（环境工程专业论文）msbr脱氮除磷性能研究.pdf

重庆大学硕十学位论文 中文摘要 摘要 随着工业化和城镇化的快速发展，以及污水综合排放标准的不断提高，采用 具有同时脱氮除磷功能的污水处理工艺成为我国污水处理厂今后的发展趋势。研 究开发经济有效、运行可靠，占地少的同时脱氮除磷工艺具有非常重要的现实意 义。 m s b r 工艺是当今一种新的污水处理工艺，m s b r 工艺可视为a 2 o 工艺和 s b r 工艺联合而成，具有脱氮除磷功能。该工艺外形结构为一矩形反应池，池内 被分隔为7 个处理单元。工艺能在不间断流量的条件下实现连续进出水运行。 鉴于国内对m s b r 工艺的研究现状，论文提出一种与现有m s b r 工艺不同的 新工艺流程，并对其进行了实验研究。本文在分析了脱氮和除磷动力学后，先对 m s b r 工艺流程作了详细的介绍，然后试验研究了不同泥龄条件下m s b r 工艺的 脱氮除磷运行效果及m s b r 工艺的脱氮除磷性能。研究发现，m s b r 工艺通过对 流程的巧妙安排以及浓缩池的设置，较好地解决了脱氮和除磷间的矛盾，为硝化 菌、反硝化菌和聚磷菌创造了良好的生活环境，从而为工艺达到较好的脱氮除磷 运行效果创造了有利的客观条件。反应和沉淀交替进行的序批池更是加强了处理 效果。实验结果表明，在s r t = 1 5 d ，p h = 7 8 ，i - - 2 59 c ，厌氧池水力停留时间= 6 0 m i n ， 缺，厌氧池水力停留时间= 3 0 r a i n 的工艺条件下，m s b r 工艺取得了9 4 2 的c o d 去除率，8 8 7 的磷去除率，8 1 4 的氨氮去除率。实验证明m s b r 工艺具有脱氮 除磷的优越性。 最后，论文为m s b r 工艺的实际应用提出了一些建议。 关键词：m s b r 工艺，脱氮，除磷 里盎查堂堡兰：兰笪堡苎 菱苎塑至 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o na n du r b a n i z a t i o n ，a n dw i t ht h e r a i s i n go fc o m p r e h e n s i v ed i s c h a r g es t a n d a r d so fw a s t e w a t e r , i tb e c o m e sa t r e n df o r w a s t e w a t e rp l a n t st oe m p l o yf e wp r o c e s sw i t hb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a lc a p a c i t yi no u rc o u n t r y , s o i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et od e v e l o pa n e c o n o m i c a la n de f f i c i e n tp r o c e s s ，w h i c hc a r lr e l t t o v en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sw i t h s m a l lv o l u m e m s b r ( m o d i f i e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) p r o c e s si sa k i n do ff l e ww e s t e w a t a r t r e a t m e n tt e c h n o l o g yi np r e s e n t ，i th a st h eb i o l o g i c a ln i 仃o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l c a p a c i t y i nf a c t ，m s b rp r o c e s sc a r lb ec o n s i d e r e da sac o m b i n a t i o no fa z op r o c e s s w i t hs b r p r o c e s s w i t hac u b i cs t r u c t u r e ，m s b rp r o c e s si sm a d eo fs e v g ni n d i v i d u a l c e l l s m s b rp r o c e s sc a l ll q 2 1 1c o n t i n u o u s l yw i t h o u ti n t e r r u p t i n gi n f l u e n t o nt h eb a s i so f t h es t u d yc o n d i t i o n so f m s b rp r o c e s si no l l rc o u n t r y , an e wk i n d o f w o r kc o u r s eo f m s b r p r o c e s s ，w h i c hi sd i f f e r e n tw i t ht h ec u r r e n to n e ，i sp u tf o r w a r d a n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sa r ec o n d u c t e d h 1t h i sp a p e r , t h ek i n e t i c so fn i t r o g e nr e m o v a l a n dp h o s p h o n 2 sr e m o v a la r ea n a l y z e da n dt h ew o r k i n gc o u r s eo fm s b rp r o c e s si s d e t a i l e di n t r o d u c e df i r s t l y t h e nt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f i c i e n c yo f m s b r p r o c e s si nd i f f e r e n ts r t , a n d t h ec h a r a c t e r so f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l i n m s b r 9 r e c e s sb l e i n v e s t i g a t e d t h r o u 曲o x p e r i r n e n x s r e s e a r c h e ss h o w t h m i n g e n i o u s a r r a n g e m e n tf o re a c ht r e a t m e n tt a n ka n dt h es e t t i n g c o n c e n t r a t i n gt a n kc a nb e t t e rs o l v e t h ep r o b l e mb e t w e e nn i t r o g e nr e m o v a la n dp h o s p h o r u sr e m o v a lm e a n w h i l e ，t h e c o m f o r t a b l es u r r o u n d i n g sf o rn i t r i f i c a t i o n 、d e n i t r i f i c a f i o nb a c t e r i aa n dp h o s p h o t r o p h s a r ea c h i e v e di nm s b rp r o c e s s s o ，m s b rp r o c e s sh a st h eg o o da b i l i t yi nn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a l i na d d i t i o n , s b rf u r t h e re n h a n c e st h er e m o v a le f f i c i e n d e s , i i l w h i c hr e a c t i o na l t e r n a t e sw i t hs e t t l i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e , u n d e ra c o n d i t i o no t s r t = 1 5 d ，p h = 7 8 ，t = 2 5 ，a n a e r o b i ct a r & sh r t = 6 0 m i n ， a n o x i c a n a e r o b i ct a n k sh r t = 3 0 m i n ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h ec o d ，p n i h - ni s 9 4 2 ，8 8 5 ，8 1 4 r e s p e c t i v e l y , w h i c hp r o v e m s b r p r o c e s s t ob eag o o d m e a n s f o r n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l i nt h ee n d s o f i l es u g g e s t i o n so na p p l y i n gm s b rp r o c e s st op r a c t i c ea ”p r o v i d e d k e ) m o r t l s ：m s b rp r o c e s s ，n i t r o g e nr e m o v a l ，p h o s p h o r u sr e m o v m 重盎查兰堡主堂焦鲨苎1 _ 堕兰l 1 总论 1 1 研究的背景、目的和意义 在污水处理技术发展初期，人们仅把有机污染物即碳源生化需氧量( b o d 5 ) 和悬浮固体( s s ) 的去除作为污水处理的主要水质目标。随着常规二级生物处理 技术在工业化国家的普及，人们发现仅仅去除b o d 5 和s s 还不够，氨氮( n h 4 + - n 和n h ，+ 一n ) 的存在依然导致水体的黑臭和溶解氧浓度过低，于是常规二级生物处 理技术从单纯有机物去除发展到有机物和氨氮的联合去除，即污水的硝化处理。 到7 0 年代和8 0 年代，随着水质富营养化问题的日益深重，对污水进行氮磷去除 的实际需要使二级生物处理技术进入具有脱氮除磷功能的处理阶段。 世界各国都在广泛深入的开展废水生物脱氮除磷技术的研究，开发了许多各 具特色的工艺。随着对最终处理出水中氮、磷要求的日益严格，许多国家相继制 定严格的处理要求或出水标准。我国污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 就比 g b 8 9 7 8 8 8 更为严格，该标准不但增加了更为严格的一级标准( b o d 5 一 2 0 m g j l ， s s 一 2 0 m 鲫，c o i ) 一6 0 r a g 1 ，p 0 4 o 5 r a g 1 ，n h 4 - n 1 5 m g 1 ) ，而且将磷酸盐处 理标准扩大到所有排污单位。对我国而言，今后绝大多数城市污水处理厂都要考 虑脱氮除磷处理。 所有的生物脱氮除磷工艺都包括厌氧、缺氧、好氧三个不同过程的交替运行。 按照构筑物组成形式、运行性能以及运行操作方式的不同，可将已有生物脱氮除 磷工艺分为几个系列：b a r d e n p h o 系列、a o 系列、氧化沟系列和s b r 系列。这 些工艺系列在解决回流污泥中硝酸盐对释磷影响、脱氮和除磷的碳源矛盾和泥龄 矛盾的过程中得到不断发展，通过对池形、运行方式、曝气方式、生物学方面以 及投加填料等工艺方面的改进，充分满足了各种污水处理要求。 s b r 工艺系列在污水脱氮除磷中起着极大的作用。 s b r 法的最初研究是由美国i r v i n e 教授口肄开展的。s b r 法又被称为序列间 歇式反应器( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 。s b r 法的运行操作如图1 1 所示，每个 运行周期可划分为进水期、反应期、沉降期、排放期和闲置期，所有过程都在 个设有曝气或搅拌装置的s b r 反应池内进行，不必另设沉淀池和污泥回流泵等装 置。s b r 法的运行工况以间歇操作为主要特征，所谓的序列间歇式一是指运行操 作在空间上是按序排列间歇的；二是指每个s b r 的运行操作在时间上也是按次序 排列的。 重庆大学硕士学位论文1 总论 囹日日划 删洲黼 图1 1s b r 的运行周期 f i g 1 1t h ew o r k i n gc y c l eo f s b r p r o c e s s s b r 工艺在时间上是完全理想的推流状态，在达到相同去除率时，s b r 反应 器要比完全混合反应器所需要的反应器体积小而且推流状态能有效控制丝状菌的 过量繁殖，污泥沉降性能好。s b r 法又属于典型的完全混合式，具有耐冲击负荷 的特点，此外，s b r 反应器在沉淀过程中没有进水的扰动，属于理想沉淀状态。 s b r 还为有机物降解提供厌氧、缺氧和好氧多种生态条件，有利于难降解有机物 的去除口j 。同时，s b r 反应器由于具有时序性操作过程的特点，在操作过程中可以 形成各种环境条件，达到除磷脱氮的目的。 s b r 工艺把沉淀与反应集中在一个反应池进行，工艺简单；整个处理工艺的 平面布置紧凑，占地面积也比较少，有资料表明，采用s b r 法处理小城镇污水要 比普通活性污泥法节省基建投资3 0 多【4 l 。s b r 工艺的反应和沉淀在同一池中进 行，沉淀污泥仍然保留在该反应器中，无需进行污泥回流，节省了运行费用【5 】。 s b r2 1 2 艺在时间上的灵活控制，为其实现脱氮除磷提供了极有力的条件。虽 然s b r 反应器在时间上的灵活控制为其实现脱氮除磷提供了极有利的条件，但 s b r 法本身的特性决定它在污水脱氮除磷方面存在一些不足： n 0 3 - n 对除磷的影响：s b r 法中，所有反应都在一个反应器中进行。由于 好氧停曝后的缺氧段、沉淀及排水阶段的缺氧反硝化作用不完全，将会有部分 n 0 3 - n 残留在s b r 反应器中：同时迸水中也有部分n 0 3 - n ，这两部分的n 0 3 - n 会 对反应器厌氧段的释磷产生影响。除磷过程中每释放1 m 1 的p 需要7 5 m g 1 的 v f a ，污水中的v f a 含量通常在1 5 - - 4 0 r a g l 左右，远不满足厌氧区释磷的需要【6 】。 反硝化细菌还会与聚磷菌争夺碳源而抑制聚磷菌释磷1 7 】，使得除磷碳源不足的情况 更加严峻。 反硝化碳源不足：s b r 法中反硝化主要靠好氧停止曝气后的缺氧运行。反 硝化菌利用好氧期贮存的碳源和水中残留c o d 进行反硝化。由于生物除磷工艺的 厌氧稳定作用能去除原污水中的6 0 9 0 的有机物【8 9 1 0 l ，因此s b r 工艺缺氧段 反硝化碳源明显不足。 泥龄矛盾：硝化菌的繁殖速度慢，世代时间长。而聚磷菌多为短世代微生 物，且泥龄的长短与工艺的除磷效果直接相关。由表1 1 可知，降低泥龄能提高系 2 旮 重庆人学硕士学位论文1 总论 统的除磷率【1 1 。更有文献指出，除磷的最佳泥龄为3 5 7 d r l 2 】。s b r 反应器只有通 过兼顾脱氮和除磷的要求，选择一个中间值来解决脱氮和除磷的泥龄矛盾。由于 s b r 反应器无法同时较好地为聚磷菌和硝化菌提供良好的生长环境，s b r 法在处 理城市污水的实际运行过程中，经常出现脱氮效果好时除磷效果差、除磷效果好 时脱氮效果不佳的情况【1 3 】。 表1 1 泥龄与除磷率关系 t a b l e l 1 t h er e l a t i o n b e t w e e ns r ta n dr e m o v a le f f i c i e n c y o f p h o s p h o r u s 泥龄( d )3 01 7 5 34 6 l 磷去除率( )4 05 08 7 59 1 其它：s b r 系统对氮的氮化率较高，而高浓度的氨能抑制硝化菌的活性。 资料表明，o 6 m g 1 的分子态游离氨( f a ) 几乎可以全部抑制硝化菌活性【l ”，使 h n 0 2 氧化受阻，出现h n 0 2 积累；当f a 达到5 m g a 时，亚硝酸菌的活性也会产 生影响。 在每个运行周期末，s b r 反应器都要保留1 2 体积左右的活性污泥和残留液 量；此外，由于一个周期内沉淀和排水时间一定，周期数的增加造成实际反应时 间缩短，可见s b r 工艺的实际容积利用率低【5 1 。因为每个周期残留液的存在，当 迸水含有有毒有害物质时，会造成有毒有害物质在反应器中的积累。据报道，采 用灵活的进水方式，如非限量曝气或半限量曝气可减低有毒有害物质对工艺的影 响。但这种考虑与脱氮或除磷所需的环境相左，在实际运行中往往会削弱脱氮或 除磷的效果。 针对以上不足，s b r 在使用中不断改进，发展出1 c e a s 、c a s s 、u n i t a n k 、 d a t - 1 a t 、a s b r 、膜法s b r 等新型工艺。在发展过程中，s b r 工艺不断向一体化 靠近。大部分新型s b r 都吸收了传统活性污泥的特点，新型s b r 除了仍然拥有经 典s b r 的主要特点外还形成了一些独特的优点( 见表1 2 ) 1 1 5 , 1 6 】，发展了连续进、 出水和带回流污泥的运行方式。有文献指t 5 t 1 7 “甜，s b r 法的下步发展是对反应 器的空间结构进行改进，使污泥在较小的空间内与进水混合，不同的反应过程在 反应器的不同区间内连续进行以实现良好的运行条件并改善处理效果。m s b r 工 艺正是符合上述条件的新工艺。当今，运行可靠、经济有效、流程简单、控制灵 活、单元操作简单以及节约用地的一体化工艺对我国的污水处理建设有重大意义。 3 重庆大学硕士学位论文 1 总论 表1 2 不同类型s b r 工艺的特点 t a b l e l 2 t h ec h a r a c t e r so f d i f f e r e n t t y p e so f s b r 经典 特点 i c e a sc a s s u n r i 、a n km s b r s b r 沉淀性能好，处于 是 不不 不 是 理想沉淀状态 抑制污泥膨胀 弱 弱( 设选择池 弱f 设预反 弱强 ( 选择性准则) 改善)应段改善) 处理难降解废水率 强 弱 弱f 设预反 非常弱强 高( 生态多样性) 应段改善) 除磷脱氮性能( 厌 氧、缺氧和好氧等除n 、p除n除n 、p除n 、p 多种状态) 理想推流状态。有 是 不 不不 不 机物去除率高 不需二沉池和污泥 回流，工艺简单 是 是 仅需回流是是 连续进水不是不是是 连续出水不 不 不是是 注：u n i t a n k 、m s b r 的布置比较紧凑，但是流程比其他的s b r 要复杂 1 2m s b r 工艺的研究现状及存在问题 m s b r 工艺( m o d i f i e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 又称改良式序列间歇反应器， 是由c q y a n g 等人根据s b r 技术特点，结合传统活性污泥法技术开发的一种连续 进出水污水处理新工艺【1 9 。m s b r 工艺可视为由a 2 o 工艺和s b r 系统联合而成， 具有脱氮除磷功能，s b r 系统在m s b r 工艺中起着间歇交替运行、沉淀的作用。 m s b r 工艺被认为是目前最新、集约化程度最高的污水处理工艺，流程简单、控 制灵活、单元操作简单以及节约用地的一体化工艺正是如今污水处理工艺的发展 工艺的发展趋势1 2 ”。 m s b r 工艺外形为一矩形反应器，反应器内部被分隔成多个承担不同处理功 能的处理单元，m s b r 工艺不需设立初沉池和二、沉池。由于两个s b r 池在工艺中 交替充当沉淀池，m s b r 工艺无需间断流量做到连续进出水运行，还省去了多池 工艺所需要的众多连接管、泵和阀门，中试研究已表明m s b r 法是一种经济有效、 运行可靠的污水处理工艺【z u j 。 4 重庆大学硕士学位论文1 总论 m s b r 工艺的专利权属于美国a q u a 公司所有。目前m s b r 工艺主要在北美 和南美应用，加拿大s a s k a t c h e w a n 的e s t e v a n 污水厂采用了m s b r 工艺。在年均 温度为1 3 c 的情况下，该污水处理厂的出水水质仍很好，达到了9 5 的b o d 去 除率，9 i t k n 去除率，6 3 的t p 去除率的运行效果。韩国汉城建造了亚洲第一 座m s b r 污水处理厂。目前我国对m s b r 工艺的研究报道尚不多，大多停留在对 m s b r 工艺进行工艺介绍的层面上。深圳盐田污水处理厂采用了m s b r 工艺，是 我国首次将m s b r 工艺用于大中型城市污水处理工程，但其工艺设计方案及设备 均由美国a q u a 公司提供。 国内，同济大学的顾国维教授对m s b r 工艺进行了大量研究，从当初的连续 流序批式活性污泥法发展到如今的改良式序列间歇反应器阻2 3 1 om s b r 工艺最初 主要用于生物脱氮，现在m s b r 工艺的进一步发展是生物除磷或同时脱氮除磷。 在当今的局势下，将m s b r 工艺应用于同时脱氮除磷更具现实意义。顾教授等提 出的m s b r 脱氮除磷工艺的工艺流程如图1 ，2 所示。在这个工艺流程中，m s b r 工艺被分成6 个处理单元：厌氧池、缺氧池、主曝池、2 个序批池( 即s b r 池) 和浓缩池。在一个运行周期内，污水首先进入厌氧池，并与来自浓缩池的反硝化 回流污泥混合，活性污泥在厌氧池释磷。然后混合液流入主曝池，在好氧条件下 发生好氧硝化和吸磷反应。反应后的主曝气池出水分为两部份，分别进入两个序 批池一s b ri 池和s b r l i 池，当其中的一个序批池处于反应状态时，另一个处于 沉淀状态。对处于反应状态的序批池要对其进行从序批池到缺氧池的混合液回流， 回流液先流入缺氧池发生反硝化，再流入浓缩池浓缩分离，浓缩后得到的浓缩污 泥进入厌氧池与入水混合，上清液回流到主曝池。 ( 注：1 ，6 一序批池，2 一缺氧池，3 一浓缩池，4 厌氧池，5 一主曝池) 图1 2 m s b r 工艺流程图 f i g 1 2 t h e f l o w c h a r t o f m s b r p r o c e s s 5 重庆大学硕士学位论文 1 总论 顾国维教授曾对城市污水进行过m s b r 工艺的脱氮除磷研究，试验用水取自 城市合流污水管网。由于当时正处于持续降雨时期，雨水的大量掺入使试验水质 变化较大，其水质情况如表l _ 3 所示，工艺的处理效果如表1 4 所示。 表1 3 进水水质情况 项目 c o d c r b o d 5 n h i nt k n t p 平时( m g 1 ) 2 0 0 , - - 4 0 01 0 0 1 3 02 0 5 03 0 8 0 2 7 5 持续降雨时 1 0 0 5 0 1 5 1 5 ，才能保证聚磷菌有良 好的除磷效果；若要使处理出水中的磷含量 】1 y l g n ，进水的b o d t p 之比应控制 在2 0 3 0 。 1 3 重庆大学硕士学位论文 2 脱氯除磷原理与一种新m s b r 的提出 2 2 2 生物除磷技术的其它应用及研究 生物除磷是一个高效生物净化过程，它不仅能够去除大量的磷，还能在除磷 的同时以p c o d 为1 ：5 0 以上的比例去除大量的有机物，且主要是在厌氧初期去除 的 3 8 1 。从去除有机物的角度来说，生物除磷工艺是高效低能耗的节能工艺。即使 生物除磷工艺在厌氧段吸收的有机物是以糖源为主，该工艺也能去除相当多的有 机物。 污水中挥发性脂肪酸的含量对生物除磷效果的好坏密切相关，但日本 y m a s t u o 教授【4 1 】的研究结果表明：对有充足v f a 的处理水，采用不同的运行模式 的除磷效果有巨大差别。生物除磷的这种不稳定性在国内外所有污水处理厂普遍 存在，出现这种现象的原因是在运行过程中没有对活性污泥糖类物质( c h ) 含量 进行控制。 有学者发现活性污泥所含糖类物质( c a r b o h y d r a t e ) 在厌氧条件下发生降解又 在好氧条件下再生的现象，指出污泥中的糖类物质( c h ) 的厌氧降解是为利用所 吸收的醋酸合成厌氧反应产物提供还原能力。还有学者发现，活性污泥能够利用 所含c h 作能源在厌氧状态下吸收醋酸而不释放磷4 2 1 。刘延华经研究指出在厌氧 条件下活性污泥降解细胞内c h ，同时释放磷，这两个过程同时存在，所产生的能 量被用于吸收进水中的有机物”, 4 4 , 4 5 4 6 。 实验表明在厌氧条件下，活性污泥可以既降解细胞内c h 又同时释放p ，这 两个过程所产生的能量都用于吸收进水中的有机物以及将它转化为可贮存的聚合 物m 1 。当活性污泥以c h 作厌氧代谢能源时，活性污泥在厌氧状态下吸收挥发性 有机酸而不释放磷，在好氧状态下不再吸收磷而只进行c h 的合成。当污泥c h 含 量高于2 5 时，污泥吸收有机物的同时降解c h 而不释放磷。一般来说，微生物 体内糖的降解只有在厌氧条件下才能发生；在缺氧时微生物体内糖的含量基本不 变；好氧时，微生物体内合成、积累糖。 要取得可靠的除磷效果必须降低活性污泥和微生物体内的含糖量，避免活性 污泥使用c h 作为厌氧代谢的能源。控制方法有： 在进水水质一定的条件下，延时厌氧反应能使污泥c h 降到较低水平； 因反硝化可消耗部分c o d ，减少了可被用于c h 合成的碳源，因此也有利 于污泥c h 含量的控制； 游离氧是污泥c h 再生的必要元素，因此将好氧反应的d o 控制在较低水平 或者控制适当的好氧时间都有利于控制污泥的好氧合成； 污泥厌氧吸收c o d 的程度越高越有利于控制污泥c h 的合成。 生物除磷糖控制工