（环境工程专业论文）城市污水处理厂ab工艺改造试验研究.pdf

c i a s s i f i e din d e ： u d c ： 嬲嬲幽i x7 0 3 1 d j s s e r l a l i o nf o rt h em a s l e rd e g r e ei ne n g i n e e r - n g r e s e a r c ho fu p g r a d i n ga b p r o c e s si nu r b a n 、v a s t e 厂a t e r t r e a t m e n tp l a n t c a n d l d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： c h e nx 1 a o l i z h o ul i m a s t e ro fe n g i n e e r i n g g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g j u n e2 0 1 0 q i n g d a ot e c h n 0 1 0 9 i c a lu i l i v e r s i t y 硕士学位论文 城市污水处理厂a b 工艺改造试验研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论。1 1 1 我国水污染现状1 1 2 污水脱氮除磷理论及工艺技术现状2 1 2 1 传统生物脱氮理论2 1 2 2 传统生物除磷理论4 1 2 3 化学除磷理论6 1 2 4 脱氮除磷工艺的现状与发展1 0 1 3a b 工艺概述1 9 1 3 1a b 工艺工作原理1 9 1 3 2a b 工艺应用现状及发展前景2 0 第2 章研究内容和方法。2 6 2 1 研究目的及意义2 6 2 2 课题来源2 6 2 3 研究内容2 6 2 4 试验装置与运行工况2 7 2 5 试验用水与分析方法。2 9 第3 章齐齐哈尔污水处理厂现状及污水水质分析3 1 3 1 污水厂现状3l 3 2 污水厂实测水质指标分析3 2 3 3 污水厂运行过程中存在的问题3 7 3 4 工程改造目标和要求3 8 第4 章投料倒置a 2 o 工艺改造试验4 0 4 1 倒置a 2 o 工艺改造试验4 0 4 1 1 工艺改造原理与流程4 0 4 1 2 试验结果与讨论4 1 4 2 投料倒置a 2 o 工艺改造试验4 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 2 1 工艺改造原理4 4 4 2 2 反应器的启动和挂膜4 5 4 2 3 试验结果与讨论4 8 4 3 投料倒置a 2 o 工艺优化试验5 2 4 3 1 优化内容5 2 4 3 2 试验结果与讨论5 3 4 4 本章小结5 5 第5 章加药刖o 工艺改造试验5 7 5 1 o 工艺优化改造试验5 7 5 1 1 o 工艺改造原理与流程5 7 5 1 2 试验结果与讨论5 7 5 2 加药o 工艺改造试验6 3 5 2 1 工艺改造原理6 3 5 2 2 试验结果与讨论6 4 5 3 本章小结6 7 第6 章结论与建议6 9 6 1 结论6 9 6 2 建议6 9 参考文献7 l 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 6 致谢7 7 i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 本文总结了近年来脱氮除磷机理研究的新进展以及新兴的脱氮除磷工艺并且 分析了a b 工艺的国内外应用现状以及强化脱氮除磷改造成效，借鉴国内外强化 a b 工艺脱氮除磷功能的工艺改造方案，并且针对齐齐哈尔污水处理厂a b 工艺改 造的目标，分析了水厂运行过程中存在的问题，最终提出适合该污水厂强化脱氮 除磷功能的改造方案。 本试验采用投料倒置a 2 o 工艺作为改造方案一：将a 段改为缺氧厌氧段， 取消a 段污泥回流并延长b 段污泥回流至缺氧区，降低好氧池曝气量，同时向好 氧区投加悬浮填料( 投配比3 0 ) ，在宏观和微观上形成缺氧厌氧好氧环境，在好 氧区进行同步硝化反硝化( s n d ) 。 该改造工艺对系统内的各项参数要求较高，经过参数优化，好氧池内溶解氧 保持在1 1 5 m l ，污泥回流比保持在1 5 0 ，污泥龄1 0 d ，可取得了对c o d 、氨 氮的高效去除，去除率均可达到8 0 以上，同时出水总氮和总磷也可达标排放。 改造方案二：将a b 工艺改造为缺氧- 好氧( o ) 工艺，当强缘幽翻馗要生物处 理对象，同时投加化学药剂辅助除磷，经烧杯试验选择硫酸亚铁作为本方案的除 磷药剂，投加点选在曝气池内，投药量为1 5 m l 。经过该方案改造后出水c o d 、 氨氮均达标，去除率可分别达到8 3 、8 4 ，出水总氮、总磷稳定，去除率高达 7 1 和9 0 ，出水浓度可降低到2 0 m l 和1 5 m 叽以下，甚至可以达到一级a 标 准，而且工艺改造比较简单，为今后的深度处理留下了足够的发展空间。 本研究对污水处理厂a b 工艺改造提供了新的改造方案，工程改造量较小， 并且节约了能源，为进一步中试试验和生产性试验提供了参考，对今后旧厂a b 工艺改造具有一定的指导意义。 关键词a b 工艺；倒置a 2 o 工艺；同步硝化反硝化；生物脱氮；化学除磷 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n l i sa i t i c l es 眦m o n e dt l l en e wr e s e a r c ha n d 印p l i c a t i o no fp h o s p h o m sa l l d n i 仃o g e nr e m o v a lp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h ee x a m p l e so fa d s o 巾t o nb i o d e g 陷d a t i o n ( a b ) u p g r a d i n gb r o a da n da b r o a d ，t h el a bs a c i ee x p e r i m e n to fu p g r a d i n gc u r r e n tp r o c e s si n q i q i h a e rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp i a n tw a s t a k e na n da n a i y i s i e d t h i s 伧s e a r c ht a k er e v e 陷e da 2 ，op r o c e s sc 0 m b i n ew i t hb i o m e d i aa st h ef i r s t e x p e n m e n t a ip r o g 阳m ：t u mt h ea d s o r p t i o np a r ti n t oa n o x i co x i c ( a ，o ) r e a 咖r c a n c e it h e s i u d g eb a c kf i o w0 fa d s o r l ) t i o np a r t ，m a k et h es i u d g e0 fb i o d e g r a d a t j o np a r t 伺0 wb a c kt ot h e a n o i c 陀a 咖dr ，d e c r e a s et h es i u d g eb a c k 啊0 wr a t ea n dt h ea e 阳“o n0 fo x i cr e a c t or 1 n a d d i t i o n ，t h es u s p e n d e dm e d i aw a sp u ti n t ot h eo x i cr e a c t o r ( a d d i i l g 洲oi s3 0 ) w h e r e n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i 佩c a t i o nc a nt a k ep i a c es i m u i t a n e o u s i y ： i nt h i se x p er m e n tt h ed i s s o l v e do ) ( y g e no fo i cr e a c t o rs t a b i e da t1 1 5 m l ，b a c k n o wr a t eo fs l u d g ew a s15 0 ，s l u d g er 酏e n t i o nt i m ew a u s1o d a st h er e s u l tt h er e i n o v a l r a t eo fc o da i l da m m o n i an i t r o g e nw e 陀a a b o v e8 0 ，t h et o t a ip h o s p h o r u sa n dt o t a i n t r o g e nc a na a c h i e v ed i s c h a r g es t a n d a r d t h es e c o n de x p e r i m e n t a ip r o g r a m ：r e bu i da bp r o c e s si n t 0a n a e r o n i c - 0 x i cp r o c e s s ( a o ) ，a d df e s 0 4i n t oa e r a t i o nt a n kt or e m o v et h ep h o s p h o r u s i nt h i se x p e r m e n tt h e r e m o v a ir a t eo fc o d 。a m m o n i an i t r o g e nc a nb e8 3 a n d8 4 ：陀m o v a ir a t eo ft o t a in j t r o g e n ， t o t a lp h o s p h r o u sc a na c h i e v e7 1 a n d9 0 ，_ t - 0 t a in t r o g e n ，t o t a lp h o s p h r o u si nt h et r e a t e d w a t e rc a nb es t a b i l i z e db e i o w2 0 m g ，la n d l 5 m g ，l - i na d d i t i o n ，t h es t r u c t u r e0 ft h i sr e b u i l d p r o c e s sa r es r n p i e ，i e a v ee n o u g hs p a c e f 6 rt h ef u r t h e ru p g 陷d i n g t h i sr e s e a r c hf o c u s e do nt h eu p g r a d e0 ft h ea bp r o c e s si nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ， o f f e r i n gt h eg u i d a n c ef b rt h ef u r t h e rp i l o t - s a c i ea n df u - s a c i ee x p e r i m e n t ，c 0 u l db e m e a n i n g f u if o rt h eu p g r a d i n go fa bp r o c e s s i nt h e0 p e r a t i n gw a t e rp i a n t k e yw o r 髓a d s o 印t i o nb i o d e 伊a d a t i o n ，r e v e r s e d a 2 op r o c e s s ，s i i i l u l t a n e o u s n i t r i 6 c a t i o na l l dd e n i 仃i f i c a t i o n ，b i o l o 舀c a ln i 仃o g e nr e m o v a l ，c h e m i c a lp h o s p h o m s r e m o v a l i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 我国水污染现状 第1 章绪论 自上世纪七十年代起，我国开始重视水域污染问题，先后开展松花江流域、 湘江流域水污染防治研究，开展太湖、滇池湖泊富营养化及其防治研究。据2 0 0 8 年中国环境状况公报，尽管我国在污染减排、环境基础设施建设、重点流域污染 防治、环保基础能力提升和环境经济政策完善等方面取得了积极成效，但所面临 的环境形势仍然严峻。我国地表水污染依然严重，长江、黄河、珠江、松花江、 淮河、海河和辽河七大水系总体水质与上年持平。2 0 0 条河流4 0 9 个断面中，一类 至三类、四类至五类和劣五类水质的断面比例分别为5 5 o 、2 4 2 和2 0 8 。珠 江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海 河为重度污染。在监测营养状态的2 6 个湖泊及水库中，呈富营养状态的占4 6 2 。 根据2 0 0 8 年全国环境统计公报统计，全国废水排放总量5 7 1 7 亿吨，废水中 化学需氧量排放量1 3 2 0 7 万吨，氨氮排放量1 2 7 o 万吨。突发水污染事件1 9 8 次， 造成巨大的水环境污染及经济损失。特别是2 0 0 5 年备受关注的松花江水污染事件 发生以后，人们更加真切体会到保护环境的重要性和迫切性，不能以牺牲环境来 换取经济效益，要按照可持续发展的观点搞经济建设。 松花江是我国七大河流之一，是黑龙江和吉林两省的母亲河，是东北老工业 基地生存和发展的命脉。多年来，由于流域社会经济的迅速发展、特别是传统的 工业经济以资源型为主且结构不合理，造成了对松花江水质的污染日益严重。虽 然自八十年代以来不断加大了对该流域污染防治的力度，总体上遏制了流域水体 污染的严重恶化趋势，但由于种种原因，流域水质污染仍然严重，水环境遭到破 坏，污染事故频发。主要污染指标为高锰酸钾指数、氨氮、总磷、石油类和生化 需氧量。上述污染物的长距离迁移输送也直接影响到中俄界河水质安全。 根据松花江社会经济发展趋势，预测到2 0 1 0 年全流域每年工业废水排放量将 达到2 3 9 亿吨，c o d 排放量将比2 0 0 4 年增加2 3 5 ，流域水环境保护形势十分 严峻。此外，松花江大中型企业多，大多能耗高，设备陈旧，治污设施欠账较多， 容易发生事故。同时，污水处理设施建设严重滞后，截至2 0 0 4 年底，松花江流域 青岛理工大学工学硕士学位论文 只建成城市污水处理厂1 4 座，处理能力1 5 6 9 万吨日，实际处理量6 9 9 万吨日， 全流域城市污水处理率不到15 ，哈尔滨、长春、大庆、牡丹江等大部分人口5 0 万以上的大城市污水处理率不到4 0 。大量未经处理的城市污水直接排入一级支 流，成为松花江流域水污染的主要来源。 国家环保总局在哈尔滨举行松花江流域水污染防治规划征求意见会上还 提到，我国计划从今年起用5 年时间，投入2 6 6 亿元，全流域治理松花江水污染。 到2 0 1 0 年，松花江干流水质达到i i i 类；嫩江水质达到i 类，提出了出水要达到一 级b 类排放标准的要求。 1 2 污水脱氮除磷理论及工艺技术现状 氮、磷污染对水环境产生的危害：氨氮消耗水体的溶解氧，游离氨对鱼类是 有害物质，对鱼类的致死浓度1 m l ；氮、磷过高也会引起水体富营养化。近年来， 我国水体富营养化问题目益严峻：太湖、滇池以及渤海等河湖、海洋水域的富营 养污染问题日渐突出，严重制约了经济建设和社会发展，而控制富营养化的最根 本途径就是减少氮磷向水体的排放量。国家新颁布实施了城镇污水处理厂污染 物排放标准( g b l 8 9 0 8 2 0 0 2 ) ，提高了对氮磷处理的要求。 污水脱氮除磷的技术可分为物理法、化学法和生物法。相对而言，物理法和 化学法由于成本高、过程复杂、再生困难以及易产生二次环境污染等原因，应用 较少。目前，城市污水处理主要以生物法为主。利用微生物新陈代谢去除污水中 污染物的生物法被认为是处理大量城市污水最经济、节能、环保的污水处理法， 我国城市污水基本上都采用生物法处理工艺【l 】。但由于脱氮和除磷各个过程在泥 龄、碳源、硝酸盐等问题上存在矛盾【2 】，在碳源和反应池容不足时也常辅以化学除 磷法。 1 2 1 传统生物脱氮理论 污水中的氮以有机氮、氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮四种形式存在。生物脱氮的 主要途径是把各种形态的氮转化为n 2 、n 。o v 等氮的气体形态逸入大气中。生物脱 氮理论认为生物脱氮主要有两个过程：硝化过程和反硝化过程，并由有机氮氨化、 硝化、反硝化及微生物的同化作用来完成【3 1 。污水生物脱氮系统的关键微生物是： 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 氨化菌、反硝化菌、硝化菌( 亚硝酸菌和硝酸菌) 。 1 、氨化作用 即水中的有机氮化合物在氨化细菌分解作用下转化为氨氮( n h 4 + n ) 。该过程 进行的很快。反应方程式如下： r c h n h 2 c o o h + 0 2 ，n h 3 + c 0 2f + r c o o h 2 、硝化作用 硝化作用是在好氧条件下进行的。首先，氨氮在亚硝酸菌的作用下被氧化成 亚硝酸氮( n 0 2 。n ) ，然后在硝化细菌的作用下氧化成硝酸氮。该过程要求有较长 的污泥龄。反应方程式如下： n h 4 十十1 5 0 2 一n 0 2 + h 2 c 卜卜2 i + n 0 2 + 0 5 0 2 一n 0 3 。 3 、反硝化作用 反硝化菌以碳源为电子供体，将亚硝酸氮和硝酸氮( 电子受体) 还原为气态 氮( n 2 、n 2 0 、n o ) ，同时达到降解有机物( 碳源) 的效果。该反应需要在缺氧或 厌氧条件下进行。反应方程式如下： n 0 2 + 3 h + 0 5 n 2f + h 2 0 + o h n 0 3 + 5 h 0 。5 n 2f + 2 h 2 0 + 0 h 。 硝酸盐反硝化还原全过程包括以下四个步骤：n 0 3 。一n 0 2 一n o n 2 0 n 2 。 反硝化作用最终实现了氮的有效去除，硝化作用只是将氮的存在形式转化。由以 上反应式可知，反硝化阶段产生o h ，使水中碱度升高，这部分碱也可作为硝化阶 段的碱源。 硝化与反硝化反应是互为条件的。硝化反应需要好氧条件和污泥龄较长的一 类化能自养菌硝化菌：亚硝酸菌和硝酸菌。反硝化需要缺氧条件和污泥龄较短的 一类化能异养兼性缺氧型微生物反硝化菌，反硝化菌需要有机碳源作为电子供体 完成脱氮过程，对于反硝化菌而言，由于0 2 接受电子的能力高于n 0 2 和n 0 3 ，因 此0 2 的存在对反硝化过程有抑制作用。硝化菌和反硝化菌生理机制的差异导致了 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 生物脱氮反应器的不同工艺组合。如果硝化在前，硝化的同时发生有机物的降解， 因此，进行反硝化时常常需要外加碳源才能进行脱氮；当硝化在后时，则需要大 规模地硝化液回流，这些都不利于传统生物脱氮工艺运行的高效和稳定性【4 ，5 1 。如 果硝化作用不充分，出水氨氮必然升高，制约反硝化作用；如果反硝化不完全， 则出水硝酸氮高。合理配置硝化和反硝化顺序和容量，以及进水碳源的分配，充 分发挥他们各自的作用，使各自所需的反应条件有机高效地结合起来从而达到最 优处理效果，是今后的研究方向。 硝化与反硝化的主要影响因素见表1 1 j 。 表1 1 硝化与反硝化的主要影响因素 1 2 2 传统生物除磷理论 在藻类生长过程中营养盐对藻类起着重要作用，在忽略其他物理因素的影响 下，磷的浓度对藻类的生长影响最大，为限制性因子啊，因此为防止水体富营养化 控制磷的浓度尤为重要。 污水中的磷的存在形态有磷酸盐( h 2p 0 4 、h p 0 4 2 。、p 0 4 3 。) 、聚磷酸盐( p o l y p ) 和有机磷，其中以正磷酸盐和聚磷酸盐占绝大多数。磷可以在有机磷和无机磷、 可溶性磷和不可溶性磷之间相互转换，但价态不会发生变化瞵】。 生物除磷是利用一类统称为聚磷菌( p a o ) 的微生物完成的。目前研究发现聚 磷菌分为两类：好氧聚磷菌( a p b ) 和反硝化聚磷菌( d p b ) 【9 】。a p b 是以0 2 为 电子受体在好氧条件下完成吸磷，这类细菌包括：不动杆菌属和部分棒状杆菌属 等1 0 】；d p b 是以n 0 3 。为电子受体在缺氧条件下完成吸磷，并通过厌氧缺氧交替运 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 行环境下富集，这类细菌包括：假单胞菌属、莫拉氏菌属、链球菌属、肠杆菌、 不动杆菌属、气单胞菌属等【1 l 】。 以典型的厌氧好氧( o ) 工艺为例说明生物除磷机理( 见图1 2 ) ：聚磷菌 存在于所有的活性污泥中，但a p b 是好氧菌，厌氧条件抑制了a p b 的生长，使其 在争夺有机基质时处于劣势，含量很低。为了生长，a p b 将细胞内聚集的聚磷酸 盐( p o l y p ) 水解为正磷酸盐( p 0 4 3 。p ) 释放胞外，并从中获取能量，用于摄取水中有 机碳源( 挥发性脂肪酸认或短链脂肪酸s c f a ) ，合成有机储备物质聚b 羟基 丁酸( p h b ) 贮于胞内。在好氧条件下，a p b 以0 2 为电子受体，利用碳源和胞内贮 存的p h b 为能源进行呼吸，吸收在数量上远远超过其生理需要的溶解态的正磷酸 盐，在胞内合成并积累高能聚磷酸盐，形成高磷污泥。在此过程中聚磷菌的活力 得到了恢复，其好氧吸磷量大于厌氧释磷量，故通过排放富磷剩余污泥实现高效 地除磷目的。 厌氧条件下 好氧条件下 图1 - 2 聚磷菌作用机理 有研究表明，在缺氧条件下还存在反硝化除磷现象：d p b 在缺氧条件下可利 用硝酸盐中的氧进行呼吸，将硝酸盐还原为n 2 或n 2 0 ，具有脱氮功能，同时进行 吸磷，不仅提高了碳源利用效率，减小了曝气量的消耗，且产生的剩余污泥量小。 影响反硝化除磷的因素有d o 、p h 值、m l s s 、s i 玎、温度、h i 玎、碳源等，列表 如下： 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 表1 2 反硝化除磷影响因素 影响因素 控制条件 d o p h 值 m l s s 温度 s r t h r t 厌氧段应严格控制在o 2 m g l 以下 缺氧段：7 0 o 1 ；厌氧段：7 0 8 o 较高m l s s 可提高释磷、吸磷速度，但过高会产生二次释磷 低温时p a o s 较g a o s 占优势，除磷稳定 以保证b o d 5 去除为前提 厌氧段和好氧段h r t 均不宜过长 在生物除磷过程中，若存在硝酸盐，则反硝化菌优先利用碳源进行反硝化而 抑制p a o s 释磷和合成p h b ，但缺氧条件下p a o s 的吸磷效率又与硝酸盐含量有关， 较高的硝酸盐含量有利于反硝化除磷效率和反应速率的提高，但n 0 2 刊对d p b 的影响程度还存在争议，其抑制浓度还有待深入研究。 1 2 3 化学除磷理论 在实际应用中，生物除磷很难达到污水处理标准，因此通常要考虑生物法与 化学法相结合。化学法是一种古老的方法，最早应用于欧洲，1 9 世纪后期就已在 英美等国广泛应用。其处理效率较高，可达7 5 一8 5 ，且稳定可靠，受季节温度 变化影响不大，且在污泥处置过程中不会重新释放磷，造成二次污染，耐冲击负 荷的能力也较强，出水的t p 含量可满足1 m l 的排放要求，结合生物法，出水 t p 可达到0 5 m l 以下。 1 、化学除磷原理 化学除磷的原理是向污水中投加一种或几种试剂，使之与污水中的溶解性含 磷化合物反应变成悬浮颗粒，沉淀后再通过排泥等措施达到除磷的目的。磷的化 学沉淀分为4 个步骤：沉淀反应、凝聚作用、絮凝作用、固液分离。沉淀反应和 凝聚过程在一个混合单元内进行，目的是使沉淀剂在污水中快速有效地混合。凝 聚过程中，沉淀所形成的胶体和污水中原己存在的胶体凝聚为直径在1 0 1 5 范 围内的主粒子。絮凝过程中，主粒子相互结合在一起形成更大的粒子絮体，该亚 过程的意义在于增加沉淀物颗粒的大小，使得这些颗粒能够通过典型的沉淀或气 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 浮加以分离【1 2 1 。 2 、化学除磷药剂 化学法采用的化学试剂一般是亚铁盐、铁盐、铝盐、石灰和铝铁聚合物等。 一般认为磷酸盐沉淀是配位基参与竞争的电性中和沉淀，即通过p 0 4 3 。与铝离子、 铁离子或钙离子的化学沉淀作用加以去除。常用化学除磷药剂见表1 3 。 表1 3 常用化学除磷药剂及其适用条件 ( 1 ) 铝盐除磷 铝盐除磷的反应方程式为： 主反应：舢3 + + p 0 4 3 = a l p 0 4l 副反应：砧3 + + 3 0 h = 舢( o h ) 3i 铝盐除磷原理：铝盐除磷对p h 要求很高，在合适的p h 条件下，发生以上主、 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 副反应，并通过生成物相互之间的碰撞缩合成一系列具有较高正电荷和比表面积 的多核络合物，并迅速吸附水中带负电荷的杂质中和胶体电荷，降低胶体电位， 促进胶体脱稳、凝聚和沉淀，从而表现出良好的除磷效果。但是，有研究表明铝 在人体内可引起慢性中毒，而用铝盐混凝剂处理后的水中所含的大部分铝是易被 生物体吸收和结合的，因此在选用铝盐作为除磷混凝剂时要考虑对生态环境的多 种影响。 ( 2 ) 铁盐除磷 铁盐有亚铁盐和三价铁盐两种形式：其反应方程式分别为： 主反应：f e 3 + + p 0 4 3 = f e p 0 4i 3 f e 2 + + 2 p 0 4 3 。= f e 3 ( p 0 4 ) 2i 吾0 反应：f e 3 + + 3 h c 0 3 = f e ( o h ) 3l + 3 c 0 2 铁盐的除磷过程：铁盐由于溶解和吸水而发生强烈的水解作用的同时聚合生 成多核羟基络合物，这些络合物与磷酸根结合生成难溶性磷酸盐沉淀【1 3 】。含铁的 羟基络合物能有效降低或消除胶体电位，通过电中和、吸附架桥及絮体的卷扫 作用使胶体凝聚，通过分离、沉淀后，最终达到除磷目的。三价铁盐最适宜的p h 值范围是为4 5 5 ；对于二价铁盐则为7 8 【1 4 】。 传统的铁盐混凝剂有三氯化铁、硫酸亚铁等，这些都可以在市场上大批量购 买到的化工产品，钢铁工业的酸洗废液也是重要的铁盐来源，只要来源稳定、纯 度满足要求，就可通过以废治废，大幅度降低药剂除磷费用。但是，二价铁盐在 p h = 7 5 8 4 时不易生成沉淀，而且投加位置受到限制，一般硫酸亚铁药剂的投加 点选在曝气池中，采用协同沉淀方式。近年来发展较快的新型的铁盐混凝剂主要 有聚合铁盐和含铁无机高分子：聚合硫酸铁( p f s ) 、聚氯硫酸铁( p f c s ) 、聚亚铁等。 念东等结合小试和生产性试验研究发现【15 1 ，投加硫酸亚铁的药剂成本最低，其他 依次为( 由低到高) 硫酸铝、三氯化铁、p a f c 、p a c 。 ( 3 ) 钙盐除磷 钙盐除磷的反应方程式为： 主反应：5 c a 2 + + 3 h p 0 4 2 。+ 4 0 h - - c a 5 ( p 0 4 ) 3i + 3 h 2 0 副反应：c a 2 + + c 0 3 厶= c a c 0 3l 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 钙盐沉淀的最佳p h 值范围是8 5 1 0 。有效的除磷所需要的石灰投加量主要取 决于软化和脱碱所消耗的石灰量，副反应生成的碳酸钙可以作为增重剂，有助于 沉淀。处理高碱度废水时要求投加大量石灰将p h 值调节至1 0 1 1 ，才能完成磷的 有效沉淀。在低碱度废水处理时，所用石灰才主要消耗在磷的沉淀反应中。由于 碱度的变化，在用石灰沉淀除磷的工艺中，通常需要在实验室进行处理能力的研 究。协同沉淀工艺一般不使用钙盐，因为过高的p h 值会明显抑制和破坏生化反应 池内微生物的增殖和活性。另外，钙盐生成的c a 5 ( p 0 4 ) 3 沉淀性比较差，反应要求 的碱性条件p h 值偏高，且出水硬度大，这些因素制约了钙盐作为除磷药剂的应用。 3 、投药点 按工艺过程中试剂投加点不同，化学除磷工艺分为直接或前置沉淀( 初沉池之 前) 、协同沉淀( 曝气池中或者回流污泥中) 、后置沉淀( 二沉池之后) 、后续接触过滤 ( 后置沉淀后) 四种类型【1 6 】【1 7 1 。 直接沉淀：又称为前置沉淀，是将化学药剂投加在初沉池前。一般需要设置 产生涡流的装置或者供给能量以满足混合的需要，相应产生的沉析产物( 大块状的 絮凝体) 在初沉池中通过沉淀而被分离。沉淀药剂常用的是石灰等金属盐药剂。通 常用于现有超负荷运转的污水处理厂的改造，以降低生物处理段的负荷和去除有 毒物质，保护敏感的微生物，从而降低能耗和污泥产率，并可明显缩短水力停留 时间。 协同沉淀：又称为同步沉淀，是将化学药剂直接加在曝气池或二沉池进水， 有时也加在回流的污泥中。混凝剂可采用铝盐、铁盐，其中亚铁盐通常只能用在 协同沉淀除磷工艺中，但是一般不采用钙盐，因为过高的p h 值会明显抑制和破坏 生化池内微生物的增殖和活性。除磷效率约为9 0 ，出水磷浓度可达1 m l 。相 比于直接沉淀，该工艺可减少化学药剂的投加量和污泥产量；相比于后置沉淀， 协同沉淀可省去混凝、沉淀所需设备及构筑物，是应用范围较广的化学除磷工艺。 但是由于化学污泥与生物污泥同时沉淀，增加了污泥量，使泥龄减小从而影响硝 化程度。 后置沉淀：将化学药剂加在二沉池之后的单独絮凝设施的进水中。后置沉淀 是常采用的除磷效果最好的工艺，磷去除率大于9 5 ，出水总磷一般低于o 5m l 。通常，将后置沉淀的化学污泥回流到初沉池与初沉污泥一起沉淀，可使污泥更 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 易于浓缩并利于初沉池处理效率的提高，对后续生物处理有利。 后续接触过滤：又称为直接过滤，一般不作为单独的除磷步骤，通常与其他 三种沉淀方式联合工作，强化除磷效果。经前期除磷后，出水总磷一般在0 8 1 2 m l ，再使用微滤膜或超滤膜组件进行后续接触过滤，能达到更高的出水水 质和除磷效率，其渗透液的含磷可低于o 1m l 。除磷费用和工艺设备要求较高， 因此不作为常规除磷化学沉淀方式。 目前，化学除磷面临的主要问题是药剂价格昂贵、运行费用较高、产生的化 学污泥量大且污泥处置难度大，并且药剂残留也会带来新的环境污染。因此，在 使用化学药剂除磷时，必须权衡考虑经济、环境、处理效果等多方面因素，作出 全面的技术经济比较才能得出可靠的结果。 1 2 4 脱氮除磷工艺的现状与发展 随着对氮磷污染控制的日趋严格，单独的脱氮或除磷工艺己不能满足要求， 脱氮除磷工艺正逐渐向联合工艺方向发展。这些组合工艺是在传统污水处理技术 上发展改进，并经过工程实践检验，既能满足传统处理去除有机物、悬浮物的要 求，又都具有同步脱氮除磷功能。现行工艺都考虑到厌氧、缺氧、好氧三种状态 的交替，通过空间或时间上优化这三种状态的组合方式而达到高效、同步脱氮除 磷的目的【18 1 。发展与应用于工程实践的典型工艺技术有：o 工艺、a 2 o 工艺、 u c t 工艺、m u c t 工艺等。 近年来，国内外学者针对生物脱氮除磷工艺的工程实践中暴露出的问题和现 象进行了大量理论和试验研究，又提出了一些新的观点和方法：反硝化除磷、厌 氧氨氧化、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化等技术，从而开发出一系列新型的 脱氮除磷联合工艺：b a r d e n p h o 工艺、p h o r e d o x 工艺、a 2n s b r 工艺、s h a r o n o 州a m m o x 联合工艺、s n d 工艺等。 1 传统o 工艺 o 工艺是1 9 7 3 年由b 锄a r d 在l u d z a c k e t 吨g e r 工艺的基础上改进而成的， 是在普通活性污泥法前增加缺氧段，以增强工艺有机物去除能力和达到脱氮目的。 工艺流程如图1 3 。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 由于o 工艺采用了不同的前置反硝化阶段，可充分利用进水中的有机物促 进反硝化的进行，而且可回收一部分硝化所需的碱度，因此该法被视为一种节能 性的工艺被广泛应用于污水处理中。 该工艺的优点：流程简单、工艺成熟、b o d 5 去除率高，氮的去除率也较高； 局限性是除磷效率低，水力停留时间长，二沉池易产生污泥上浮现象。因此，近 年来出现了o + 化学除磷的生物化学联合处理工艺。 内回流 2 传统a 2 o 工艺 图l - 3 o 工艺流程图 a 2 o 工艺是传统的单污泥同步脱氮除磷工艺，大多数的生物脱氮除磷技术都 是在这个工艺的基础上发展起来的，依次分为厌氧区、缺氧区和好氧区，其工艺 原理：厌氧区内，a p b 将细胞内聚集的聚磷酸盐( p o l y - p ) 水解为正磷酸盐( p 0 4 3 p ) 释放胞外，并从中获取能量，用于摄取水中有机碳源( 挥发性脂肪酸认或短链 脂肪酸s c f a ) ，合成有机储备物质聚b 羟基丁酸( p h b ) 贮于胞内，表现为系统中 磷浓度升高；同时回流污泥中的反硝化异养菌以污水中的可生物降解有机物为碳 源，将回流污泥中含有的硝态氮在硝酸还原酶的作用下还原为氮气，逸到空气中。 经厌氧释磷后的混合液进入缺氧区内，与好氧区回流的硝化液混合，反硝化菌以 有机物为能源，以硝态氮为电子受体进行反硝化，使回流带来的硝态氮转化为氮 气去除；同时，若系统内存在反硝化聚磷菌( d p b ) ，则缺氧条件下d p b 以胞内p h b 作为碳源和能量，以硝态氮为电子受体，超量吸磷，即使用一种碳源达到同步脱 氮除磷的作用。泥水混合液随后进入好氧区，p a o s 通过氧化胞内储存的p h a 为 微生物生长繁殖、吸磷和糖原合成提供碳源和能源；同时硝化菌将氨氮经硝化作 用氧化为硝态氮( 主要是n 0 3 删。工艺流程如图1 4 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 进水 内回流 图l - 4a 2 o 工艺流程图 作为我国主流污水处理工艺之一，a 2 o 工艺具有构造简单、易操控、总水力 停留时间短、不易产生污泥膨胀等优点，但由于脱氮除磷过程比较复杂，在实际 运行过程中存在下述问题：( 1 ) ) 对泥龄的控制，由于a 2 o 工艺内存在不同功能的 硝化菌、亚硝化菌、聚磷菌及其他多种微生物混合培养，长泥龄有利于硝化菌生 长并可在一定程度上提高硝化速率，但却降低了有机物降解和反硝化速率【1 9 】，同 时较长的泥龄还会导致系统内糖原累积非聚磷微生物( g a o s ) 的增长，从而导致除 磷效率降低【2 0 】。( 2 ) 好氧区回流污泥携带的硝酸盐会造成厌氧区反硝化菌和聚磷 菌的竞争，使聚磷菌无法进行充分释磷，影响后期磷的吸收而导致除磷效率降低。 减小回流量虽然可以降低回流硝酸盐含量，但是这对除磷来说却存在着风险【2 。 ( 3 ) 处理c n 比较低的污水时，总氮去除率难以提高。 3 倒置a 2 o 工艺 倒置a 2 o 工艺是在传统a 2 o 工艺基础上改进的，将缺氧池置于厌氧池之前， 形成缺氧厌氧好氧形式，取消内循环，加大污泥回流外循环。工艺流程见图1 5 。 吸磷过程，回流污泥携带进入缺氧池的硝酸盐首先在此被反硝化为n 2 ，大大 减少了进入厌氧区的硝酸盐含量，使得厌氧环境更加充分，消除了传统a 2 0 工艺 中硝酸盐对除磷的影响，在厌氧区聚磷菌能够进行充分释磷，为其在好氧区提供了 更强的吸磷动力。与传统a 2 o 工艺相比，虽然碳源问题仍未解决，聚磷菌释磷能 力受到抑制，但倒置a 2 o 工艺使得回流的污泥经历了全部的完整的释磷、吸磷过 程，排放的剩余污泥中富磷污泥占了大部分，却使得系统的除磷效果更好。 在脱氮方面，由于污泥首先回流到缺氧段，反硝化菌优先利用碳源进行反硝 化，因此系统脱氮能力也得到明显加强。 张波等研究表明【捌，倒置a 2 o 工艺的脱氮除磷优于传统a 2 o 工艺，倒置a 2 o 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 工艺的脱氮和除磷效率分别比传统a 2 o 工艺高1 0 3 和8 7 ，并且工艺更简便。 坚匝一圆一匝一竖 图1 5 倒置a 2 o 工艺流程图 4 u c t 工艺( u n i v e r s i t yo f c a p et o w n ) u c t 工艺流程如图1 6 。此工艺是在a 2 o 工艺基础上进行的改进，其中污泥 回流由a 2 o 工艺中的的厌氧区改到缺氧区，使污泥经反硝化后再回流至厌氧区， 从而减小了回流污泥中的硝酸盐含量，削弱硝态氮对厌氧释磷的影响，提高系统 抗冲击负荷的能力。 内回流 图l - 6u c t 工艺流程图 该工艺的局限性在于：当进水碳氮比较低时，缺氧区就无法实现完全的脱氮， 使得部分硝酸盐进入厌氧区。 深圳市坂雪岗污水处理厂采用改良u c t 工艺f 2 3 1 ，即进水方式采用两点进水式： 污水通过配水井分别进入厌氧池( 8 0 ) 和缺氧池( 2 0 ) ，使得碳氮得到合理分配。 而且，当进水t p 较高时，辅助化学除磷系统，最终选用的化学除磷药剂是f e c l 3 。 该工艺运行稳定，出水基本达到标准。 5 m u c t 工艺 m u c t 工艺流程如图1 7 。此工艺是在u c t 工艺基础上进行的改进，在缺氧 区和好氧区之间多了一个缺氧区。二沉池回流污泥进入缺氧1 区，硝酸盐在此经 反硝化被去除，使得出水中的硝酸盐浓度基本为零；好氧区硝化混合液进入缺氧2 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 区，由于脱氮污泥回流和混合液回流的分开，避免了将硝酸盐带进厌氧区的可能 性，使之保持较为严格的厌氧环境，减轻厌氧区聚磷菌和硝酸盐对碳源的竞争， 从而进一步提高同步脱氮除磷效果。有研究发现，运行该工艺良好的污水厂约有 3 0 5 0 的m l v s s 含有p a o s ，其中5 0 的p a o s 具有反硝化能力。因此系统的除 磷效果非常好，出水的t p 为o 1m l 【9 1 。 进水 内回流内回流 图1 7m u c t 工艺流程图 6 b c f s 工艺( b i o l o 百s c h - c h e m i s c h e f o s 矗斌一s t i k s t o f v c 删i j d 砸n g ) b c f s 工艺是荷兰d e l r 技术大学u y v e r 生物技术实验室在u c t 工艺的基础 上开发的一种反硝化除磷单污泥系统，设置二沉池污泥外回流及三个混合液内循 环，通过污泥回流来优化各反应器内活性污泥生长环境，从工艺角度最大程度创 造适合反硝化聚磷菌富集的环境，从而达到脱氮除磷效果。该工艺在国外已成功 运用于工程实践中，出水总磷低于o 2m l ，总氮低于5m l 【2 4 1 。其工艺流程如 图1 8 的所示【2 5 】：内循环1 为p a 0 s 提供释磷环境，从而实现反硝化除磷；内循 环2 为缺氧池中的d