（环境工程专业论文）城市污水处理厂ab工艺脱氮除磷工艺改造优化研究.pdf

j 1_f1l q 分类号： 学号： 华南理工大学硕士学位论文 一? 川f j f 川i j l f f l f i j f i 川删舢 y 1819 6 4 7 。 学校代号：1 0 5 6 1 秘密 城市污水处理厂a b 工艺脱氮除磷 工艺改造优化研究 作者姓名：丁进军指导教师姓名、职称：周少奇教授 申请学位级别：工学硕士 学科专业名称：环境工程 研究方向：水污染控制理论与技术 论文提交日期：2 0 0 7 年5 月2 0 日论文答辩日期：2 0 0 7 年6 月8 日 学位授予单位：华南理工大学 学位授予日期：年月日 答辩委员会成员： 华南理工大学 夕 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 1 趟当 日期：沙秒年么月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ：学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 娠密，在l 年解密后适用本授权书。 口不保密， 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 f 瞻 见。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：了越 一 指导教师签名： 日期：砷。i o 0 飘御j o i 摘要 为了缓解我国日益恶化的水体污染问题，我国颁布了更加严格的生活污水排放标 准，同时加强了城市污水处理厂的建设和改造。针对我国南方低浓度、低c n 比的城市 污水处理，传统脱氮除磷工艺中存在着许多问题，在利用活性污泥法处理该类城市污水 时，往往遇到脱氮和除磷微生物相互竞争有机碳源的情况，造成我国南方城市污水处理 厂的脱氮除磷效果不是很理想。本论文针对广州市某污水处理厂a b 工艺的实际运行状 况，在中试装置上进行a b 工艺改造的同步脱氮除磷优化试验研究，结合新型的脱氮除 磷处理技术来改善该污水处理厂的出水水质，为该厂今后的工程改造提供有益的技术参 数。 试验在中试装置上进行，以两种运行工艺进行比较，分别为a 2 o 工艺和u c t 工艺； 通过控制进水流量、各段溶解氧浓度、回流比、污泥龄和污泥浓度等参数，对两种工艺 的脱氮除磷处理效果进行比较；同时研究在循环流污水处理工艺中实现同时硝化反硝化 的条件，结合生物吸附和生物反硝化除磷作用，实现该污水处理厂污水的同步脱氮除磷。 试验发现上述两种工艺应用到该污水处理厂a b 工艺改造时，具有各自的优缺点， 但c o d 、总氮和总磷去除率均分别在7 0 、5 0 和8 0 以上，出水基本满足我国最新 的污水排放标准；通过经济和环境的效益比较，得出a b 工艺改造的最优化方案；在工 艺运行期间，通过调节中试装置各段溶解氧浓度，发现存在同时硝化反硝化( s n d ) 现 象，能够在低碳源条件下有效实现脱氮作用，结合a b 工艺的生物吸附降解作用和反硝 化除磷作用，实现了城市污水的同步脱氮除磷处理。 对于我国南方低浓度、低c n 比的城市污水，采用传统脱氮除磷工艺时往往遇到 有机碳源不足的问题。为了改善出水水质，结合新型脱氮除磷工艺技术，通过在原有工 艺上的技术优化试验，可以使传统工艺实现同步的脱氮除磷，这为今后我国城市污水厂 的改造提供了新的思路。 关键词：低浓度和低c n 比城市污水；城市污水处理厂a b 工艺改造；a 2 o 工艺和 u c t 工艺；同时硝化反硝化( s n d ) ：反硝化除磷；生物吸附 w a s t e w a t e rp l a n t e x p e r i m e n t a t i o nd i s c o v e r e dt h a tt h e r ea r er e s p e c t i v e l ya d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e w h e na p p l y i n gt h et w op r o c e s s e st oi m p r o v et h ea b p r o c e s si nt h ec i v i lw a s t e w a t e rp l a n t t h e r e m o v a lr a t e sf o rc o d 、t na n dt pr e s p e c t i v e l yu p w a r do f7 0 、5 0 a n d8 0 ，w a s t e w a t e r w a sd i s c h a r g e d b yf u l f i l l i n gg o v e r n m e n ts t a n d a r d s ；b yc o m p a r i n ge n v i r o n m e n t a la n d e c o n o m i cb e n e f i t s ，a no p t i m i z a t i o nr e c o n s t r u c t i o nf o ra b p r o c e s sh a sb e e na c h i e v e d ；d u r i n g t h ee x p e r i m e n t a t i o n , b ya d j u s t i n g d i s c o v e r e dt h e p h e n o m e n ao fs i a v a i l a b i l i t yd e n i t r i f i c a t i o nc o u l db e w h e na p p l y i n gt h et r a d i t i o n a ld e n i t r i f i c a t i o na n dp - r e m o v a lp r o c e s st ot r e a tt h el o w c o n c e n t r a t i o na n dl o wc nc i v i lw a s t e w a t e r , t h e r ei sap r o b l e mt h a to r g a n i cc a r b o ni s l a c k f o ri m p r o v i n gt h ew a s t e w a t e rq u a l i t y , b yc o m b i n i n gn e wd e n i t r i f i c a t i o na n dp - r e m o v a l p r o c e s s e st oo p t i m i z et h eo l dp r o c e s s e s ，ag o o dd e n i t r i f i c a t i o na n dp - r e m o v a le f f e c tc a nb e a c h i e v e di nt r a d i t i o n a lp r o c e s s e s ，i tc a np r o v i d ean e ww a yf o rt h er e c o n s t r u c t i o no ft h ec i v i l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s k e y w o r d ：t h el o wc o n c e n t r a t i o na n dl o wc nw a s t e w a t e r ；t h er e c o n s t r u c t i o nf o ra bp r o c e s s i nac i v i lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ；醅l qp r o c e s sa n du c tp r o c e s s ；s i m u l t a n e o u s d e n i t r i f i c a t i o na n dn i t r i f i c a t i o n ( s n d ) ；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 ；b i o - a d s o r p t i o n i i i 目录 摘要：i d l 】! i s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 水污染现状和控制对策1 1 1 1 水污染恶化。1 1 1 2 氮磷污染严重。2 1 1 - 3 水污染恶化的原因3 1 1 4 控制对策一4 1 2 脱氮除磷处理技术的研究进展5 1 2 1 传统脱氮除磷处理技术原理5 1 2 2 新型脱氮除磷处理技术原理7 1 3 广州市某污水处理厂a b 工艺的改造一1 2 1 3 1 广东省及广州市水体污染状况1 2 1 3 2 广州市某污水处理厂a b 工艺13 1 3 3a b 工艺遇到的问题1 4 1 3 4 南方城市污水特征1 6 1 3 5a b 工艺改造的研究进展1 8 1 4 研究目的与内容2 1 第二章广州市某污水处理厂a b 工艺运行状况。2 3 2 1 广州市某污水处理厂a b 工艺进水水质分析2 3 2 2 广州市某污水处理厂a b 工艺处理效果分析2 5 2 2 1a b 工艺对c o d 的处理效果分析2 5 2 2 2a b 工艺对t n 的处理效果分析2 6 2 2 3a b 工艺对t p 的处理效果分析2 8 2 3 本章小结。2 9 第三章a 2 o 工艺的试验研究3 0 3 1 改造方案的可行性研究3 0 i v 3 2 试验材料和方法一3 0 3 2 1 试验材料3 0 3 2 2 试验方法3 1 3 3 运行工况结果分析。3 2 3 3 1a 2 o 工艺对c o d 的处理效果3 2 3 3 2a 2 o 工艺对t n 的处理效果3 3 3 3 3a 2 o 工艺对t p 的处理效果3 6 3 3 4a 2 o 工艺和a b 工艺的处理效果比较3 7 3 4 本章小结。3 7 第四章u c t 工艺的试验研究3 9 4 1 改造方案的可行性研究3 9 4 2 试验材料和方法3 9 4 2 1 试验材料3 9 4 2 2 试验方法3 9 4 3 运行工况结果分析。4 0 4 3 1u c t 工艺对c o d 的处理效果4 0 4 3 2u c t 工艺对t n 的处理效果4 2 4 - 3 3u c t 工艺对t p 的处理效果4 9 4 3 4d o 变化对出水效果的影响5 l 4 3 5u c t 工艺与a 2 o 工艺、a b 工艺的处理效果比较：5 4 4 4 本章小结5 4 第五章脱氮除磷优化技术5 6 5 1 同时硝化反硝化研究5 6 5 1 1 同时硝化反硝化的运行特点5 6 5 1 2s n d 工艺的运行参数5 7 5 1 3 优化研究过程的s n d 现象5 8 5 2 反硝化除磷研究6 0 5 2 1 优化研究过程的反硝化除磷现象：一6 0 5 3 生物吸附研究6 1 5 4 本章小结6 3 v 第六章改造方案环境经济效益比较6 5 6 1 运行费用比较。6 5 6 2 环境效益比较6 6 6 3 本章小结一6 6 结论与展望6 7 结论6 7 展望6 8 参考文献7 0 攻读硕士学位期间取得的研究成果7 5 致谢7 6 v i 第一章绪论 1 1 水污染现状和控制对策 1 1 1 水污染恶化 第一章绪论 自实施改革开放以来，我国经济取得了令人瞩目的成就。与快速的经济增长、工业 化和城市化相伴而生的是给环境带来的巨大压力，给人体健康和自然资源带来的严重危 害。环境遭到越来越严重的破坏，已经严重影响了国民经济的发展和人民生活水平的提 高。 据统计【l 】，2 0 0 4 年我国七大水系的4 1 2 个水质监测断面中，i 类、v 类和劣 v 类水质的断面比例分别为：4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 。2 0 0 5 年1 月对七大水系的1 7 5 条河流、3 4 5 个断面的监测显示：i 类水质占4 6 7 ，其中i 类占9 0 ，i i 类占1 7 7 ，m 类占2 0 0 ；v 类水质占2 4 9 ，其中类占1 6 2 ，v 类占8 7 ；劣v 类 水质占2 8 4 ，基本丧失使用功能。劣v 类水质由原来的2 7 9 增加到2 8 4 ，而重点 流域4 0 以上的断面水质没有达到治理规划的要求。在2 0 0 5 年1 月全国5 2 个主要湖泊 评价中显示，5 个受到污染，2 6 个受到严重污染，7 5 的湖泊不同程度的富营养化，滇 池、巢湖、太湖最为严重，滇池五类水质占6 9 ，劣v 类水质占3 1 ，不少湖泊出现 藻类爆发1 2 1 。 在“十五”计划确定的各项指标中【3 】，未完成目标控制要求的主要指标就有c o d ( 化 学需氧量) 排放量。1 9 9 9 年2 0 0 4 年，来自生活污水的主要污染物c o d 排放量呈增长 趋势，年均增长3 1 ，生活污水c o d 排放量现己超过工业源c o d 的排放量。初步统 计数据显示，2 0 0 5 年全国c o d 排放总量1 4 1 3 万吨，与“十五”提出的1 3 0 0 万吨的总量 控制目标相差1 1 3 万吨，仅比2 0 0 0 年减少了2 ，未完成削减1 0 的控制目标。截止 到2 0 0 6 年上半年，全国c o d 排放总量6 8 9 6 万吨，同比增长3 7 n 。 统计显示，2 0 0 3 年我国全国废污水排放总量6 8 0 亿吨，其中2 3 为工业废水，1 3 为生活污水，比1 9 8 0 年增加2 倍。约有1 3 的工业废水和2 3 的生活污水未经处理排入 水中。农田大量使用化肥、农药，也加剧了水环境的污染。而城市作为经济和生活中心， 污水排放量大，加之我国城市污水的处理水平普遍不高，城市水环境面临的形势十分严 峻，流经城市的河段近9 0 受到污染，城市内湖水质较差。在2 0 0 4 年中国城市环境保 华南理工大学硕士学位论文 护报告中指出【5 】，2 0 0 4 年全国1 8 7 个城市中，地下水污染减轻的有3 9 个，污染加重的 有5 2 个，水质稳定的有9 6 个。2 0 0 4 年，全国城市污水排放总量为3 5 5 亿吨，城市污水 处理率为4 5 6 。1 9 9 3 2 0 0 4 年，生活污水排放量呈增长态势，生活污水排放量年均增 长7 7 ，生活污水自1 9 9 9 年起已超过工业废水排放量成为城市水污染的首要来源。1 9 9 3 年2 0 0 0 年工业废水排放总体呈下降趋势，2 0 0 0 年以来呈缓慢增长态势。工业企业废水 排放达标率总体呈上升态势，近年来基本保持稳定。根据2 0 0 4 年对中国5 0 0 个城市的 统计结果，中国城市生活污水处理率平均仅为3 2 3 3 ，有1 9 3 个城市的生活污水集中 处理率为零。中国城市环境基础设施建设相当薄弱，已经越来越难支撑城市的可持续发 展。 目前，水污染已出现由支流向主干延伸、由城市向农村蔓延、由地表水向地下水透、 由陆地向海域发展的趋势。全国大、中城市浅层地下水不同程度地遭受污染，约一半的 城市市区地下水污染较为严重，大城市的中心地带、城镇周围区，以及排污河道两侧、 引污灌溉区污染尤为严重【6 1 。 1 1 2 氮磷污染严重 从我国水体污染的统计数据可以看到，城市水体主要污染因子为化学需氧量、总磷 和总氮。七大水系主要污染指标均为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。 而水体中氮磷污染将会产生多种危害。 从氮磷污染源来看，生活污水和工业废水的排放给水体带来严重的氮磷污染，其中， 生活污水排放量与水体磷含量呈显著正相关，磷元素污染的水期变化特征与生活污水排 放的季节变化规律有较强的同步性。从其他污染源来看，氮营养元素污染轻重与化肥使 用量，特别是氮肥使用量呈正相关关系。同时，水上养殖要向水体投放大量富含氮磷营 养元素的饵料，也必然影响水体水质，有的地方还向水体投放化肥粪便以提高营养成分， 使水体氮磷营养元素污染加重。 水体氮磷污染的主要危害是引起水体的富营养化。氮磷是水体中动植物的营养因 子，若未经处理直接排放，水体含氮、磷浓度将会越来越高，造成藻类大量繁殖，给水 体造成危害，直接导致湖泊、河流的富营养化问题。而富营养化水体中的氮磷主要包括 外部进入水体的氮磷，以及水体内部自身底泥等沉积物释放进入水中的氮磷。大多数情 况下，氮主要通过面源进入水体，磷主要通过点源进入水体。有研究表明【7 】，湖泊、水 库中磷的8 0 来自于污水排放。而磷的主要来源是家庭洗涤剂的使用，其磷的污染强度 2 第一章绪论 均占总的磷污染负荷的5 0 左右。 氮磷营养盐是造成水体富营养化的元凶，而磷则是其罪魁祸首。这是因为尽管氮磷 同为生物的重要营养物质，但藻类等水生生物对磷更为敏感。当水体中磷处于低浓度时， 即使氮浓度能满足藻类等水生生物的需要，其生产能力也会大受遏制。水体中的氮不 足，往往可由许多固氮的微生物来补充，而磷则不能。显然，控制水体中的磷含量，比控 制氮含量更有实际意义。 除了水体富营养化问题，氮磷污染还影响经济效益和人体健康。中小河流有毒有害 藻类的大量增殖和底质污染元素的释放，将会影响当地以其为水源的渔业和农业生产， 致使产出有害于人体健康的农产品。其次，饮用水源中含氮浓度过高，硝酸盐和亚硝酸 盐转化成亚硝胺，将会产生“致癌、致变、致畸”的毒害作用 7 1 。 1 1 3 水污染恶化的原因 1 1 3 1 粗放型经济增长方式没有根本转变，污染物排放量大，超过水环境容量 中国城市经济一直保持高速增长态势，并且长期以来延续的是一种“高投入、高消 耗和高排放”的粗放式增长模式，城市化进程的加快，城市人口的增加，人民生活水平 的提高和消费升级，都给原本趋紧的城市资源、环境供给带来更大的压力，一些城市污 染物排放总量超过环境容量，保护和改善城市环境质量的任务十分艰巨【8 】。“十五”期间 产业结构调整未达到预期目标是c o d 总量控制不力的首要原因。造纸工业是排放c o d 的重点行业，草浆造纸是污染水环境的主要原因。我国纸及纸制品2 0 0 5 年产量几乎比 2 0 0 0 年翻了一番，同时污染治理设施没有能够完全及时配套，造成占全国工业c o d 排 放总量半数以上的造纸行业的排污总量没有得到有效控制p j 。 1 1 3 2 城市污水处理和工业废水治理程度不够 到2 0 0 5 年底【l o 】，全国还有2 7 8 个城市没有建成污水处理厂；有3 0 多个城市约5 0 多座污水处理厂运行负荷率不足3 0 ，或者根本没有运行；污水处理厂污泥和垃圾普遍 存在二次污染隐患；污水再生利用水平有待提高；一些企业超标排污，严重影响污水处 理厂安全运行。而我国有一半以上的污水处理厂因经费不足，无法正常运行，这些企业 处理后排出的仍然是污水。被检查的5 3 2 座污水处理厂有一半以上因经费不足等原因非 正常运行，全年平均超标天数高达1 5 2 天。也就是说经过这些污水处理厂处理过的水仍 未达标i l l 】。 华南理工大学硕士学位论文 1 1 3 3 污水处理工艺脱氮除磷功能欠缺和不足 目前，我国污水处理工艺普遍达到了较高水平，但是对于一些特殊性质污水的处理 却不是很理想。对于脱氮除磷污水处理工艺，我国已经有较多的研究，但是仍然停留在 应用传统脱氮除磷工艺的基础上，为了改善脱氮除磷效果，必须提高污水处理工艺水平。 城镇污水的排放是水环境中氮磷的主要来源之一，而我国许多较早建设的城市污水处理 厂甚至都不具备脱氮除磷功能，大量高浓度氮磷被直接排放，导致了严重的水体污染。 1 1 4 控制对策 1 1 4 1 加强城市污水处理厂的建设和改造 许多城市仍然没有污水处理厂，污水直接排放造成严重的污染。而对于有些污水处 理厂即使建成以后，正常运行的时间也不长。大部分正常运行的污水处理厂由于建设时 间较早，大部分没有具备深度脱氮除磷功能，为了满足日益严格的污水排放标准，必须 进行优化改造。 目前，随着城市环境基础设施建设投资和运行机制的改变，城市污水处理厂建设加 快，处理量逐年增加，城市污水处理率不断提高。截至2 0 0 5 年底1 2 】，中国城市污水处 理率已达5 2 ，比2 0 0 0 年提高1 8 个百分点，其中1 3 5 个城市的污水处理率已达到或接 近7 0 。中国将在“十一五”期间投资3 0 0 0 亿元以推进城市污水处理和利用。中国政府 在2 0 0 5 年底提出了城市污水处理率2 0 1 0 年要达到7 0 的目标。重点城市的污水处理率 在2 0 1 0 年要达到8 0 ，中小城市达到6 0 7 0 。1 9 9 9 年2 0 0 4 年5 年间，原4 7 个环 保重点城市的工业废水排放达标率从8 3 6 提高到9 1 5 ，水域功能区达标率从8 9 4 9 提高到9 3 9 5 ，生活污水处理率从2 4 7 提高到5 3 6 ，5 年提高了2 8 9 个百分点。 我国城市污水处理厂的建设取得了较大的进步，近3 年中国新建的城市污水处理厂 规模相当于此前5 0 多年中国城市污水处理厂的建设规模。但是为了改善日益恶化的水 污染状况，必须继续提高城市污水处理率。 加强城市污水处理厂建设的同时必须投资进行原有污水处理厂的改造，增加深度脱 氮除磷的处理功能，改善排放污水水质。这样可以节省资金，同时有效发挥原有污水处 理厂的作用。 1 1 4 2 加强对污水处理技术的研究和开发，研究深度脱氮除磷技术 城市生活污水的处理迫切需要增加脱氮除磷工艺，以满足更为严格的生活污水排放 4 第一章绪论 标准，避免造成二次污染。如果不加强对污染水体的治理，水体的污染会越来越严重， 将会影响到人们的身体健康和环境的质量。 目前对城市污水处理厂的管理执行污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 9 6 ) 1 4 】。由于该 标准多数指标是针对工业废水的，当时城市污水处理厂的建设尚处于起步阶段，处理技 术还在发展阶段，因此，对城市污水的针对性不强f 1 5 】。不同污水处理技术又是根据不同 水质情况而开发，各个地方的水质特征不同，相同污水处理技术未必能达到相同的污水 处理效果。所以针对不同地域的脱氮除磷工艺的研究，需要进一步的加强。 我国最新发布实施的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 ) 1 6 】于2 0 0 2 年1 2 月2 7 日由国家环境保护总局和国家技术监督检验总局批准发布，标准中针对 原来标准中氨氮的标准比较宽，加强了总氮的控制。而对于总磷也控制在较严格的排放 范围之内。为此，我国新建的城市污水处理厂和急需改造的城市污水处理厂都必须满足 最新的污水排放标准，采用有效的脱氮除磷工艺处理污水，加强对总氮和总磷浓度的控 制。 1 2 脱氮除磷处理技术的研究进展 氮磷污染逐渐成为了污水处理控制的主要因子，所以应该加强污水处理工艺中脱氮 除磷处理技术的研究。为了达到在一个处理系统中同时去除氮和磷的目的，近年来，各 种脱氮除磷工艺应运而生。主要有a 2 o 工艺、改进b a r d e n p h o 工艺、u c t 工艺和s b r 工艺，以及上述这些工艺的改进工艺，比如倒置a 2 o 、v i p 、i c e a s 、c a s s ( c a s t c a s p ) 、 i d e a 、u n i t a n k 和m s b r 工艺，其他的脱氮除磷工艺有l i n p o r 工艺、氧化沟工艺、 生物膜工艺1 1 刀。 而新型的除磷处理技术中有反硝化除磷工艺，如b c f s 工艺、d e p h a n o x 工艺和 a 2 n s b r 工艺等，脱氮新工艺中有同时硝化反硝化( s n d ) i s 】工艺、s h a r o n 工艺及 a n a m m o x 工艺。 1 2 1 传统脱氮除磷处理技术原理 1 2 1 1 传统脱氮原理 污水中氮的去处有物理化学和生物方法，物化法主要应用于工厂内部的治理，城市 污水处理厂很少采用，主要有吹脱法和折点加氯法等，还有化学中和法、化学沉淀法， 选择性离子交换法等。物化脱氮工艺的特点是操作简便、能耗低、除氮的效果稳定，适 华南理工大学硕士学位论文 合于工矿企业排出的高含氮废水的处理，如氮肥厂等。 污水的生物脱氮1 1 9 1 是指在微生物作用下，将有机氮和氨态氮转化为n 2 和n x o 气体 的过程，其中包括硝化和反硝化两个反应过程。它能较彻底地脱除废水中的氮，并且不 会造成二次污染，能耗较物理化学法低。但一般生物处理的污水含氮浓度较低，故可和 物化方法相结合处理。 传统生物脱氮工艺首先经历氨化过程，然后是硝化过程和反硝化过程，而氨化过程 一般在污水管道内和进入生化反应器之前就已经发生。具体的过程是：污水中有机氮转 化为氨氮，即氨化过程，然后通过化能自养型微生物在好氧条件下进行硝化反应将氨氮 转化为硝态氮，即硝化过程，再通过异养型兼性厌氧菌在无氧条件下进行反硝化反应将 硝态氮还原成气态氮从水中逸出，即反硝化过程，从而达到脱氮的目的。硝化过程产生 h + 使p h 值下降，故须保持足够的碱度。同时，由于硝化细菌是化能自养菌，水中过 高的b o d 。值将有助于异养菌的增值；反硝化过程反应可产生一定的碱度，但是却需要 有机碳源。反硝化过程其实能和硝化过程进行有利的互补，解决一些矛盾口0 1 。 传统脱氮工艺比如a o ( 缺氧好氧) 脱氮工艺、b a r d e n p h o 工艺等，其作用机理都 是创造出生物脱氮所需要的缺氧和好氧环境，实现硝化和反硝化作用。硝化反应过程不 需要碳源，但需要消耗碱度和保证足够的溶解氧，所以必需补充碱度和进行曝气；而反 硝化反应需要足够的有机碳作为电子供体和营养源，而且不同的有机碳将导致反硝化速 率的不同，但是该过程产生一定的碱度，在无氧条件下才以硝酸盐为电子受体进行反应。 1 2 1 2 传统除磷原理 除磷处理技术也分为化学法和生物法，化学方法除磷处理就是以磷酸盐能和某些化 学物质如铝盐、铁盐、石灰等反应生成不溶沉淀物为基础进行的，伴生反应产物常具有 絮凝作用。化学沉淀除磷效率高但是价格较高。 生物除磷工艺分为两个阶段，第一个阶段为厌氧释磷阶段。含有过量磷的污泥部分 以剩余污泥形式排出系统，大部分和污水进入厌氧状态，在厌氧的不利状态下，污泥中 的聚磷菌需要产生能量才能维持其生存，故其分解体内的聚磷酸盐，排放出磷进入水体， 并释放出能量供聚磷菌生存和摄取水中有机物以p h b ( 聚伊羟基丁酸盐) 的形式储存 于体内。 第二阶段为好氧摄磷阶段。进入好氧状态，聚磷菌将会不断增殖，它利用p h b 好 氧分解释放出能量供它来吸收废水中的磷并将其聚合成聚磷酸盐储存于细胞内。一般情 6 第一章绪论 况下聚磷菌在好氧条件中摄取的磷量比在厌氧条件下释放的磷量要多，污水生物除磷处 理正是利用这一特点，通过剩余污泥的排放来达到除磷的目的【2 l 】。 从生物除磷机理中我们不难看出，只要提供厌氧和好氧环境，就可以实现污水除磷 的目的，当然还有许多其它重要的控制条件。目前，厌氧好氧两段式活性污泥法是生物 除磷处理最简单的工艺，为了使微生物在好氧池中易于吸收磷，溶解氧应维持在2 m g l 以上，p h 值应控制在7 8 之间。 将传统的脱氮工艺和除磷工艺结合，就形成了传统脱氮除磷工艺，它们有的是在不 同反应器创造出厌氧、缺氧和好氧三种环境，比如a 2 o 工艺，改进b a r d e n p h o 工艺， u c t 工艺；有的是在同反应器中根据不同时间阶段控制出厌氧、缺氧和好氧三种环境， 比如s b r 工艺，而改进的工艺是根据传统脱氮除磷工艺中有机碳源的合理分配、提高 除磷稳定性、提高容积利用率等方面进行技术优化，比如倒置a 2 o 工艺、u c t 及v i p 工艺，u n i t a n k 工艺等。 1 2 2 新型脱氮除磷处理技术原理 1 2 2 1 新型脱氮原理 ( 1 ) 生物脱氮的生化反应计量学关系障2 】 环境污染物的微生物处理过程都是在反应器生态系统中进行，而在反应器生态系统 中，利用生化反应计量学( s t o i c h i o m e t r y ) 原理，可以研究生化反应化合物组成及反应 转化程度数量关系，主要体现是生化反应的物质守恒原理。在化学反应过程中，反应物 系中各组分量的变化必定服从一定的计量关系。这种化学计量关系是进行反应器物料衡 算的基础，对确定反应器的进料配比、产物组成以及工艺流程和化学反应的优化控制等 均有重要意义。 根据生化反应的电子计量学方法【2 3 五4 1 ，所有非光合作用微生物的中间反应都由两部 分组成，一个是合成，一个是能量。将生化反应过程写成三种形式的半反应，以电子当 量为基础可以写出生化反应的计量方程式： r = r d 嗽肚。( 1 1 ) 工颤= 1 0 ( 1 - 2 ) 式中，工表示电子供体用于能量部分的分量，五表示用于合成部分的分量。国内周 少奇采用该理论对生物硝化、生物反硝反应进行了研究，获得了具有普适意义的有关计 量学关系式。 7 华南理工大学硕士学位论文 氨氮在硝化细菌作用下可转化n o ；和n 0 2 ，硝化菌采用c 5 h 7 0 2 n 为分子式，考虑 到以l m o l 电子当量为基础，各种电子供体提供1 m o l 电子与4 m o l 0 2 接收的电子是等价 的，所以这里电子供体以1 4 ( c o d ) 计，用计量学方法可推的硝化反应的计量学方程式 为： n o ；途径： 等眦+ 了l - - f su 2 _ 十百f sh c o 产扣+ 丽f sc s h 7 0 2 n + 等矿+ 等h 2 0 n o ；途径： ( 1 3 ) 1 0 + 6 。3 f sn h ：+ 丁1 - - f su 2 十了f sh c u i = i 1n 。_ + 2 f s 。c 5 h 7 0 2 n + 王旷+ 望h ：o ( 1 - 4 ) 用电子计量学方法可推的反硝化反应的计量学方程式为： 三( c 丢( c 碱度 大需 第一章绪论 进行硝化可节省2 5 的氧和1 9 2 的碱度。在厌氧条件下，异养菌以c o d 为电子供体， 以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体进行反硝化。由( 1 5 ) 式可以算出：还原l m g 的n o ；至 少需要消耗2 8 6 m g 的c o d ，由( 1 6 ) 式可知，还原l m g 的n o ；至少需要消耗1 7 1 m g 的 c o d ，经过n o ：途径进行反硝化可节省4 0 的c o d t 2 5 1 。 ( 2 ) 生物脱氮工艺 生物脱氮技术的新发展突破了传统理论的认识。近年来的许多研究表明：硝化反应 不仅由自养茵完成，某些异养菌也可以进行硝化作用；反硝化不只在厌氧条件下进行， 某些细菌也可在好氧条件下进行反硝化；而且，许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌， 并能把n h ：氧化成n o i 后直接进行反硝化反应。生物脱氮技术在概念和工艺上的新发 展主要有：短程( 或简捷) 硝化反硝化、同时硝化反硝化( s n d ) 和厌氧氨氧化( a n a m m o x ) 2 6 1 o 首先是短程硝化反硝化生物脱氮。它的基本原理【2 7 】就是将硝化过程控制在亚硝酸盐 氨 阶段，阻止n o ；的进一步硝化，然后直接进行反硝化。故也称为亚硝态氮途径脱氮工 艺。如何持久稳定地维持较高浓度n o i 的积累及控制影响n o ；积累的因素也便成为研 究的重点和热点所在。影响n o ；积累的主要因素有温度、p h 、游离氨( f a ) 、溶解氧( d o ) 、 游离羟胺( f h ) 以及水力负荷、有害物质和污泥泥龄等，国内外一些学者在这些方面做过 很好的研究。 目前比较有代表的工艺有s h a r o n 工艺，它是1 9 9 7 年荷兰戴尔夫特理工大学 h e l l i n g 开发的一种新型工艺【2 引，利用较高温度( 3 0 。c - 4 0 c ) 下硝化菌的增长速率明显 小于亚硝化菌，同时由于能保持较高的亚硝化菌浓度而无需污泥停留，这样s r t 就等于 h r t ，通过控制污泥排出率可使增殖慢的消化菌排出，这样通过控制温度和h r t ，采取 间歇曝气和控制污泥排出率等就可使亚硝酸菌占优而完成反硝化反应，实现脱氮目的。 还有的代表工艺有生物膜活性污泥法结合工艺等。 显然，与全程硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有如下的优点【2 9 1 ：硝化阶段可 减少2 5 左右的需氧量，降低了能耗；反硝化阶段可减少4 0 左右的有机碳源，降 低了运行费用；反应时间缩短，反应器容积可减小3 0 - 4 0 左右；具有较高的反 硝化速率，n o i 的反硝化速率通常比n o ；的高6 3 左右；污泥产量降低( 硝化过程可 9 华南理工大学硕士学位论文 少产污泥3 3 3 5 左右，反硝化过程中可少产污泥5 5 左右) ；减少了投碱量等。因 此，对许多低c o d n h 4 比废水( 如焦化和石化废水及垃圾填埋渗滤水等) 的生物脱氮处 理，短程硝化反硝化显然具有重要的现实意义。 其次是同时硝化反硝化( s n d ) 。传统观点认为硝化与反硝化反应不能同时发生，而 近年来的新发现却突破了这一认识，使得同时硝化反硝化成为可能【3 0 】。传统的硝化过程 是通过化能自养硝化菌在好氧条件下进行，而反硝化过程是通过异养型兼性厌氧菌反硝 化菌进行，最近却发现了某些异养硝化菌、好氧反硝化菌和自养反硝化现象，这些发现 均提供了硝化反硝化在同一反应器里同时完成的生物学解释。目前，对s n d 生物脱氮 的机理还需进一步地加深认识与了解，但已初步形成了三种解释3 1 】：即宏观环境解释、 微环境理论和生物学解释。宏观环境解释认为反应器混合形态不均，处于完全均匀混 合状态的情况并不存在，故总存在好氧段及厌氧段；微观环境解释认为由于氧扩散的限 制在微生物絮体内产生d o 梯度，其表面d o 较高，好氧硝化菌为主，深入絮体内部氧 传递受阻及外部氧的大量消耗产生缺氧区，反硝化菌占优。 最后是厌氧氨氧彳七【3 2 1 ( a n a m m o x ) 。它是指在厌氧条件下，微生物直接以n h ：为 电子供体，以n o ；或n o ；为电子受体，将n h 4 、n o ；或n o ；转变成n2 的生物氧化过 程。 主要反应过程为：n h ：+ n o ；n2 + 2 h2o ( 1 7 ) a n a m m o x 工艺，反应过程见图1 1 和公式( 1 7 ) 。因为亚硝酸盐的形成，将大 大减少传统硝化反硝化工艺中的需氧量和c o d 值；且由于a n a m m o x 细菌的低生长 速率和产率，使这一工艺特别适宜在温度高于2 0 。c 和在自营养系统中进行【3 3 】；由于能 量的节省和废水中的c o d 用于生产能，可大大减少c o ，的排放量；如果将a n a m m o x 为主的系统的运行费和基建费与现在应用的活性污泥系统相比，采用的工艺设备简单、 紧凑，减少了能量与化学药剂的用量，它们分别为后者的8 0 和6 0 。 脱氮处理技术的发展十分活跃，各种改进工艺层出不穷，但是它们始终遵循着把传 统生物脱氮机理和新脱氮机理相结合的原则，我们相信经过各国学者的努力，污水脱氮 技术会更加成熟，更加简便实用。 1 0 于高氮磷含量废水及产生v f a 潜力低的城市污水，因此，反硝化除磷具有十分重要的 理论意义和实际应用价值。利用这一发现，许多工艺均进行改良，在回流污泥处理流程 中带有预缺氧池的系统，其除磷处理效果高于普通的系统。 反硝化除磷工艺有b c f s 工艺、d e p h a n o x 工艺和a 2 n s b r 工艺等，在u c t 工艺中， 也发现了反硝化除磷现象【3 6 1 ，因为内循环使缺氧区有硝酸盐存在；当含有聚磷菌的混合 液从厌氧区进入缺氧区时，会使本来就大量存在于除磷系统中的d p b 得到强化，反硝 化除磷可以在此发生，尤其是改进的回流系统对于d p b 的蓄积和存留有强化作用。通 过缺氧区的反硝化除磷，剩余的没被完全吸收的磷可在好氧区以氧气为电子受体进一步 吸收，以此两过程的综合作用提高废水的除磷效率及运行稳定性。 华南理工大学硕士学位论文 不管是传统的还是新型的脱氮除磷技术，我们都要利用它们来进行工程应用，使得 新旧工艺能够有效结合，实现资源的整合，以缓解我国日益严峻的水体氮磷污染。而脱 氮除磷技术在具体应用到实际工程上时，需要根据不同污水水质进行科学研究，这样才 能合理发挥它们的优势。 1 3 广州市某污水处理厂a b 工艺的改造 1 3 1 广东省及广州市水体污染状况 近年来，广东省城市发展迅速，随着广东省城市人口的不断增加，环境污染问题也 越来越严重，对于孕育着广东人民的珠江流域，也受到了越来越严重的污染。据广东省 城市环境统计公布上显示【3 7 1 ，从2 0 0 0 年到2 0 0 5 年，广东省废水排放总量由4 4 7 5 亿吨 提高到6 3 8 亿吨，c o d 排放总量由9 5 1 2 x 1 0 4 m 3 提高到1 0 5 8 x 1 0 4 m 3 ，氨氮排放总量到 2 0 0 5 年已达1 0 o 1 0 4 m 3 。仅截止到2 0 0 2 年底，广东省的生活污水处理能力为 2 8 1 6 x 1 0 4 m 3 d ，处理率为2 1 1 6 ，低于3 4 2 5 的全国平均水平，全省尚有6 个地级以 上市未建污水处理厂。由于污水处理率低，大量未经处理的城市污水排入水体，广东省 8 0 以上流经城市的河段受到有机污染，甚至对城市供水安全构成了威胁，不少城市的 取水水源被迫越迁越远。随着广东省经济实力的增强，城市可持续发展的要求将使广东 省城市污水处理厂将以超常规的建设速度发展，到2 0 0 5 年，城镇生活污水处理率已达 到了4 0 2 ，而且提出了2 0 1 0 年不低于7 0 的目标【3 引。同时广东省政府为了改善珠江 水质，制定了更加严格的城市污水处理厂污水排放标准，对总氮和总磷的排放进行严格 控制。加强了对脱氮除磷污水处理工艺的科研