东南大学硕士学位论文 a + a 2 ，o 等工艺。 除了上述几类生物脱氮除磷工艺外，还存在着其他一些工艺，如生物法和化学法相结合 的p h o s t r i p i 艺，生物转盘( 滤池) 等膜处理工艺，人工湿地处理工艺以及其他一些厌氧氮氧化、 同步硝化反硝化、短程反硝化等新型脱氮工艺，并都取得了一定的发展和应用。上述各类生 物脱氮除磷工艺主要是围绕着有要求功能的微生物及微生物间关联方面、污水基质、现代化 控制技术和工艺简洁化发展趋势相结合等方面展开的”1 。如u c t 及改进工艺、倒置a o t 艺 等是以解决微生物间关系为主的脱氮除磷工艺；氧化沟工艺系列、s 肌工艺系列是在一体化、 自动化发展趋势下形成的脱氮除磷工艺。总之，目前己发展的各种脱氮除磷工艺均有其一定 的优势和适用范围。但在现有的生物脱氮除磷工艺当中，往往较少考虑生物处理工艺与反应 器的优化相结合，只注重微生物学而忽略了系统的水力学特征，工程上所采_ 【 j 的反应构筑物 型式一般按经验取得，或用一系列的完全混合反应器替代以反映系统的水流特征这样不可 避免造成诸如抗冲击负荷能力差，容积利用率不高等问题。g r a d y 和l i m ( 1 9 8 0 ) “”强调，对生 物处理进程的理解掌握应包括两个方面：微生物学和反应器动力学。对处理： 艺来说，如果 反应技术不先进，即使工艺再好也达不到预期的效果，因此如何更好将生物处理工艺同合适 的反应器型式结合起来，优化反应技术，具有重要的理论意义和实际意义。 目前，对脱氮除磷工艺的研究大多都限于对工艺流程的改进、缓解脱氮除磷矛盾以及优 化硝化和反硝化过程等方面的治理技术和理论，而对反应池池型、水体的流态对处理效果的 影响及不同脱氮除磷工艺相结合的处理技术的研究等方面则较少见到系统的报道。如何选择 合适的水体流态及池型达到经济、合理的运行效果值得考虑反应器理论认为，反应技术取 决于反应器的形式及反应器中的流态“”。 对连续流反应器来说，可以按反应器的类型将其分为完全混合、完全推流、组合反应器 等等。 下面介绍三种反应器特点： 0 ) 0 co 一 一 c co (： q 一流量 co 一进料浓度 c 一反应器内物料浓度 ( 与出料浓度相等) ( 1 )完全混合反应器 理想连续流完全混合反应器如左图2 1 所示，物料进入反应器内迅速被水体稀释至 出水浓度。对反应器作物料衡算，得： 进入量一引出量一消耗餐= 积累量 该反应器的特点： 池型可以灵活采用，可以为圆形、方 形或矩形。当长宽比较大时，可考虑采t 【 多 点进水、增设搅拌器等方式满足水力条件； 进入反应池的污水能够迅速得到稀 释，故能耐冲击负荷，适应水质水量变化大 的城市污水及工业废水的处理要求； 能直接处理较高浓度的有机废水，无 需稀释，对曝气池来说，只需控制曝气时间； 反应器内的1 = 况能控制在均一条件 下，微生物的活性能够充分发挥，污泥负荷 率高，且池内需氧均匀能节省动力费用； 图2 1 完全混合反应器示意图 操作灵活，通过改变污泥负荷可使工作点处于污泥增妖曲线上所期望的某一点； 该种反应器具有最佳的抗冲击负荷的能力，但若达到相同的处理效果时，需要较长的 反应时间，亦即应选用较低的有机负荷作为设计参数； 当进水有机污染物浓度较低时，选用较低的有机负荷对池容的增加有限，故此时亦可 采用该种型式： 采用活性污泥法处理工业废水时，若同时采用中时曝气，需充分考虑设备型号配置的 灵活性，避免污泥膨胀现象的产生； ( 2 ) 完全推流反应器 连续推流反应器如图2 - 2 所示，物料进入反应器后浓度呈梯度变化，浓度不存在纵向上 的返混。对该反应器某一微元作物料衡算，在稳态情况f ，得： 6 第二章课题的理论基础 进入量= 流出量+ 消耗量 d v j h h 。d - 一 + i q趣 f _ - 一c + d c 目 q ：流量 co ：进料浓度 c 。：出料浓度 图2 2 完全推流反应器示意图 完全推流反应器的特征： 流型譬推流式，吸附阶段和反应阶段的微生物代谢是在一个统一的反应池中连续进 行，微生物所得到的营养及其生艮特性沿池长变化，处理效率高，系统简单； 完全推流反应器对反应池的长宽比有较高的要求在设计中跃宽比一般要大于5 ：1 ， 在工程实践中常可达至l j l 0 ：l 或者1 5 ：l 以上； 根据推流反应动力学模型可知，该种反应器具有展佳的处理效率： 若达到理想的推流状态，需要充分考虑曝气搅拌以及生物填料剪切水流作用而引起 的返流现象，因此需要较大长宽比，工程上会带来额外的投资费用： 采用于池中加设非承重导流隔墙的方法改造或设计推流反应器，可得到较大的长宽 比，同时可有效节约投资费用，但必须额外添加推流动力装置如液下搅拌器等，以免形成短 流、返流及死区； 在商浓度有机污水处理方面，较多的应用于多段生化处理工艺中的后段以保证处理 效果： 系统的抗冲击负荷能力较差，当进水的水质水量波动较大时，系统的正常运行容易 受到影响，因此中低浓度污水处理，对冲击负荷耐受要求不高、有机污染物去除率有较高要 求的场合是比较合适的应用范围； ( 3 ) 组合反应器 对污水处理而言，各种类型的反应器都有其独特的优势，但是也有自身的不足，因此污 水处理工程在设计上不应简单的采用单一反应器，而是应该优化反应技术，将各种反应器有 机的组合起来，共同发挥作用，配合先进的污水处理上艺，实现高效的处理效果。组合反应 器在工程上的应用很多。如a b 法中，有人将其中的b 段改成a 2 0 i 艺形成a 段+ r 0 i 艺，将完 全混合反应器与推流反应器组合起来；循环反应器氧化沟本身就是一种组合反应器，即局部 完全混合，短期推流运行，长期义是完全混合运行；将传统活性污泥法与氧化沟工艺相结合 也是脱氮除磷组合工艺的发展趋势之一。 东南大学环境工程开发出的六箱一体化工艺属于将传统a 2 0 i 艺进行优化组合的脱氮 除磷组合反应器。 2 2 交替进水一体化工艺污泥浓度分布 最初的交替一体化工艺主要有三沟式氧化沟、u n i t a n k 等形式，它们都是通过周期性 的进出水位置交替和水流换向流动，实现混合液和污泥的自动同流，一般不采取强制污泥和 混合液回流而达到一定的处理目的。由于其独特的运行方式，污泥混合液沿水流方向推流， 上述工艺均存在各池污泥分布很不均匀的弊端。 以三沟式交替系统运行方式为例，说明污泥分布不均的原因。 7 东南大学硕士学位论文 阶段一 进 蚺 丑珀 i 进承i 进水 e 正p e 正矸 阶段四阶段五 阶段六 图2 3 三沟式氧化沟进出水运行方式 图2 3 为典型的三沟式交替的运行方式，图中只标识了各阶段进出水位置，对各池所运 行的状态没标明。因为对于影响污泥分布不均与进水点有关，而与各池所处状态关系不大； 再者，根据处理的模式不同，各池的状态也会不同。一个周期分为六个阶段，一般以阶段一、 四为主体段，阶段二、五为过渡段，阶段三、六为沉淀段。在一个运行周期中，每个边池在 半个周期中不断流入混合液，只在主体段流出混合液；而中间池在两个主体段流入混合液， 但在整个周期都流出混合液。若干周期后，中沟污泥浓度明显会低于边沟，三沟污泥浓度比 例失调，造成处理效果下降。如表2 1 为两个污水处理厂的三沟式氧化沟污泥分布数2 9 1 1 3 0 1 耋! ：! 三塑塞塾! 塑至堡堡壅坌塑! 翌塑! 污水厂边池i中沟边池i i 氧化沟中污泥浓度偏高，尤其是边沟与中沟的比值更高。同时该厂氧化沟剩余污泥的排 出方式为中沟排泥，而中沟污泥浓度偏低，如按原设计的排泥时间排泥，则每日排泥量相对 较少，造成中沟与边沟污泥浓度比例失衡和氧化沟内整体污泥浓度偏商的状况。 设氧化沟进水量为q ，侧边沟污泥平均浓度为x 。，中间沟的污泥平均浓度为x 。根据 物料守恒定律。正常稳定运行时，侧边沟的污泥量应该守恒。 即：出泥量= 进泥量 q x ，t i = q x 。( f 4 + t 5 + k ) ( 2 1 ) 又因为t i + b + t 6 = t 佗 因此：墨：三 x 。2 ，l 式中q ：氧化沟进水量。m 3 h ： ) ( ：侧边沟主体阶段平均污泥浓度，g ，l ； x m ：中间沟平均污泥浓度，g l ； t l ：反硝化阶段时问，r a i n ； t ：运行周期，m i n ； 很明显t 2 t 1 ，即侧边沟平均污泥浓度低于中间沟平均污泥浓度。由此可见，三沟式氧化沟 污泥分稚由侧边沟进水时阃所决定。污泥浓度分布不均匀根本改善的办法是延长主体阶段的 时n i 3 ”。 杜英豪p 2 1 等人考查了三沟式氧化沟中备池污泥浓度的变化规律及其与溶解氧的关系。 结果发现，当边沟进水时其污泥浓度逐渐降低，而中沟的浓度相应增加，由此可知活性污泥 随水流进入了中沟。而当进水由边沟切换剑中沟时，原进水边沟的污泥浓度基本不变，中沟 的浓度又开始下降，污泥向沉淀的边沟迁移，最终大量污泥沉积在沉淀沟内。于是到下半个 周期开始。沉淀沟被切换作进水沟时，它与中沟的污泥即有了明显的浓度差，该浓度差推动 污泥做同样的迁移运动，循环往复。大量监测数据还表明，中、边沟的污泥浓度差越大，污 泥迁移现象越明显，迁移速度也越快。而且还发现随着该池污泥浓度的降低，该池中的d o 也升高，呈现较好的相关性。分析为由于供氧精是一定的。故耗氧餐的多少即决定了沟中溶 解氧浓度的高低。所以在同一沟内，由于污泥的迁移，污泥浓度有规律的变化必然导致溶解 氧也产生规律性的变化。 8 第二章课题的理论基础 由于三沟式氧化沟系统连续进水连续出水，中间池连续曝气，其容积利用率为1 0 0 ， 两个边池交替作为反应池和沉淀池，这样在一个运行周期内。实际上相当于一个边池完全起 着沉淀池的作用，进行泥水分离，同时由于排水之前还有一个静沉期，因此，边池的有效容 积不足5 0 ，实际应用三池容积相等，这样整个系统的有效容积与总容积之比小于6 6 7 。 假设三沟式氧化沟系统的运行周期为8 h ，每个边池废水的静沉时间为l h ，则每个边池的实 际反应时间为3 h ，其余5 h 处于排水或者静沉阶段，则系统的有效容积仅为5 8 3 ，即4 1 7 的池容处于未反应阶段。而传统的活性污泥法其容积利用率在7 0 以上1 3 3 】i 。因此在实际 中应对三沟式氧化沟的容积率加以考虑。如考虑到污泥分布不均对反应程度的影响，则实际 利用率更低。 为了提高三沟式氧化沟系统的有效容积，可以采用加大中间池的方法，例如，可以将边 池容积设计为中间池容积的一半，也可以增加反应器的分隔数，如增加为四箱、五箱，这样 变相的减小了边池在整个反应器中所占的比例，提高了系统的经济性。另外，由上面的分析 可知，通过减少边池的静沉时间，即缩短系统的过渡时间也可以提高系统的有效容积利用率。 如三沟式氧化沟系统的运行周期为8 h ，每个边池废水的停留为o 5 h ，则系统的有效容积为 6 2 5 ，比上述情况容积率增加了7 2 。 三沟式氧化沟工艺存在一些缺点，如：设备利用率低、三沟的污泥浓度相差大、容积利 用率低、除磷效率不高等。罗万申p 对三沟式氧化沟中的污泥浓度进行了考察，通过模型 的模拟得出了在该工艺中，污泥分布及其设备利用率情况与运行模式有关，并在此基础上对 三沟式氧化沟的设计和运行进行了优化。 五箱一体化脱氮除磷工艺是在三沟式氧化沟和u n l t a n k 工艺的基础上发展起来的。其 实质是一致的，即通过周期性的阶段转换和水流换向来达到污泥和混合液的自动回流，它只 是增加了反应器的格数，增强了系统的脱氮除磷性能，同时由上面的分析可知，其容积利用 率也提高了。但是三沟式氧化沟和u n i t a n k 上艺中存在的污泥分布不均、设备利用率低等 问题同样也存在于五箱一体化：f = 艺。荆肇乾p q 在前期的研究中，初步考察了五箱一体化工 艺中污泥浓度的分布情况，并建立了模型。但是关f 六箱一体化工艺的污泥浓度分布的研究 及其模砸建立还属丁二空白，六箱一体化是在五箱一体化的基础上，系统多点进水，增加了一 个专用于泥水分离的沉淀池，并增加了少量污泥回流，其污泥分布的特点及其变化规律对系 统脱氮除磷效果的影响很值得研究。 9 第三章试验装置与研究内容 3 1 试验设计 3 1 1 工艺介绍 第三章试验装置与研究内容 六箱一体化城市污水除磷脱氮工艺是在吸取众多污水除磷脱氮深度处理工艺成果的基 础上，并借鉴污水处理智能控制方面的研究成果，利用污水处理系统中的d o 、o r p 、d h 等参数进行信息反馈来优化除磷脱氮处理而提出的一种新工艺，周期运行，连续交替进、出 水，一体化设计。设置单独的沉淀池，有五个反应池( 箱) 。与普通脱氮除磷活性污泥法相 比，不设混合液回流设备，污泥少量回流。 该工艺的实施方法为：将一个长方形的池体分为六格( 也称为六池) ，其中一池是专门 用于泥水分离的沉淀池，按照二沉池进行设计：另外