（环境工程专业论文）多点交替进水阶式a2o工艺氮磷强化去除技术与机理.pdf

摘要多点交替进水阶式a 2 o 工艺氮磷强化去除技术与机理东南大学能源与环境学院研究生：许卓指导教师：朱光灿副教授摘要多点交替进水阶式a 2 o 脱氮除磷工艺通过转换进出水位置实现污泥和混合液的循环流动及混合液的自动回流。与普通a 2 o 工艺相比，具有无混合液回流设备、污泥回流量少、运行方式灵活、维护管理方便等优点。通过对本工艺特性及除污染机理的分析研究，优化了工艺运行方式，探讨了实时控制的可行性。主要结果如下：在固定阶段时间的传统运行模式下，反应器周期运行，每周期分六个阶段，以实际城市生活污水为处理对象，在水温8 1 0 、水力停留时间1 6 2 0 h 条件下，各阶段适宜的运行时间分别为3 h 、2 5 h 、2 h 、3 h 、2 5 h 和2 h 。稳定运行时，除t p 外，出水水质基本能达到国家一级a 排放标准。降低前好氧池曝气量可以增强工艺同步硝化反硝化效果，试验条件下，前好氧池适宜曝气量为0 1 5 m 3 h ，d o 稳定在0 6 o 8 m g l , 。当主体段( 阶段一、四及阶段二、五) 缺氧池与厌氧池进水量分配比为1 ：2 ，且阶段二4 舯也和阶段五2 拌池少量进水时，出水水质可达到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 ) 一级a 标准。进水碳源不足时，通过外加碳源控制进水c n 在5 “之间，能够满足氮磷去除要求。装置中具备反硝化除磷菌生长的条件，存在反硝化除磷现象。优化前好氧池曝气量、进水量分配方式、泥龄后，以城市生活污水为进水，处理出水c o d o 、t n 、n h 4 + - n 、t p 平均为3 5 m g l 、1 1 1 m g l 、1 7 m g l 、0 4 8 m g l ，达到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 ) 一级a 标准。与传统运行方式相比，t n 与t p去除率分别提高了1 6 9 和1 5 3 ，曝气量降低了3 0 ，表明本工艺具有良好的节能减排效果。装置中各池反应过程与状态参数相关性较好。硝化反应结束时，p h 及o r p 由上升趋于平缓，d o 上升到阶段内的第二个平台期。反硝化结束时，p h 趋于平缓并略有下降，o r p 明显下降。释磷作用一般在o r p 低于1 0 0 m v 时出现，释磷结束后o r p 曲线由下降趋于平缓。因此可根据状态参数的变化对本工艺进行实时控制，并提出实时控制策略。优化的多点交替进水阶式a 2 o 工艺具有明显的节能效应与稳定高效的脱氮除磷效果，适合c n 比普遍较低的我国城镇生活污水的处理，适用于新建污水厂及原有污水厂的提标改造，出水水质可达到一级a 标准，并可有效降低曝气及混合液与污泥回流能耗。关键词：多点交替进水阶式a 2 o 工艺；脱氮除磷；同步硝化反硝化( s n d ) ；反硝化除磷；节能降耗：实时控制基金项目：2 0 0 8 年教育部科学技术研究重大项目( 3 0 8 0 1 0 泥水自循环型脱氮除磷新工艺技术与机理)2 0 0 7 年江苏省太湖专项( b s 2 0 0 7 1 1 4 节能型泥水自循环污水除磷脱氮深度处理装冒及技术)2 0 0 8 年江苏省科技支撑计划项目( b e 2 0 0 8 6 6 7 城镇污水深度处理节能减排新技术6 j f 究与示范)东南人学硕i ：学位论文t e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s mo fs t e pa 2 oa c t i v es l u d g ep r o c e s sw i t hc o m m u t a t i v em u l t i l n f l u e n tf o re n h a n c e dp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a ls c h o o lo fe n e r g y & e n v i r o n m e n t , s o u t h e a s tu n i v e r s i t yx uz h u os u p e r v i s o r ：z h ug u a n g - c a na b s t r a c tm i x e dl i q u i da n ds l u d g ea r er e c i r c u l a t e da u t o m a t i c a l l yb yi o c a t i o nt r a n s i t i o no fi n l e ta n do u t l e ti ns t e pa 2 0p r o c e s sw i t hc o m m u t a t i v em u l t i i n f l u e n tw a s t e w a t e ra n da c t i v es l u d g e c o m p a r e dw i t hc o m m o na c t i v es l u d g es y s t e m ，t h i sp r o c e s sm a k e sah i i g hp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a lw i t h o u tm i x e dl i q u i dr e c i r c u l a t i o ns y s t e m ，a n dw i t hl e s ss l u d g er e c i r c u l a t i o n r u n n i n gm o d ea n dc o n t r o l l i n gs t a t ec a nb ea d j u s t e dc o n v e n i e n t l y b ys t u d yo nt h et e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s mo fs t e pa 2 op r o c e s sw i t hc o m m u t a t i v em u l t i i n f l u e n tw a s t e w a t e ra n da c t i v es l u d g ef o re n h a n c e dp h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nr e m o v a l ，t h ec i r c u l a t em o d eo ft h i st e c h n o l o g yh a sb e e no p t i m i z e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo f r e a l - t i m ec o n t r o lh a sb e e nd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：u n d e rt h ef i xt i m er u n n i n gm o d e ，t h es e t t i n go fr u n n i n gt i m ef o ra l lt h es i xp h a s e ss h o u l db e3 h ，2 5 h ，2 h ，3 h ，a n d2 5 h 2 h u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo f8 - 10d e g r e e sc e n t i g r a d e ，a n dw a t e rr e t e n t i o nt i m eo f16 - 2 0 h ，w h e nt h ee f f l u e n tq u a l i t yw a sr e l a t i v e l ys t e a d y , i tc o u l dr e a c ht h ef i r s tc l a s sg r a d eao fn a t i o n a ld i s c h a r g es t a n d a r dg b18 918 - 2 0 0 2f o rp o l l u t a n t so fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n te x c e p tt h a tt pc o u l do n l yr e a c hg r a d eb i tw i l le n h a n c et h e e f f e c to fs n db yd e c r e a s i n ga n t e r i o ra e r a t i o nq u a n t i t y t h eo p t i m a la n t e r i o ra e r a t i o nq u a n t i t yw a s0 15 m 3 h a n dd oi na n t e r i o ra e r a t i o nt a n kw a ss t e a d i l ya r o u n d0 6 - 0 8m g l w h e nt h ei n f l u e n tq u a n t i t yr a t i oo fa n o x i ct a n kt oa n a e r o b i ct a n ki np r i n c i p a lp h a s ew a s1 ：2 t h ep r o c e s sw o u l dg e tab e t t e rr e m o v a le f f e c to fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t a k es o m ei n f l u e n tt ot a n k4i np h a s e2s h o u l di m p r o v et h ep h o s p h o r u sr e l e a s er a t ei nt a n k4 ，s oa st oi m p r o v et h ee f f l u e n tq u a l i t y i ft h ec a r b o ns o u r c ei sl a c k ，t h et r e a t m e n te f f e c to fa d d i n ga c e t i cs o d i u ma sc a r b o ns o u r c ei sb e t t e rt h a na d d i n gg l u c o s e t h ea d d i n gq u a n t i t ys h o u l dm a k et h ec no fi n f l u e n tt o5 - 6 t h r o u g hv a l i d a t ee x p e r i m e n ta n dm a t e r i a lb a l a n c ec a l c u l a t i o n 。i tp r o v e dt h a tt h e r ew e r eal o to fd p a o s ( d e n i t r i f y i n gp o l y p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ) i ts h o w st h a tt h i st e c h n o l o g yi sp r o v i d e dw i t ht h eg r o w i n gc o n d i t i o nf o rd p a o s a f t e rt h eo p t i m i z eo fa n t e r i o ra e r a t i o nq u a n t i t y , i n f l u e n tm o d e ，s l u d g er e t e n t i o nt i m e ，a n ds oo n ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fu r b a nw a s t e w a t e r , c o d c r , in ，n h 4 + - n ，t pi ne f f l u e n ti sl o w e rt h a n4 0 7 m g l ，12 2 m e c l ，2 0 m g l ，a n d0 5 m g lr e s p e c t i v e l y , w h i c hi sl o w e rt h a nt h ef i r s tc l a s sg r a d eao fn a t i o n a ld i s c h a r g es t a n d a r dg bi8 918 - 2 0 0 2f o rp o l l u t a n t so fm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lr u n n i n gm o d e ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft na n dt pi si n c r e a s e d16 9 a n d15 3 r e s p e c t i v e l y , a n dt h ea e r a t i o nq u a n t i t yi sd e c r e a s e df o r3 0 t h ec o n t r o l l i n gp a r a m e t e r , s u c ha sd o ，o r p , p h ，s h o w e dag o o dp e r t i n e n c ew i t ht h ec h a n g e so fw a t e rq u a l i t y w h e ni tc o m e st ot h ee n do fn i t r a t i o n ，t h ec u r v eo fp ha n do r pw i l lg of l a tf r o mr i s i n g a l s ot h ec u r v eo fd ow i l lr i s et ot h es e c o n df l a t w h e ni tc o m e st ot h ee n d o fd e n i t r i f i c a t i o n ，t h ec u r v eo fp hw i l lg of l a t t h ec u r v eo fo r pw i l ld r o pe v i d e n t l yt h er e l e a s eo fa b s t r a c tp h o s p h o r u sw i l la p p e a rw h e no r pi sl o w e rt h a n lo o mv a f t e rt h ep h o s p h o r u sr e l e a s ei sc o m p l e t e d ，t h ec u r v eo fo r pw i l lg of l a tf r o mf a l l i n g a l lo fa b o v es h o w st h a tw ec a l lu s et h e s ep a r a m e t e rf o rr e a l - t i m ec o n t r o lo f t h i st e c h n o l o g y a l s ow eb r i n gf o r w a r dt h er e a l t i m ec o n t r o l l i n gm o d e t h i st e c h n o l o g yi sp r o v i d e dw i t he v i d e n c ee f f e c to fs a v i n ge n e r g ya n dn i t r o g e na n dp h o r s p h o r u sr e m o v a l i ti sf i tf o rt h et r e a t m e n to fu r b a nw a s t e w a t e rw i t hl o wc ni nc h i n a t h eq u a l i t yo fe f f l u e n to ft h i st e c h n o l o g yc o u l dr e a c ht h es t a n d a r di nc h i n aw i t h o u ta d d i n gc a r b o ns o u r c e a f t e rr e c o n s t r u c to ft r a d i t i o n a la 2 0p r o c e s sw i t ht h i st e c h n o l o g y , t h ea e r a t i o nq u a n t i t ya n de n e r g yc o n s u m p t i o no fr e f l u e n c ew o u l db e r e d u c e de f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：s t e pa 2 0p r o c e s sw i t hc o m m u t a t i v em u l t i i n f l u e n t ；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 ；s n d ( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ) ；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 ；e n e r g ys a v i n g ；r e a l - t i m ec o n t r o li i l东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。研究生签名：茜壹导师签名：日期：砷f ；7第一章绪论1 1 研究背景第一章绪论1 1 1 我国水环境质量和水污染现状我国人均水资源短缺，只相当于世界人均水平的1 4 i lj ，而水污染日趋严重的局面更加重了水资源的危机。目前我国有9 0 以上的城市水域污染严重，近5 0 的重点城镇水源水质不符合标准【2 i ，城市地下水5 0 以上受到严重污染。水污染正从东部向西部发展，从支流向干流延伸，从城市向农村蔓延，从地表向地下渗透，从区域向流域扩散。 2 0 0 7 年中国环境状况公报1 3 1 显示，2 0 0 7 年我国地表水污染依然严重。七大水系总体水质与上年持平，1 9 7 条河流4 0 7 个断面中，i 1 i i 类、i v - v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 9 9 、2 6 5 和2 3 6 ，总体处于中度污染状态，主要污染物为氨氮、石油类和五日生化需氧量。2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足i i 类水质的2 个，l i i 类的6 个，i v 类的4个，v 类的5 个，劣v 类的1 1 个，主要污染物为总氮和总磷。在监测的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的2 个，中度富营养的3 个，轻度富营养的9 个，“三湖”( 太湖、巢湖、滇池)均为v 类或劣v 类。近岸海域水质总体为轻度污染，水质比上年略有下降，四类和劣四类占海水比例的2 5 4 ，比上年上升1 1 个百分点，主要污染物是无机氮、磷酸盐和铅。赤潮发生次数比2 0 0 6 年减少1 2 ，累积发生面积较2 0 0 6 年减少4 1 。 咧( )口l - l l l 类m i v 、幞- 燃黄河图1 1 1 七大水系水质类别比例表1 1 全国近年废水和主要污染物排放鼙统计【3 4 】项目废水排放量( 亿吨)化学需氧量排放量( 万吨)氨氮排放量( 万吨)年度合计工业生活合计工业生活合计工业生活2 0 0 14 3 2 92 0 2 62 3 0 31 4 0 4 86 0 7 57 9 7 31 2 5 24 1 38 3 92 0 0 24 3 9 52 0 7 22 3 2 31 3 6 6 95 8 4 07 8 2 91 2 8 84 2 18 6 72 0 0 34 6 0 02 1 2 42 4 7 61 3 3 3 65 1 1 98 2 1 71 2 9 74 0 48 9 32 0 0 44 8 2 42 2 1 12 6 1 31 3 3 9 25 0 9 78 2 9 51 3 3 04 2 29 0 82 0 0 55 2 4 52 4 3 12 8 1 41 4 1 4 25 5 4 88 5 9 41 4 9 85 2 59 7 32 0 0 65 3 6 82 4 0 22 9 6 61 4 2 8 25 4 2 38 8 5 91 4 1 34 2 59 8 82 0 0 75 5 6 72 4 6 53 1 0 21 3 8 1 81 3 2 33 4 09 8 3东南大学硕士学位论文历縻蕈度富7 养j荔隔历中度富营养钐缓缓囫荔绣笏勿髟荔髟羽叨防轻度富营养l阏i冒lll鐾ll国雪薹l鋈粪雪熏薹l雪l雪霎弱图i 1 2 重点湖( 库) 营养状态指数根据表1 1 近年废水及主要污染物排放统计表显示，工业废水和生活污水排放量一直在增加，但2 0 0 7 年在废水排放量比上年增加3 7 的情况下，c o d c ，总排放革比上年下降3 2 ，氨氮总排放量比上年下降6 4 ，说明我国这一年的污染治理是有所成效的。但目前我国城市污水处理率仍然较低，相当比例的污水直接排放，加剧了目前水体污染严重的局面。近年来，尽管国家和地方每年都投入巨资，但到目前为止水体富营养化的程度仍然有增无减1 5 1 。另一方面，城市污水处理是高能耗行业，据统计，城市污水处理厂消耗的能源主要包括电、燃料及药剂等潜在能源，其中电耗占总能耗的7 0 以上1 6 1 。这不仅加剧了我国现阶段的能源危机，也造成了污水处理厂运营成本高，进而影响到污水厂建设和持续运行的积极性。我国污水处理工作依然面临十分严峻的挑战，污水处理的达标减排以及节能降耗已经成为社会发展的必然要求。1 1 2 水体富营养化的危害与原因富营养化是湖泊水体老化的自然现象，在自然条件下，湖泊由贫营养湖演变成富营养湖，进而发展成沼泽地和旱地，这一历程需要几万年甚至更长时间，但若受到氮、磷等植物营养性物质的污染后，可以使富营养化程度大大加速。这种演变同样可以发生在近海、水库甚至水流较缓慢的江河。富营养水体藻类疯长，尤其是在高温季节，疯长的藻类覆盖水面，隔绝水面与大气的复氧，加上藻类自身死亡和腐化，消耗溶解氧，使水体溶解氧迅速降低。藻类堵塞鱼鳃与缺氧，造成鱼类死亡。死亡的藻类与鱼类不断沉积于水体底部，逐渐淤积，最终导致水体演变成沼泽甚至旱地。藻类生长的限制因素是氮和磷，其含量通常决定着藻类的收获量，水体中氮、磷营养盐类的增加也就成为藻类过度生长的主要原冈【卜1 0 】。总的来讲，富营养化是氮磷等营养物质进入水体并造成藻类异常增殖的结果，尤其是在有机物污染得到有效的控制之后，氮、磷成为水体中藻类繁殖的主要限制因素【1 1 ，1 2 1 。发达国家在污水二级处理很完善的情况卜仍旧存在富营养化问题的原冈就在于此。生活污水和农业面源污染是我国水体中氮、磷的主要来源，滇池由生活污水排入的氮磷负荷占水体总氮磷负荷的5 5 1 和6 8 6 j ，太湖由生活污水带来的氮磷负荷比重分别为3 5 3 5 和5 9 6 5 【1 4 l 。2千岛湖密云水库门楼水库董铺水库松饱湖崂山水库丹江口水库于桥水库大伙房水库昆明湖西湖玄武湖人明湖东湖洱海鄱阳湖洞庭湖南川湖洪泽湖博斯腾湖镜泊湖达赉湖白洋淀巢湖滇池太湖要控制水体的富营养化现象的发生，就必须强化污水的脱氮除磷措施，减少排入水体的氮、磷总量。1 1 3 水体中氦磷的来源进入水体的氮磷营养来源是多方面的，包括自然因素和人为因素两个方面【l5 1 ，自然因素是技术上难以控制或需耗费大量的人力物力经济上难以接受，如湖泊底泥营养盐向水体的释放等1 16 】；但由人类活动的人为因素产生的氮、磷则可以控制，主要包括：1 ) 农业面源污染。人工合成的化学肥料和农药是水体中氮磷的重要来源。施入农田的肥料只有一部分被农作物吸收，未被吸收的氮、磷肥料超过5 0 甚至8 0 i l 。有机肥料也可能经微生物分解，成为可溶性有机盐，然后进入地下水或江、河、湖、海。面源污染要通过科学施肥、开发和推广无磷农药以及采取生态修复工程米加以缓解和解决。2 ) 点源污染。未经处理工业废水( 特别是化肥、焦化、洗毛、制革、印染、食品、肉类加工、石油精炼及煤加1 二工业废水等) 和生活污水氮磷含量相当高l l 引，如果直接进入江、河、湖、海，很容易引起藻类过度生长。采用常规二级处理t 艺的污水处理厂( 包括生活污水和工业废水) ，排放的尾水中含有相当数鼋的氮、磷。常规= 艺中有机氮、磷被微生物氧化分解为氨氮、硝酸盐和磷酸盐等，除构成微生物细胞的组成外，其余的都随出水排入水体。这是污水经过二级处理但城市河道依然出现藻类大量生长、水体黑臭的重要原因之- - 1 1 1 ，1 9 】。因此，要有效解决水环境污染及水体富营养化问题，必须提高污水处理率并采用高效脱氮除磷工艺，减少氮、磷向水体的排放量。1 2 课题来源本课题来源于2 0 0 8 年教育部科学技术研究重大项目( 3 0 8 0 1 0 泥水自循环犁脱氮除磷新工艺技术与机理) 、2 0 0 7 年江苏省太湖专项( b s 2 0 0 7 11 4 节能犁泥水自循环污水除磷脱氮深度处理装置及技术) 以及2 0 0 8 年江苏省科技支撑计划项目( b e 2 0 0 8 6 6 7 城镇污水深度处理节能减排新技术研究与示范) 。本研究以已开发的多点交替进水阶式a 2 o 工艺为基础，以强化氮磷去除为目的，通过运行方式与工艺参数的调整，建立优化的自控方案，寻求更高的氮磷去除率，降低处理能耗，为我国生活污水处理提供同步脱氮除磷新型工艺，尤其为太湖流域污水处理厂提标改造提供备选方案。1 3 生物脱氮除磷理论与工艺1 3 1 传统的生物脱氮除磷理论1 3 1 1 生物脱氮基本原理及其影响因素污水脱氮方式有物化脱氮和生物脱氮方法，物化脱氮有吹脱、离子交换、折点加氯、电渗析、反渗透等方法，工艺复杂，成本较高，一般适用于含氮量比较高的工业废水、垃圾渗滤液等，城市污水含氮量般在几十毫克每升，多采用生物脱氮方法。污水中的氮主要以有机氮化合物( 如蛋白质、氨基酸、尿素、脂类、硝基化合物等) 和氨氮两种形式存在，通常只含有少量或没有硝酸盐和硝酸盐形式的氮。传统生物脱氮是一种将3东南大学硕十学位论文污水中的含氮物质逐步稳定转化为氮气的方法，主要包括氨化、硝化和反硝化三个过程1 2 0 l 。脱氮总过程如下：有机氮先通过氮化菌的异养作用，即氨化作用，成为氨氮，在这个过程中氨化菌为厌氧或好氧反应，需要有机物的存在，碱量增加；接着氨氮通过皿硝酸菌和硝酸菌的自养作用，即硝化作用，成为硝氮，这个过程为好氧反应，不需要有机物的存在，碱量减少：最后硝氮通过反硝化菌的异养反硝化作用成为n 2 0 或n 2 而脱离水体，最终去除水中的氮。具体步骤如下：1 ) 氨化反应有机氮化合物在氨化细菌的作用下分解，转化为氨态氮，这一过程称为“氨化反应”。以氨基酸为例，其反应式为：r c h n h2 c o o h + 0 2j 咝br c o o h + c 0 2 + n h 32 ) 硝化反应在硝化细菌的作用下，氨态氮进一步分解、氧化，就此分两个阶段进行。首先，在亚硝化细菌的作用f ，使氨州h 4 + ) 转化为弧硝酸氮，反应式为：n h j + 3 0 2 蔓堕生专n o ；- + 2 h2 0 + 2 h + 一a f ( a f = 2 7 8 4 2 k j )亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮，其反应式为：n o ；+ o2 一业bn o ；一a f ( a f = 7 2 2 7 k j )二硝化反应总反应式为：n h j + 2 0 2 一一n o ；+ h2 0 + 2 h 十一a f ( a f = 3 5lk j )影响硝化反应的各项冈素：溶解氧：d o 浓度将影响硝化反应速率和硝化菌的比增长速率。一般应维持混合液中的d o 为2 3 m g l 为宜，当d o 低于0 5 - 0 7 m g l ，硝化反应过程将受剑抑制1 2 1 1 ，但近来许多研究表明，低d o 值有利于n 0 2 的积累，实现亚硝化1 2 。温度：硝化反应的最适宜温度范阐是3 0 3 5 c ，温度不但影响硝化菌的比增长速率，还影响其活性。在5 - 3 5 c 的范围内，硝化速率随温度的升高而加快，但到3 0 后增加幅度减小。当温度低于5 c 时，硝化反应几乎停止。对于同时去除有机物和进行硝化反应的系统，温度低于1 5 时即发现硝化速率迅速降低1 2 工川。p h 值：由于硝化反应要消耗碱度，当污水中碱度不足时，随着硝化的进行，p h 值会急剧下降。通常，硝化菌生长的p h 值范围为5 8 - 8 5 ，最适生长的p h 范围7 5 8 0 ，属于嗜碱菌例。生物固体平衡停留时间( 污泥龄) ：为使脱氮过程中的硝化菌能在反应器中存活并维持一定的数量，微生物在反应器中的停留时间，即污泥龄必须大于硝化菌的最小世代时间。理论上，污泥龄大于3 d 就可获得满意的硝化效果，但实际上脱氮系统只有当污泥龄通常控制在1 0 2 5 d 左右，脱氮才不受影响1 2 m 。进水b o d 负荷和有机物性质：对于硝化而言，由于硝化菌是自养专性好氧菌，其比增长速率明显低于异养菌。若b o d 5 t k n 过高，会使生长速率较高的异养菌迅速繁衍，从而抑制硝化菌的生长而最终影响硝化效梨2 7 j 。一般认为，b o d s 应控制在2 0 m g l 以下，且b o d负荷应控制在0 0 6 0 1k g b o d s k g m l s s d 的水平。有毒有害物质：一些重金属、氰化物、砷化物等有毒物质、过高浓度d f j n h 4 + n 、一些有机物以及络合阳离子等对硝化反应有抑制作用。这主要表现在干扰细胞的新陈代谢和破坏细胞最初的氧化能力两个方面。因此在污水的生物脱氮过程中应注意对这些有毒有害物质4第一章绪论浓度的控制。一般来说，同样的毒害物对亚硝化菌的影响较对硝化菌的影响更强烈，反硝化菌对毒害物的敏感性要比硝化菌低得多。3 ) 反硝化反硝化反应是指硝酸氮州0 3 。n ) 和哑硝酸氮州0 2 。- n ) 在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮洲2 ) 的过程。一一，幸l q 0 2 - m 毛0 h + 有机体( 同化反硝化)h 哂n 0 2 - +m o- 卜b ( 异化反硝化)影响反硝化反应的各项冈素：碳源：一般认为当废水q b b o d 5 t n 值 3 5 时，即可认为碳源充足，勿需外加碳源。p h 值：反硝化过程最适宜的p h 值范围为7 0 8 5 ，不适宜的p h 值会影响反硝化菌的生长速率和反硝化酶的活性。当p h 值高于8 5 或低于6 时，反硝化速率会明显下降。溶解氧：对于反硝化而言，当同时有分子态氧和硝酸盐时，反硝化菌会优先进行有氧呼吸降解有机物而抑制了硝酸盐的还原，还会抑制无氧呼吸酶的合成及活性，所以溶解氧对反硝化过程有很人的影响。一般认为，系统混合液中d o 应保持在0 5 m g l 以下，反硝化过程才能正常进行。温度：反硝化作用可在5 - 3 5 。c 之间进行，并反硝化速率随着温度的升高而加快。当温度低于1 0 c 时，反硝化菌的增值速率降低，反硝化速率明显下降，低于3 c 时，反硝化作用停止。进水b o d 负荷和有机物性质：反硝化脱氮速率受碳源类型影响较大，当碳源为易生物降解的溶解性有机物( 甲醇、乙醇及葡萄糖等) 时，反硝化速率最快：当碳源为可慢性生物降解的有机物( 淀粉、蛋白质等) 时，反硝化速率减缓；当碳源为细菌细胞质成分( 内碳源) 时，反硝化速率最慢。一般认为，当污水中的b o d 5 t k n 为5 8 时，可认为碳源充足，不须另外投加碳源，否则应补充投加适当的碳源( 一般以甲醇为主) 。1 3 1 2 生物除磷基本原理及其影响因素污水除磷方式有化学除磷和生物除磷，化学除磷方法有化学沉淀、离子交换、反渗透、电渗析等方法，其中以化学沉淀法用得最多，化学沉淀法使用药量较大，处理费用较高，且产生大量难以处置的化学污泥，实际应用中多作为生物除磷的辅助方法，如p h o s t r i p 俱l j 流除磷工艺。自2 0 世纪5 0 年代，研究者发现活性污泥具有超常摄磷能力后，各种生物除磷工艺层出不穷，生物除磷方法已经成为城市污水处理的主导工艺。活性污泥中的聚磷菌在厌氧状态下将菌体内的聚磷酸盐分解，磷酸盐释放到溶液中，聚磷酸盐分解过程中释放能量供聚磷菌吸收乙酸、丙酸等低分子有机物以p h b ( 聚p 羟基丁酸盐) 形式贮存在菌体内。在好氧条件下，聚磷菌消耗体内贮存的p h b ，释放能量，吸收体外的磷酸盐合成聚磷酸盐，通过剩余活性污泥排出将磷从处理系统去除。1 ) 聚磷菌磷的释放在厌氧的条件下，聚磷菌体内的a t p 进行水解，放出h 3 p 0 4 和能量，形成a d p ，即：a t p + h 2 0 a d p + h 3 p 0 4 + 能量这样，聚磷菌具有在好氧条件下，过剩摄取h 3 p 0 4 ，在厌氧条件下释放出h 3 p 0 4 的功能。2 ) 聚磷菌磷的过剩摄取在好氧条件下，聚磷菌有氧呼吸，不断氧化体内储存的有机底物。同时也不断从外部环境向其体内摄取有机物，用于氧化分解，放出能量。能量为a d p 所获得，并结合h t 0 4 而合成a t p ( 三磷酸腺苷1 。即：a d p + h 3 p 0 4 + 能量a t p + h 2 05东南大学硕上学位论文h 3 p 0 4 除- d , 部分是聚磷菌分解其体内聚磷酸盐而取得的外，大部分是聚磷菌将外部环境中的h 3 p 0 4 摄入体内的。摄入的h ，p o 。一部分用于合成a t p ，另一部分则用于合成聚磷酸盐。3 ) 影响聚磷菌磷释放的各项冈素溶解氧：一般厌氧段的d o 应严格控制在0 2 m g l 以下，因为一旦d o 浓度较高，d o 将作为电子受体而抑制发酵产酸菌的发酵产酸作用，同时还将诱导好氧菌和其他兼性菌进行有氧呼吸降解有机物，从而减少了p a o s 所需要的v f a s 产生量，造成除磷效果变差。在好氧段，为满足p a o s 对其储存的p h b 的降解，d o 控制在2 0 m g l 左右，以释放足够的能量供其自身增殖和过量吸磷之需。p h 值：生物除磷的适宜p h 值人致范围是6 5 8 0 ，当p h 值低于6 5 时生物除磷的效果会大大降低12 1 。污泥龄：对除磷而言，由于生物除磷系统的本质是排除富磷剩余污泥，因此剩余污泥量的多少直接决定系统的除磷效果。通常认为污泥龄越长，污泥的活性就越低，污泥的产率也越低，相应的污泥中的含磷量就越少，而去除单位重量磷所需要的b o d 就会越多。所以，仅以除磷为目的的生物污水处里系统污泥龄一般为3 5 7 d 。进水b o d 负荷和有机物性质：分子量较小的易降解的有机物( 如低级脂肪酸类物质)易于被p a o s 利用，诱导释磷能力较强，而高分子难降解的有机物诱导释磷能力较弱。所以，进水中是否有足够适宜的有机基质提供给p a o s 合成p h b ，是关系至j j p o a s 在厌氧条件下能否顺利生存的重要因素。一般认为，当进水b o d 5 厂r p 达到2 0 时，出水t p 可达到1 m g l 以下【2 8 】。厌氧区的硝态氮：如果厌氧区存在硝酸盐成分，一方面会被在除磷过程中担负发酵产酸作用的气单胞菌利用作为电子受体进行反硝化，抑制其对溶解性b o d 的发酵产酸作用；另一方面，反硝化菌会与p o a s 竞争污水中有限的溶解性b o d ( 特别是v f a s ) 并优先于p o a s以这些有机物为电子供体进行反硝化。结果使p o a s 无法得剑足够v f a s ，从而抑制其释磷及对厌氧产物p h b 的合成能力，使系统除磷效果下降，甚至遭到破坏 2 8 , 2 9 。为保证厌氧区的高效释磷，一般应将n 0 3 - n 浓度控制在o 2 m g l 以下【2 驯。释放效果对吸收的影响：一般认为，释放效果越好，吸收效果越好，但这种释放必须以有效释放为前提。其它影响因素：温度，有毒物质等因素对除磷也有影响。1 3 2 生物脱氮除磷系统中存在的矛盾及缓解措施生物法脱氮需要涉及氨化、硝化和反硝化，除磷要涉及释磷、吸磷等过程。不同的过程对微生物组成、基质类型及环境条件的要求也不一样。由于各过程的要求不同，在同一污水处理工艺系统中就不可避免的存在各种矛盾关系p ，主要有：1 ) 泥龄的矛盾硝化菌通常都属于自养型专性好氧菌，其突出特点是繁殖速度慢，世代时间长，必须维持长泥龄才能使硝化菌充分增殖，达到高硝化率；生物脱氮工艺泥龄一般控制在3 - - 一5 d 以上，甚至1 5 2 0 d ，较长的泥龄可增加系统的硝化能力，并减轻有毒物质的抑制作用，而反硝化菌是兼性菌，反硝化所需的泥龄主要取决于需要反硝化的硝酸盐与可利用的b o d 的比值，其所需泥龄比硝化菌小的多。聚磷菌世代时间短，且生物除磷的唯一途径是排出剩余污泥，泥龄越长，污泥的含磷率越低，还会出现有机物不足而使污泥发生自溶现象，导致除磷效率降低，因此为了达到良好的除磷效果就必须保持较高的污泥排放量，因而系统的泥龄不得不降低。针对此矛盾一般所采取的措施是把系统的泥龄控制在一个较窄的范围内，兼顾脱氮和除6第一章绪论磷的需要，这种做法在实践中证明是可行的。也有采用活性污泥法与生物膜法的结合的方法。由于硝化卤要求长泥龄、低负荷，而反硝化菌要求短泥龄、高负荷，活性污泥法和生物膜法可以分别实现反硝化菌和硝化菌的生理需求，因此将活性污泥法和生物膜法相结合可以强化污水生物脱氮效果。2 ) 硝酸盐问题在厌氧释磷区如果存在硝酸盐会严重影响聚磷菌的释磷效率，冈为微生物利用硝态氮作为最终电子受体进行厌氧呼吸能获得更多的能量，也就不会有低分子脂肪酸的产生。即使进水中存在这样的低分子脂肪酸，硝态氮作为异养微生物的最终电子受体，也会导致乙酸盐等低分子有机物的消耗，结果聚磷菌几乎得不到所需的低分子脂肪酸，严重影响聚磷菌的释磷效率。当进水中易降解c o d 数量较少、污泥的含磷量义不高时，硝酸盐的存在甚至会导致聚磷菌的直接吸磷。u c t 工艺、改良u c t 工艺及改良a 2 o 工艺都是在解决硝酸盐问题上所采取的有效的工程措施。3 ) 碳源问题脱氮除磷系统中碳源主要消耗丁：释磷、反硝化和异养菌正常代谢等方面，释磷过程与有机质的种类、含量关系极大，聚磷菌优先吸收分子量较小的低级脂肪酸类物质，易于聚磷菌吸收的有机质充足有利丁获得良好的除磷效果：反硝化以硝酸盐为电子受体，有机质为电子供体，将硝酸盐中的氮转化为氮气从废水中释放出来。实际1 = 程中，反硝化菌主要利用易生物降解的有机物为碳源，所以释磷和反硝化的反应速率都与进水碳源中的易降解部分尤其是挥发性脂肪酸的数量关系很大，而污水中的易降解c o d 数量十分有限，因此造成反硝化菌和聚磷菌对于碳源的竞争。为了解决碳源问题的不足，在生物脱氮除磷工艺中增加初沉污泥发酵设计，初沉污泥发酵产生大量挥发性脂肪酸，补充入除磷厌氧池，使除磷效果大大提高。1 3 3 新型生物脱氮除磷机理为提高氮磷去除率，很多学者从改善硝化、反硝化和生物除磷的环境条件入手，提出了多种新型的脱氮除磷工艺，如m a 2 0 、倒置a 2 0 、m s b r 、改良u c t 等工艺。但这些工艺并没有解决碳源不足的问题，而且增加了同流措施，意味着增加了提升泵的电耗。基于脱氮除磷系统内的矛盾，近年发现并研究了一系列新型的脱氮除磷技术，这些新技术不仅能够提高氮磷去除率，并且可以从多方面降低污水处理能耗。1 ) 同步硝化反硝化国内外有较多研究表明有氧条件下在不同的生物处理系统中有同步硝化反硝化现象( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，s n d ) 发生【) l 姐j ，即硝化反应和反硝化反应可以在同一操作条件下于同一反应器内进行。与传统生物理论相比，s n d 具有以下优点：曝气量减少，降低能耗，能有效地保持反应器内的p h ；可减少反应器容积，简化了系统的设计和操作等1 3 3 】。关于同步硝化反硝化，目前主要有三种理论：1 ) 微环境理论认为在好氧环境中，生物絮体内部可能存在缺氧厌氧的微环境，该理论以自养硝化和厌氧反硝化为基础，即硝化发生在絮体的表面，而反硝化由于活性污泥絮体内的d o 梯度，发生在内层；2 ) 异养硝化和好氧反硝化理论，近年来发现了好氧反硝化菌，这些好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌，即好氧反硝化菌利用硝酸盐亚硝酸盐呼吸( 好氧反硝化) ，氨氧化( 这里指的是异养硝化，而不是传统意义上的自养硝化) ，以及在最后一步作为过量还原能量的累积过程形成聚p 羟基丁酸( p o l y p - h y d r o x y b u t y r i ca c i d ，p h b ) ；3 ) 中间产物理论则认为中间产物n 2 0 的逸出导致一部分总氮的损失。目前对7东南大学硕十学位论文s b r 反应器中s n d 过程研究最多。对s n d 技术还需继续开展碳源的组成与比例、絮体特性、好氧反硝化菌的特性、控制参数与方法、反应