（环境工程专业论文）双污泥结晶磷回收工艺神经网络模型研究.pdf

摘要 摘要 随着水体富营养化现象日益严重及矿产资源日渐贫乏，污水的脱氮除磷以及资源可持续 利用成为当前各大领域的研究重点。基于反硝化聚磷理论而开发的双污泥工艺因实现“碳 双用”，可有效减少工艺的需氧量、投加碳源量以及剩余污泥量等优点，对低c n 比的城市 污水脱氮除磷具有重要意义。本课题组设计的双污泥结晶磷回收工艺在脱氮除磷的基础上 可实现磷资源的有效回收，具有较高的应用价值。为促进双污泥结晶磷回收工艺的研究与 应用，本文利用实验数据及神经网络工具，以先建立各单元模型而后建立整个系统模型为思 路，建立组合工艺的模型系统，并利用模型对各单元进行出水预测与工艺优化。 ( 1 ) 以c a p 、盯、进水磷浓度作为输入向量，出水磷浓度和去除率为输出向量，建 立结晶磷回收反应器的b p 网络模型。研究表明，经过训练后的b p 模型表现出良好的预测 性能，预测误差基本维持在5 以内；模型优化结果表明含4 个隐层节点的三层b p 网络 可达到要求，模型训练步数以1 0 0 步为宜。模型分析表明，磷浓度较低的废水的磷回收效果 较差，预测效果也稍差。从工艺角度出发对于磷浓度较低废水的磷回收成本较大，故诱导结 晶工艺使用之前，形成富磷上清液十分必要。工艺优化表明：方解石诱导结晶磷回收反应器 最佳h r t 为1 0 - 1 2 m i n ；提高c a p 可以提高进水磷浓度较低的废水中磷的回收率，当进水 磷浓度高于2 5 m g l 时，c a p = 3 时效果最好，提高或降低均不利于磷的回收。 ( 2 ) 反硝化聚磷菌的释磷和聚磷过程b p 模型的最佳结构分别为6 5 2 和6 5 3 ，训练 次数以1 5 0 步为宜。模型对d p b 的厌氧释磷和缺氧聚磷过程的预测性能良好，聚磷模型精 度稍差于释磷，但两者预测值与实测值间的相对误差均处在1 0 以内。工艺优化结果表明， m s l l 的增加均有利于d p b 的厌氧释磷和缺氧聚磷：醋酸等小分子有机物更易被d p b 所利 用，产生较好的磷释放效果，其他几种的释磷效果分别为醋酸钠和葡萄糖 实际生活污水 葡萄糖；不同v f a 浓度下，释磷初始阶段磷的释放速率基本为定值，一定范围内v f a 浓度 的提高有利于提高释磷效果；释磷量大的聚磷潜力明显较大；n 0 3 n 浓度越高越有利于聚 磷过程的进行，但受d p b 体内碳源的影响较大。 ( 3 ) 双污泥结晶磷回收工艺b p 网络模型( 结构5 5 _ 4 ) 可以实现对工艺各单元以及 整体工艺的实时监测和预测。但所建立的模型的预测精度有限，对出水指标的预测稍差；对 总氮的预测较好，氨氮次之，两者相对误差基本稳定在2 0 以内；模型对c o d 和t p 的 预测性能相对较差。 b p 模型对双污泥结晶磷回收工艺的预测性能良好，但受到数据数量和质量以及模型本 身缺陷的影响仍表现出预测精度不足的缺陷，建议综合数学模型和神经网络模型各自的优点， 进一步建立系统的混合模型以实现对系统的更精确预测。 关键词：反硝化除磷；双污泥；结晶；b p 神经网络 a b s t r a c 丁 a b s r a c t a sw a t e re u t r o p h i c a t i o na n dm i n e r a lr e s o u r c e ss c a r c i t yi n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lf r o ms e w a g e 鲢w e l l2 l st h es u s t a i n a b l eu s eo fr e s o u r c e sh a sb e c o m eah o t f i e l d ac r y s t a lp h o s p h o r u sr e c o v e r ya n dt w o s l u d g es y s t e mw a sd e v e l o p e df o rb o t hn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a la n dp h o s p h o r u sr e c o v e r y i no r d e rt op r o m o t er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n , n e u r a ln e t w o r km o d e l sw e r eb u i l ta c c o r d i n gt ot h ed a t ao fe x p e r i m e n t s t h eu n i tm o d e lw e r eb u i l t f i r s t l ya n dt h e nt h ew h o l es y s t e mm o d e l ，p r e d i c t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h es y s t e mw a sd o n eb y t h em o d e l s ( 1 ) c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s sb pn e t w o r km o d e lw a sb u i l ta st h ei n p u tv e c t o rc o n t a i n sc a p , h r ta n d p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n t , t h e o u t p u t v e c t o rc o n t a i n s p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o no fe f f l u e n ta n dr e m o v a le f f i c i e n c y a f t e rt r a i n i n g , t h eb pm o d e lt e s t ss h o w e dag o o d f i t t i n gp e r f o r m a n c e t h ee r r o ro fp r e d i c t i o nw i t h i n 士5 t h eo p t i m a ln e u r o nn u m b e r sa n dt r a i n i n g s t e p sw a s4a n d10 0r e s p e c t i v e l y m o d e la n a l y s i ss h o w e dt h a tt h er e c y c l i n ge f f i c i e n c yw a sp o o r f o rw a s t e w a t e rw i t hl o wp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o n a n dt h ep r e d i c t i o np e r f o r m a n c ew a sa l s op o o r s oi tw a sn e c e s s a r yt oi n c r e a s i n gt h ec o n c e n t r a t i o na sa n a e r o b i cp h o s p h o r u sr e l e a s i n g t h e o p t i m a lh r ti s1 0 1 2 m i n l i f t i n gc a po fi n f l u e n tc a ne n h a n c et h er e c o v e r yr a t ef r o mw a s t e w a t e rw i t hl o w e rp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o n t h eo p t i m a lc a pw a s3w h e np h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o no fi n f l u e n tw a sa b o v e2 5 m g l ( 2 ) t h eo p t i m a l b pn e t w o r km o d e l s s t r u c t u r eo fd p bp h o s p h o r u sr e l e a s i n ga n d a c c u m u l a t i n gw a s6 - 5 - 2a n d6 - 5 3r e s p e c t i v e l y t w om o d e l ss h o w e dag o o dp e r f o r m a n c ea t p r e d i c t i o n ，b o t hr e l a t i v ee r r o r sw a si nt h es c o p eo f 士l o p r o c e s so p t i m i z a t i o ns h o w e d ：t h eo r d e r o fp h o s p h o r u sr e l e a s i n ge f f e c tw a sc h 4 c o o n a c h 4 c o o n a + c 6 h 1 2 0 6 s e w a g e c 6 h 1 2 0 6 ；t h e h i g h e rv f ac o n c e n t r a t i o nw a sb e n e f i c i a lt op h o s p h o r u sr e l e a s i n g ；t h e nt h eh i i g h e rp h o s p h o r u s r e l e a s ec a p a c i t ya n dn 0 3 - nc o n c e n t r a t i o nw a s9 0 0 df o rp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n g ( 3 ) t h eb pn e u r a lm o d e l so fc r y s t a lp h o s p h o r u sr e c o v e r ya n dt w o - s l u d g es y s t e m ( o p t i m a l s t r u c t u r ei s5 5 - 4f o re v e r yu n i t ) s h o w e dag o o dp e r f o r m a n c ei nr e a l t i m em o n i t o r i n ga n d p r e d i c t i o nf o re v e r yu n i ta n dt h ew h o l ep r o c e s s t h ep r e d i c t i o na c c u r a c yo f1 na n dn h 4 十- nw a s b e t t e rt h a nc o da n dt p e v e nt h em o d e l ss h o w e dag o o dp r e d i c t i o np e r f o r m a n c e ，t h eh y b r i dm o d e lw h i c hc o m b i n e d t h en e u r a ln e t w o r k sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sw a ss u g g e s t e df o ri m p r o v i n gp r e d i c t i o na c c u r a c y k e yw o r d s ：d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ，t w o s l u d g e ，c r y s t a l l i z a t i o n ，b pn e u r a ln e t w o r k 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：j 婺址日期：二堑灶 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( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：叠乞疋。导师签名： 型越嘲珥剑 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着各项技术的发展和人类活动需求的日益增加，环境资源遭到不断侵占和破坏。水资 源紧缺与污染已成为世界上许多国家和地区共同关心的环境焦点，其中水体富营养化问题又 成为当前水资源保护的关注重点之一。 水体富营养化指由于某些自然因素或人为因素将大量富含营养物质( n 、p ) 通过点源 或面源污染排放进入水体，使受纳水体的氮、磷营养过剩，造成藻类等水生植物过量生长， 使淡水发生“水华”，使海水发生“赤潮”的现象【l 】。水体富营养化使得水体的使用功能( 饮 用、交通等) 、美学效果( 风景) 和养殖功能都大幅下降甚至消失，严重时富营养化引起的 藻毒素等物质还会对人类健康直接造成损割2 1 ，根据对我国1 3 0 余个湖泊的调查资料显示， 高营养化湖泊占调查总数的4 3 1 ，中营养化湖泊占调查总数的4 5 6 i 引，对氮、磷点源和 面源污染的控制成为关键。作为重点集中点源污染的城市污水厂，限制其出水中的氮、磷营 养元素的排放成为有效手段之一，由此除磷脱氮已成为对城市污水厂的必然要求。在现有化 学加药法和生物强化法两种主要除磷脱氮技术中，生物法由于运行费用少、管理方便、对环 境副作用小而受到青睐。传统生物除磷脱氮理论和实践都是利用不同的微生物种群( 聚磷菌、 硝化菌等) ，污水以不同的空间或时间顺序经过不同的反应器( 区) ，并通过各反应器( 区) 中的优势菌种去除不同的营养物质( n 、p 、c o d ) 。针对城市污水处理厂( 尤其是南方城市 污水处理厂) c o d 浓度往往较低( 1 5 0 - 4 0 0 m g l ) 、c n 较低、而氮磷浓度相对较高的现状， 集聚磷菌、硝化菌、反硝化菌等多种微生物于一体的传统除磷脱氮工艺中的内部微生物之间 的基质竞争、泥龄的矛盾和相互干扰等局限，使出水很难实现达标排放，而通过增加辅助方 法来强化则会增加基建、运行费用和管理难度1 2 j 。 反硝化除磷理论的提出，为有效解决传统脱氮除磷工艺中存在的矛盾和问题提供了新方 法。反硝化除磷( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v a l ) 指在厌氧缺氧( a n a e r o b i c a n o x i c ) 交 替运行的条件下，驯化出能以n 0 3 - n 作为最终电子受体的优势菌属，即反硝化聚磷菌 ( d e n i t r i f y i n g p h o s p h a t e r e m o v a l b a c t e r i a ，缩写d p b ) 。这类菌群能以n 0 3 - n 作为电子受体， 利用厌氧段胞内合成的聚羟基脂肪酸酯( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e ，简称p h a ) ，通过“一碳两 用”的方式同时完成反硝化和吸磷过程。显然，反硝化除磷机理打破了传统脱氮除磷机理中 脱氮除磷必须分别由专性的反硝化菌和专性的聚磷菌独立完成的观点，使得除磷和脱氮过程 能够通过同一类微生物的生理活动而实现，这对于生物脱氮除磷机理是一个重大的贡献，为 生物脱氮除磷工艺的发展开辟了新方向。该工艺中，n 0 3 。- n 已不再是除磷工艺的不利因素， 而以其作为d p b 最终电子受体进行反硝化吸磷，与传统的脱氮除磷工艺相比不仅可节省5 0 的c o d 消耗量，曝气量降低了3 0 ，污泥产量也可望减少5 0 ，因此，反硝化除磷工艺被 视为一种可持续污水处理新工艺l 制。 正如在活性污泥工艺发展的初始阶段，其理论非常简单，活性污泥工艺所能遵循的设计 标准很少，主要采用经验或半经验的方法。同样对一个新的水处理过程的研究和开发，在其 内部机理不十分清楚时，盲目的进行中试和应用极大的增加了工作量和工作难度，也造成实 验资源的浪费。般情况下，实验室模拟实验同样可以获得大量的精确数据，而无需计算理 论。在存在大量的实验数据和经验的条件下，为了使实验室数据对实践产生指导作用和进一 步研究的进行，工艺模型的初步建立成为首选。活性污泥工艺模型能够通过一定的方法来模 l 东南大学硕士学位论文 拟活性污泥工艺中复杂的反应过程，可以提高污水处理系统的设计效率，降低系统的运行和 管理成本1 5 1 。 活性污泥法污水处理过程是一个强耦合的多输入多输出动态系统，具有高度非线性、时 变、不确定性和时滞等特点，过程建模相当困难1 6 1 。目前水处理工艺中的建模研究多以数学 方法为主。在数学模型中，因变量与自变量之间往往呈现出复杂的非线性关系，寻求模型的 合适数学关系式本已不易。而建立的简单数学模型也只能在特定工艺、水质条件下体现它们 之间的关系，不能完全涵盖全部范围，因此往往数学建模得到的模型相关性较差【7 】o 如目前 较为广泛应用的a s m 系列模型等则因所涉及的反应过程和参数过多，许多参数缺乏成熟的 测定方法，使得模型的实际应用存在很大难度1 5 】。作为一个广义的函数逼近器，人工神经网 络模型可以通过合理的设计无限制的逼近任何非线性系统。另外，其所具有的自组织和自适 应的能力，决定了它适于处理在已知条件和结果之间无明确关系的数据，并能够在条件与结 果之间建立一定的关系，类似于人脑思维过程，因此，对于用传统的数学方法比较难建立模 型的污水生物处理领域的多变量、非线性系统，人工神经元网络模型得到广泛关注。本文将 根据实验数据，利用神经网络模型对双污泥结晶磷回收工艺内结晶磷回收、d p b 的厌氧释 磷、缺氧聚磷过程以及整个系统的运行状况进行模拟，具有较好的理论和实用价值。 1 2 污水生物脱氮除磷工艺研究现状 随着工农业生产生活水平的提高，化肥、农药和含磷洗涤剂等用量的飞速增长，大量的 氮、磷等营养元素随排放的污水一起排入自然水体，严重破坏了自然系统营养元素的循环， 造成自然水体营养过剩，从而富营养化问题日趋严重。如我国的太湖、滇池以及渤海等河湖、 海洋水域的富营养污染问题业已日渐突出，甚至严重制约了当地的经济建设和社会发展。因 此，世界各国对污水的脱氮除磷技术进行了长期的研究，并已经取得较为显著的效果。尤其 近年来，随着脱氮除磷新技术的产生，新工艺的开发与应用逐渐提上日程。 1 2 1 生物脱氮除磷新技术 最新研究表明，污水中氮、磷的去除机理除传统途径之外，氨氮的去除还存在异养型硝 化、好氧反硝化、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化以及厌氧氨氧化现象【8 i ，而随着反硝化 除磷现象的发现，给同步生物除磷脱氮工艺的发展提供了更加广阔的发展空间。 ( 1 ) 同步硝化反硝化( s n d ) 传统生物脱氮处理工艺中，硝化和反硝化反应只能在不同的反应器内或同一反应器的 不同阶段进行。而研究发现，在上流式固定床【9 1 、生物接触氧化池【l o i 、s b r t 引l l l 等反应器 中，均同时存在硝化和反硝化现象。这种在同空间内产生硝化和反硝化的现象称为同步硝 化反硝化( s i m u l t a n e o u sn 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 ，简称s n d ) 。但相关机理目前存在物 理学和生物学两种分歧：物理学解释认为，s n d 是由于d o 扩散受到限制而造成在菌胶团和 生物膜内存在一定的d o 梯度，由外而内形成了好氧和缺氧的条件所致【i2 】；生物学则认为， 部分菌种以组团形式生长的存在状态和反硝化作用的自养硝化菌及起硝化作用的异养菌的 存在均对s n d 起作用l l 引。无论何种以机理存在，s n d 的发现都为省去硝化池或为其容积的 减少提供了可能，极大的减少能源的消耗。实践上，s n d 可通过微生物固定化培养、颗粒污 泥培养、新型反应器设计来实现好氧和兼性环境的共存，在一个反应器中达到良好的脱氮效 率。但由于实际运行过程复杂、污泥复合结构稳定，使得同步硝化反硝化运行脱氮效率不高 且不稳定l l 引，应用受到限制。 2 第一章绪论 ( 2 ) 短程硝化反硝化 在日常废水生物脱氮理论和工程实践中，一直认可全程( 或完全) 硝化反硝化脱氮理论， 即废水生物脱氮就必须使n h 3 n 经历典型的硝化反硝化过程才能被完全去除。实质上，硝 化过程的两步反应是由亚硝化菌和硝化菌分别独立完成的，这两类菌在生理特征上也有明显 的差别，是可以分开的。然而对于反硝化过程，无论是n 0 2 还是n 0 3 都可以做电子最终受氢 体。因而整个生物脱氮过程就可以省去由n 0 2 转化为n 0 3 的过程，直接从n i - h + 经n 0 2 到n 2 达到脱氮的目的。所谓短程生物脱氮就是将硝化过程控制在n 0 2 阶段而终止，随后反硝化菌 利用n 0 2 进行反硝化的过程。 传统生物脱氮之所以将氨氮完全氧化成硝酸盐后再进行反硝化，主要基于以下几方面原 因：如果硝化不完全，形成的亚硝酸盐产物h n 0 2 是“三致”物质，威胁到受纳水体和人 体安全；r r n 0 2 具有一定好氧性，影响出水c o d 和受纳水体的d o ：氨自然生物氧化过程 中，f 1 3 n h 4 + 转化n 0 2 。为所释放的能量是由n 0 2 转化为n 0 3 所需吸收能量的l 4 1 5 ，因而在 稳态下h n 0 2 很难有积累；亚硝酸菌和硝酸菌虽是两类独立的细茵，但在开放体系中这两 类菌普遍存在，彼此共生有利，因此难以单独存在；氨氧化为亚硝酸盐的速率较亚硝酸盐 氧化为硝酸盐的速率慢，在n i - h + - n - n 0 3 - - n 过程中，亚硝酸盐的形成是限速步骤，所以通常 硝化产物为硝酸盐，亚硝酸盐浓度很低。 为了减少亚硝酸盐的积累，许多研究人员进行了控制其积累的工艺条件的研究工作。随 着对亚硝酸化一反硝化缩短脱氮过程研究的的深入，表明这种工艺存在几大潜在优势：节 省2 5 的硝化曝气量：节省4 0 的反硝化碳源；减少5 0 的污泥生成量；缩短反应时 间，相应反应器容积减少。因此短程硝化一反硝化也成为污水生物脱氮的一个研究热点。 ( 3 ) 反硝化脱氮除磷 早在2 0 世纪8 0 年代中期，h a s c o e t 、c o m e a u 和g e r b e r 等都发现聚磷菌能够在缺氧环 境中以硝态氮作为电子受体进行吸磷的现象【1 5 , 1 6 | 。k u b a 等人在对u c t 工艺的研究中也发现 了一种“兼性厌氧反硝化除磷细菌”( d e n i t r i f y i n gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a ，简称d p b ) ， d p b 还能在缺氧即无0 2 而存在n 0 3 环境下完成摄磷过程【l n ，d p b 的发现为解决了常见的 脱氮除磷工艺中的反硝化菌和聚磷菌对碳源的竞争问题，达到了“一碳双用”的效果，并为 硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的泥龄的矛盾提供了解决方案。 反硝化除磷机理和传统a 0 法除磷机理极为相似。厌氧段，d p b 释磷过程和传统除磷 工艺中p a o s 基本是一致的：而在缺氧段，不同于p a o s 以0 2 作为电子受体，d p b 则以n 0 3 作为氧化胞内p h a 的电子受体，它利用降解厌氧段储存于体内的p h a 产生的能量a t p ，大 部分供给自身细胞的合成( 糖原的合成) 和维持生命活动，部分则用于过量摄取水中的无 机磷酸盐，并以p o l y p 的形式储存在细胞体内；同时n 0 3 被还原为n 2 。如此在厌氧缺氧交 替运行条件下，通过d p b 的新陈代谢作用即可同步实现反硝化和除磷效果f 1 8 】。尤其是在1 9 9 9 年，i a w q 专家组正式推出了活性污泥法动力学模型2 d ( a s m 2 d ) ，将反硝化除磷的内容 补充到生物除磷的数学模型中，生物除磷的模型体系自此得到了进一步完善【1 9 】，并且产生 了一批相应新工艺。 1 2 2 传统生物脱氮除磷工艺 传统的生物脱氮除磷工艺的设计均是利用不同的微生物，污水以不同的时间或空间顺序 经过不同的反应器( 区) ，通过不同优势菌种对污水中不同营养物质进行去除。常见的有a 2 ，o 和s b r 工艺均是基于这种传统的脱氮除磷理论而开发的同步脱氮除磷工艺，其他如u c t 、 c a s s 等工艺均是在前两者的改造。 ( 1 ) 厌氧缺氧好氧( a 2 0 ) 工艺 3 东南大学硕士学位论文 1 9 7 2 年，b a r n a r d 在厌氧好氧工艺的基础上首先提出同时实现脱氮除磷的p h o r e d o x 工 艺，它的简化流程就是a 2 o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) ，其流程如图1 1 所示。 废水首先进入厌氧区，在厌氧环境下兼性厌氧发酵菌将废水中的可生物降解的大分子有 机物转化为v f a 这类小分子的中间发酵产物；聚磷菌将其体内贮存的聚磷酸盐分解，同时 释放出能量供专性好氧聚磷微生物在厌氧的抑制环境中维持生存，剩余部分的能量则可供聚 磷菌从环境中吸收v f a 等易降解的有机基质，并以p h a 的形式在其体内加以贮存。随后， 废水进入缺氧区，反硝化菌利用好氧区内回流液中的硝酸盐以及废水中的有机基质进行反硝 化，达到同时除磷脱氮的效果。在好氧区中，聚磷菌在利用废水中残留的有机基质的同时， 主要通过分解其体内贮存的p h a 所释放的能量维持其生长，同时过量摄取环境中的溶解态 磷。好氧区中的有机物经厌氧、缺氧段分别被聚磷菌和反硝化菌利用后，浓度较低，有利于 自养硝化菌的生长，但这些微生物由于己受到厌氧和缺氧段的双重抑制，其在好氧区中得不 到足够的营养，也难以与其它微生物竞争。 该工艺工艺简单，能够同步脱氮除磷，停留时间较短，污泥不易膨胀，无需化学药剂， 运行费用低。然而，当系统达到一定处理效果后，a 2 o 工艺除磷量难于进一步提高，特别 是当进水p b o d 值偏高时更是如此；由于混合液回流比以两倍进水流量为限，不宣过大， 脱氦效率也难以进一步提高。 压氢世筮氢谴虹氢池沉淀池 图1 1a 2 o 工艺 f i g u r e1 1f l o wd i a g r a mo f a 2 o ( 2 ) s b r 工艺 序批式活性污泥法( 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 ) 是一种按间歇曝气方式来 运行的活性污泥污水处理技术。与传统污水处理工艺不同，s b r 技术采用时间分割的操作 方式替代空间分割的操作方式，在流态上以时间上的推流代替传统活性污泥法的空间上推流， 污染物质沿着时间的推移而得到降解。s b r 技术的核心是s b r 反应池，该池集均化、初沉、 生物降解、二沉池等功能于一池，无污泥回流系统。其具体的操作由进水、反应、沉淀、排 放、闲置五个工序进行如图1 2 。该工艺具有无需污泥回流、操作管理方便、易于实现自动 化等特点。 t t k t ：t ： ：，z l ：三二，：， 也岜 进水反应沉淀排放闲置 图1 - 2s b r 法操作工序示意图 f i g u r e1 - 2f l o wd i a g r a mo fs b r 4 第一章绪论 1 2 3 反硝化除磷工艺 与常规的脱氮除磷工艺相比，反硝化脱氮除磷过程中的n o r 已不再被单纯地视为除磷工 艺的抑制性因素，而作为最终电子受体进行反硝化聚磷反应，与传统的脱氮除磷工艺相比不 仅c o d 耗量可节省5 0 ，氧气耗量降低3 0 ，污泥产量也可望减少5 0 ，尤其是利用该理 论进行脱氮除磷将从根本上解决传统工艺中脱氦和除磷过程存在的矛盾与弊端，因此，反硝 化除磷脱氮工艺被视为一种可持续工艺l ls j 。 目前，根据反硝化除磷菌( d p b ) 对生存环境和基质的要求开发出的工艺有单、双污泥 两种系统。在单泥工艺中，d p b 、硝化细菌及非聚磷异养茵同时存在于悬浮增长的混合液中， 顺序经历厌氧缺氧好氧三种环境，最具代表性的是u c t 工艺和b c f s 工艺。双泥工艺中， 硝化细菌独立于d p b 而单独存在于某一反应器中，主要有d e p h a n o x 和a 2 n s b r 工艺。 ( 1 )u c t 工艺 u c t 工艺与a 2 o 工艺的区别在于沉淀池污泥不是回流到厌氧段，而是回流到缺氧段， 以防止硝态氮进入厌氧段，破坏厌氧段的厌氧状态而影响系统的除磷效率。增加从缺氧段到 厌氧段的混合液回流，以提高系统抗冲击负荷的能力。其具体流程如下： 出水 压氢池敛氢池妊氢地沉淀池 图1 3u c t 工艺流程图 f i g u r el - 3f l o wd i a g r a mo fu c tp r o c e s s o t g a a r d 等【1 9 】在对实际污水处理厂u c t 工艺运行状况的研究发现，有6 0 左右的c o d 在厌氧段以p h a 的形式被吸收，1 3 的c o d 以p h a 形式被消耗，在后续缺氧段同时伴随 有吸磷现象的发生。并由此推出，u c t 工艺中的缺氧段对强化生物吸磷具有重要贡献作用， 即约有3 0 左右的磷酸盐是在缺氧段中被去除的。从而，u c t 工艺可以视为在a 2 o 工艺 基础上的强化了反硝化除磷过程，使脱氦除磷效率得到提高。 ( 2 )b c f s 反硝化除磷脱氮工艺 为最大程度从工艺角度创造d p b 富集环境，荷兰d e l f t 技术大学k l u y v e r 生物技术实验 室研究开发出了b c f s ( b i o l o g i s c h c h e m i s c h e - f o s f a a t - s t i k s t o fv e r w i j d e d n g ) i 艺，其实b c f s 工艺是一种变型u c t 工艺【2 0 1 ，其工艺流程如图1 4 所示。 磷迓泣 图1 - 4b c f s 反硝化除磷工艺流程图 f i g u r e1 - 4f l o wd i a g r a mo fb c f sn i t r o g e na n dp h o s p h o r o u sr e m o v a lp r o c e s s 5 东南大学硕士学位论文 b c f s 工艺较原u c t 工艺增加了接触池和混合池。接触池介于u c t 工艺的厌氧和缺氧 池之间，回流污泥和来自厌氧池的混合液在池中充分混合以吸附剩余c o d ，且因接触池是 缺氧的，所以来自回流污泥中的硝酸盐氮能被迅速反硝化脱除，抑制丝状菌生长，有效地防 止污泥膨胀。增加的混合池介于u c t 工艺的缺氧池与好氧池之间，以形成低氧环境从而获 得同时硝化和反硝化，保证出水总氮的低浓度。混合池的增设除保证硝化和反硝化分别在好 氧池和混合池中以各自最大反应速率进行外，它还能保证污泥充分再生( 好氧池) 时不影响 硝酸盐氮的有效去除( 混合池) 。因为污泥的再生程度能通过调节好氧池的曝气强度控制， 保证低负荷时污泥( 磷细菌) 中p h a 与糖原的最低含量，这意味着可保持较好的磷酸盐去 除率。 与u c t 工艺相比，b c f s 工艺增加了两个内循环q 2 和q 3 ( 如图) 。该工艺中回流污 泥被直接引入了接触池，从而通过设置回流q 3 以辅助回流污泥向缺氧池补充硝酸盐氮，从 而缺氧池内主要发生反硝化除磷菌利用硝态氮反硝化除磷过程；内循环q 2 的设置能在好氧 池和混合池间建立循环，以增加硝化或同时反硝化的机会，以保证良好的出水氮浓度创造条 件。内循环的流量可通过在线监测的氧化还原电位仪来控制。 然而，在为满足硝化而使污泥龄过长或进水中c o d t p 的比值过低时，该工艺的磷的去 除效果不佳，工程上的解决方案是将厌氧池末端的富磷上清液抽出，投加化学药剂以离线方 式沉淀去除。 ( 3 ) d e p h a n o x 工艺 1 9 9 2 年，w a n n e r 等首次提出了“在厌氧缺氧交替运行条件下，结合膜生物反应器进行 好氧硝化，达到生物除磷目的”的新概念。r s o r m 和w a n n e r 在1 9 9 6 年用固定生物膜硝化 的方法提供硝酸盐进行反硝化除磷的小试试验，工艺流程图1 5 所示。随后d e l f t 科技大学 的k u b a 等学者进行了深入系统的研究，工艺理论得到不断完善。 - 进水 医氢池沉淀浊趟化池篮氢池沉淀池 图l 一5d e p h a n o x 工艺流程图 f i g u r el 一5f l o wd i a g r a mo fd e p h a n o xp r o c e s s 所谓双污泥系统就是硝化菌独立于d p b 而单独存在于固定生物膜反应器或好氧硝化 s b r 等硝化反应器中。该工艺不仅解决了聚磷菌和反硝化菌竞争碳源的问题，还解决了活 性污泥系统培养硝化菌需要的较长污泥龄这一不利条件。在d e p h a n o x 工艺中，含d p b 的 回流污泥首先在厌氧段完成释磷和储存p h a ，经快速沉淀分离后，富含d p b 的污泥超越好 氧段流至缺氧段，含氨氮的上清液直接进入固定膜反应器，进行好氧硝化，产生的硝化液流 入缺氧段与d p b 污泥接触，完成过量摄磷和反硝化过程。由于d p b 并没有经过好氧段，所 以其胞内的p h a 几乎全用于反硝化吸磷，而未在好氧段被消耗。当系统出现硝酸盐不足时， 可通过曝气段短暂曝气并投加定量的有机物来除去剩余的磷，从而达到彻底除磷的目的； 同时通过后曝气使d p b 体内的p h a 消耗完全，以便在厌氧段能更有效地更新、合成p h a 。 可见，d e p h a n o x 双污泥系统可实现利用最少的c o d 消耗量，获得最大的脱氮除磷效率。 我国彭永臻和王亚宜等以生活污水为处理对象，对a 2 n ( 厌氧缺氧和硝化) 连续流反硝 化除磷脱氮的双泥工艺进行了系统的研究，均表明该工艺较适合于处理c o d t n 偏低的城 市污水脱氮除磷处理。实验结果表明，a 2 n 工艺对t n 、t p 和c o d 的去除率分别达到了9 2 6 、 6 第一章绪论 9 8 和9 5 ，且出水指标均可达到g b 8 9 7 8 - - 19 9 6 的一级排放标准1 2 l 埘】。 日本学者t a d a s h is h o j i t 2 3 1 等以生活污水为处理对象，对d e p h a n o x 系统中的微生物种属， 如专性反硝化菌属( 无吸磷能力) 、p a o s 和d p b 进行了量化估算。结果发现，d e p h a n o x 工 艺较传统生物营养盐去除工艺可以富集更多数量的d p b ，也正是这类微生物对于稳定系统 的除磷和脱氮效果起着决定性的作用。 ( 4 ) a 2 n s b r 工艺 反硝化除磷概念提出以后，k u b a 、m e r o z u k i 及w j n g 等人相继对a 2 n s b r 双污泥系统 进行了反硝化除磷的小试研究【2 4 乃j 。a 2 n s b r 系统由两个独立的s b r 反应器组成：一个s b r 依次经历厌氧缺氧条件，主要是用来强化适合于d p b 生长的厌氧缺氧环境，筛选优势菌种； 另一个为好氧s b r ，此反应器的主要功能是培养硝化菌，以提供给厌氧缺氧s b r 足量的硝 化液。工艺流程如图1 6 所示。 搅拌搅拌 厌 淀 jt 水 搅 事 = ) 1r - 富氨氟、7 缺jt = ) 上面煎 1 一 。t b , _ _ - -一 - 图1 - 6a 2 n s b r 工艺流程图 f i g u r e1 - 6f l o wd i a g r a mo f a 2 n s b rp r o c e s s 废水在厌氧缺氧s b r 内经厌氧反应后，将含氨氮的上清液流至好氧硝化s b r ，在此经 好氧硝化后，将硝化液又回流至厌氧觖氧s b r ，完成反硝化和除磷作用。a 2 n s b r 工艺和 d e p h a n o x 工艺一样，可分别控制硝化菌和异养菌( 聚磷菌和反硝化菌) 的泥龄，成功解决 了异养菌和硝化菌的泥龄之争，有利于反硝化脱氮除磷与硝化的各自优化。但由于存在有部 分的氨氮未经硝化直接与反硝化聚磷污泥一起进入缺氧段，无法完成反硝化过程，从而使该 系统出水中含有部分的氨氮，脱氮效率不高。 1 9 9 6 年，k u b a 将a 2 n s b r 与a o s b r 除磷工艺进行对比研究，获得了可比性很强的生 物除磷结果。研究结果表明：a 2 n s b r 和好氧硝化s b r 系统的结合表现出了稳定的除磷 脱氮效果，除磷率几乎达到1 0 0 ，脱氮率稳定在9 0 左右。滞留在d p b 污泥中的氨氮 可在后续的缺氧段去除，只需提高a 2 n s b r 和硝化s b r 之间的容积交换比即可实现；随着 容积交换比的增大，双污泥系统的去氮率亦随之增大。这个比值主要受s v i 的限制，因为 两个s b r 中的污泥都具有良好的沉降性能，所以系统可得到较大的容积交换比，故除氮率 较高。a 2 n s b r 平均每去除1 5 m gp l ，1 0 5 m g n l 只需要4 0 0 m g c o d lh a e ，即相对于传 统a o s b r 工艺，c o d 耗量减少5 0 ，氧气和污泥产量分别减少了3 0 和5 0 。当c o d n 低于摄佳碳氮比3 4 9c o d gn 时，需要加入额外的碳源来去除残留的硝酸盐氮：当进水浓 度高于这个值时，在缺氧段后可加入一个好氧段，来去除由于硝酸盐氮不足而引起的不完全 除磷。 我国学者罗固源、王亚宜等均对a 2 n s b r 工艺的反硝化脱氦除磷过程进行了系统的研 7 东南大学硕士学位论文 究。罗固源 2 6 , 2 7 1 等以人工合成污水为研究对象，通过研究表明该工艺可成功解决硝化菌和聚 磷菌的泥龄问题，达到稳定的脱氮除磷效果，因此该工艺特别适合处理b o d 5 厂r p 值较低的 污水。王亚宜【2 哪等则采用实际生活污水和人工配水相结合对a 2 n s b r 工艺进行研究，结果 表明该工艺在进水水质波动较大条件下显示出较为稳定的去除污染物特点：c o d 、氨氮、 总氮和磷的平均去除率分别达到8 5 8 9 、8 2 3 、8 8 9 9 和8 4 5 6 ；进水c p 和c n 对 a 2 n s b r 获得良好的脱氮除磷效果起着关键性作用。另外，王亚宜等还对整个运行周期内的 d o 、o r p 、p h 的监测与分析，提出通过结合对d o 、o r p 和p h 三项指标的监控，可以实 现a 2 n s b r 系统的有效地实时控制或智能控制。 在a 2 n s b r 系统中，好氧硝化污泥与d p b 除磷污泥是分开的，好氧硝化反应单独在硝 化s b r 中完成，虽然系统添加了反应运行单元，但由于提供给系统的氧量、好氧段的c o d 损失相应减少，故双污泥脱氮除磷联合工艺在投资费用上相对传统工艺仍占优势。 1 3 污水磷回收技术 由于污水总量巨大，即使磷含量普遍不高( 我国生活污水中磷的浓度一般仅为5 1 0 m g l ) ，从污水中实现磷的回收仍是完全可行的、潜力巨大，并具有能有效防止磷大营流失 和水体富营养化等特点，也是缓解磷矿资源短缺和氮磷污染的有效手段之二。传统生物除磷 的唯一途径崩 除富磷活性污泥，存在除磷系统的污泥龄较短、排泥量大、短泥龄污泥不 稳定和易发生磷释放、二次利用困难且有二次污染等一系列问题，故通常采用“生物+ 化学” 除磷相结合的工艺，实现了磷酸盐从污水中以有效形式回收，并能被磷酸盐或肥料工业所利 用。所谓污水“磷回收”技术指通过某种工艺或方法以磷酸盐等有效形式实现污水中磷的回 收和资源化利用技术，目前主流的磷回收形式有磷酸氨镁( 俗称鸟粪石m a p ) 或羟基磷酸 钙( 羟基磷灰石h a p ) 两种。常见的磷回收方法有：结晶法、沉淀法、吸附法等。按在污 水处理厂工艺中的回收区域不同，可分为主流回收和旁路回收，由于主流上水流量大、含量 低等特点，回收效果较差，故污水磷回收的研究目前主要集中在对经污泥浓缩、消化、脱水 等过程产生的富磷上清液中磷的回收【2 9 1 。 m 9 2 + + p 0 4 3 删4 + + 6 h 2 0 m g n h 4 p 0 4 6 h 2 0l ( 1 1 ) 5 c a 2 + + 7 0 叶3 h 2 p 0 4 - c a s ( p 0 4 ) 3 0 hi + 6 h 2 0 ( 1 2 ) 1 3 1 结晶法 在目前对污水回收磷的研究与应用中，对化学结晶法的研究最多。所谓结晶