（环境工程专业论文）处理城市污水的改良型carrousel氧化沟脱氮除磷过程及其动力学分析.pdf

摘要 摘要 本试验以郑州市某污水处理厂改良型c a r r o u s e l 氧化沟工艺为研究对象，主 要研究了其脱氮除磷效果，从各功能区域和整体上对其进行物料平衡分析，并 探讨了各功能区域发生的脱氮除磷过程，结合具体的过程动力学模型，通过模 拟分析，初步修正各过程的动力学方程及参数取值，主要结论如下： ( 1 ) 根据改良型c a r r o u s e l 氧化沟各功能区域的进出水水质对其进行物料平衡 分析。c o d 的去除主要发生在好氧区，比例达到了4 7 7 5 ：t n 的去除是在缺 氧区，约为7 5 ；n h 3 - n 主要是在好氧区被去除，比例为7 4 2 5 ；有机氮在四 个功能区域的去除比例相当；释磷主要发生在前置缺氧区、厌氧区及缺氧区， 吸磷主要发生在好氧区，且吸磷释磷比值达到了1 2 0 。 ( 2 ) 从整体上对改良型c a r r o u s e l 氧化沟进行物料平衡分析。通过碳、氮与磷 物料平衡计算，得出实际运行中三者的平衡百分比分别为9 5 7 8 、8 5 3 6 与 8 6 3 3 。碳的去除主要是以c 0 2 的形式被去除，约为7 0 5 ；氮的去除主要是 通过硝化反硝化作用去除，约为6 0 3 ；而磷的去除主要通过富磷污泥的排放， 占8 3 。 ( 3 ) 前置缺氧区、厌氧区、缺氧区都主要发生了氨化作用、短程反硝化作用、 全程反硝化作用及释磷作用，其中厌氧区中某些情况下还存在反硝化吸磷现象。 好氧区主要有氨化作用、硝化作用及吸磷作用。 ( 4 ) 各过程动力学模型与物料平衡相结合，对各过程动力学模型进行参数率 定，确定各模型中的动力学参数。并对各模型进行结果验证，通过模拟值和实 测值的对比，确定各模型的吻合度。 ( 5 ) 通过对试验指标进行分析，生物处理系统内存在着两个问题：一是氨氮 不达标；二是m l v s s m l s s 值偏低，并提出了解决途径。 关键词：改良型c a r r o u s e l 氧化沟；脱氮除磷：物料平衡；动力学 a b s t r a c t s t h i st e s ts e t sam o d i f i e df o r mo fc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c ho fas e w a g et r e a t m e n t p l a n ti nz h e n g z h o uc i t ya si t ss t u d yo b j e c t i tm a i n l y r e s e a r c h e so nt h ee f f e c to ft h en a n dpr e m o v a l w i t ht h em a t e r i a lb a l a n c ea n a l y s i so fe a c hs e c t i o na n dt h es t u d yo f e a c hp r o c e d u r eo ft h o s es e c t i o n s ，c o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o na n a l y s i so fs p e c i f i c p r o c e d u r ek i n e t i cm o d e l ，t h ek i n e t i ce q u a t i o n sa n dp a r a m e t e rv a l u e so fe a c hs e c t i o n a r ep r e l i m i n a r ym o d i f i e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a t e r i a lb a l a n c ei sa n a l y z e do nt h eb a s i so ft h eq u a l i t yo ft h ew a t e ri n a n do u to fe a c hs e c t i o no ft h em o d i f i e dc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c h t h er e m o v a lo f c o d m a i n l yh a p p e n s i ns e c t i o ni i ，w i t har a t eo f 4 7 7 5 ；t h er e m o v a lo ft nh a p p e n s i ns e c t i o nl ，w i t har a t eo f7 5 ；n h 3 - ni sm a i n l yr e m o v e di ns e c t i o ni i ，t h er e m o v a l r a t ei s7 4 2 5 ；t h er e m o v a lr a t eo fo r g a n i cn i t r o g e nd i f f e r sl i t t l ei nt h ef o u rs e c t i o n s ； t h er e l e a s eo fp h o s p h o r u sm a i n l yh a p p e n si nt h ep r e p o s e do x y g e n - d e f i c i e n tt a n k ，t h e a n a e r o b i ct a n k ，a n ds e c t i o nio ft h eo x i d a t i o nd i t c h ，a n dt h ea b s o r b i n go fp h o s p h o r u s h a p p e n sm a i n l yi nt h es e c t i o ni i ，t h er a t i oo fa b s o r p t i o na n dr e l e a s eo fpm o u n t st o 1 2 0 ( 2 ) t h em a t e r i a lb a l a n c ea n a l y s i so ft h em o d i f i e dc a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c hi s s t u d i e da saw h o l e b yt h ec a l c u l a t i o no ft h em a t e r i a lb a l a n c eo fc ，na n dp w eg e t t h eb a l a n c ep e r c e n t a g e so ft h et h r e ei np r a c t i c a lo p e r a t i o nw h i c ha r e9 5 7 ，8 5 3 6 a n d8 6 3 3 r e s p e c t i v e l y t h er e m o v a lo fci sc o m p l e t e dw i t ht h ef o r mo fc 0 2 ，w i t ha r a t eo fa r o u n d7 0 5 ：t h er e m o v a lo fni sc o m p l e t e dw i t ht h en i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ，w i t har a t eo fa b o u t6 0 3 ；t h er e m o v a lo fpi sc o m p l e t e db yt h e d i s c h a r g eo fs l u d g eo f r i c hp h o s p h o r u s ，t h er a t ei s8 3 ( 3 ) t h ea m m o n i z a t i o n ，s h o r tr a n g ed e n i t r i f i c a t i o n ，t h ef u l lr a n g ed e n i t r i f i c a t i o n a n dt h er e l e a s eo fph a p p e ni nt h ep r e - o x y g e nd e f i c i e n tt a n k ，t h ea n a e r o b i ct a n ka n d s e c t i o nio ft h eo x i d a t i o nd i t c h i ns o m ec a s e s t h e r ei sa l s ot h ep h e n o m e n o no f d e n i t r i f i c a t i o na n d p - a b s o r p t i o n i nt h ea n a e r o b i ct a n k t h e r ea r em a i n l yt h e a m m o n i z a t i o n ，n i t r i f i c a t i o n ，a n dp - a b s o r p t i o ni ns e c t i o ni io ft h eo x i d a t i o nd i t c h ( 4 ) c o m b i n i n gt h ek i n e t i cm o d e lo fe a c hs e c t i o nw i t h t h em a t e r i a lb a l a n c e ， d e t e r m i n i n g t h e p a r a m e t e r s s e ta n d d y n a m i cp a r a m e t e r s o ft h ek i n e t i c m o d e l c o m p a r i n ga n dc o n t r a s t i n gt h es i m u l a t i o nv a l u ew i t ht h em e a s u r e dv a l u e s ，a n d d e t e r m i n et h ea c c u r a c yo f t h em o d e l s ( 5 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so fv a r i o u st e s tr e s u l t s ，i ti so b s e r v e dt h a tt h e r ea let w o p r o b l e m sw i t ht h eb i o t r e a t m e n t ：o n ei st h a tt h ea m m o n i an i t r o g e ni ss u b s t a n d a r d ；t h e o t h e ri st h a tt h ef - v a l u ei sl o w p o s s i b l es o l u t i o n sa r es u g g e s t e d k e yw o r d s ：i m p r o v e dt y p ec a r r o u s e lo x i d a t i o nd i t c h ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s r e m o v a l ，m a t e r i a lb a l a n c e ，k i n e t i c i i i 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 本课题为河南省重点科技攻关计划项目( 0 8 11 0 0 9 1 0 3 0 0 ) “低碳源污水脱氮 除磷新工艺和应用研究”中的部分研究内容。 1 1 2 课题研究背景与意义 氮磷的过量排放引起的水体富营养化是当前各国政府和公众最为关注的环 境问题之一。控制水体富营养化、防止水体污染的最根本途径就是对污染源进 行治理，控制污染物的排放量，使污水处理厂( 设施) 出水的氮磷含量必须达 到更严格的标准。污水排放标准的同趋严格是目前普遍的发展趋势，以控制富 营养化为目的的氮、磷脱除已成为城市与工业污水处理的主要目标。而我国的 研究与应用只有近十年的时间，其仅有的几个工程应用先例也仅仅是引进或沿 用国外的成熟工艺技术成果。因此目前亟需研究、开发符合我国国情的城市污 水和工业废水特点的高效低耗脱氮除磷工艺技术和相应成套设备，为实施“节能 减排”的可持续发展战略，并保证我国我省国民经济与社会的快速健康发展提供 技术支持。 因此，如何对传统的生物脱氮除磷工艺进行改进，在低碳源条件下提高脱 氮除磷的效果，使之尽可能满足排放标准的要求，是目前一项水处理领域亟待 解决的难题。近年来，随着近代生物学的发展以及人们对自然界氮磷循环的再 认识和高新生物技术的掌握，使得传统污水脱氮除磷理论有了很大突破，由此 开发了许多新的工艺和技术路线，如短程硝化一反硝化、同步硝化反硝化、亚硝 化厌氧氨氧化脱氮，同时脱氮除磷、反硝化除磷等，都为低碳源的废水高效、 低耗脱氮除磷处理提供了新的思路，并通过实验室实验和相应、局部工业化试 验获得了极有应用的景的试验研究成果。但是，由于这些工艺的过程、反应均 极为复杂，影响因素众多，因此相关各现象的机理和操作控制条件等仍然不十 分明确，给实际工程应用造成了一定的困难，目前大部分研究仍然停留在实验 室小试和工业化试验阶段。如果能将这些优秀的理论成果应用于实际的污水处 i 绪论 理系统中，将会有效解决低碳源条件下污水脱氮除磷效率不高的问题，获得良 好的环境效益、经济效益和社会效益。 1 2 生物脱氮除磷工艺的研究现状 1 2 1 生物脱氮除磷机理及过程 1 2 1 1 生物脱氮机理及过程 污水生物处理过程中氮的转化包括氨化、同化、硝化和反硝化过程，最终 污水中以有机氮、氨氮形式存在的氮被转化为氮气从污水中脱除，这就是生物 脱氮【l 】。其基本过程就是污水中有机氮经氨化作用转化为氨氮，继而经硝化作用 转化为硝态氮，然后硝态氮通过反硝化作用被还原成气态氮从水中逸出，从而 达到污水脱氮的目的。如果废水中的氮只存在硝态氮，仅需反硝化作用就可达 到脱氮的目的1 2 1 。生物脱氮的过程中氮的转化如图1 1 所示【引。 硝 化 有机氮 l ( 蛋f 1 质、尿素) 。 l 一一1 细菌分解 及水解 r 一 r 一一一1r 一。 - - - t l 氨氮一她一c 勰，hc 嘉臻l 堑墨 一 溶解及臼氧化 i 厂一上一二- 。 j 弧硝酸盐 i一一 有机物( 碳源) 图1 1 生物脱氮过程中氮的转化 f i g i 1c h a n g e so f n i t r o g e nf o r m si nt h eb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s 1 氨化作用 2 厂j一、flllil l 绪论 氨化作用，是在生物处理过程中氨化细菌将有机氮氧化为氨氮。有机氮中 的蛋白质可以作为微生物的基质，在蛋白质水解酶的催化作用下水解为氨基酸， 氨基酸在脱氨基酶作用下产生脱氨基作用转化为氨氮。在自然界中，氨化细菌 的种类很多，主要是：好氧细菌有枯草芽孢杆菌、巨大芽苞杆菌、蜡状芽孢杆 菌等，兼性厌氧菌有变形杆菌、假单胞菌等、厌氧有腐败梭状芽孢杆菌、生孢 梭状芽孢杆菌等1 4 , 5 】。 氨化细菌的降解方式分为好氧和厌氧两种情况。在好氧条件下，主要有两 种降解方式，一种是氧化酶催化下的氧化脱氨。另一种是某些好氧菌在水解酶 的催化作用下能水解脱氮反应；在厌氧条件或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼 性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的 氨化反应。主要发生如下反应： ( 有氧条件下) r c h n h ，c o o h + 0 2 - - - hr c o o h + c 0 2 + n h l ( 缺氧条件下) r c h n h ，c o o h + h ，- - - - hr c h ，c o o h + n h s 2 硝化作用 硝化作用是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程。硝化作用是由一群自养型好氧 微生物完成的，它包括两个基本反映步骤，第一阶段是由亚硝酸菌将氨氮转化 为亚硝酸盐( n 0 2 。) ，称为亚硝化反应，亚硝酸菌中有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸 螺旋杆菌属和亚硝化球菌属等。第二阶段则有硝酸菌将亚硝酸盐进一步氧化为 硝酸盐，称为硝化反应，硝酸菌有硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属等【“7 1 。 亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌，均是好氧自养菌，需要充足的溶解氧才 能生长。它们利用c 0 2 、c o s 厶、h c ( h 。等无机碳化合物作为碳源，从氧化n h 3 、 n h 4 + 、n 0 2 中获得能量。亚硝酸菌和硝酸菌的特性可见下表1 1 f 3 】。由表可见， 硝酸菌与亚硝酸菌相比世代期较长，生长速度较慢，因此，亚硝酸菌更易适应 水质水量的变化和其他不利的环境条件。 3 l 绪论 表l - l 皿硝酸菌和硝酸菌的特性 t a b 1 1c h a r a c t e r i s t i c sb c t w 饯2 nn i t r o s o m o n a sa n dn i t r o b a c t e r 硝化作用中的第一、第二阶段的反应式分别为： ：+ 1 38 2 d 2 + 1 9 8 2 h c o ；寸 0 9 8 2 n 0 24 - 1 0 3 6 h 2 0 + 1 8 9 1 h 2 c 0 34 - 0 0 l8 c 5 7 0 2 n 何+ 0 4 8 8 0 24 - o 0 01 h 2 c d 34 - o 0 0 3 h c o ；+ o 0 0 3 n h ；寸 n o ；+ 0 0 0 8 h 2 0 + o 0 0 3 c 5 日7 0 2 n 硝化过程中第一、第二阶段的合成及氧化的总反应式为： ：+ 1 8 6 0 24 - 1 9 8 2 h c 0 ；寸 0 9 8 2 n 0 3 - 4 - 1 0 4 4 h2 04 - 1 8 8 l h 2 c 0 3 + o 0 21 c 5 h7 0 2 n 由上述反应式计算得知，在硝化反应过程中，将l g 氨氮氧化为硝酸赫需要 4 5 7 9 氧( 其中亚硝化反应需耗氧3 4 3 9 ，硝化反应需耗氧1 4 1 9 ) ，同时约需耗 7 1 4 9 重碳酸盐碱度( 以c a c 0 3 计) ，以平衡硝化产生的碱度。 3 反硝化作用 反硝化作用是由一群异养性微生物完成的生物化学过程。它的主要作用是 在缺氧( 无分子念氮) 的条件下，将硝化过程中产生的亚硝酸盐和硝酸盐还原 成气态氮( n o 、n 2 0 或n 2 ) i 们。 4 1 绪论 反硝化菌主要有假单胞菌属、反硝化杆菌属、螺旋菌属和无色杆菌属等， 是一类化能异养兼性缺氧型微生物。有分子态氧存在时，反硝化菌氧化分解有 机物，利用分子氧作用最终电子受体。在无分子态氧条件下，反硝化菌利用硝 酸盐和亚硝酸盐中的n 5 + 和n 3 + 作为电子受体，0 2 。作为受氢体生成h 2 0 和o h 。碱 度，有机物则作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。 反硝化过程中亚硝酸盐和硝酸盐的转化是通过反硝化细菌的同化作用和异 化作用来完成的。异化作用就是将n o z 。和n 0 3 。还原为n o 、n 2 0 、n 2 等气体 物质，主要是n 2 。而同化作用是反硝化菌将n 0 2 和n 0 3 还原成n h 3 - n 供新细 胞合成只用，氮成为细胞质的成分，此过程可称为同化反硝化【引。 以甲醇为基质时，m c c a r t y 等人实验测得的计量关系为【l o 】： 研+ 0 6 7 c h 3 0 h + 0 5 3 h 2 c d 3 0 4 8 n 2 个+ 1 2 3 h 2 0 + c 0 2 + o h 一4 - 0 0 4 c s h 7 d 2 n o ；+ 1 0 8 c h 3 0 h + 0 2 4 h 2 c 0 3 斗 0 4 7 n 2 个+ 1 6 8 h 2 d + c d 2 + o h q - 0 0 5 6 c 5 h 7 d 2 这一反应式表明，每i gn 0 3 刊被反硝化，将消耗2 4 7 9 甲醇( 约合 3 7 9 c o d ) ，产生0 4 6 9 新细胞，产生3 5 7 9 碱度( 以c a c 0 3 计) 。 当外界环境中有机物缺乏时，氢、n a s 等无机物也可作为反硝化作用的电 子供体，此外微生物还可进行内源反硝化即通过内源呼吸消耗自身的原生质， 反应式如下1 8 j ： c ；月r 7 d 2 + 4 6 n 0 ； 2 8 2 个+ 1 2 h 2 d + 5 c 0 2 + 4 6 0 h 一 1 2 1 1 生物除磷机理及过程 所谓生物除磷，是利用聚磷菌一类微生物过量地从外部环境摄取磷( 在数 量上超过其生理需要) ，并将其以聚合形态贮藏在菌体内，通过剩余污泥排出系 统外，达到从污水中除磷的效剁i i l 。 在好氧和缺氧条件下聚磷菌( p a o s ) 摄取磷，并以聚磷酸盐的形式储存。 在厌氧条件下，p a o s 能分解其细胞内的聚磷酸盐而产生三磷酸腺苷( a t p ) ，从 而摄入废水中的脂肪酸等小分子量的有机物并以聚一b 羟基丁酸盐( p h b ) 和糖 原等有机颗粒的形式储存起来，同时释放磷。在好氧条件下，p a o s 利用p h b 氧化分解所释放的能量来过量摄取废水中的磷，并将其聚合成聚磷酸盐而储存 s 1 绪论 在细胞中。总体地说，聚磷菌在好氧环境中摄取的磷量比厌氧环境中释放的磷 量要多，即吸磷量大于释磷量，而这正是污水生物除磷最主要的特征。生物除 磷机理可见图1 2 l 引。 厌氧段 好氧段 a d p 婚p a t pa d p 生 有机碑3 父释蟛无机礴无机磷过蟛有机碑 k l 聚磷蔫 li 聚磷菌 i 溶解质夕飞成弋s 卜p h b p l l b7 飞盹机物 a t p a d p a d p 试一“ i 确j ： 樗泥同流 ( 富碑) 图1 2 生物除磷过程中磷的转化 f i g i 2c h a n g e so fp h o s p h o r u sf o r m si nt h eb i o l o g i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s 生物除磷过程中细菌吸收大量磷酸盐，磷酸盐作为碳源储备，在厌氧状态 下用于吸收底物，在好氧及缺氧条件下重新形成磷酸盐储存物。这是一个循环 过程，细菌交替释放和吸收磷酸盐。许多细菌可以承担这一过程，不仅仅限于 不动杆菌属，还有假单细胞菌属、气单胞菌属、棒杆菌属、着色菌属、脱氮微 球菌属等均有过量除磷能力【1 2 】。 1 9 9 3 年，荷兰d e l f t 科技大学的k u b a 等在试验中观察到：在厌氧缺氧交替 运行的条件下，易富集一类兼有反硝化及除磷作用的兼性微生物，该微生物能 利用氧气和硝酸盐氮作为电子受体，其基于胞内p h b 和糖原质上的生物代谢作 用与传统a o 法中的p a o s 相似【1 3 1 。后来，荷兰d e l f t 科技大学和同本东京大学 研究人员确认了这种反硝化菌的生物强化除磷作用，并称之为反硝化聚磷菌 ( 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 c r i c a ，简称为d p b ) 1 4 1 。 1 厌氧释磷作用 在没有溶解氧和硝念氮存在的厌氧条件下，兼性细菌通过发酵作用将溶解 性b o d 转化为v f a s ( 低分子发酵产物挥发性有机酸) 。聚磷菌吸收这些或来 自原污水的v f a ，并将其运送到细胞内，同化成胞内碳能源储存物( p h b p h v ) ， 所需的能量来源于聚磷的水解以及细胞内糖的酵解，并导致磷酸盐的释放【1 5 】。 在厌氧条件下，聚磷酸盐的降解形式如下所示： 6 1 绪论 2 c 2 h 4 n 0 2 + 脚d 3 ( 聚磷) + h 2 0 一( c 2 乩n 0 2 ) 2 ( 贮存的有机物) + p d 4 3 一+ 3 + 2 好氧吸磷作用 在好氧区，聚磷菌的活力得到恢复，并以聚磷的形式存储超出生长需要的 磷量，通过p h b p h v 的氧化代谢产生能量，用于磷的吸收和聚磷的合成，能量 以聚磷酸高能键的形式捕积存储，磷酸盐从液相去除。产生的富磷污泥( 新的 聚磷菌细胞) ，将在后面的操作单元中通过剩余污泥的形式得到排放，从而将磷 从系统中除去。从能量角度来看，聚磷菌在厌氧状态下释放磷获取能量以吸收 废水中溶解性有机物，在好氧状态下降解吸收的溶解性有机物获取能量以吸收 磷，在整个生物除磷过程中表现为p h b 的合成和分解。在好氧条件下，聚磷酸 盐的积累形式如下所示： c 2 4 d 2 + o 16 n h 4 + + 1 2 0 2 + o 2 p q p 一0 1 6 c 5 h 7 n 0 2 + | 2 c 0 2 + o 2 胛q ( 聚磷) + 0 4 4 0 h 一十1 4 4 h 2 d 3 反硝化吸磷作用 在无游离氧的条件下，可利用硝酸盐氮中的氧进行呼吸，将硝酸盐氮还原 为氮气或n 2 0 。同时，在一定条件下，还可大量地吸收磷，当厌氧段混入硝酸 盐时，一部分易降解碳源被反硝化利用，对聚磷菌释放磷产生不利影响。其反 应式为l i 】： c 2 l d 2 + o 16 n h 4 + + o 9 6 n 0 3 。+ o z e o , 卜 一0 1 6 c 5 马n 0 2 + 1 2 c 0 2 + o 2 h p 0 3 ( 聚磷) + 1 4 0 h 一+ o 4 8 n 2 + 0 9 6 h 2 0 1 2 2 典型生物脱氮除磷工艺 1 2 2 1a 2 0 及其改进工艺 a 2 o 工艺是a n a c r o b i c a n o x i c o x i c 的简称，它是在a o 工艺的基础上增设 了一个缺氧区，具有同步脱氮除磷的功能( 1 6 1 。工艺流程如下图1 3 所示。污水首 先进入厌氧区，兼性厌氧发酵细菌将污水中可生物降解的有机物转化为v f a ( 挥 发性脂肪酸类) 这类低分子发酵中间产物。而聚磷菌可将其体内存储的聚磷酸 盐分解，所释放的能量可供好氧的聚磷菌在厌氧环境下维持生存，另一部分能 量还可供聚磷菌主动吸收环境中的v f a 类低分子有机物，并以p h b ( 聚肛羟基 丁酸盐) 的形式在其体内储存起来。随后污水进入缺氧区，反硝化菌就利用好 7 l 绪论 氧区回流混合液带来的硝酸盐，以及污水中可生物降解有机物作碳源进行反硝 化，达到同时降低b o d 5 与脱氮的目的。接着污水进入曝气的好氧区，聚磷菌在 吸收、利用污水中残剩的可生物降解有机物的同时，主要是通过分解体内储存 的p h b 释放能量来维持其生长繁殖。同时过量的摄取周围环境中的溶解磷，并 以聚磷的形式在体内储积起来，使出水中溶解磷浓度达到最低。而有机物经厌 氧区、缺氧区分别被聚磷菌和反硝化细菌利用后，到达好氧区时浓度已相当低， 这有利于自养型硝化菌的生长繁殖，并通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐。 遗水 出水 射余污泥 图1 3 a 2 o - t 艺流程图 f i g ! 3f l o wd i a g r a mo f a 2 0p r o c e s s 为了避免a 2 o 中回流污泥中的硝化液对释磷的影响，丌发了改良型a 2 o 工艺，即在厌氧池之l ； 增设厌氧缺氧调节池，1 0 左右的进水和二沉池的回流 污泥进入该池，停留时间为2 0 3 0 m i n ，微生物利用进水中的有机物还原回流污 泥中的硝态氮，避免硝态氮对厌氧池的干扰，从而保证其稳定性。其工艺流程 如图1 4 所示。 避柬 9 0 冠台液目谴 叫黛 厌氧沧r 叶敏氯油h好池( 硝化)o11 污呢嗡氍 图1 4 改良型 2 o ：【= 艺流榉图 f i g 1 4f l o wd i a g r a mo fi m p r o v e dt y p ea 2 op r o c e s s 传统a 2 o 工艺把厌氧区放静、厌氧区置后，即优先满足除磷的需要，但这 种做法是以牺牲反硝化效率为前提的，而且除磷本身并不是脱氮除磷的最终目 的。因此，在这种情况下提出了一种新的碳源分配方式并由此形成了倒置a 2 o r i 绪论 工艺。其工艺流程如图1 5 所示。其特点主要有：缺氧区位于前端，优先满足 反硝化需求，进一步加强了系统的脱氮能力；简化了回流方式，流程更加简 洁，宜于投资和推广；聚磷菌厌氧释磷后直接进入好氧吸磷，具有“饥饿效 应 优势。 避水 1 似叫巍 壁璺塑卜1堑苎塑! 堕竺! 污死目漉 图1 5 倒置a 2 o 工艺流程图 f i g 1 5f l o wd i a g r a mo fr e v a 暑e da 2 op r o c e s s 1 2 2 2u c i 及其改进工艺 u c t ( u n i v e r s i t yo f c a p e t o w n ) 工艺是开普敦大学开发的一种类似于a 2 o 工艺的一种脱氮除磷工艺，工艺流程如图1 6 所示f 1 7 1 。u c t 工艺实质是改变了 a 2 o 工艺的回流机制。与a 2 o 工艺的不同之处在于二沉池污泥是回流至缺氧 池而不是回流到厌氧池，减少了进入厌氧池的硝酸盐和溶解氧含量，从而提高 系统的除磷效率。增加了缺氧池到厌氧池的混合液回流，避免了回流污泥中 大量硝酸盐对厌氧池的冲击。 透承 i 亏涩回波【0 5 q ) 图1 6u c t ：j ：艺流程图 f i g 1 6f l o wd i a g r a mo fu c t p r o c e s s 出水 泥 与a 2 o 工艺相比，u c tt 艺在适当的c o d e r f i k n 比例下，缺氧区的反硝 化可使回流至厌氧区的混合液中硝酸盐含量接近于零。当进水c o d c r t k n 较高 时，缺氧区可能不足以实现完全的反硝化，仍会有部分硝酸献进入厌氧区，因 9 1 绪论 此又产生m u c t 工艺。m u c t 工艺是将u c t 工艺的缺氧区分为两部分，第一 缺氧池接受二沉池回流污泥，同时将该反应池的混合液回流至厌氧池；第二缺 氧池接纳硝化混合液回流，大部分反硝化反应在此完成，其工艺流程见图1 7 所 示。 盟合液凰i 型汕丽 1 0 0 ，6 2 0 0 ，)混合液回流( 1 0 0 _ 2 0 傩 缺氧池 污泥回流( 5 0 s - l o o s )i 剩余污泥 图1 7 m u c t 工艺流程图 f i g 1 7f l o wd i a g r a mo fm u c t p r o c e s s 1 2 2 3 氧化沟工艺 氧化沟脱氮功能是可以在氧化沟内完成的，比如有缺氧带的c a r r o u s e l 氧化 沟工艺就可在单一池内实现部分反硝化作用；也可以把缺氧池独立设置来达到 脱氮的功能；对于要求除磷的则可增加厌氧池来满足：对于同时脱氮除磷的则 相应增加缺氧池和厌氧即可。总而言之，氧化沟可以根据需要组合成a o 和a 2 o 或其他脱氮除磷工艺。另外，由于氧化沟图特的技术经济优势，从而产生了一 系列脱氮除磷技术与氧化沟技术相结合的污水处理工艺流程【i 】。 1 3 生物反应过程动力学研究现状 1 3 1 生物反应过程概论 1 3 1 1 生物反应过程的主要特征 1 微生物是该反应过程的主体。微生物虽小，但却扮演着重要的角色。首先， 微生物是反应过程的生物催化剂；同时，它又如同微小的反应器，过程主要在 微生物体内完成。因此，微生物的特性及其在反应过程中的变化，将是生物反 应过程的关键因素。 2 微生物反应的本质是复杂的酶催化反应体系。微生物体内所进行的一切分 解和合成反应，可统称为代谢作用。不管是同化作用还是异化作用，都是通过 一系列有序的反应来完成的。而且生物体内的一切化学反应几乎都是在酶催化 i o l 绪论 下进行的。 3 微生物反应是非常复杂的反应过程。这种复杂性主要表现在以下几个方 面。反应体系中有细胞的生长，基质的消耗和产物的生成，三者的动力学规 律既有联系，又有明显的差别。微生物反应有多种代谢途径。生物反应过 程中，细胞的形态、组成、活性都处在一动态变化过程【1 引。 1 3 1 2 生物反应过程的计量学 化学计量学是对化合物的组成和化学反应转化程度的数量化研究，它与反 应热力学和动力学一起共同作为反应工程学的基础。根据化学计量学，可以知 道有关反应过程中各反应组分组成的变化规律，各种代谢反应之问的数量关系。 但是，生物反应具有复杂的特性，不能用摩尔摩尔的对应关系表示计量关 系，只能用近似系数表达的反应( 计量) 式。因此m o n o d 提出了一种非常简单 的方法，通过引入产率系数y 的概念，作为描述生物反应中计量关系的宏观参 数。 y 是指被微生物所利用的底物所产生( 合成) 的活性微生物量( 以v s s 表 示) 【1 9 1 。其数学表达式为： y = 竺 ( 1 1 ) 厶s 式中，从一活性微生物量的增量； 丛一被微生物所利用的底物。 一般认为：y 实际上是变数。它与碳源及营养元素的氧化还原态、底物的 聚合程度、代谢途径、增殖率等因素有关。 1 3 2 生物反应过程动力学 5 0 年代中期，在微生物增殖理论得到较广泛应用的基础上，国外在生物处 理动力学方面做了不少工作，深入地研究了底物( 有机物) 和微生物( 活性污 泥和生物膜) 增殖的规律，以便更合理地进行生物处理构筑物的设计和运行。 生物处理是一个复杂的生物化学过程。该过程既包括细胞内的生化反应， 也包括胞内和胞外的物质交换，还包括胞外的物质传递及反应。该体系具有多 相、多组分、非线性的特点。多相指的是体系内常含有气相、液相和同相；多 组分是指在培养液中有多种营养成分，有多种代谢产物产生，在细胞内也有具 l 绪论 有不同生理功能的大、中、小分子化合物；非线性指的是细胞的代谢过程通常 需要用非线性方程来描述。因此，要面对这样一个复杂的体系就行精确的描述 几乎是不可能的。为了工程上的应用，首先要进行合理的简化，在简化的基础 上建立方程的物理模型，再据此推出数学模型。 在研究活性污泥动力学时，一般均作下列一些假设： ( 1 ) 除特别注明外，都认为曝气池内物料是充分混合的； ( 2 ) 入流底物浓度不随时间而变； ( 3 ) 进入曝气池的原污水中不含有微生物固体；、 4 ) 微生物在二次沉淀池中没有活性，不进行代谢活动； ( 5 ) 二次沉淀池中污泥没有累积，且固、液分离良好； ( 6 ) 进水中所有可生物降解的底物均为溶解性的； ( 7 ) 整个处理系统是在稳定状态下运行的。 活性污泥法反应动力学可以定量或半定量地揭示系统内有机物降解、污泥 增长、耗氧等作用与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系。它主 要包括【1 9 】： ( 1 ) 基质降解动力学，涉及基质降解与基质浓度、生物量等因素的关系； ( 2 ) 细胞生长动力学，涉及微生物生长与基质浓度、生物量、增长常数等因 素的关系； ( 3 ) 底物降解与生物量增长、底物降解与需氧、营养要求等关系。其中，细 胞生长动力学是活性污泥反应动力学的核心。 很多学者根据各自研究的成果提出了许多关于描述这类关系的半经验半理 论的表达式，并在实践中不断地得到补充和修正。下面主要介绍动力学基础表 达式：米门公式和莫诺方程式。 1 米门公式 1 9 1 3 年，米凯利斯( m i c h a e l i s ) 和门坦( m c n t o n ) 二人在前人工作的基础 上，采用纯酶做了大量的动力学实验研究，并根据中间产物学说，通过理论推 导和实验验证，提出了含单一基质单一反应的酶促反应动力学公式，称米歇利 斯门坦方程式，简称米门公式【2 0 l ，即： 1 ，q r 嚣 “2 ) 1 2 l 绪论 式中：，一酶促反应中底物生成的反应速率；一产物生成的最高速率； k 。一米氏常数( 又称饱和常数，半速常数) ，在数值上等于反应速 率为最大速率一半时所对应的底物浓度； s 一基质浓度。 2 莫诺方程式 1 9 4 2 年，m o n o d 发现均衡生长的细菌的生长曲线与活性酶催化的生化反应 曲线相似。1 9 4 9 年，m o n o d 发表了一项在静态反应器中经过系统研究得出的结 果，该研究将细胞比生长率和限制生长的基质浓度功能性地关联起来，这种关 系与米门方程有关酶反应的动力学模型是一致的【2 1 1 ，即： 。筹 ( 1 3 ) 式中：微生物的比增殖速率，k g v s s k g v s s d ； 一基质达到饱和浓度时，微生物的最大比增殖速率； s 一反应器内的基质浓度，m g l ； k 一饱和常数，也是半速常数。 一般而言，该模型是针对单一微生物，但是也被用于混合微生物组成的系 统。 以m o n o d 方程为基础的污染物质降解动力学模型原则上需要满足以下三个 条件： 第一，微生物以单一污染物质作为基质： 第二，微生物处于平衡生长状态： 第三，在降解和生长过程中没有毒性存在。 然而，大多数实际微生物处理系统和自然环境中微生物过程并不符合这样 的条件。首先，实际过程中多数污染物质同时存在，而且污染物质在降解过程 中产生的中间产物也作为基质得到再利用。其次，微生物在实际过程中往往不 能够得到平衡的生长，此时微生物的活性与微生物的数量并不成比例，微生物 的数量并不代表微生物的活性一定高。尤其是在快速生长过程中，细胞内的各 种组分并不是以平衡的形式协调生长，这种不平衡导致m o n o d 模型的失败。另 外非常重要的一点是降解过程中的毒性问题，尤其是对于难降解污染物质。有 些污染物质本身具有很强的毒性，有些污染物质本身虽然没有毒性，但是在降 l 绪论 解过程中会产生毒性中间产物，毒性往往会严重影响微生物的活性。因此根据 实际情况，需要对m o n o d 方程式进行修正以适应具体的处理条件。 由式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) ( 即米门公式和莫诺方程式) 相比较，两者十分类 似。在一切生化反应中，微生物增长是底物降解的结果，彼此之间存在着一个 定量关系。由式( 1 1 ) 可得： y ：丛：垒茎! 垒! ss at 式中：y ：些微生物增长速度； at ：了v 微生物比增长速率： 2 丁假生叨比瑁长避翠： ：一v 或y ：竺! 茎：丝 ( 1 4 ) y，x v y = 垒a 旦t 底物降解速度； y ：上一底物比降解速度 x y 产率系数；x 微生物浓度。 由式( 1 4 ) ，= y - y 以及= y 带入式( 1 3 ) ，得： 卜胪卜，矗，胪哥 5 ) 式中：l ，及为底物的比降解速度及其最大值，s 为底物浓度，k 为饱和常数。 式( 1 5 ) 和式( 1 3 ) 是废水生物处理工程中目前常用的二个基本的反应动 力学方程式。在m o n o d 方程的基础上，随之产生了艾肯费尔德( e c k e n f e l d e r ) 、 劳伦斯和麦卡蒂( l a w r e n c e - m cc a r t y ) 和麦金尼( m c k i n n e y ) 三大动力学模型。 但这些动力学模型尚属于静态模型，且仅包括了碳源有机物的去除。在实践中， 我们可以根据情况修正动力学方程式并结合物料衡算，应用到废水生物处理工 程的科研，设计和运行管理的领域中去 2 0 l 。 1 4 课题的主要目的与研究内容 1 4 1 课题的主要目的 在当前城市污水脱氮除磷处理的严格要求及发展趋势情况下，基于氮磷循 环和城市污水脱氮除磷途径与机制，结合具体城市污水脱氮除磷工艺及其控制 条件和参数，探索研究生物处理部分各功能区域中存在的一系列反应过程以及 反应程度，率定脱氮除磷动力学模型的主要动力学参数并进行结果验证，进而 提出系统优化设计、运行的重要数据，即为城市污水的高效、低耗脱氮除磷工 1 4 l 绪论 艺在工程中应用提供技术支持。 1 4 2 课题的研究内容 以实际城市污水为研究对象，结合郑州市某污水处理厂二期工程生物处理 部分一改良型c a r r o u s e l 氧化沟工艺，主要有以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 在实际进水水质和现状设施运行状态下，对改良型卡鲁塞尔氧化沟工艺 生物池进行同步水质和工艺操作参数的监测。 ( 2 ) 结合实际进出水水质和工艺操作参数，对其生物池各主要功能区域进行 物料衡算和过程分析，得出主要的反应过程及反应程度，同时得出氮磷相关参 数的沿途变化曲线。 ( 3 ) 物料平衡方程与各过程动力学方程相结合，对各模型进行参数率定。并 通过模拟值与实测值的对比确定其吻合度，进而为后续的相关工程应用提供依 据。 ( 4 ) 分析目前工艺中尚存在的问题并提出解决途径。 1 5 2 试验t 艺、内容和研究方法 2 试验工艺、内容和研究方法 2 1 试验工艺、运行参数 2 1 1 试验工艺 试验在郑州市某污水处理厂二期工程进行，二期工程生物处理部分采用改 良型c a r r o u s e l 氧化沟工艺。c a r r o u s e l 型氧化沟系多沟串联系统，在沟体内存在 缺氧区和好氧区，但是缺氧区要求的充足的碳源和缺氧条件不能很好地满足， 因此，脱氮效果不是很好