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西安建筑科技大学硕士论文 双s b r 脱氮除磷工艺的启动、特。陛试验与动力学分析 专业：环境工程 硕士生：何新慧 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原因，而传统脱氮除磷工艺普遍存在工艺流程 长，占地面积大，基建及运行费用高等特点。因此，迫切需要能够克服这些缺点的 新型脱氮除磷工艺。双s b r 脱氮除磷工艺能够针对处理对象集中优势菌群排除干 扰具有占地面积小、微生物生长环境优良、能耗低等优点，因此受到关注。本文对 双s b r 脱氮除磷工艺的启动方法和运行特性进行了试验研究，并且采用数学模拟 器对其进行了动力学分析。试验及分析结果表明： 1 双s b r 脱氮除磷工艺的启动时进水氨氮浓度在3 0 4 0 m 【鲫为宜，以后可阶 段性升高，幅度要依据系统在缺氧段的反硝化能力来确定；缺氧段应避免瞬时进水， 否则将使缺氧期间存在较高亚硝酸盐浓度( 进水氨氮为7 0 m g l 时缺氧反应过程中平 均的亚硝酸盐浓度达到了2 0 3 9 m 鲥) ，这将对d p b ( 反硝化聚磷菌) 产生不良影响。 同时连续性进水方式还可以避免缺氧末端厌氧释磷现象，便于实际操作。 2 在污泥负荷较低时( 污泥有机负荷为o 5 - - - - 0 6 9 c o d g m l s s d ，污泥磷负荷 0 0 1 7 o 0 2 9 p g m l s s d ) 最佳碳氮比为3 7 5 ，磷去除率为9 3 1 5 r v l 0 0 ，氮的去除 率为6 3 8 1 。污泥负荷较高时( 污泥负荷0 9 6 - - - 1 2 6 9 c o d g m l s s d ，0 0 3 2 o 0 4 2 9 p g m l s s d ) 最佳碳氮比为3 4 1 ，磷去除率为7 0 , - , 9 6 6 ，氮的去除率为 7 1 7 1 8 0 1 7 。缺氧段氨氮的消耗主要来自d p b 的生长。 3 系统在较低污泥有机负荷、污泥磷负荷( o 5 o 6 9 c o d g m l s s d ) 反硝化聚磷 菌活性较低。较高污泥有机负荷、污泥磷负荷( 0 9 1 2 6 9 c o d g m l s s d ) 下运行反 硝化菌磷菌活性较高。高污泥有机负荷、污泥磷负荷的运行条件增加了系统对c n 的敏感性。 4 用a s m 2 与d e l f t 代谢模型相结合，对双s b r 脱氮除磷工艺进行的模拟， 对溶解态物质的模拟与试验值大致吻合。由模型分析得到系统反硝化聚磷污泥的最 佳泥龄在9 1 2 d 之间，高泥龄运行时x p p t t x p a o ( 聚磷菌体内聚磷量与聚磷生物量的比 西安建筑科技大学硕士论文 值) 的值接近最大值o 5 ，造成吸磷反应停止。模拟分析的最佳碳氮比为3 7 5 左右， 低碳氮比造成反应器内聚磷菌与普通异养菌之间的比例降低，影响了系统的除磷效 果。系统的碳磷比应大于1 5 ，碳磷比低于1 5 时除磷效果恶化，是由x p t , x p a o 的值 较高( 接近于o 5 ) 导致。 关键词：双s b r 、脱氮除磷、启动、污泥负荷、a s m 2 d e l f 代谢模型、动力学分析 i i 西安建筑科技大学硕士论文 r e s e a r c ho nat w o - s b r s y s t e mo fd e n i t r i f y i n ga n db i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l 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 a u t h o r ：h ex i n g h u i a d v i s o r ：p r o f w a n gz h i y i n g a b s t r a c t at w o s b rd e n i t r i f y i n ga n dp h o s p h o r u sr e m o v i n gs y s t e mw a ss t u d i e di n t h i s r e s e a r c h t h ep r o c e s s eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g he f f i c i e n c y ， e n e r g ys a v i n g a n dl e s ss l u d g ee t c s ot h en e wt e c h n o l o g yi sb e i n gp a i n e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb y e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n ge x p e r t s f r o mt h ee x p e r i m e n t sig e tt h em a i nc o n c l u s i o n sa s f o l l o w s 1 d u r i n gt h es t a r t u pp r o c e s so ft w o s b rs y s t e mo fd e n i t r i l y i n ga n db i o l o g i c a l p h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h ei n f l u e n tc o n c e n t r a t i o nf i l l e do f a m m o n i u mn i t r o g e ns h o u l d b e a c c o r d i n gt ot h ed e n i l r i f y i n ga b i l i t yo ft h ed p b ( 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 g b a c t e r i a ) ，3 0 4 0 m g n li sa na p p r o p r i a t er a n g e c o n s i d e r i n gt h es t a r t u pp r o c e s so f t w o s b rs y s t e mo f d e n i t r i f y i n ga n db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ，c o n t i n u o u sf o l l o w a ta s b ri sb e t t e rt h a nt r a n s i e n ti n f l u e n t 2 w h e nt h es l u d g el o a d i n go fs y s t e mi sl o w ( 0 5 0 6 9 c o d g m l s s d ) ，t h e o p t i m a lc nv a l u ei s3 7 5 t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fp h o s p h o r o u si s9 3 5 - - - 1 0 0 w h e n t h es l u d g e l o a d i n g i s h i g h ( 1 2 6 - - 0 9 6 9 c o d g m l s s d ) ，t h e o p f i m a l v a l u e o f c n i s3 4 1 t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f p h o s p h o r o u si s7 0 0 o - - 9 6 6 3 t h eh i 曲o rp o l l u t i o nl o a do fs l u d g em a d et h es y s t e mb e c o m em o r es e n s i t i v et o t h e c n 4 b a s e do nt h ea s m 2a n dd e l f tm e t a b o l i c a l l ym o d e l ，t h ep a p e rs i m u l a t e dt h e p r o c e s so f t h et w o s b rs y s t e mo fd e n i t r i f y i n ga n db i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l t h i s s t u d yu s e dt h ed e l f tm o d e lt os i m u l a t eb i o pr e m o v a la n da c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 2t o s i m u l a t ec o da n dnr e m o v a l t h ef o l l o w i n gs i m u l a t i o n sc o n f i r m e de x p e r i m e n t c o n c l u s i o nt h a ta ni n f l u e n tb i o d e g r a d a b l ec n = 3 ，7 5m g c o d m gn ，c p i5 m g c o d m g pa n d9 1 2 di sa ni d e a lr a n g eo f s r t k e yw o r d s ：t w o s b r ；d e n i t r i 母i n ga n dp h o s p h o r u sr e m o v i n g ；s t a r t - u p ；s l u d g el o a d i n g ； a s m 2 d e l f lm o d e l ；k i n e t i c sa n a l y s i s i i i 声明 y9 7 0 6 1 8 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，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：伺藕慧 日期：p 石s 2 6 关于论文使用授权的说明 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) 论文作者签名：乍蒲基 导师签 注：请将此页附在论文首页。 日期：口莎，彩 西安建筑科技大学硕士论文 1综述 1 1生物脱氮除磷技术的研究与发展 自1 9 3 0 年w u h r m a n n 首先发现在脱氮菌还原硝酸盐的过程中，微生物可以利用 其细胞内物质作为反硝化的供氢体，并提出了微生物脱氮法；1 9 6 0 年前后，b r i n g m a n n 又提出，在反硝化细菌的代谢过程中微生物还可以城市污水中的有机物作为有机碳 源，这样在这两种微生物脱氮方法的基础上，1 9 6 0 年以后，微生物脱氮方面的研究 进展很快。生物脱氮包括以下三个过程： ( 】)同化过程：一部分氨氮被同化为新细胞物质，以剩余污泥形式去除； ( 2 ) 硝化过程：硝化菌将氨氮转化为硝态氮； ( 3 ) 反硝化过程：反硝化菌将污水中的硝态氮转化为氮气，再使其释放到大气中。 但是以同化硝化一反硝化为顺序的工艺都需要在硝化阶段投加碱，在反硝化阶 段投加有机物，这使得生物脱氮系统的运行费用较高。为改进这些缺点，2 0 世纪8 0 年代前后，又产生了将反硝化设备放置在处理系统最前面的前置反硝化生物脱氮法， 又称缺氧、好氧生物脱氮法，成为目前最广泛采用的脱氮工艺。 1 9 5 5 年，g r e e n b u r g 等人提出活性污泥可以吸收超过微生物正常生长代谢所需 的磷量：s r i n a r h 等( 印度) 在1 9 5 9 年、a l a r c o n ( 美国) 在1 9 6 1 年各自独立发表了关于 活性污泥法污水处理厂去除的磷超过一般微生物代谢需求量的报道；1 9 6 5 年，s h a p i r o 和他的学生l e v i n 对磷的吸收和释放现象作了广泛的调查研究，并首先提出磷的过量 吸收与微生物代谢密切相关。1 9 7 4 年，b a m a r d 发表了他的重要研究成果，报道了生 物除磷的关键性运行条件，指出将污泥先置于厌氧状态，再紧接好氧阶段，就可以 达到除磷的目的。 最初，生物脱氮、生物除磷有各自独立的生物处理工艺。1 9 7 3 年，b a m a r d 在 做生物脱氮的实验时发现，如果反硝化进行得很彻底，系统会产生明显的除磷效果， 故b a r n a r d 提出了同时脱氮除磷的b a r d e n p h o 工艺。而后他于1 9 7 6 年建议在b a r d e n p h o 工艺的初级缺氧反应器前增加一个厌氧反应器，这样就出现了另一个同时脱氮除磷 的p h o r e d o x 工艺，其简化的工艺流程也就是a 2 o 工艺。这以后，生物除磷技术得 到迅速发展，各国学者通过改变厌氧、缺氧、好氧池子的大小、排列、数量增减以 及混合液循环和回流方式的变化，提出了一系列生物除磷工业和技术。其中有很多 工艺是对a 2 0 工艺所进行的改进，如v i p 工艺、u c t 工艺以及j h b 等等。另外还 有通过对曝气供氧的控制在空间和时间上形成厌氧和缺氧环境的氧化沟工艺和s b r 西安建筑科技大学硕士论文 工艺。在这些生物脱氮除磷工艺中，目前应用于工程实践的有：b a r d e n p h o 工艺、a o 工艺、s b r 工艺、p h o r e d o x 工艺和氧化沟工艺等。 下面简略介绍几种同时脱氮除磷工艺。 】、a 2 o 工艺 图1 - 1 a 2 o 工艺 泥 ( 1 ) a 2 o 工艺特点 厌氧、缺氧、好氧三种不同环境条件下不同种类微生物菌群有机结合，能使系 统同时具有去除有机物、脱氮和除磷的功能。 在同时脱氮除磷工艺中该工艺流程最为简单，总的水力停留时间也少于同类其 他工艺。 在厌氧、缺氧、好氧交替运行条件下丝状菌不会大量繁殖，s v i 一般小于1 0 0 ， 不易发生污泥膨胀。 污泥含磷量高，一般在2 5 以上。 脱氮效果受混合液回流比大小影响，除磷受回流污泥中携带的d o 和硝态氮影 响，因而脱氮除磷效率不可能很高。 ( 2 ) a 2 o 存在的问题： a 2 ，o 系统的脱氮效果好时，除磷效果较差，反之亦然。a 2 0 系统很难同时取 得好的脱氮和除磷效果，其中原因在于：回流污泥全部进入厌氧段，为了维持较低 的污泥负荷，要求较大的回流比( 一般为4 0 1 0 0 ) 才可保证系统有良好的硝化效 果但回流污泥也将携带大量的硝酸盐带入厌氧池，而聚磷菌的释磷条件是厌氧状 态，并同时有溶解性b o d 存在。当厌氧段存在大量硝酸盐时，反硝化菌会以有机 物为碳源进行反硝化，直到脱氮完毕后才开始磷的厌氧释放，这就使厌氧段进行厌 氧释磷的有效容积大为减少，从而使除磷效果较差，而脱氮效果较好。反之，如果 减小污泥回流比会使污泥负荷增加，好氧段硝化效果不好；但由于随回流污泥进入 厌氧段的硝酸盐减少，改善了厌氧环境，使磷能充分释放，所以除磷效果好，而硝 化效果不佳。 西安建筑科技大学硕士论文 2 、b a r d e n p h o 工艺 混合液回流 图1 2b a r d e n p h o 工艺 南非的b a m a r d 报道，在开发脱氮的b a r d e n p h o 工艺时，发现该工艺不仅能有 效地去除有机物和脱氮( 9 0 - - - 9 5 ) ，同时除磷率也达到9 7 。该工艺流程由四个完 全混合活性污泥反应区串联而成，其中，1 、3 区不曝气，设有混合器进行缓慢搅拌 以防污泥沉淀；第2 、4 区好氧曝气；第二区停留时间长，达完全硝化，混合液进 入第3 区，混合液中的硝酸盐被反硝化细菌通过内源反硝化还原成氮气；随后进入 第4 区，使d o 足够高以驱走氮气泡，避免形成浮渣，同时避免污泥在沉淀池中厌 氧释磷。该工艺之所以能得到较好的除磷效果可能是第一缺氧区部分地出现了厌氧 状态。 3 、p h o r e d o x 工艺 混合液回流 图1 3p h o r e d o x 工艺 1 9 7 5 年，b a m a r 发现在b a r d e n p h o 工艺中第一个缺氧区不能保持严格的厌氧， 从而影响了除磷效果。为了有效的除磷，他建议在b a r d e n p h o 工艺的初级缺氧反应 区前加一个厌氧发酵区，从二沉池回流的污泥在厌氧区中与进水相混合，好氧区中 污泥混合液回流仅进入缺氧区；只要后面四段硝化、反硝化控制得当，就可以使氮 的去除率较高。同时控制二沉池污泥至厌氧区污泥回流比，就可以减少通过回流污 泥携带至厌氧区的硝酸盐，这种工艺比原来的b a r d e n p h o 工艺较易保持厌氧状态。 西安建筑科技大学硕士论文 4 、改进的u c t 工艺 混合液回流混合液回流 图1 4 改进的u c t 工艺 从对p h o r e d o x 工艺的发现中，m a r a i s 和他的研究小组得出这样的结论：如果 不考虑过量磷吸收的其他影响因素，最重要的影响因素是回流污泥中携带的硝酸 盐。如果回流污泥中携带的硝酸盐浓度可以控制在低浓度，那么就可以得到较好的 除磷效果；如果出水中硝酸盐浓度低或回流比低，那么可期望得到较好的除磷效果。 但当进水中t k n c o d 增加时，往往由于碳源不足难以达到完全反硝化，通过改进 操作来降低硝酸盐浓度的余地也较小。同时减少污泥回流比对污泥沉降性能有较高 要求，对二沉池操作也带来一定困难。后来又出现了u c t 工艺和改良型的u c t 工 艺。在改良型的u c t 工艺中，沉淀池的回流污泥和好氧区的污泥混合液分别回流 至缺氧区，其中携带的硝酸盐在缺氧区中经反硝化去除。为了补充厌氧区中污泥的 流失，设了缺氧区至厌氧区的混合液回流。在废水t k n c o d 适当的情况下，缺氧 区中反硝化作用完全，可以使缺氧区出水硝酸盐浓度接近于0 。同p h o r e d o x 工艺相 比，改良的u c t 工艺最大限度地排除了回流液中硝酸盐对厌氧释磷的影响，但由 于增加了缺氧区至厌氧区的混和液回流，运行费用有所增加。 以上各种工艺的产生都是尽可能将除磷和脱氮过程分开以排除相互干扰。虽然 有些工艺几乎完全克服了两者之间的矛盾，但工艺复杂了，增加了构筑物以及运行 成本。 1 2s b r 工艺的发展与应用 1 - 2 1s b r 工艺概述 序批式( 间歇) 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 ，是近年来在国 内外引起广泛重视的一种废水处理工艺，已有一些生产装置处在实际运行中。 s b r 工艺早在1 9 1 4 年即己开发，但由于当时监测手段落后，并没有得到推广 应用。1 9 7 9 年美国的l i r v i n e 对s b r 工艺进行了深入的研究，并于1 9 8 0 年在印第 安那州的c u l v e r 改进并投产了一个s b r 污水处理厂。此后随着计算机监控技术、 西安建筑科技大学硕士论文 各种新型不堵塞曝气器的出现和软件技术的发展，同时也由于开发了在线溶解氧测 定仪、水位计等精度高并且对过程控制比较经济的检测控制仪表，污水处理厂的运 行管理逐渐实现了自动化，加之s b r 具有均化水质、工艺简单，处理效果稳定，耐 冲击负荷力强，出水质好，操作灵活、占地面积少等优点而成为包括美、德、日、 澳、加等在内的许多工业发达国家竞相研究和开发的热门工艺。以澳大利亚为例， 近1 0 多年来建成采用s b r 工艺的污水处理厂就达近6 0 0 座之多。 我国在8 0 年代中期开始对s b r 法的应用研究。1 9 8 5 年，上海吴淞肉联研制投 产了我国第一座s b r 法污水处理站，设计处理水量2 4 0 0 t d ，运行效果良好。目前 在云南省昆明市已有两座采用s b r 工艺的大中型污水处理厂，运行情况良好。天津 经济技术开发区1 0 万t d 采用s b r 工艺的污水处理厂也于近日投入运行。从国内 外研究情况来看，s b r 法是一种高效、经济、可靠的适合我国国情的废水处理方法。 1 2 2 s b r 的工艺流程 间歇式活性污泥法的主要反应器，即曝气池的运行操作是由进水、反应、沉淀、 排放和闲置五个工序组成。污水在反应器中按序列、间歇地进入每个反应工序，每 个s b r 反应器的运行操作在时间上也是按次序排列间歇运行的。 1 ) 进水期 在进水工序实施前，闲置工序处理后的污水已经排放，曝气池中残存着高浓度 的活性污泥混合液。当污水注入时，曝气池可以起到调节池的作用，如果进行曝气 可以取得预曝气效果，也可使污泥再生，恢复其活性。进水所需的时间随处理规模 和反应器容积的大小及被处理污水的水质要求而定。在污水的投加过程中，存在着 污染物的混合稀释及污染物被池中活性污泥吸附、吸收和氧化等作用。 2 )反应期 反应工序是s b r 工艺最主要的一道工序。当污水注入达到预定容积后，可开始 反应操作，如去除b o d 、硝化、磷的吸收，以及反硝化等。根据反应的目的来决定 反应期间是否曝气和曝气量的大小。在反应阶段，活性污泥微生物周期性地处于高 浓度及低浓度基质的环境中，反应器也相应地形成厌氧缺氧好氧的交替过程，使其 不仅具有良好的有机物处理性能，而且具有良好的脱氮除磷效果。值得一提的是， 虽然s b r 内的混合液呈完全混合状态，但在时间序列上是一个理想的推流式反应器 装置。这样使得其对污染物质具有良好的处理效果，且具有良好的抗冲击负荷和防 止活性污泥膨胀的性能。 3 )沉淀期 西安建筑科技大学硕士论文 沉淀工序相当于传统活性污泥法的二沉池，在停止曝气和搅拌之后，活性污泥 絮体进行重力沉降和上清液分离。s b r 本身作为沉淀池，避免了在连续流活性污泥 法中泥水混合液必须经过管道流入沉淀池沉淀的过程，也避免了使部分刚刚开始絮 凝的活性污泥重新破碎的现象。此外，传统活性污泥法的二沉池是各种流向的沉降 分离，而s b r 工艺中污泥的沉降过程是在相对静止的状态下进行的，和理想沉淀池 的假设条件相似，因而受外界的干扰小，具有沉降时间短、沉淀效率高的优点。而 且s b r 法处理工艺特有的性质使丝状菌的生长得到抑制，可有效地防止污泥的膨胀。 4 )排放期 在排放工序，停止曝气和搅拌，使混合液处于静止状态，活性污泥与水分离， 相当于二次沉淀池的作用。经过沉淀后的上清液作为处理出水排放，沉淀的污泥作 为种泥留在曝气池内，起到回流污泥的作用。一般而言，s b r 法反应器中的活性污 泥数量占反应器容积的3 0 左右。另外反应池中还剩下一部分处理水，可起循环水 和稀释水的作用。 5 ) 闲置期 在闲置工序，处理出水排放后，反应器处于停滞状态，等待下一个操作周期。 在此期间，应间断或轻微曝气以避免污泥的腐化。经过闲置的活性污泥处于营养物 的饥饿状态，因此当进入下一个运行周期的流入工序时，活性污泥就可以发挥较强 的吸附能力增强去除作用。闲置工序是s b r 工艺中的重要内容。 1 2 3 s b r 主要特点 在空间上完全混合，时间上完全推流式，反应速度高，为获得同样的处理效 率s b r 法的反应池的理论体积明显小于连续式反应器的体积。 工艺流程简单，构筑物少，占地省，造价低，设备、运行管理费用低。 可抑制丝状菌生长，不易发生污泥膨胀，污泥指数s v i 较低，剩余污泥性质 稳定，有利于浓缩或脱水；静止沉淀，分离效果好，出水水质高。 运行方式灵活，可生成多种工艺路线，通过厌氧壶 氧交替运行，能够在去除 有机物的同时达到较好的脱氮除磷效果。同一反应器仅通过改变运行工艺参数就可 以处理不同性质的废水。 抗冲击负荷能力强，由于进水结束后，原水与反应器隔离，进水水质水量的 变化对反应器不再有任何影响，因此工艺的耐冲击负荷能力高。间歇进水、排放以 及每次进水只占反应器的2 3 左右，其稀释作用迸一步提高了工艺对冲击负荷的耐受 能力。 6 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 4 反硝化除磷理论 在传统营养物质去除及同时脱氮除磷系统中，c o d 往往成为限制因子。以往的 研究认为聚磷菌不具有反硝化的能力，因此聚磷菌的生长和磷的过量吸收只能在好 氧环境中进行。但o s b o m 和n i c h o o l s ( 1 9 7 7 ) 在硝酸盐异化还原过程中观测到磷的快 速吸收现象，表明某些反硝化菌也能超量吸磷。l o t t e r ( 1 9 8 5 ) 曾报道从生物除磷厂污 泥中分离到的1 0 0 株不动细菌中有5 2 株有异化还原硝酸盐的能力。 1 9 9 3 年荷兰d e l f t 大学的k u b a 在试验中观察到：在厌氧缺氧交替的运行条件 下，易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能利用0 ， 或n 0 3 作为电子受体，且其基于胞内p h b 和糖原质的生物代谢作用与传统a j o 法 中的聚磷菌( p a o ) 相似。针对此现象研究者们提出了两种假说来进行解释：两类菌 属学说，即生物除磷系统中的p a o 可分为两类菌属，其中一类p a o 只能以氧气作为 电子受体，而另一类则既能以氧气又能以硝酸盐作为电子受体，因此它们在吸磷的 同时能进行反硝化；一类菌属学说，即在生物除磷系统中只存在一类p a o ，它们 在一定程度上都具有反硝化能力，其能否表现出来的关键在于厌氧，缺氧这种交替环 境是否得到了强化。如果交替环境被强化的程度较深则系统中p a o 的反硝化能力较 强，反之则系统中p a o 的反硝化能力弱，即p a o 不能进行反硝化除磷。也就是说， 只有给p a o 创造特定的厌氧缺氧交替环境以诱导出其体内具有反硝化作用的酶，才 能使其具有反硝化能力。这两种假说都有各自的支持者，但大部分研究人员都赞同 前者。 就n 0 3 是否可作为生物除磷过程的电子受体，v l e k k e ( 1 9 8 7 年) 和t a k a h i r o ( 1 9 9 2 年) 等分别利用厌氧一缺氧s b r ( a n a e r o b i c a n o x i c s b r ，简称a 2 s b r ) 系统和固定生物 膜反应器进行了试验研究。结果表明，作为氧化剂n 0 3 和氧气在除磷系统中起着相 同的作用，而且通过创造厌氧、缺氧交替的环境可筛选出以n 0 3 作为电子受体的聚 磷菌优势菌属即d p b ( 反硝化聚磷菌) 。类似的实验室和生产性规模的生物除磷脱氮研 究也表明，当微生物依次经过厌氧、缺氧和好氧三个阶段后，约占5 0 的聚磷茵既 能利用氧气又能利用n 0 3 作为电子受体来聚磷，即d p b 的除磷效果相当于总聚磷菌 的5 0 左右。这些发现一方面说明了硝酸盐亦可作为某些微生物氧化p h b 的电子受 体，另一方面也证实了在污水的生物除磷系统中的确存在着d p b 属微生物，而且通 过驯化可得到富集d p b 的活性污泥。 西安建筑科技大学硕士论文 2 1 课题的可行性 2 课题的研究意义及可行性 2 1 1 单污泥s b r 工艺中存在的问题 氮磷的去除要涉及硝化、反硝化、微生物释磷和吸磷等过程。由于各过程目的 不同，所以对微生物的组成、类型及环境条件的要求也不一样，所以单级s b r 工艺 进行污水除磷脱氮处理时，存在以下不足： 1 、同s b r 系统中不同反应目的的污泥龄之间的矛盾( 泥龄矛盾) 要在单级s b r 工艺中实现脱氮除磷，就希望系统的活性污泥中存在大量的用于 脱氮的硝化细菌和用于除磷的聚磷菌。其中硝化细菌是自养菌世代周期较长，要求 的泥龄长，通常在2 1 5 d 范围内。硝化细菌还有一个特点就是世代周期受温度影响 大，温度高时要求的泥龄较短，温度低时要求的泥龄较长，这使硝化菌泥龄范围较 宽。而生物除磷实质上是通过排除富磷的剩余污泥来实现的，所以聚磷污泥的泥龄 不易很长，通常在2 3 d 左右。当温度在2 0 以上时聚磷菌与硝化菌要求的泥龄基本 相同，这时单级脱氮除磷系统尚可正常运行，但是当温度较低时硝化菌需要的泥龄 就会增加，例如当温度为1 4 。c 时硝化菌所需最小泥龄为4 d ，1 0 时所需最小泥龄为 5 6 d 。而相应的1 4 时聚磷菌所需最小泥龄为2 2 d ，1 0 。c 时所需最小泥龄为2 d ，可 见温度越低两种菌群间泥龄方面的矛盾就越大。因此，在低温条件下单级脱氮除磷 系统难以取得良好的脱氮除磷效果1 2 1 。 2 、厌氧区的硝酸盐对释磷的影响 厌氧区硝酸盐含量的控制问题，是目前同步除磷脱氮工艺需要研究和解决的一 大难题。在单级s b r 工艺中，由于硝化、反硝化、释磷及吸磷释在同一反应容器中 进行的，在系统的进水厌氧释磷阶段，除进水中可能含有少量的硝酸盐成分外，在 反应器内前一周期剩余的混合液中，还会含有部分硝酸盐，特别是当污水含氮量较 高时，这一问题更为突出。由于厌氧区硝酸盐的存在，反硝化菌会与聚磷菌竞争污 水中的有机基质，并优先于聚磷菌利用这些有机基质进行反硝化；另一方面，硝酸 盐的存在还会被部分聚磷菌( 气单胞菌) 利用作为电子受体进行反硝化，从而影响其对 有机物的发酵产酸作用。结果使聚磷菌无法得到足够的v f a s ( 挥发性脂肪酸) ，从而 抑制了聚磷菌的释磷及p h b ( 聚1 3 羟基丁酸盐) 的合成能力，也影响了好氧条件下聚磷 菌的吸磷能力，使系统除磷效果下降甚至遭到破坏。可见，在同步除磷脱氮工艺中 必须充分注意控制厌氧区的硝酸盐含量。有资料认为，为保证厌氧区高效释磷，一 西安建筑科技大学硕士论文 般应将n 0 3 - - n 浓度控制在o 2 m g l 以下。 3 、有机物浓度对硝化作用的影响 污水中可生物降解含碳有机物与氮之l k ( b o d t b 2 q ) 是影响生物硝化速率的主要 因素。硝化菌是自养专性好氧菌，而且其比增长速率与异养菌相比要低得多。所以 在硝化阶段，含碳有机物的浓度不能过高，一般认为，b o d 应控制在2 0 m l 以下， 且b o d 负荷应控制在0 0 6 0 1k g b o d ( k g m l s s d ) 的水平。在硝化阶段，若含碳有 机物的浓度过高，会使生长速率较高的异养菌迅速繁衍，争夺溶解氧，使生长缓慢 的硝化菌得不到优势生长，结果降低了硝化速率。在单级s b r 工艺脱氮除磷工程中， 当进水有机物浓度较高时，系统的硝化速率将受到影响。 4 、能耗的问题 对于b o d t k n 值较高的污水，采用单级s b r 工艺进行除磷脱氮处理时，为了 使含碳有机物氧化充分分解并保证正常的硝化作用，必须使处理系统有较长的曝气 时间和泥龄，这不仅对除磷十分不利，而且运行费用也相对较高。 总而言之，导致单级s b r 工艺上述矛盾关系的根本原因就是功能不同的微生物 在系统中混合生长所致，尤其是世代时间长的硝化菌与其它细菌混合生长，使系统 难以兼顾除磷与脱氮的要求，导致系统运行效果不稳定。 2 1 2 双s b r 脱氨除磷工艺概述 双s b r 脱氮除磷工艺是根据反硝化除磷菌理论，针对上述对单级s b r 工艺运 行中存在问题，综合考虑了生物脱氮除磷对环境条件的要求，充分利用了d p b 和硝 化菌的生理特征，以及s b r 反应器的特点所提出来的一种新的脱氮除磷工艺。 双s b r 脱氮除磷系统，是一种将厌氧一缺氧的定序式间歇反应器( a 2 s b r ) 与有 硝化作用的s b r ( o s b r ) 联合工作来进行硝化作用的系统。在这种系统里，含d p b 和硝化菌的活性污泥被分别置于a 2 s b r 和o s b r 两个反应器中，厌氧在a 2 一s b r 中 进行，厌氧上清液进入硝化o s b r ，待硝化结束，上清液回到a 2 ，s b r 中进行反硝 化反应，使d p b 利用硝酸盐作为电子受体来除磷。 由d p b 来除去氮和磷的这种工艺是可行的。这体现在：已有研究者证实了 在污水的生物除磷系统中的确存在着d p b 属微生物，而且通过驯化可得到富集d p b 的活性污泥。d p b 与传统的a o 工艺中的聚磷菌有着相近的磷的去除潜力，相同 的生物磷代谢机理，以及相同的细胞内聚物如p h b 和糖肝。双s b r 脱氮除磷系统 的运行方式适合d p b 和硝化细菌的生长。 这种工艺的优点在于它实现了“一碳两用”，因为d p b 可以在缺氧环境吸磷，这 西安建筑科技大学硕士论文 就使得吸磷和反硝化脱氮这两个生物过程借助同一类微生物在同一种环境下一并完 成。其结果，吸磷和脱氮过程的结合不仅节省了脱氮对碳源的需要，而且吸磷在缺 氧阶段内完成可节省好氧曝气所需要的能源。由此带来的另一个好处是，系统产生 的剩余污泥量大为降低，e h 实验得出，在双s b r 脱氮除磷系统中，每除去1 5 m g 磷 和1 0 5 r a g 氮只需要4 0 0 m g c o d 的乙酸。通过计算可得，这种工艺所消耗的c o d 量 要比在一般的脱氮除磷系统中少5 0 。此外，耗氧量和剩余污泥也都分别减少3 0 和5 0 【3 】。 在双s b r 脱氮除磷系统中，除磷过程是在缺氧阶段，而好氧阶段只是用来向反 硝化聚磷菌( d p b ) 提供在反硝化作用下所需要的硝酸盐。这个过程在单级s b r 系统 中虽然也可以完成，但在单级s b r 系统中，反硝化菌和硝化菌共存，这时污泥经过 了厌氧、缺氧和好氧全部阶段。研究表明，这需要很长的好氧阶段来实现硝化作用， 细胞内大量的p h b 在长时间的好氧阶段中被氧化，结果只有少量的c o d 用于脱氮。 这将影响反硝化细菌达到最佳的处理效果。 双s b r 脱氮除磷系统的主要缺点在于。在厌氧阶段之后d p b 污泥中会有残余 的氨氮，这部分氨氮由于不能进入硝化反应器而残留下来。在随后的缺氧反应阶段 只有其中的一部分被用作细胞合成。 2 2 课题研究的目的和意义 2 2 1 意义 经过近年来对双s b r 脱氮除磷工艺的研究，得出其相对于单级s b r 系统的一些 优点，总结如下： ( 1 ) a 2 s b r 和硝化s b r 可以根据需要合理确定各自的运行泥龄，从根本上解决 了单级工艺中生物除磷与脱氮之间的泥龄之争，从而可以大大提高整个系统的除磷 和脱氮效率。 ( 2 ) 可以根据需要灵活地控制a 2 s b r 的曝气时间，最大限度地减少硝化菌在 a 2 s b r 中的生长数量，较好地避免了在a 2 s b r 中发生硝化作用。这从根本上消除 了单级工艺中厌氧区的硝酸盐对厌氧释磷的不利影响，有利于除磷效率的提高。 ( 3 ) 通过对a 2 s b r 单元曝气时间和污泥浓度的合理控制，可去除进水中的大部 分有机物和有毒有害物质( 当进水中含有抑制硝化菌的有毒有害物质时) ，防止了高 负荷对硝化s b r 单元硝化反应的冲击，缓解了有毒有害物质对硝化过程的抑制； 同时，硝化s b r 内较低的有机物浓度有利于硝化菌的生长，增加了污泥中硝化菌 西安建筑科技大学硕士论文 的比例，提高了硝化反应速率。 ( 4 ) 低能耗，氧仅用于硝化作用，脱磷几乎不耗氧，没有大的二次循环。 在对单级s b r 工艺脱氮除磷中存在的不足，进行分析的基础上，提出的双s b r 脱氮除磷工艺脱氮除磷模式，是为了使除磷和脱氮这两个相互矛盾的生物处理过程 能够分别在两个不同的反应器中进行。通过合理地控制操作过程，双s b r 脱氮除磷 工艺有望从根本上解决单级生物脱氮除磷系统中的泥龄问题、厌氧区的硝酸盐问题、 有机物对硝化作用的抑制问题和好氧时间长能耗高的问题等，提高了系统脱氮除磷 的效果和稳定性。 2 2 2 目的 通过试验及模型模拟的方法研究双s b r 脱氮除磷工艺启动的可行方法，以及 稳定运行的运行参数。 2 - 3 试验基础 2 3 1 试验装置 采用s b r 反应器，有效容积为4 l 。进水、曝气、搅拌、排水、沉淀等操作程 序采用自动控制，由加热温控仪控制反应器内温度恒定在2 0 - 2 5 。c ；由液位继电器 控制进水量，于反应器中部取样，当反应器内泥水均匀混匀时使用移液管排泥。采 用鼓风曝气，使用转子流量计调节曝气量。反应器具体连接见后面章节介绍。 2 3 2 试验水质 表2 1 人工模拟废水 物质名称浓度( m g l ) 物质名称 浓度( m g l ) 乙酸钠 3 0 0 ( 以c o d 计1 无水c a c l 2 1 0 k 2 h p 0 41 0 ( 以p 0 4 s - - p 计)m g s 0 4 8 5 7 1 n i l 4 c l 4 0 - - 1 0 0 ( 以n h 4 + - n 计) n 棚c o ， 7 0 5 倍氨氮 注；试验期间进水氨氯浓度发生变化，见具体试验方法的表述 进水中所加微量元素如下 西安建筑科技大学硕士论文 表2 2 微量元素 物质名称 浓度( m 班) 物质名称浓度( m 班) f e c l 3 0 9 0m n c l 2 4 h ，o o 0 6 h 3 8 0 3 o 1 5 n a 2 m 0 0 4 2 h 2 0 o 0 6 c o c l 2 7 h 2 0 0 1 5 z n s o d 7 h 2 0 o 1 2 c u s 0 4 5 h 2 0 o 0 3k io 1 8 2 3 3 分析方法 表2 3 分析项目和方法 分析项目 分析方法 c o d c f重铬酸钾法 m l 、，s s 皿s s滤纸重量法 s v 3 01 0 0 m g 量筒 生物相显微镜观察法 d o溶解氧仪 o r po r p 计 氨氮钠试剂分光光度法 p 0 4 5 - p 钼锑分光光度法 n o ，n n ( 1 ，萘基) 一乙二胺分光光度法 n 0 3 一- n紫外分光光度法 以上分析方法均参考：国家环保局水和废水检测分析方法( 1 9 9 7 ) 西安建筑科技大学硕士论文 3 双s b r 脱氮除磷工艺的启动试验 3 1 启动试验的意义 双s b r 脱氮除磷工艺的污泥系统有以下特点： ( 1 ) 系统中两种功能的污泥相对独立。在反应过程中两个反应器间只进行上清液 的交换，a 2 一s b r 中的反硝化聚磷污泥和o s b r 的硝化污泥，两者不发生混合。系 统运行时可以针对污泥不同的生理特点分别采用不同的运行条件f 泥龄、曝气量等1 。 使两种污泥都能在理想的条件下工作，排除了相互干扰，可以取得较好的脱氮除磷 效果。 ( 2 ) 双s b r 脱氮除磷工艺的污泥既是相对独立但又相互提供营养水平和条件， 因而任何一个出现问题必将影响另外一个。a 2 s b r 中厌氧过程反应不能将原水中 的有机物转化为胞内贮存物p h b 时，会使o s b r 的进水中含有的c o d 浓度较高， 使o s b r 系统内由于有机物的氧化消耗一定的溶解氧。由于硝化反应对溶解氧浓 度较为敏感，硝化进水c n 的升高必使硝化反应受到抑制，影响硝化菌的优势地位； 当o s b r 硝化阶段不能产生足够的硝酸盐作为d p b 的电子受体时，会影响d p b 的 吸磷效果，因而使反硝化聚磷菌的生长受到影响。 ( 3 ) 在现行污水处理工艺构筑物中，可以找到硝化性能良好的污泥种源。因而硝 化污泥比较容易培养。但是大多数情况下，前置反硝化工艺中缺氧段并没有观察到 吸磷现象，或者观察到的吸磷量很少。其主要原因是随回流污泥进入厌氧区的硝酸 盐抑制了厌氧释磷和p h b 的合成，从而减少了吸磷所需要的p h b 氧化释能1 4 】。这 说明前置反硝化工艺并没有为d p b 的选择和富集提供适合的条件f _ ”。双s b r 脱氮 除磷工艺具有优良稳定的脱氮除磷功能，但系统相对复杂，启动比较困难。本文通 过试验研究了双s b r 脱氮除磷工艺的启动方法及相关技术。 3 2 启动试验说明 试验主要分为两个阶段：即普通聚磷菌p a o s 污泥培养阶段、d p b 培养阶段。 普通聚磷菌p a o s 的培养：在单独s b r 反应器内，采用传统厌氧好氧交替运 行的方法进行试验。 d p b 的培养：在双s b r 脱氮除磷系中培养反硝化聚磷污泥，并使系统达到稳 定的连续运行状态。为了找到可行的培养方法，分别采取了两种不同的缺氧阶段进 水方式( 一次性进水、连续性进水) ，和两种不同的氨氮浓度投加方式( 始终投加7 0 西安建筑科技大学硕士论文 m g n l 、氨氮浓度逐渐升高分别为4 0 、5 0 、6 0 、7 0m g n l ) 。 3 3 普通聚磷茵污泥p a o s 培养 污泥取自西安市邓家村污水处理厂，污泥呈深褐色，有泥土腥味，首先将污泥 用筛网过滤2 3 遍，去除杂质和大块沉积物，再淘洗几次以去除有毒有害物质。然 后将污泥装入反应器中，进水搅匀后，测s s ，根据测量结果加入或抽出部分污泥使 反应器内初始污泥浓度在3 2 0 0 m g l 左右。控制温度在2 5 。c 左右，用n a h c 0 3 调节 反应器内p h 值在7 8 之间。然后开始进行周期性进水的连续培养。 3 3 1 试验方法 人工配水：c o d = 3 5 0 m g l ，p 0 4 3 - - p = 1 0 m g l ，氨氮1 7 m g n l ，微量元素。